专利名称：前置反硝化污水处理装置、方法及其自动控制装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种污水生物处理工艺及其优化控制的方法与装置。特别是一种连续流生物脱氮工艺反硝化过程的自动控制装置和方法。
背景技术：
富营养化问题是当今世界面临的最主要的水污染问题之一。近年来，虽然我国污水处理率不断提高，但是由氮磷污染引起的水体富营养问题不仅没有解决，而且有日益严重的趋势。专家报道含有硝酸氮与亚硝酸氮的饮水、蔬菜、粮食、鱼等经人食用后，大量亚硝酸盐可使人直接中毒，而硝酸盐在人体内可被还原为亚硝酸盐，亚硝酸盐与人体血液作用，形成高铁血红蛋白，使人患上高铁血红蛋白症，可危及生命。亚硝酸盐在人体内与仲胺类作用形成亚硝胺类，它在人体内达到一定剂量时是致癌、致畸、致突变的物质，可严重危害人体健康。实践证明氮的去除是污水处理的难点和重点，只有利用生物脱氮技术才是最合理可行的。由于城市进水水质水量的巨大变化、以及季节性温度的变化等波动性因素的影响，导致生物脱氮效率不高，另外城市污水排放标准对出水总氮的要求逐渐严格。因此如何提高污水生物脱氮效率、优化工艺运行条件，解决日益严重的水污染问题，无论从节省资金、提高污水处理效果都有重大的理论意义和现实意义。
前置反硝化工艺，也就是A/O生物脱氮工艺，是我国城市污水处理厂应用最广泛的一种脱氮工艺，它最大的优点是可以充分利用进水中的可生物降解COD作为反硝化反应的碳源，能有效地同时去除COD和含氮化合物。该工艺需要两个步骤(1)硝化反应，即在好氧条件下将氨氮转化为亚硝酸氮或硝酸氮的过程；(2)反硝化反应，即在缺氧环境下以有机碳源为电子供体将硝化过程中产生的亚硝酸氮或硝酸氮转化为氮气的过程。硝化反应只是控制氮的转化形式，并不能实现氮的去除，反硝化反应才真正实现氮的有效去除，因此有效控制反硝化反应才能实现最大程度的脱氮。
现有前置反硝化工艺只是维持系统的正常运转，没有考虑系统的运行优化控制，造成我国城市污水处理厂的吨水耗电量是发达国家的近两倍，而运行管理人员数又是其若干倍。由于污水厂进水流量及水质的巨大波动，进水碳氮比有时相差6-10倍，很难确定外碳源的准确投加量，对前置反硝化工艺的研究也多以处理效果研究为主，对于优化工艺运行过程的诸多工况未给出明确的域值，尤其是未确定反硝化过程内循环回流量和外碳源投加量这两个参数的优化控制范围，给前置反硝化工艺获得良好的脱氮效果带来了实际困难，从而也就阻碍了该工艺的进一步推广应用。
发明内容本发明的目的是提供一种前置反硝化污水处理装置、方法及其自动控制装置与方法，解决前置反硝化工艺反硝化过程优化控制的问题；并解决优化控制内循环回流量和外碳源投加量的问题；还解决前置反硝化过程高效、低耗、稳定运行的问题。
本发明的技术方案这种前置反硝化污水处理装置，由缺氧池、好氧池和二沉池组成，其特征在于其缺氧池至少有一个格室，好氧池至少有两个串联的格室，缺氧区连通进水管，缺氧池内有搅拌器，好氧池内设有曝气器，二沉池与出水管连通，进水口连续进水，出水口连续出水，二沉池底部连接剩余污泥排泥管和污泥回流管，污泥回流管与进水管连通，其间连接污泥回流泵，好氧池出口与缺氧池入口之间连接内循环回流管和内循环回流泵，向缺氧池内还连通有外碳源投加管道和外碳源投加计量泵。
这种前置反硝化污水处理方法，其特征在于其运行步骤是(1)、待处理污水经进水管进入缺氧池；(2)、由缺氧池内的搅拌器把活性污泥搅拌起来，并和好氧池回流来的硝化液，以硝酸氮为电子受体、有机碳源为电子供体，通过反硝化菌的作用，进行反硝化除氮，通过调节内循环回流泵的开闭，维持缺氧池出水的硝酸氮处于1-3mg/L范围内；当缺氧池出水的硝酸氮浓度不能满足排放标准或出水硝酸氮浓度超出维持范围时，启动内循环回流泵，当出水硝酸氮浓度可以满足排放标准后，关闭内循环回流泵；(3)、缺氧池的出水进入好氧池，由鼓风机提供的压缩空气进入曝气器，以微小气泡的形式向活性污泥混合液高效供氧，使污水和活性污泥充分接触，利用活性污泥中的微生物对有机污染物进一步降解和完成含氮化合物的硝化作用；(4)、耗氧池出水最后进入二沉池，在此进行泥水分离，上清液通过出水管进行排放，而污泥在二沉池内进行浓缩，其中一部分从剩余污泥管排放，另一部分通过污泥回流管回流到缺氧池内。
