专利名称：一种悬浮填料床处理城市污水的自动控制方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于环保技术领域，具体涉及一种悬浮填料床处理城市污水的自动控制方法及其装置。
背景技术：
随着全球人口的不断增加、社会的不断进步、城市化进程的加速，城市污水量急剧增加。为有效控制水体污染，我国制定了更为严格的污水排放标准，氨氮列入日常监测控制指标。处理氨氮的工艺流程很多，主要有A2/O工艺、SBR工艺及Phostrip工艺等，这些工艺的共同特点是占地面积大，氨氮去除时考虑较多的是提高水力停留时间从而加大反应池容积，而关于去除氨氮的自动控制方法较少。
悬浮填料生物反应器是近几年国内外研究的一种新的附着生长型生物膜反应器，其核心部分是一种特殊填料能在反应器中保持悬浮状态，微生物在填料表面上生长的过程中，填料是在水中充分流化，以保持微生物得以充分利用溶解氧和良好的传质条件，氨氮被氧化为硝态氮，部分硝态氮反硝化转化为氮气，完成脱氮过程。尽管国内对悬浮填料床的工艺运行与控制进行了较多的研究，但是仍存在许多问题，一直是悬浮填料床应用中的难点。主要存在以下问题(1)难于保证填料处于充分流化状态；(2)系统不能根据出水实现在线监测，及时调整运行工况，难于保证出水稳定性；(3)不能控制填料上生物膜的微生物种类，只能实现单一目标控制；(4)由于控制参数多，系统控制复杂；(5)系统抗冲击负荷能力差。
发明内容
本发明的目的在于提出一种操作简便、反馈迅速、节约运行费用、通过调节悬浮填料床内的曝气量从而控制溶解氧浓度的悬浮填料床处理城市污水的自动控制方法及其装置。
本发明提出的悬浮填料床处理城市污水的自动控制方法，是利用PC机对悬浮填料床处理城市污水装置的工作过程进行在线监测和控制，其中，PC机中的可编程序控制器执行系统操作指令，收集、存储系统参数氧溶解浓度、氮进出水浓度、总氮浓度，与来自数字量输入模块显示的在线监测数据比较，若在线监测数据超过其临界上、下限值，则数字量、模拟量输出模块发送指令，调节曝气系统的开启度和污泥回流量，从而控制污水溶解氧浓度、氨氮浓度、总氮浓度。
本发明主要是利用悬浮填料床处理城市污水，去除污水中的氨氮或总氮。污水从进水箱泵入悬浮填料床，曝气管设置于填料床的底部，曝气在填料床内使填料形成流化态，实现充氧和维持系统水质均匀，水力停留时间2--6小时。出水经沉淀池沉淀后排走。本发明进水箱安放液位计，采用低位报警，防止进水泵空转。进水端配备了在线氨氮监测仪，反映进水氨氮浓度的变化。进水管上装备电磁流量计，控制进水流量。在悬浮填料床的末端出口安放了在线溶氧仪和在线BioChem氨氮及在线NOx-N监测仪，监测出水的溶解氧浓度、氨氮及硝态氮浓度。污泥回流管上安放了电磁流量计控制回流量，以实现总氮控制目标。
本发明中，以氨氮进出水浓度为控制目标，设置在线溶氧仪和在线氨氮监测仪的上下限报警浓度。在线溶氧仪的上限浓度值为2--10mg/L、下限浓度值为0.0-0.5mg/L；在线氨氮监测仪进水上限浓度值为50--80mg/L、下限浓度值为0--15mg/L；在线氨氮监测仪出水上限浓度值为0--15mg/L、下限浓度值为0-3mg/L。进水泵将污水泵入悬浮填料床，曝气系统通过悬浮填料床底部的穿孔曝气管曝气，在悬浮填料床内使填料处于流化态，同时实现气液之间氧的传递，在线溶氧仪监测填料床内溶解氧的变化。在一定进水流量的范围内，根据进出水在线监测仪监测的氨氮浓度来调节曝气系统截止阀开启度，控制悬浮填料床内的溶解氧浓度，达到控制氨氮氧化过程的目标。如出水氨氮浓度高于系统设定的氨氮出水的上限值，则调节曝气截止阀的开启度，每次增加10--50％，间隔30--90分钟后，根据出水氨氮浓度再次进行判断，如出水氨氮浓度仍超出设定上限值，则继续增大曝气截止阀的开启度10--50％，如此循环。