褐煤提质废水微氧间歇式活性污泥工艺过程控制方法
【专利摘要】一套褐煤提质废水微氧间歇式活性污泥过程控制系统，它涉及活性污泥法的过程控制方法。本发明解决了由于褐煤提质废水在组成、水质、水量方面存在的变化对微氧间歇式活性污泥系统带来扰动的问题。主要步骤为：选定待处理废水；构建微氧间歇式活性污泥反应器自动控制系统，采取三种策略对反应器进行控制，一是ORP设定值为80~100mV的控制策略，二是ORP上升速率小于0.3~1.0mV/min并保持10~30min的曲线特征点控制策略，三是ORP对时间的一阶导数上升速率小于0.01~0.05mV/min并保持10~30min的ORP的一阶导数特征点控制策略；在污泥负荷为0.12~0.48kgCOD/(kgMLSS·d)、污泥浓度为6~7g/L、排水比为0.6、反应时间为6~18h、表观气速为0.09~0.15cm/s的条件下运行反应器；利用过程控制系统对微氧间歇式活性污泥反应器进行控制，并使其达到稳定的工矿。
【专利说明】褐煤提质废水微氧间歇式活性污泥工艺过程控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及序批式活性污泥法的运行控制，特别是序批式活性污泥法的过程控制方法。
【背景技术】
[0002]褐煤作为煤炭的一种，在资源丰富，占全国煤炭储量的17.16%，主要集中在内蒙古、东北、云南等地区。褐煤煤化程度介于泥炭和烟煤之间，水分高、热值低、易风化和自燃，不利于长距离输送和贮存。但我国石化、能源产品主力市场在东部，开采、生产与市场分离，长距离运输不可避免。此外，直接燃烧的热效率较低，温室气体的排放量很大，而且褐煤液化、干馏和气化都需将煤中水分降至10%以下，因此，褐煤若不经提质将很难满足要求。褐煤提质工艺较多且流程复杂，耗水量(0.15m3/t提质煤)和污水产量巨大(0.5m3/t提质煤)，每个环节都将产生各种污染物，并且大多是有毒、有害、难生物降解的污染物质。此外，我国水资源和褐煤资源呈逆向分布，有些富煤地区甚至没有受纳水体，未达标的褐煤提质废水排放对该地区脆弱的水环境将产生巨大威胁，因此，水资源已经对我国褐煤生产、应用等产生了显著影响，对褐煤提质废水进行处理，实现达标并回用的目标已经成为煤炭工业发展的自身需求和外在要求。
[0003]褐煤提质废水中含有大量的腐植酸、苯酚、甲基苯酚、烷基苯酚、苯二酚、烷基苯二酚、长链烷烃、萘、咪唑、苯并呋喃、吡唑、脂肪酸等污染物质，以腐植酸、酚类物质为主，也含有氨氮、氰类等，属于高浓度有毒有害难生物降解有机工业废水。对于难降解工业废水来说，采用厌氧与好氧工艺联合是其有效去除方法，其中厌氧工艺提高废水的生化性，好氧工艺实现难降解工业废水的彻底降解，但此类工艺流程较长，占地面积和动力消耗大、费用高。微氧间歇式活性污泥工艺是近年来兴起的一种新型的废水生物处理技术。微氧条件使得反应器保持在较低的DO状态，此时培养出的活性污泥中由于存在着DO的浓度梯度，污泥内部几乎无氧，呈现出厌氧环境，而污泥外部则暴露在好氧环境中，好氧微生物和厌氧微生物共存，好氧氧化和厌氧还原在空间和时间上有效的结合在一起，使难降解有机物质首先被厌氧菌转化成小分子可生物降解的物质，是难降解有机物质的理想的新型生物处理工艺。
[0004]但是由于褐煤提质废水在组成、水质、水量方面都有较大的变化，给微氧间歇式活性污泥系统带来了扰动，且间歇式活性污泥污水处理系统是一个相当复杂的动态过程，尤其是用于处理工业废水时，利用传统的固定时序对其运行过程进行控制管理，虽然方法简单，但出水水质和能耗不能灵活调整，因此很难达到理想的处理效果。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了解决因褐煤提质废水组成、水质、水量等方面的较大变化而导致微氧间歇式活性污泥系统出水水质不稳定、能耗较高的问题，开发一套微氧间歇式活性污泥反应器过程控制系统，该系统以反应器内的ORP为控制变量，采用反馈控制结构，调控鼓风机自动控制系统启闭鼓风机来改变运行阶段。处理褐煤提质废水的微氧间歇式活性污泥反应器的过程控制方法可按照如下三种方式之一实现:
方式一可按如下步骤实现:①选择BOD5浓度为500~600mg/L、C0D浓度为2800~3300mg/L、氨氮浓度为70~90mg/L、SS浓度为70~100mg/L、挥发酚浓度为90~110mg/L、氰化物浓度为0.75-1.25mg/L的褐煤提质废水作为待处理工业废水。②构建微氧间歇式活性污泥反应器自动控制系统。该控制系统的检测器为ORP在线测定仪，分别安装于距离微氧间歇式活性污泥反应器底部20cm、反应器中间深度以及水面以下20cm处；控制器为安装于计算机内的PLC控制器；终端执行设备为鼓风机及其自动控制系统。自动过程控制系统采用ORP参数设定值控制策略:反应过程中，每隔3min读取3个ORP测定仪的信息，将其传输至计算机的数据采集卡存储并计算其平均值后将该值转换成数字信号，输入至PLC控制器内，与ORP设定值80~100mV进行比较，用PID算法进行计算并转换计算结果作为输出值，输入至鼓风机自动控制系统，由鼓风机自动控制系统停车鼓风机。③启动并运行处理褐煤提质废水的微氧间歇式活性污泥反应器。该反应器包括5个运行工序:进水、反应、沉淀、排水、闲置；运行期间的设计参数如下:容积负荷为0.12-0.48kgC0D/ (kgMLSS -d)，污泥浓度为6~7g/L，排水比为0.6，反应时间为6~18h，表观气速为0.09-0.15cm/s。④采用步骤②所述的ORP设定值的控制策略对微氧间歇式活性污泥反应器进行控制，并使其达到稳定的工矿。
[0006]方式二可按如下步骤实现:①选择B0D5&度为500~600mg/L、COD浓度为2800~3300mg/L、氨氮浓度为 70~90mg/L、SS 浓度为 70~100mg/L、挥发酚浓度为 90~110mg/L、氰化物浓度为0.75-1.25mg/L的褐煤提质废水作为待处理工业废水。②构建微氧间歇式活性污泥反应器自动控制系统。该控制系统的检测器为ORP在线测定仪，分别安装于距离微氧间歇式活性污泥反应器底部20cm、反应器中间深度以及水面以下20cm处；控制器为安装于计算机内的PLC控制器；终端执行设备为鼓风机及其自动控制系统。自动过程控制系统采用ORP随时间变化的曲线进入平台期的控制策略:反应过程中，每隔3min读取3个ORP测定仪的信息，将其传输至计算机的数据采集卡存储并计算其平均值后将该值转换成数字信号，输入至PLC控制器内，计算ORP值上升速率，当该值小于0.3-1.0mV/min并保持10~30min时，PLC控制器输出信号传输至鼓风机自动控制系统，由鼓风机自动控制系统停车鼓风机。③启动并运行处理褐煤提质废水的微氧间歇式活性污泥反应器。该反应器包括5个运行工序:进水、反应、沉淀、排水、闲置；运行期间的设计参数如下:容积负荷为
0.12-0.48kgC0D/ (kgMLSS.d)，污泥浓度为6~7g/L，排水比为0.6，反应时间为6~18h，表观气速为0.09-0.15cm/s。④采用步骤②所述的ORP上升速率和保持时间对微氧间歇式活性污泥反应器进行控制，并使其达到稳定工矿。