在步骤(2)中，当缺氧池出水的硝酸氮浓度不能满足排放标准或出水硝酸氮浓度超出维持范围时，启动内循环回流泵和外碳源投加计量泵，向缺氧池进水处投加外碳源，当出水硝酸氮浓度可以满足排放标准后，关闭外碳源投加计量泵和内循环回流泵，并以出水硝酸氮浓度测定值和其设定值的偏差是否超过1mg/L来决定是否打开外碳源投加计量泵。
这种前置反硝化过程自动控制装置，其特征在于在缺氧池首端设置有呼吸计传感器，在缺氧池和好氧池内分别置有硝酸氮传感器；上述传感器经导线与呼吸测定仪和硝酸氮测定仪连接后与计算机数据信号的输入接口连接，计算机中设置有PID控制器，计算机的数据信号输出接口，经导线连接执行机构，执行机构的内循环回流泵继电器和外碳源投加计量泵继电器经接口分别与内循环回流泵的阀门、外碳源投加计量泵的阀门连接。
上述硝酸氮传感器设置在缺氧池出水或缺氧池最后格室；上述硝酸氮传感器设置在好氧池出水处或好氧池最后格室。
上述PID控制器是内循环PID控制器A、外碳源PID控制器B或内循环+外碳源联合PID控制器A+B。
上述的前置反硝化过程自动控制装置，其特征在于内循环PID控制器AQR(t)＝KP(SNO，AN(t)-SNO，AN，ref(t))+K1∫t2t1(SNO，AN(t)-SNO，An，ref(t))dt(1)6式中QR(t)代表内循环回流量，Kp代表内循环单独控制时的比例增益，值为15000，KI代表内循环单独控制时的比例增益，值为3×106。SNO，AN(t)代表缺氧区末端出水硝酸氮浓度测定值；SNO，AN，ref(t)代表缺氧区末端出水硝酸氮浓度设定值；外碳源PID控制器Bu(t)＝Q(t)-1/β[(SNO，In(t)-SNO，ref(t)-(Ss，in(t)-10)]+KP(SNO，measure(t)-SNO，ref(t))(2)式中t代表某一运行时间，u(t)为碳源投加量；β为常数0.12；Q(t)为进水量、内循环回流量和回流污泥量之和；SNO，in(t)为进水硝酸氮浓度；SNO，ref(t)为好氧区出水硝酸氮浓度设定值；Ss，in(t)为进水易于生物降解碳源浓度(可由呼吸计在线测定)；SNO，measure(t)为好氧区出水硝酸氮浓度的测定值；内循环-外碳源联合PID控制器(A+B)
其中内循环回流量由内循环PID控制器A控制，公式为(1)；外碳源投加量由外碳源PID控制器B控制，公式为(2)。
上述PID控制器的各参数值见下表
这种前置反硝化过程自动控制装置的前置反硝化过程自动控制方法，其特征在于[1]、用在线呼吸计传感器和硝酸氮传感器测定进水中可生物降解COD浓度、缺氧池末端和好氧池末端的硝酸氮浓度；比较测定值和实际设定值的偏差，使缺氧区末端硝酸氮浓度维持在设定值；[2]、内循环回流泵随时保持开启状态，根据进水水质和出水水质的要求动态调节内循环回流泵阀门开启度，从而调节内循环回流量；[3]、在低氨氮或高进水COD负荷下，此时外碳源投加计量泵处于关闭状态，只进行内循环回流量的控制，以缺氧区末端的出水硝酸氮浓度处于设定值1-3mg/L，内循环回流量最大值设定为进水量的5倍；[4]、当对出水水质要求较高，且进水氨氮负荷较高时，维持一个相对较高的内循环回流量，内循环回流比恒定取2.5-3.5之间的一个值或内循环回流量恒定，以维持缺氧区的出水硝酸氮浓度处于设定范围0.5-1.5mg/L，由内循环流量泵的开闭来单独控制外碳源投加量；[5]、回流污泥泵保持开启状态，以维持连续流运行工艺反应池所需要的污泥浓度；[6]、剩余污泥排泥管定期打开，控制污泥龄SRT为12-15天。
10、根据权利要求9所述的前置反硝化过程自动控制方法，其特征在于上述步骤[4]中，当对出水水质要求较高，且进水氨氮负荷较高时，采用内循环回流量泵和外碳源投加计量泵共同控制外碳源投加量，出水硝酸氮仍不能满足排放标准时，启动外碳源投加计量泵；当出水硝酸氮浓度低于设定值时，关闭外碳源投加计量泵，当出水硝酸氮浓度测定值和其设定值的差大于1mg/L时，启动外碳源投加计量泵。
有益效果本发明在处理生活污水时实时控制内循环回流量和外碳源投加量，解决原有系统脱氮效率低、出水硝酸氮浓度高、运行不合理的问题，从而实现系统的优化运行。实时控制内循环回流量后硝酸氮去除率可以提高8-12％，内循环回流量可以降低20-40％；实时控制外碳源投加量，硝酸氮去除率可以提高25-40％。