当在线溶氧仪监测到系统的溶解氧浓度超出系统设定的溶解氧上限浓度，则控制系统给出“系统氨氮负荷过高”的警告。利用增大污泥回流量或稀释进水氨氮浓度等方法来控制悬浮填料床内的氨氮负荷。如果出水氨氮浓度低于设定的出水氨氮浓度的下限，则相应减小曝气截止阀的开启度，每次减小10--50％，调整时间间隔为30--90分钟，再次监测判断。如果溶解氧浓度低于系统设定的下限值，则停止减小曝气量，给出“系统氨氮负荷过低”的警告，可以考虑增加系统氨氮负荷。因此通过系统程序的自我判断，动态调整曝气量和出水氨氮之间的关系，实现工艺优化，节约运行成本。
本发明中，以总氮为控制目标，在一定的进水流量情况下，设定溶解氧、混合液氨氮、混合液硝态氮等浓度的上、下限值，设定曝气调节阀开启度的上、下限值。溶解氧在线监测仪上限浓度值设定为2-10mg/L，下限浓度值设定为0--1mg/L；氨氮在线监测仪进水上限浓度值为50--80mg/L、下限浓度值为0--15mg/L；氨氮在线监测仪出水上限浓度值为0--15mg/L、下限浓度值分别为0--3g/L；出水硝态氮在线监测仪上限浓度值为30--50mg/L、下限浓度值为0-5mg/L。悬浮填料床内填料上的生物膜具有同时硝化和反硝化的功能，生物膜法控制混合液内溶解氧浓度为1～2mg/L可实现硝化和反硝化的过程。进水泵入悬浮填料床后，利用穿孔管曝气系统完成充氧过程，根据混合液的溶解氧浓度、氨氮浓度和硝态氮浓度来实现对出水总氮的自动控制。如果混合液的氨氮浓度超出设定的上限值，混合液硝态氮的浓度高于系统设定的上限值，混合液溶解氧的浓度低于系统设定的上限值，则可增大曝气调节阀10--50％的开启度，同时加大污泥回流量，每次增加10-40％。如果混合液氨氮浓度超出系统设定的上限值，混合液硝态氮的浓度低于系统设定的上限值，溶解氧浓度低于系统设定的上限值，则可以提高曝气调节阀10--50％的开启度，而保持污泥回流量不变。因此，根据同时硝化反硝化的工艺原理，利用在线监测仪器测定混合液氨氮、硝态氮和溶解氧浓度，系统共有6--10种自动控制判断方式，通过调节曝气系统曝气量和污泥回流量来完成对悬浮填料床处理系统的自动控制。
本发明提出的悬浮填料床处理城市污水的自动控制装置，由悬浮填料床反应器、PC机中的可编程序控制器11、信号模块组成，其特征在于信号模块由数字量输入模块10和数字量、模拟量输出模块12组成，数字量输入模块10、可编程序控制器11和数字量、模拟量输出模块12依次连接；悬浮填料床反应器的底部设有曝气管，悬浮填料床反应器的一端连接进水箱，进水箱处设置有液位计4，采用低位报警，防止进水泵空转，进水端处设有氨氮在线监测仪6、进水流量计1，控制进水流量，悬浮填料床反应器的末端出口处设有溶解氧在线溶氧仪5、在线氨氮监测仪6、在线硝态氮监测仪7；数字量输入模块10分别与进水流量计1、曝气系统截止阀3、污泥回流流量计2、进水箱液位计4、在线溶氧仪5、在线氨氮监测仪6、在线硝态氮监测仪7连接；数字量、模拟量输出模块12分别与进水泵8、回流泵9、曝气截止阀3连接。
本发明使用的可编程控制器为市售，如可采用SIMATIC S7-300，数字量输入模块为市售，如可采用SM321，数字量、模拟量输出模块为市售，如可采用SM322。
本发明工作过程为一个动态过程，能及时、准确地根据水质情况作出判断，既有利于自动控制工况运行，减少曝气量，节约运行成本，又能使悬浮填料床内的微生物的种类之间保持在一个良好的稳定状态，保证系统稳定运行。
本发明与传统悬浮填料床工艺的比较表
图1为本发明自动控制系统流程图。
图中标号1为进水流量计，2为回流流量计，3为曝气截止阀，4为液位计，5为在线溶氧仪，6为在线氨氮监测仪，7为在线硝态氮监测仪，8为进水泵，9为回流泵，10为数字量输入模块，11为可编程操作器，12为数字量、模拟量输出模块，13为PC机。
具体实施例方式