[0007]方式三可按如下步骤实现:①选择BOD5&度为500~600mg/L、COD浓度为2800~3300mg/L、氨氮浓度为 70~90mg/L、SS 浓度为 70~100mg/L、挥发酚浓度为 90~110mg/L、氰化物浓度为0.75-1.25mg/L的褐煤提质废水作为待处理工业废水。②构建微氧间歇式活性污泥反应器自动控制系统。该控制系统的检测器为ORP在线测定仪，分别安装于距离微氧间歇式活性污泥反应器底部20cm、反应器中间深度以及水面以下20cm处；控制器为安装于计算机内的PLC控制器；终端执行设备为鼓风机及其自动控制系统。自动过程控制系统采用ORP对时间的一阶导数进入平台期的控制策略:反应过程中，每隔3min读取3个ORP测定仪的信息，将其传输至计算机的数据采集卡存储并计算其平均值后将该值转换成数字信号，输入至PLC控制器内，计算ORP对时间的一阶导数及其导数上升速率，当该值小于0.01-0.05mV/min并保持10~30min时，PLC控制器输出信号传输至鼓风机自动控制系统，由鼓风机自动控制系统停车鼓风机。③启动并运行处理褐煤提质废水的微氧间歇式活性污泥反应器。该反应器包括5个运行工序:进水、反应、沉淀、排水、闲置；运行期间的设计参数如下:容积负荷为0.12-0.48kgC0D/ (kgMLSS.d)，污泥浓度为6~7g/L，排水比为0.6，反应时间为6~18h，表观气速为0.09-0.15cm/s。④采用步骤②所述的ORP对时间的一阶导数上升速率和保持时间的控制策略对微氧间歇式活性污泥反应器进行控制，并使其达到稳定的工矿。
[0008]发明原理及优点
污水生物处理系统是相当复杂的体系，其中同时进行着大量的生化反应，所以该系统的ORP是多种氧化物质与还原物质进行氧化还原反应的综合结果，是表征污水处理系统的氧化还原状态的综合性指标，可试验测定，也可由能斯特方程计算得到。该指标可衡量污水处理系统氧化还原能力。在褐煤提质废水微氧间歇式活性污泥处理系统中，主要的还原性物质是C0D，主要的氧化性物质是D0，因此，上述两物质的浓度变化影响着ORP值。若微氧间歇式活性污泥系统供气量保持稳定，ORP的变化规律则可反映COD的降解过程。褐煤提质废水投加入微氧间歇式活性污泥反应器后，由于快速的初期吸附作用，COD浓度快速下降，即反应器内的还原性物质含量减少；另一方面，因反应初期COD量充足，耗氧速率较快，可达到最大值，所以在供气速率不变的情况下，DO浓度降低或者处于平台期，根据能斯特方程，ORP值将升高。而当COD降解过程结束后，耗氧速率与供氧速率均不变，ORP值保持稳定。综上，利用ORP变化规律及特征，可反映COD的降解过程，因此可用其作为控制参数调控微氧间歇式活性污泥反应的运行。
[0009]间歇式活性污泥法污水处理工艺及其控制系统的长期研究与探索，发现溶解氧(DO)浓度、氧化还原电位(ORP)等变量不但具有易于实现在线检测、响应时间短、精度较高等优点，而且这些参数的变化规律还与间歇式活性污泥工艺去除有机物及硝化反硝化过程存在良好的相关性。但是在微氧条件下，DO电极因检测下限的限制，不能准确表征反应器内的DO状态。但在混合液中一旦存在微量的溶解氧，ORP电极即产生信号，即ORP可近似表征溶液中的微量D0，与DO电极相比，ORP电极测量微量DO更为灵敏和快捷。本发明提供了一套以ORP作为控制变量的微氧间歇式活性污泥反应器过程控制系统，以达到较高的难降解有机物质的去除效率和较易的工艺运行控制、管理。
【具体实施方式】
[0010]【具体实施方式】一:本实施方式是褐煤提质废水微氧间歇式活性污泥反应器过程控制系统，具体按以下步骤完成:
①选择 BOD5浓度为 500~600mg/L、C0D 浓度为 2800~3300mg/L、氨氮浓度为 70~90mg/L、SS浓度为70~100mg/L、挥发酚浓度为90~110mg/L、氰化物浓度为0.75-1.25mg/L的褐煤提质废水作为待处理工业废水。