本发明通过对反硝化反应两个重要的控制变量-内循环回流量和外碳源投加量的研究，获得反硝化过程的控制装置与方法，本发明的应用可根据进水水质水量的变化实时控制内循环回流量、外碳源投加量大小，不仅能提高处理系统的可靠性，降低出水硝酸氮浓度、减少系统运行费用，而且对进一步实现其它活性污泥法的在线自动控制也有重要的理论意义与应用价值。通过控制内循环可以充分保证缺氧池的缺氧环境，避免内循环回流量不足，从而无法充分发挥缺氧区的反硝化潜力，导致硝酸氮没有充分去除；另外也避免较高的内循环回流量导致好氧区大量DO进入缺氧区，从而影响缺氧池反硝化环境，并消耗进水碳源。本发明可以提高反硝化效率、提高对进水COD的利用率，从而强化硝酸氮的去除。另外本发明可以准确获得外碳源投加量，补充进水C/N比不足，通过对外碳源投加量的控制，可以避免外碳源投加过量，增加药剂消耗费用，增加污泥产量和耗氧量的情况，同时也避免外碳源投加量不足，不能实现出水硝酸氮浓度满足排放标准的要求。
提高前置反硝化工艺反硝化效果最有效的控制变量是内循环回流量、外碳源投加量。为了提高工艺反硝化效率，需要把好氧区生成的硝酸氮回流到缺氧区，维持缺氧区硝酸氮充足，反硝化反应才会顺利进行，因此需控制硝酸氮回流量，保证最大程度的利用缺氧区反硝化潜力。另外当排放标准对出水总氮要求严格时，为了保证反硝化的顺利进行，需满足反硝化对电子供体的需求。当进水中的碳源不足时需外加碳源。由于污水厂进水流量及水质的巨大波动，进水碳氮比有时相差6-10倍，很难确定外碳源的准确投加量，为了解决这个问题，需要开发有效的控制策略，保证出水硝酸氮浓度满足出水水质要求，同时优化外碳源使用量，降低系统运行费用。因此，研究开发高效、低能耗的生物脱氮控制装置及其运行策略，可进一步推广前置反硝化工艺在实际中的应用。
本发明与现有技术相比，具有下列优点(1)、可以从根本上解决恒定内循环回流量等传统控制技术所存在的内循环回流量不足和过量的问题，最大程度的提高系统反硝化潜力，提高对进水COD的利用效率，降低溢流到好氧区COD的量。
(2)、可以根据进水水质水量的变化准确确定外碳源投加量，保证在出水总氮浓度达标的前提下节省运行费用。
(3)、内循环回流和外碳源投加控制系统，可保证在低负荷情况下，充分利用进水COD进行反硝化，而不需外投碳源，即可实现出水硝酸氮浓度达标；而在进水负荷高的情况下，通过外碳源投加的控制，也能实现以相对较少的外碳源投量，实现出水总氮达标。不但增加了系统运行灵活性，也可维持较稳定的出水水质。
(4)、整个工艺由自动控制系统完成，仅需两个控制回路，管理操作方便，费用低、耐冲击负荷强，很容易在生物脱氮工艺中应用。
本发明针对不同进水水质，对内循环回流量和外碳源投加量做出相应的调节与控制，应用在线呼吸计和硝酸氮浓度测定仪作为自动控制参数对外碳源投加量和内循环回流量进行控制。不仅避免了内循环回流量过大或内循环回流量过低存在的缺陷；也可解决外碳源投加量确定困难的问题，应用外碳源投加前馈-反馈控制器可获得准确的外碳源投加量，解决A/O工艺由于进水碳源不足，反硝化效率不高的问题；以及外碳源投加过量，增加运行费用的问题。本发明可提高进水COD的利用效率、降低溢流到好氧区的COD，节约外碳源投加量、提高系统脱氮效率，这无论对于确保出水水质达标，还是尽可能节省运行费用，都具有重要的应用价值。
本发明可用于已采用A/O法的污水处理厂或准备采用该工艺的处理厂，也可应用在对出水硝酸氮浓度要求严格的地区或者处理出水需要回用的场所，本发明的应用可高效、快捷的降低出水硝酸氮浓度。
以某大学家属区的实际生活污水为原水(pH＝7-7.8，COD＝180-450mg/L，TN＝68-120mg/L，进水C/N比仅为3)为原水。所选择的前置反硝化工艺反应池有效容积300L，反应池内MLSS在3000-4000mg/L，曝气量为1-1.5m3/h，SRT维持在15d左右，反应温度20-23℃。没有采用控制前，由于进水碳源远远不足，反硝化不充分，总氮去除率仅仅60％，出水硝酸氮浓度超过20mg/L。应用自动控制后，出水硝酸氮浓度大大降低，基本维持在12mg/L处。当外进水氨氮负荷较低时，不投加外碳源，只实施内循环控制后，即可满足出水硝酸氮浓度12mg/L的标准。系统COD、氨氮和总氮的去除率始终保持在90％、95％和85％以上。