实施例1本控制系统采用SIMATIC S7-300可编程序控制器，中央处理单元为CPU315，数字量输入模块采用SM321，数字量、模拟量输出模块采用SM322。将某城市污水泵入悬浮填料床，系统以控制出水中的氨氮为控制目标。污水进水氨氮浓度为31.3mg/L，曝气截止阀开启度为30--40％，悬浮填料床内溶解氧浓度为1.9mg/L，经悬浮填料床生物处理后，氨氮在线监测仪测试出水氨氮浓度为11--18mg/L，大于系统设定出水氨氮浓度10--15mg/L的上限值。自动控制系统根据设定的控制程序增加截止阀的开启度，调整为30--50％，30--90min后，在线溶氧仪监测悬浮填料床内溶解氧浓度为2.2mg/L，在线氨氮监测仪测试氨氮浓度为8.5--10mg/L，小于出水氨氮浓度10--15mg/L的上限值，曝气量维持不变，30--90min后在线氨氮监测仪监测到出水氨氮浓度为8.2mg/L，在线溶氧仪测试溶解氧浓度为2.3mg/L。说明系统运行稳定。
实施例2本控制系统采用SIMATIC S7-300可编程序控制器，中央处理单元为CPU315，数字量输入模块采用SM321，数字量、模拟量输出模块采用SM322。将某城市污水泵入悬浮填料床，系统以控制出水中的氨氮为控制目标。污水进水氨氮浓度为52.1mg/L，曝气截止阀开启度为40--70％，悬浮填料床内溶解氧浓度为2.0mg/L，出水氨氮浓度为15--20mg/L。系统根据进水氨氮浓度给出报警信号“系统氨氮负荷偏高”。同时自动调节曝气截止阀开启度，调高到60--80％，30--90min后在线监测仪自动监测出水氨氮、溶解氧浓度分别为13--16g/L、2.7mg/L。出水氨氮浓度仍超出系统设定上限浓度，曝气截止阀开启阀自动调整到70--90％，30--90min后监测出水氨氮和溶解氧浓度分别10.5mg/L和3.4mg/L。当曝气截止阀开启度调大到80--90％，出水氨氮浓度为8.8mg/L，出水溶解氧浓度为4.2mg/L。系统给出报警“溶解氧浓度超出上限浓度”。系统自动减小曝气开启阀，调整曝气量，实现出水氨氮浓度和出水溶解氧浓度的动态平衡。
实施例3本控制系统采用SIMATIC S7-300可编程序控制器，中央处理单元为CPU315，数字量输入模块采用SM321，数字量、模拟量输出模块采用SM322。将某城市污水泵入悬浮填料床，系统以控制出水总氮为控制目标。污水进水氨氮浓度为30.4mg/L，硝态氮浓度为0.05mg/L。经悬浮填料床生物稳定处理后，悬浮填料床出水氨氮浓度为13--15mg/L，硝态氮浓度为1.5--5mg/L，溶解氧浓度为1.2--3mg/L，曝气截止阀开启度为20--40％。自动控制系统根据编写的判据作出判断，出水氨氮浓度大于系统设定的上限浓度，硝态氮和溶解氧浓度在设定的浓度范围内，因此增加系统曝气量，将曝气截止阀开启度增至30--50％，而保持污泥回流量不变。经过30--90min，在线仪器测定出水氨氮浓度为11--13mg/L，硝态氮浓度为1.5--4mg/L，溶解氧浓度1.6mg/L，系统再次调整运行工况，曝气截止阀开启度增大到40--60％，污泥回流量不变。30--90min后，在线仪器监测出水浓度，氨氮浓度为8--10mg/L，硝态氮浓度为2.1mg/L，溶解氧为2.0mg/L。系统将出水氨氮、硝态氮和溶解氧三者浓度调整到设定的范围内后，维持运行工况，如出水中氨氮、硝态氮和溶解氧三者中出现超过上限或低于下限则系统重新给出判断，进行自动控制。
权利要求
1.一种悬浮填料床处理城市污水的自动控制方法，其特征在于利用PC机对悬浮填料床处理城市污水装置的工作过程进行在线监测和控制，其中，PC机中的可编程序控制器执行系统操作指令，收集、存储系统参数氧溶解浓度、氮进出水浓度、总氮浓度，与来自数字量输入模块显示的在线监测数据比较，若在线监测数据超过其临界上、下限值，则数字量、模拟量输出模块发送指令，调节曝气系统的开启度和污泥回流量，从而控制污水溶解氧浓度、氨氮浓度、总氮浓度。
