一种组合式氨氮去除装置及控制方法与流程

本发明涉及环境工程领域。更具体地说，本发明涉及一种组合式氨氮去除装置及控制方法。

背景技术：

氨氮废水主要来源于化肥、焦化、石化、制药、食品、垃圾填埋场等，大量氨氮废水排入水体不仅引起水体富营养化、造成水体黑臭，使水处理的难度和成本加大，甚至对人群及生物产生毒害作用，排入大地不仅污染地下水而且对农作物造成损害。而且，随着水质富营养化问题的日益严重以及人们对环境质量认识的深入，废水处理中对氨氮废水的处理标准也日益严格。因此，经济有效地治理高浓度氨氮污水污染成为当前科研工作者研究的重要课题。目前，氨氮废水的处理工艺有吹脱法、折点氯化法、物理吸附法、化学沉淀法及吹脱法和折点氯化法联用技术等。吹脱法：利用氨气和氨根离子间的动态平衡，通过调整pH，使氨氮主要以游离氨形式存在，然后再进行曝气吹脱，使游离氨从水中逸出，从而达到去除氨氮的目的。使用吹脱法对氨氮去除，要使废水达标排放，还需要增加其他后续处理工艺。吹脱法去除氨氮工艺简单、操作方便、易于控制、效果比较好等优点，是目前常用的物化脱氮技术。但是也存在某些缺点，例如：吹脱气体的二次污染，吹脱塔内经常结垢等。折点氯化法去除氨氮是将氯气或次氯酸钠投入废水，将废水中的氨氮氧化成氮气的化学脱氮工艺。折点氯化法和吹脱法联用处理废水，处理效果直接受到前置氨氮吹脱技术效益的影响。当废水中70％的氨氮经吹脱工艺去除后，在经折点氯化法处理，去除率可达95％以上，但也存在一些问题，例如处理成本高，高浓度氨氮废水成分复杂，增加出水对生物致突、致畸的潜在危害性。物理吸附法利用天然沸石对氨根离子具有强的选择吸附能力，故工程上常用的选择性离子交换法是利用沸石对氨根离子的强选择吸附性，使之吸附在沸石表面，从而达到去除废水中氨氮的效果。该法只适用于低浓度氨氮的废水，对于高浓度的氨氮废水会因再生工艺繁琐而造成操作困难。因此选择此法来去除高浓度氨氮的废水需要与其他方法相互配合使用来完成脱氮过程。化学沉淀法去除氨氮是通过向氨氮废水中投入加镁的化合物和磷酸，生成磷酸铵镁沉淀，从而达到去除废水中氨氮的效果。此外，去除氨氮的物化法还有催化湿式氧化法、电化学法、反渗透法等。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种组合式氨氮去除装置，将化学沉淀处理装置、吹脱法处理装置和物理吸附处理装置联用处理氨氮废水，处理工艺易于调整并提高氨氮处理率。

本发明还有一个目的是提供一种组合式氨氮去除装置的控制方法，对加碱反应池向镁化反应池的碱液流出速率用模糊PID控制器进行精确调控，使镁化反应池内PH值精确控制在9.2，大大提高废水中氨氮去除率。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种组合式氨氮去除装置，包括：

储水箱，其内通入氨氮废水和沉淀剂，用于将氨氮废水和沉淀剂混合均匀；

镁化反应池，其连接储水箱，用于对氨氮废水和沉淀剂混合溶液进行化学沉淀处理；

加碱反应池，其连接镁化反应池，用于调节镁化反应池内溶液的PH值；

中间水箱，其连接镁化反应池，用于输入经化学沉淀处理后的氨氮废水并调节氨氮废水的浓度；

吹脱塔，其连接中间水箱，用于对氨氮废水进行吹脱处理；

沸石净化池，其连接吹脱塔的出水口，所述沸石净化池对吹脱处理后的氨氮废水进行吸附处理。

优选的是，还包括：检测机构，包括液位传感器、温度传感器、流量计和氨氮浓度检测仪；所述液位传感器用于检测储水箱、镁化反应池、加碱反应池、中间水箱、吹脱塔和沸石净化池内的液面高度，所述温度传感器检测储水箱、镁化反应池、加碱反应池、中间水箱、吹脱塔和沸石净化池内的温度；所述流量计用于检测储水箱、镁化反应池、加碱反应池、中间水箱、吹脱塔和沸石净化池的流量；所述氨氮浓度检测仪用于检测储水箱、镁化反应池、加碱反应池、中间水箱、吹脱塔和沸石净化池内氨氮废水的浓度。