如图9为恒定内循环回流比(内循环回流比为3)和内循环回流量实时控制后出水硝酸氮浓度的变化情况，采用内循环回流实时控制策略后出水硝酸氮浓度降低了，采用恒定内循环回流比时平均出水硝酸氮浓度为11.88mg/L，采用内循环回流量实时控制后平均出水硝酸氮浓度为10.73mg/L，硝酸氮去除效率提高了9.7％。另外计算表明内循环回流泵运行费用可以节省45％。
图10和图9是单独实时控制外碳源后出水硝酸氮浓度和总氮浓度的变化情况示意图，由图10-13可知投加碳源后，出水硝酸氮浓度大大降低(平均值为8.00mg/L)，而不投加碳源出水硝酸氮浓度的平均值为11.84mg/L，投加碳源后硝酸氮去除效率提高了32.43％。由图9可知不投加碳源时，出水总氮浓度平均值为18.7mg/L，大部分时间内出水总氮浓度都高于18mg/L，投加碳源后，出水总氮浓度大大降低(平均值为13.54mg/L)，尽管进水总氮波动很大，出水总氮浓度都低于18mg/L，采用控制后总氮去除效率提高了27.6％。
图10-13是一个采用内循环回流量和外碳源投加量综合控制的实例。图10为缺氧区出水和好氧区出水硝酸氮浓度，基本维持在各自的设定值2mg/L和7mg/L；图11为出水硝酸氮和总氮浓度；图12为外碳源投加量，图13为内循环回流量。
由图10-13可知，不采用综合控制时，出水硝酸氮和总氮浓度分别为12.44mg/L和16.93mg/L；采用内循环回流和外碳源投加综合控制后，出水硝酸氮和总氮浓度分别为7.06mg/L和11.94mg/L。因此采用综合控制后出水硝酸和总氮浓度去除率分别提高了43.3％和29.5％，另外出水硝酸氮浓度很稳定，基本维持在设定值7mg/L附近。
本发明选择能够在线检测且精确度较高的硝酸氮浓度在线测定仪和在线呼吸计，作为反硝化反应的被控制变量使反硝化过程实现自动控制后，能根据进水水质水量的变化以及出水水质的要求，及时动态地改变与调节内循环回流量、外碳源投加量；能通过缺氧区硝酸氮浓度和出水硝酸氮浓度的实时变化，准确地把握反硝化反应进行的程度；及时的了解缺氧区反硝化潜力是否被充分利用以及进水碳源是否充分，解决传统恒定内循环回流量或恒定内循环回流比控制所存在的内循环回流量过大或过低的现象；本发明可解决A/O工艺由于进水碳源不足，反硝化效率不高，以及外碳源投加过量，运行费用增加的问题。本发明将大大提高城市污水和工业废水生物脱氮反硝化过程的计算机自动控制水平，无论对于确保出水硝酸氮浓度达标，充分利用缺氧区已有潜力，还是尽可能节省运行费用，都具有重要的应用价值。
图1是前置反硝化污水处理装置的示意图；图3是前置反硝化自动控制装置的示意图；图2是前置反硝化污水处理方法的示意图；反硝化过程自动控制方法示意图，QR代表内循环回流，Qcarbon代表外碳源投加量；
图4是前置反硝化自动控制方法实施例一的示意图，进水低负荷时，内循环回流单独控制；图5是前置反硝化自动控制方法实施例二的示意图，进水高负荷时，内循环回流+外碳源投加联合控制；图6是本发明前置反硝化工艺反硝化反应自动控制方法示意图；图7是恒定内循环比和内循环回流量实时控制出水硝酸氮浓度对比示意图；图8是未投加外碳源和采用前馈-反馈控制外碳源时出水硝酸氮浓度对比示意图；图9是未投加外碳源和采用前馈-反馈控制外碳源时出水总氮浓度对比示意图；图10-13是内循环回流量和外碳源投加综合控制结果对比示意图，图10为缺氧区出水和好氧区出水硝酸氮浓度；图11是为出水硝酸氮和总氮浓度；图12是为外碳源投加量，图13是为内循环回流量。
图中，1-进水管、2-进水泵、3-缺氧池、4-搅拌器、5-曝气器、6-好氧池、7-二沉池、8-出水管、9-剩余污泥排泥管、10-污泥回流泵、11-污泥回流管、12-呼吸计传感器、13-硝酸氮传感器、14-呼吸计测定仪、15-硝酸氮测定仪、16-计算机、17-信号输入接口、18-信号输出接口、19-执行机构、20-外碳源投加继电器、21-内循环回流继电器、22-外碳源投加计量泵、23-内循环回流泵、24-内循环回流管、25-鼓风机。
具体实施方式
参见图1，这种前置反硝化污水处理装置由缺氧池3、好氧池6和二沉池7组成，其缺氧池有两个串联的格室，好氧池有三个串联的格室，缺氧区连通进水管1，缺氧池内有搅拌器4，好氧池内设有曝气器5，二沉池与出水管8连通，进水管连续进水，出水管连续出水，二沉池底部连接剩余污泥排泥管9和污泥回流管11，污泥回流管11与进水管1连通，其间连接污泥回流泵10，好氧池出口与缺氧池入口之间连接内循环回流管24和内循环回流泵23。