2.根据权利要求1所述的悬浮填料床处理城市污水的自动控制方法，其特征在于以氨氮进出水浓度为控制目标，在线溶氧仪的浓度上限值为2-10mg/L，下限值为0.0-0.5mg/L；在线氨氮监测仪进水上限值为50-80mg/L，下限值为0-15mg/L；在线氨氮监测仪出水上限值为0-15mg/L，下限值为0-3mg/L。
3.根据权利要求2所述的悬浮填料床处理城市污水的自动控制方法，其特征在于根据氨氮进出水浓度调整曝气截止阀的开启度，每次增加或减少10-50％，调整时间间隔为30-90分钟，根据出水氨氮浓度再次进行判断，如出水氨氮浓度仍超出设定上限值，则继续增大曝气截止阀的开启度10-50％。
4.根据权利要求1所述的悬浮填料床处理城市污水的自动控制方法，其特征在于以总氮为控制目标，在线溶氧仪的浓度上限值为2-10mg/L，下限值为0.0-0.5mg/L；在线氨氮监测仪进水浓度上限值为50-80mg/L，下限值为0-15mg/L；在线氨氮监测仪出水浓度上限值为0-15mg/L，下限值为0-3mg/L；在线硝态氮监测仪出水浓度上限值为30-50mg/L，下限值为0-5mg/L。
5.根据权利要求4所述的悬浮填料床处理城市污水的自动控制方法，其特征在于混合液的氨氮浓度超出设定的上限值，混合液溶解氧的浓度低于系统设定的上限值，则增大曝气调节阀的开启度10-50％，污泥回流量为每次增加10-40％。
6.根据权利要求4所述的悬浮填料床处理城市污水的自动控制方法，其特征在于混合液的氨氮浓度超出系统设定的上限值，混合液硝态氮的浓度低于系统设定的上限值，溶解氧浓度低于系统设定的上限值，提高曝气调节阀开启度10-50％，污泥回流量保持不变。
7.一种如权利要求1所述的悬浮填料床处理城市污水的自动控制装置，由悬浮填料床反应器、PC机(13)中的可编程序控制器(11)、信号模块组成，其特征在于信号模块由数字量输入模块(10)和数字量、模拟量输出模块(12)组成，数字量输入模块(10)、可编程序控制器(11)和数字量、模拟量输出模块(12)依次连接；悬浮填料床反应器的底部设有曝气管，悬浮填料床反应器的一端连接进水箱，进水箱处设置有液位计(4)，采用低位报警，防止进水泵空转，进水端处设有在线氨氮监测仪(6)、进水流量计(1)，悬浮填料床反应器的末端出口处设有在线溶氧仪(5)、在线氨氮监测仪(6)、在线硝态氮监测仪(7)；数字量输入模块(10)分别与进水流量计(1)、曝气系统截止阀(3)、污泥回流流量计(2)、进水箱液位计(4)、在线溶氧仪(5)、在线氨氮监测仪(6)、在线硝态氮监测仪(7)连接；数字量、模拟量输出模块(12)分别与进水泵(8)、回流泵(9)、曝气截止阀(3)连接。
全文摘要
本发明属于环保技术领域，具体涉及一种悬浮填料床处理城市污水的自动控制方法及其装置。本发明利用PC机对悬浮填料床处理城市污水装置的工作过程进行在线监测和控制，PC机中的可编程控制器执行系统操作指令，收集、存储系统工艺参数，与来自数字量输入模块显示的在线监测数据比较，若在线监测数据超过其临界上、下限值，则数字量、模拟量输出模块发送指令，调节曝气系统的开启度和污泥回流量，从而控制污水溶解氧浓度、氨氮浓度、总氮浓度。本发明工作过程为一个动态过程，能及时、准确地根据水质情况作出判断，既有利于自动控制工况运行，减少曝气量，节约运行成本，又能使悬浮填料床内的微生物的种类之间保持在一个良好的稳定状态，保证系统稳定运行。
文档编号C02F3/10GK1583598SQ20041002490
公开日2005年2月23日 申请日期2004年6月3日 优先权日2004年6月3日
发明者夏四清, 杨殿海, 陈玲, 赵建夫, 饶应福 申请人:同济大学