优选的是，所述洗脱塔内填充填料，所述洗脱塔上端通入氨氮废水，下端用风机通入空气，氨氮废水和空气在填料内进行逆流接触。

优选的是，还包括：控制器，其连接储水箱、镁化反应池、加碱反应池、中间水箱、吹脱塔、沸石净化池和检测机构，所述控制器接收检测机构检测的工艺参数。

优选的是，还包括：PH调节池，其连接沸石净化池的出口，用于调整经吸附处理后氨氮废水的PH值。

本发明的目的还通过一种组合式氨氮去除装置的控制方法来实现，包括以下步骤：

步骤1、储水箱中加入高浓度氨氮废水和沉淀剂并混合均匀；

步骤2、将氨氮废水和沉淀剂的混合溶液通入镁化反应池，同时加碱反应池向镁化反应池内通入碱液使镁化反应池的PH调整至9.2，使其内进行化学沉淀反应20-30min；

步骤3、将镁化反应池内反应后的氨氮废水通入中间水箱，对氨氮废水进行稀释；

步骤4、将稀释的氨氮废水从洗脱塔的上端通入，其下端用风机通入空气，氨氮废水和空气在洗脱塔的填料层进行逆流接触；

步骤5、将洗脱塔内排出的低浓度氨氮废水通入沸石净化池进行物理吸附去氮；

步骤6、洗脱塔排出的氨氮废水经过PH调节池调节后排出。

优选的是，还包括模糊PID控制器，其用于调节加碱反应池内碱液流出量。

优选的是，所述模糊PID控制器的控制方法为：

将镁化反应池内实际PH值与目标PH值的偏差e、偏差变化率ε输入模糊PID控制器；所述模糊PID控制器中偏差和偏差变化率分为9个等级；

输出PID的比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数K_d，输出分为9个等级；

输入和输出的模糊集为{NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB}。

优选的是，所述偏差e和偏差变化率ε的模糊论域为[-1,1]，为[-3,3]，输出PID的比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数K_d的论域分别为[-2,2]、[-2,2]、[-1,1]。

优选的是，所述偏差e和偏差变化率ε采用三角形隶属度函数；所述比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数K_d采用三角形隶属度函数。

本发明至少包括以下有益效果：1、本发明装置将化学沉淀法、吹脱法和物理吸附法的装置进行联用，有效去除废水中氨氮；2、组合式氨氮去除装置用模糊PID控制器调控加碱反应池向镁化反应池加入的碱液的用量，实现精确控制镁化反应池的PH值，使化学沉淀反应有效的进行下去，调高反应转化率。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明的组合式氨氮去除装置的结构示意图。

图2是本发明的模糊PID控制器的输入偏差e的三角形隶属度函数图。

图3是本发明的模糊PID控制器的输入偏差变化率ε的三角形隶属度函数图。

图4是本发明的模糊PID控制器的输出比例系数K_p的三角形隶属度函数图。

图5是本发明的模糊PID控制器的输出比例积分系数K_i的三角形隶属度函数图。

图6是本发明的模糊PID控制器的输出微分系数K_d的三角形隶属度函数图。

图7是本发明的模糊PID控制器的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1示出了根据本发明的一种实现形式，组合式氨氮去除装置包括：储水箱110、镁化反应池120、加碱反应池130、液体泵组、中间水箱150、吹脱塔160、沸石净化池170。

储水箱110为圆形金属储水箱，上端盖内表面上固定有搅拌棒，内表面涂覆用耐腐蚀涂层，其上分别设置液体进料口、出料口和固体投料口，进料口用于通入氨氮废水，出料口连接第一管道121的一端，固体投料口用于投放沉淀剂。储水箱110固定在地面上，其内通入浓度1500mg/L的氨氮废水和沉淀剂，并开启储水箱110内搅拌棒将氨氮废水和沉淀剂混合均匀；沉淀剂选用硫酸镁和磷酸氢二钠，其中，储水箱110内镁、磷和氮的摩尔比设定为1.4:1:1。

镁化反应池120设置在地面下，其上设置有入水口和出水口，入水口连接第一管道121的另一端，用于通入储水箱110内氨氮废水和沉淀剂的混合液，出水口连接第二管道122的一端；