向缺氧池内还通有外碳源投加管道和外碳源投加计量泵22。
参见图2，这种前置反硝化污水处理方法(1)、待处理污水经进水管在蠕动泵的作用下进入缺氧池；(2)、由缺氧池内的搅拌器把活性污泥搅拌起来，并和好氧池回流来的硝化液，以硝酸氮为电子受体、有机碳源为电子供体，通过反硝化菌的作用，进行反硝化除氮，通过调节内循环回流泵的开闭，维持缺氧池出水的硝酸氮处于1-3mg/L范围内。
实施例一当缺氧池出水的硝酸氮浓度不能满足排放标准或出水硝酸氮浓度超出维持范围时，启动内循环回流泵，当出水硝酸氮浓度可以满足排放标准后，关闭内循环回流泵；实施例二当缺氧池出水的硝酸氮浓度不能满足排放标准或出水硝酸氮浓度超出维持范围时，启动内循环回流泵和外碳源投加计量泵，向缺氧池进水处投加外碳源，当出水硝酸氮浓度可以满足排放标准后，关闭外碳源投加计量泵和内循环回流泵，并以出水硝酸氮浓度测定值和其设定值的偏差是否超过1mg/L来决定是否打开外碳源投加计量泵。
(3)、缺氧池的出水进入好氧池，由鼓风机提供的压缩空气进入曝气器，以微小气泡的形式向活性污泥混合液高效供氧，使污水和活性污泥充分接触，利用活性污泥中的微生物对有机污染物进一步降解和完成含氮化合物的硝化作用；(4)、耗氧池出水最后进入二沉池，在此进行泥水分离，上清液通过出水管进行排放，而污泥在二沉池内进行浓缩，其中一部分从剩余污泥管排放，另一部分通过污泥回流管回流到缺氧池内。
参见图4、5，本发明的控制装置结构进水由进水管1经进水泵2，进入前置反硝化工艺缺氧池3首端，并通过搅拌机4进行搅拌维持泥水混合效果，缺氧池出水进入好氧池6，通过曝气器5维持好氧池6的好氧条件，好氧池出水进入二沉池7，出水通过出水管8排放。剩余污泥经过排泥管9排放，而回流污泥由回流泵10通过污泥回流管11回流到缺氧池3首端。在缺氧池首端设置有呼吸计传感器12，在缺氧池出水或缺氧池最后格室和好氧池出水或好氧池最后格室内置有硝酸氮传感器13。上述传感器经导线与呼吸测定仪14和硝酸氮测定仪15连接后与计算机16的数据信号输入接口17连接。计算机的数据信号输出接口18，经导线连接执行机构19。执行机构的外碳源投加继电器20和内循环回流继电器21经接口分别与外碳源投加计量泵22、硝化液回流泵23连接。
上述硝酸氮传感器设置在缺氧池出水或缺氧池最后格室。上述硝酸氮传感器设置在好氧池出水处或好氧池最后格室。
参见图3，这种前置反硝化过程自动控制方法，其特征在于[1]、用在线呼吸计传感器和硝酸氮传感器测定进水中可生物降解COD浓度、缺氧池末端和好氧池末端的硝酸氮浓度；比较测定值和实际设定值的偏差，使缺氧区末端硝酸氮浓度维持在设定值；[2]、内循环回流泵随时保持开启状态，根据进水水质和出水水质的要求动态调节内循环回流泵阀门开启度，从而调节内循环回流量；、在低氨氮或高进水COD负荷下，此时外碳源投加计量泵处于关闭状态，只进行内循环回流量的控制，以缺氧区末端的出水硝酸氮浓度处于设定值1-3mg/L，内循环回流量最大值设定为进水量的5倍；[4]、实施例一参见图4，当对出水水质要求较高，且进水氨氮负荷较高时，维持一个相对较高的内循环回流量，内循环回流比恒定取2.5-3.5之间的一个值或内循环回流量恒定，以维持缺氧区的出水硝酸氮浓度处于设定范围0.5-1.5mg/L，由内循环流量泵的开闭来单独控制外碳源投加量；实施例二参见图5，在上述步骤[4]中，当对出水水质要求较高，且进水氨氮负荷较高时，采用内循环回流量泵和外碳源投加计量泵共同控制外碳源投加量，出水硝酸氮仍不能满足排放标准时，启动外碳源投加计量泵；当出水硝酸氮浓度低于设定值时，关闭外碳源投加计量泵，当出水硝酸氮浓度测定值和其设定值的差大于1mg/L时，启动外碳源投加计量泵。、回流污泥泵保持开启状态，以维持连续流运行工艺反应池所需要的污泥浓度；[6]、剩余污泥排泥管定期打开，控制SRT为12-15d。
内循环控制的主要目的是为了降低出水总氮浓度，也即在缺氧区最大程度地去除硝酸氮，提高反硝化速率；而内循环控制策略的实质就是控制内循环回流量以维持缺氧区末端硝酸氮浓度处于设定值SNO，ref，以充分利用进水中可生物降解COD，提高缺氧区反硝化潜力，降低溢流到好氧区溶解性可生物降解COD的量。通过大量试验获得当设定值在1-3mg/L范围之间时，可以获得较好的效果。由于内循环回流所需运行费用远远低于外碳源投加所需费用，因此本发明首先启动内循环回流PID控制器，控制缺氧区最后格室硝酸氮浓度为1-3mg/L，当出水硝酸氮浓度不达标时，再启动外碳源投加PID控制器。