[0011]②构建微氧间歇式活性污泥反应器自动控制系统。该控制系统的检测器为ORP在线测定仪，分别安装于距离微氧间歇式活性污泥反应器底部20cm、反应器中间深度以及水面以下20cm处；控制器为安装于计算机内的PLC控制器；终端执行设备为鼓风机及其自动控制系统。自动过程控制系统采用ORP参数设定值控制策略:反应过程中，每隔3min读取3个ORP测定仪的信息，将其传输至计算机的数据采集卡存储并计算其平均值后将该值转换成数字信号，输入至PLC控制器内，与ORP设定值80~100mV进行比较，用PID算法进行计算并转换计算结果作为输出值，输入至鼓风机自动控制系统，由鼓风机自动控制系统停车鼓风机。
[0012]③启动并运行处理褐煤提质废水的微氧间歇式活性污泥反应器。该反应器包括5个运行工序:进水、反应、沉淀、排水、闲置；运行期间的设计参数如下:容积负荷为
0.12-0.48kgC0D/ (kgMLSS.d)，污泥浓度为6~7g/L，排水比为0.6，反应时间为6~18h，表观气速为 0.09-0.15cm/s。
[0013]④采用步骤②所述的控制策略对微氧间歇式活性污泥反应器进行控制，并使其达到稳定的工矿。
[0014]【具体实施方式】二，本实施方式与【具体实施方式】一的不同点是步骤②中的PLC控制器ORP设定值为90mV，其他与【具体实施方式】一相同。
[0015]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二的不同点是:步骤②中的自动控制系统采用ORP随时间变化的曲线进入平台期的控制策略:反应过程中，每隔3min读取3个ORP测定仪的信息，将其传输至计算机的数据采集卡存储并计算其平均值后将该值转换成数字信号，输入至PLC控制器内，计算ORP值上升速率，当该值小于0.3-1.0mV/min并保持10~30min时，PLC控制器输出信号传输至鼓风机自动控制系统,通过鼓风机自动控制系统停车鼓风机，其他与【具体实施方式】一或二相同。
[0016]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】三的不同点是:ORP值上升速率小于0.75mV/min，其他与【具体实施方式】三相同。
[0017]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】三或四的不同点是:上升速率保持时间为20min，其他与【具体实施方式】三或四相同。
[0018]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五的不同点是:步骤②中的自动控制系统采用ORP对时间段的一阶导数进入平台期的控制策略。反应过程中，每隔3min读取3个ORP测定仪的信息，将其传输至计算机的数据采集卡存储并计算其平均值后将该值转换成数字信号，输入至PLC控制器内，计算ORP对时间的一阶导数及其导数上升速率，当该值小于0.01-0.05mV/min并保持10~30min时，PLC控制器输出信号传输至鼓风机自动控制系统，通过鼓风机自动控制系统停车鼓风机。其他与【具体实施方式】一至五相同。
[0019]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】六的不同点是:0RP对时间的一阶导数的上升速率小于0.03mV/min，其他与【具体实施方式】六相同。
[0020]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】六或七的不同点是:上升速率保持时间为20min，其他与【具体实施方式】六或七相同。
【权利要求】