加碱反应池130固定在地面上，其上开设进料口和出料口，进料口用于通入PH值为11.5的氢氧化钠溶液，出料口连接第三管道131的一端，另一端连接第二管道122上，第三管道131通过第二管道122向镁化反应池内通入碱液，调节镁化反应池120内的PH为9.2。

经调整PH值的镁化反应池120内发生化学沉淀反应，生成氨氮沉淀物MAP。

随着反应的进行，镁化反应池120内PH值下降，反应速率减慢，需补充碱液；而当碱液过多即PH值过高时，则抑制反应发生。所以控制镁化反应池120的PH值对反应影响很大。

液体泵组包括第一液体泵141、第二液体泵142和第三液体泵143，所述第一液体泵141的吸水口连接第二管道122的末端，其中，第一液体泵141前端的第二管道122上还设置有过滤器，用于过滤通入第一液体泵141的液体，防止第一液体泵141堵塞。第一液体泵141的泵水口连接第四管道151，用于向中间水箱150通入经化学沉淀处理后的氨氮溶液。

中间水箱150设置在地面上，其上设置有第一入水口、第二入水口和出水口，第一入水口设置在中间水箱150的上端并连接第四管道151，第一液体泵141通过第四管道151将经化学沉淀处理后的氨氮溶液泵入中间水箱150；第二入水口设置在中间水箱150的上端并连接水源，用于通入去离子水；所述第一入水口和第二入水口按照一定比例通水，用于稀释氨氮废水的浓度。出水口设置在中间水箱150的底部并连接第二液体泵142。

吹脱塔160底部距离地面一定高度并通过支架固定在地面上，所述吹脱塔160设置有上部入水口、下部出水口和中间填料层，入水口通过管道连接第二液体泵142，将中间水箱150的稀释氨氮溶液泵入吹脱塔160的上部，其连接中间水箱150，用于对氨氮废水进行吹脱处理；下部出水口连接风机161，风机161将一定风量的空气从吹脱塔160下部吹入内部，空气和氨氮溶液在中间填料层进行逆流接触，使氨由液相转成气相并随空气排出，完成吹脱过程。吹脱塔160还包括气体吸收池，将吹脱塔160排出的空气通入气体吸收池，吸收池内酸与空气携带的氨气反应，防止氨气排入大气。

沸石净化池170设置在地面以下，其内填充沸石，其连接吹脱塔160底部的出口，将经过吹脱处理后的氨氮废水流入沸石净化池170，用多空隙的沸石对氨氮进行物理吸附，进一步降低氨氮废水的浓度，最后将符合排放标准的氨氮废水排出。沸石为氨氮的吸附剂，经过洗脱后重复利用，。

在另一实施例中，氨氮去除装置还包括：pH值调节池180，其连接沸石净化池170的出水孔，经吸附处理后的氨氮废水排入pH值调节池180，向pH值调节池180内通入酸或碱液，调整氨氮废水pH值至中性并将氨氮废水排出。

在另一实施例中，氨氮去除装置还包括：检测机构，包括液位传感器、温度传感器、流量计和氨氮浓度检测仪；所述液位传感器用于检测储水箱110、镁化反应池120、加碱反应池130、中间水箱150、吹脱塔160和沸石净化池170内的液面高度，所述温度传感器检测储水箱110、镁化反应池120、加碱反应池130、中间水箱150、吹脱塔160和沸石净化池170内的温度；所述流量计用于检测储水箱110、镁化反应池120、加碱反应池130、中间水箱150、吹脱塔160和沸石净化池170的流量；所述氨氮浓度检测仪用于检测储水箱110、镁化反应池120、加碱反应池130、中间水箱150、吹脱塔160和沸石净化池170内氨氮废水的浓度。

在另一实施例中，氨氮去除装置还包括：控制器，其连接储水箱110、镁化反应池120、加碱反应池130、中间水箱150、吹脱塔160、沸石净化池170和检测机构，所述控制器接收检测机构检测的工艺参数。