本发明控制方法参见图6，反硝化过程控制策略或方法由2个控制环路组成，无论高负荷还是低负荷PID控制器A(内循环控制)都开启，通过控制内循环回流量，维持缺氧区出水硝酸氮浓度(SNO，AN)处于设定值(SNO，AN，sp)。它能保证在低负荷运行状态下最大程度的利用进水COD进行反硝化。在低负荷条件下好氧区出水硝酸氮浓度(SNO，AE)低于好氧区出水硝酸氮浓度设定值(SNO，AE，sp)，所以关闭PID控制器B；而在高负荷时，当SNO，AE超过设定值SNO，AE，sp时打开PID控制器B。PID控制器B控制外碳源投加量，维持SNO，AE处于设定值SNO，AE，sp，控制器B的开/关由SNO，AE，sp和SNO，AE之间的偏差e是否超过继电器relay的设定值来调整。好氧区出水硝酸氮浓度设定值SNO，AE，ref可以根据不同的排放要求根据自己的需要灵活确定，也可根据当地环保局的要求来确定设定值，因此具有运行控制灵活的优点。
根据大量试验确定了内循环回流和外碳源投加PID控制器的各参数值，见表1。
表1各PI控制器参数值
当启动外碳源PID控制器时，外碳源投加可以单独控制也可和内循环回流综合控制。这两种控制方式各有优势外碳源投加单独控制时，具有控制相对简单、精度高的优势，但由于内循环回流量没有控制可能导致系统出水水质波动较大。而外碳源投加和内循环回流联合PID控制器可克服上述缺点，系统相对复杂一些。实际上相对其它行业自动控制系统，本发明控制很简单，只需两个控制回路，就可有效控制上述两个控制变量。所以单独控制内循环回流量出水水质不满足要求时，一般情况下启动内循环回流和外碳源投加综合控制系统，只有当进水COD浓度很低时，且对出水水质较小的波动不要求时，可以采用外碳源投加单独控制。
为了准确控制外碳源投加量，通过对活性污泥数学模型ASM1的分析，对数学模型进行了简化，建立了外碳源投加前馈-反馈控制器。
u(t)＝Q(t)[1/β(SNO，In(t)-SNO，ref(t)-(Ss，in(t)-10)]+KP(SNO，measure(t)-SNO，ref(t))+K1∫tto(SNO，measure(τ)-SNO，ref(τ))dτ式中t代表某一运行时间，u(t)为碳源投加量；β为常数0.12；Q(t)为进水量、内循环回流量和回流污泥量之和；SNO，in(t)为进水硝酸氮浓度；SNO，ref(t)为缺氧区末端或好氧区出水硝酸氮浓度设定值；Ss，in(t)为进水易于生物降解碳源浓度(可由呼吸计在线测定)；SNO，measure(t)为缺氧区末端或好氧区出水硝酸氮浓度的测定值。外碳源投加控制器反馈控制部分，其PID控制器参数如表1。
大量试验确定外碳源投加单独控制时，SNO，ref设定值控制在0.5-1.5mg/L之间是相对最优的，一方面可避免外碳源的过量投加，另外可高效利用外投碳源，最大程度的去除硝酸氮。当内循环和外碳源投加综合控制时，SNO，ref设定值由出水硝酸氮浓度排放标准确定。
参见图2，前置反硝化污水处理方法的运行步骤首先待处理污水由进水蠕动泵作用下进入前置反硝化工艺的缺氧池，在缺氧池通过搅拌装置把活性污泥搅拌起来，并和好氧池回流来的硝化液，以硝酸氮为电子受体、有机碳源为电子供体，通过反硝化菌的作用，进行反硝化反应，从而实现氮的去除。通过内循环回流PID控制器维持缺氧池出水(或缺氧池最后格室)硝酸氮处于1-3mg/L范围内来调节内循环回流量。当出水硝酸氮浓度不能满足排放标准或出水硝酸氮浓度较高时，打开外碳源投加PID控制器，启动外碳源投加和内循环回流综合控制系统，并向缺氧池进水处投加外碳源，当出水硝酸氮浓度可以满足排放标准后，停止外碳源投加，单独控制内循环回流量，并以出水硝酸氮浓度测定值和其设定值的偏差是否超过1mg/L来决定是否打开外碳源投加计量泵。缺氧池的出水进入好氧池，由鼓风机提供的压缩空气由进气管进入曝气器，以微小气泡的形式向活性污泥混合液高效供氧，使污水和活性污泥充分接触，目的在于利用活性污泥中的微生物对有机污染物进一步降解和完成含氮化合物的硝化作用。出水最后进入二沉池，在此进行泥水分离，上清夜通过出水管进行排放，而污泥在污泥斗内进行浓缩，其中一部分以剩余污泥的形式进行排放，一部分通过污泥回流泵回流到反应池内，以维持反应池内一定的污泥浓度。