1.一个处理褐煤提质废水的微氧间歇式活性污泥系统控制参数，其特征在于所述控制参数按如下步骤获得:①选择BOD5浓度为500~600mg/L、COD浓度为2800~3300mg/L、氨氮浓度为70~90mg/L、SS浓度为70~100mg/L、挥发酚浓度为90~110mg/L、氰化物浓度为0.75-1.25mg/L的褐煤提质废水作为待处理工业废水；②构建微氧间歇式活性污泥反应器自动控制系统；该控制系统的检测器为ORP在线测定仪，分别安装于距离微氧间歇式活性污泥反应器底部20cm、反应器中间深度以及水面以下20cm处；控制器为安装于计算机内的PLC控制器；终端执行设备为鼓风机及其自动控制系统；自动过程控制系统采用ORP参数设定值控制策略:反应过程中，每隔3min读取3个ORP测定仪的信息，将其传输至计算机的数据采集卡存储并计算其平均值后将该值转换成数字信号，输入至PLC控制器内，与ORP设定值80~100mV进行比较，用PID算法进行计算并转换计算结果作为输出值，输入至鼓风机自动控制系统，通过鼓风机自动控制系统停车鼓风机；③启动并运行处理褐煤提质废水的微氧间歇式活性污泥反应器。
2.该反应器包括5个运行工序:进水、反应、沉淀、排水、闲置；运行期间的设计参数如下:容积负荷为0.12-0.48kgC0D/ (kgMLSS.d)，污泥浓度为6~7g/L，排水比为0.6，反应时间为6~18h，表观气速为0.09-0.15cm/s ;④采用步骤②所述的控制策略对微氧间歇式活性污泥反应器进行控制，并使其达到稳定的工矿。
3.根据权利要求1所述的褐煤提质废水微氧间歇式活性污泥反应器过程控制系统，其特征在于ORP设定值为90mV。
4.根据权利要求1所述的褐煤提质废水微氧间歇式活性污泥反应器过程控制系统，其特征在于采用ORP随时间变化的曲线进入平台期的控制策略:反应过程中，每隔3min读取3个ORP测定仪的信息，将其传输至计算机的数据采集卡存储并计算其平均值后将该值转换成数字信号，输入至PLC控制器内，计算ORP值上升速率，当该值小于0.3-1.0mV/min并保持10~30min时，PLC控制器输出信号传输至鼓风机自动控制系统,通过鼓风机自动控制系统停车鼓风机。
5.根据权利要求1和3所述的褐煤提质废水微氧间歇式活性污泥反应器过程控制系统，其特征在于ORP值上升速率小于0.75mV/min。
6.根据权利要求1和3所述的褐煤提质废水微氧间歇式活性污泥反应器过程控制系统，其特征在于ORP上升速率保持时间为20min。
7.根据权利要求1所述的褐煤提质废水微氧间歇式活性污泥反应器过程控制系统，其特征在于采用ORP对时间段的一阶导数进入平台期的控制策略。
8.反应过程中，每隔3min读取3个ORP测定仪的信息，将其传输至计算机的数据采集卡存储并计算其平均值后将该值转换成数字信号，输入至PLC控制器内，计算ORP对时间的一阶导数及其值导数上升速率，当该值小于0.01-0.05mV/min并保持10~30min时，PLC控制器输出信号传输至鼓风机自动控制系统，通过鼓风机自动控制系统停车鼓风机。
9.根据权利要求1和6所述的褐煤提质废水微氧间歇式活性污泥反应器过程控制系统，其特征在于采用ORP对时间的一阶导数的上升速率小于0.03mV/min。
10.根据权利要求1和6所述的褐煤提质废水微氧间歇式活性污泥反应器过程控制系统，其特征在于ORP对时间的一阶导数的上升速率保持时间为20min。
【文档编号】C02F3/30GK104445615SQ201410651659
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】王晓玲, 高尚, 宋铁红, 韩相奎, 殷宝勇, 李静文 申请人:吉林建筑大学, 王晓玲