本发明的组合式氨氮去除装置对氨氮废水的处理流程为：氨氮废水通入储水箱110通入氨氮废水和沉淀剂，经搅拌均匀后，氨氮废水和沉淀剂的混合液通入镁化反应池120，同时加碱反应池130向镁化反应池120内通入碱液。调整镁化反应池120内PH值为9.2，镁化反应池120内充分进行化学沉淀反应，使氨氮溶液的浓度大大降低，再将氨氮废水通过第一液体泵141泵入中间水箱150，在中间水箱内对氨氮废水进行稀释，稀释后的氨氮溶液从吹脱塔160上部通入，风机161将空气从吹脱塔160下部吹入，空气和氨氮溶液在中间填料层进行逆流接触，使氨由液相转成气相并随空气排出，完成吹脱过程，进一步降低氨氮废水的浓度。吹脱处理后的氨氮废水通入沸石净化池170，其内沸石对氨氮进行物理吸附，使废水达到排放标准，最后将废水通入pH值调节池180，将废水的pH值调整至中性后排出。

本发明还公开了一种组合式氨氮去除装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、储水箱110中加入浓度为1500mg/L的氨氮废水，加入硫酸镁和磷酸氢二钠组成的沉淀剂并混合均匀，使氨氮废水和沉淀剂的混合溶液内镁、磷和氮的摩尔比为1.4:1:1。

步骤2、常温下，将氨氮废水和沉淀剂的混合溶液通入镁化反应池120，同时，加碱反应130向镁化反应池120内通入PH值为11.5的氢氧化钠溶液，通过模糊PID控制器控制氢氧化钠溶液的流量使镁化反应池的PH调整至9.2，使其内进行化学沉淀反应20-30min，氨氮的去除率达到91.37％，使废水中氨氮浓度降至129.45mg/L；

其中，模糊控制器和PID控制器串联成模糊PID控制器；模糊PID控制器输入镁化反应池内实际PH值与目标PH值的偏差e、偏差变化率ε，输出PID的比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数K_d，PID控制器输出镁化反应池的碱液的流量Q(t)。

将模糊控制器的输入实际PH值与目标PH值的偏差e、偏差变化率ε和输出K_p、K_i、K_d进行模糊处理。在无控制时，偏差e的模糊集上的论域为[-1,1]，定量化因子为1；偏差变化率ε的模糊集上的论域为[-3,3]，设定量化因子为1；输出K_p的模糊论域为[-2,2]，定量化因子为0.12；输出K_i的模糊论域为[-2,2]，定量化因子为0.095；输出K_d的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为0.0003。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，最终将输入偏差e、偏差变化率ε分为9个等级，模糊集均为{NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB}，隶属度函数均采用三角形隶属函数，隶属度函数详见图2和3；所述比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数K_d分为9个等级，模糊集均为{NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB}，隶属度函数均采用三角形隶属函，对应的隶属度函数详见图4、5和6。其中，所述比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数K_d的模糊控制规则详见表1-3。

表1 K_p的模糊控制表

表2 K_i的模糊控制表

表3 K_d的模糊控制表

向模糊控制器的输入实际PH值与目标PH值的偏差e、偏差变化率ε，用模糊控制规则表1、2和3得出模糊控制器的输出量，输出量经反模糊化得到精确值，即PID的K_p、K_i、K_d。

经实验反复确定，PID控制器的K_p、K_i、K_d分初始参数的取值分别为0.56、0.83、0.0008。根据图7所示，PID控制器根据输入K_p、K_i、K_d输出加碱反应池的碱液的流量Q(t)，其控制算式为：

$Q\left(t\right)=K_p\[e\left(t\right)+\frac{1}{K_i}\underset{0}{\overset{i}{\∫}}e\left(t\right)dt+K_d\×\frac{de\left(t\right)}{dt}\]---\left(1\right)$

模糊PID控制器对加碱反应池的碱液的流量Q(t)进行精确控制，使镁化反应池内的反应溶液的PH值控制在9.2左右，偏差小于0.1％，防止随着反应的进行，镁化反应池内PH值下降导致的反应速率减慢或PH值过高导致的抑制反应发生。

步骤3、将镁化反应池内反应后的氨氮废水经过滤后通入中间水箱，将氨氮废水浓度稀释至80～110mg/L；

步骤4、将稀释的氨氮废水从洗脱塔的上端通入，其下端用风机通入空气，氨氮废水和空气在洗脱塔的填料层进行逆流接触，用空气裹挟NH₃使可逆反应向右进行，进一步将废水中氨氮含量降低至30mg/L。

步骤5、将洗脱塔内排出的低浓度氨氮废水通入沸石净化池进行物理吸附去氮，将氨氮废水的浓度降低至13.8mg/L。

步骤6、洗脱塔排出的氨氮废水经过PH调节池调节至中性后调节后排出。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。