本发明的自动控制方法(1)前置反硝化工艺反应池中放置两种传感器，采集呼吸速率(测定进水易于降解物质)和硝酸氮浓度的信号，作为反硝化过程的被控制变量；(2)将采集的呼吸速率和硝酸氮浓度信号经变送器输入计算机，经过被控制量偏差的计算，由PID控制器获得控制变量的数值；(3)再将控制变量经变送器输入执行结构，获得控制信号；(4)控制信号控制执行机构，直接控制内循环回流量或/和外碳源投加量。
PID控制器是比例积分微分控制器的简称，其中内循环PID控制器A(比例-积分-微分控制器A)QR(t)＝KP(SNO，AN(t)-SNO，AN，ref(t))+K1∫t2t1(SNO，AN(t)-SNO，An，ref(t))dt(1)式中QR(t)代表内循环回流量，KP代表内循环单独控制时的比例增益，值为15000，KI代表内循环单独控制时的比例增益，值为3×106。SNO，AN(t)代表缺氧区末端出水硝酸氮浓度测定值；SNO，AN，ref(t)代表缺氧区末端出水硝酸氮浓度设定值。
外碳源PID控制器B(比例-积分-微分控制器B)
u(t)＝Q(t)-1/β[(SNO，In(t)-SNO，ref(t)-(Ss，in(t)-10)]+KP(SNO，measure(t)-SNO，ref(t))(2)式中t代表某一运行时间，u(t)为碳源投加量；β为常数0.12；Q(t)为进水量、内循环回流量和回流污泥量之和；SNO，in(t)为进水硝酸氮浓度；SNO，ref(t)为好氧区出水硝酸氮浓度设定值；Ss，in(t)为进水易于生物降解碳源浓度(可由呼吸计在线测定)；SNO，measure(t)为好氧区出水硝酸氮浓度的测定值。
内循环-外碳源联合PID控制器(A+B)其中内循环回流量由内循环PID控制器A控制，公式为(1)。
外碳源投加量由外碳源PID控制器B控制，公式为(2)。
权利要求
1.一种前置反硝化污水处理装置，由缺氧池、好氧池和二沉池组成，其特征在于其缺氧池至少有一个格室，好氧池至少有两个串联的格室，缺氧区连通进水管，缺氧池内有搅拌器，好氧池内设有曝气器，二沉池与出水管连通，进水口连续进水，出水口连续出水，二沉池底部连接剩余污泥排泥管和污泥回流管，污泥回流管与进水管连通，其间连接污泥回流泵，好氧池出口与缺氧池入口之间连接内循环回流管和内循环回流泵，向缺氧池内还连通有外碳源投加管道和外碳源投加计量泵。
2.根据权利要求1所述的一种前置反硝化污水处理方法，其特征在于其运行步骤是(1)、待处理污水经进水管进入缺氧池；(2)、由缺氧池内的搅拌器把活性污泥搅拌起来，并和好氧池回流来的硝化液，以硝酸氮为电子受体、有机碳源为电子供体，通过反硝化菌的作用，进行反硝化除氮，通过调节内循环回流泵的开闭，维持缺氧池出水的硝酸氮处于1~3mg/L范围内；当缺氧池出水的硝酸氮浓度不能满足排放标准或出水硝酸氮浓度超出维持范围时，启动内循环回流泵，当出水硝酸氮浓度可以满足排放标准后，关闭内循环回流泵；(3)、缺氧池的出水进入好氧池，由鼓风机提供的压缩空气进入曝气器，以微小气泡的形式向活性污泥混合液高效供氧，使污水和活性污泥充分接触，利用活性污泥中的微生物对有机污染物进一步降解和完成含氮化合物的硝化作用；(4)、耗氧池出水最后进入二沉池，在此进行泥水分离，上清液通过出水管进行排放，而污泥在二沉池内进行浓缩，其中一部分从剩余污泥管排放，另一部分通过污泥回流管回流到缺氧池内。
3.根据权利要求2所述的前置反硝化污水处理方法，其特征在于在步骤(2)中，当缺氧池出水的硝酸氮浓度不能满足排放标准或出水硝酸氮浓度超出维持范围时，启动内循环回流泵和外碳源投加计量泵，向缺氧池进水处投加外碳源，当出水硝酸氮浓度可以满足排放标准后，关闭外碳源投加计量泵和内循环回流泵，并以出水硝酸氮浓度测定值和其设定值的偏差是否超过1mg/L来决定是否打开外碳源投加计量泵。
4.根据权利要求1所述的一种前置反硝化过程自动控制装置，其特征在于在缺氧池首端设置有呼吸计传感器，在缺氧池和好氧池内分别置有硝酸氮传感器；上述传感器经导线与呼吸测定仪和硝酸氮测定仪连接后与计算机数据信号的输入接口连接，计算机中设置有PID控制器，计算机的数据信号输出接口，经导线连接执行机构，执行机构的内循环回流泵继电器和外碳源投加计量泵继电器经接口分别与内循环回流泵的阀门、外碳源投加计量泵的阀门连接。
5.根据权利要求4所述的前置反硝化过程自动控制装置，其特征在于上述硝酸氮传感器设置在缺氧池出水或缺氧池最后格室；上述硝酸氮传感器设置在好氧池出水处或好氧池最后格室。
6.根据权利要求4或5所述的前置反硝化过程自动控制装置，其特征在于上述PID控制器是内循环PID控制器A、外碳源PID控制器B或内循环+外碳源联合PID控制器A+B。
7.根据权利要求6所述的前置反硝化过程自动控制装置，其特征在于内循环PID控制器AQR(t)＝KP(SNO，AN(t)-SNO，AN，ref(t))+K1∫t2t1(SNO，AN(t)-SNO，Anref(t))dt(1)式中QR(t)代表内循环回流量，Kp代表内循环单独控制时的比例增益，值为15000，KI代表内循环单独控制时的比例增益，值为3×106，SNO，AN(t)代表缺氧区末端出水硝酸氮浓度测定值；SNO，AN，ref(t)代表缺氧区末端出水硝酸氮浓度设定值；外碳源PID控制器Bu(t)＝Q(t)-1/β[(SNO，In(t)-SNO，ref(t)-(Ss，in(t)-10)]+KP(SNO，measure(t)-SNO，ref(2)式中t代表某一运行时间，u(t)为碳源投加量；β为常数0.12；Q(t)为进水量、内循环回流量和回流污泥量之和；SNO，in(t)为进水硝酸氮浓度；SNO，ref(t)为好氧区出水硝酸氮浓度设定值；Ss，in(t)为进水易于生物降解碳源浓度(可由呼吸计在线测定)；SNO，measure(t)为好氧区出水硝酸氮浓度的测定值；内循环—外碳源联合PID控制器(A+B)其中内循环回流量由内循环PID控制器A控制，公式为(1)；外碳源投加量由外碳源PID控制器B控制，公式为(2)。
8.根据权利要求6所述的前置反硝化过程自动控制装置，其特征在于上述PID控制器的各参数值见下表
9.根据权利要求4所述一种前置反硝化过程自动控制装置的前置反硝化过程自动控制方法，其特征在于[1]、用在线呼吸计传感器和硝酸氮传感器测定进水中可生物降解COD浓度、缺氧池末端和好氧池末端的硝酸氮浓度；比较测定值和实际设定值的偏差，使缺氧区末端硝酸氮浓度维持在设定值；[2]、内循环回流泵随时保持开启状态，根据进水水质和出水水质的要求动态调节内循环回流泵阀门开启度，从而调节内循环回流量；[3]、在低氨氮或高进水COD负荷下，此时外碳源投加计量泵处于关闭状态，只进行内循环回流量的控制，以缺氧区末端的出水硝酸氮浓度处于设定值1-3mg/L，内循环回流量最大值设定为进水量的5倍；[4]、当对出水水质要求较高，且进水氨氮负荷较高时，维持一个相对较高的内循环回流量，内循环回流比恒定取2.5-3.5之间的一个值或内循环回流量恒定，以维持缺氧区的出水硝酸氮浓度处于设定范围0.5-1.5mg/L，由内循环流量泵的开闭来单独控制外碳源投加量；[5]、回流污泥泵保持开启状态，以维持连续流运行工艺反应池所需要的污泥浓度；[6]、剩余污泥排泥管定期打开，控制污泥龄SRT为12-15天。
10.根据权利要求9所述的前置反硝化过程自动控制方法，其特征在于上述步骤[4]中，当对出水水质要求较高，且进水氨氮负荷较高时，采用内循环回流量泵和外碳源投加计量泵共同控制外碳源投加量，出水硝酸氮仍不能满足排放标准时，启动外碳源投加计量泵；当出水硝酸氮浓度低于设定值时，关闭外碳源投加计量泵，当出水硝酸氮浓度测定值和其设定值的差大于1mg/L时，启动外碳源投加计量泵。
全文摘要
一种前置反硝化污水处理装置、方法及其自动控制装置与方法，针对不同进水水质，对内循环回流量和外碳源投加量做出相应的调节与控制，应用在线呼吸计和硝酸氮浓度测定仪作为自动控制参数对外碳源投加量和内循环回流量进行控制。不仅避免了内循环回流量过大或内循环回流量过低存在的缺陷；也可解决外碳源投加量确定困难的问题，本发明可解决由于进水碳源不足，反硝化效率不高的问题、以及外碳源投加过量，增加运行费用的问题。确保出水水质达标，尽可能节省运行费用。
文档编号C02F3/30GK1778715SQ200510200628
公开日2006年5月31日 申请日期2005年10月20日 优先权日2005年10月20日
发明者彭永臻, 马勇, 王淑莹 申请人:彭永臻