多箱一体化活性污泥工艺优化与过程控制研究

摘要

多箱一体化活性污泥法是在借鉴UNITANK、A<'2>O等工艺优点的基础上研发的新型脱氮除磷工艺，通过周期运行自动完成混合液与(部分)污泥回流，具有高效节能的特点，工艺过程自动控制要求较高。 为发挥工艺的优势，获得理想的脱氮除磷效果，本论文系统研究了多箱一体化活性污泥工艺(包括五箱一体化活性污泥工艺与六箱一体化活性污泥工艺)的优化与过程控制问题。以实际生活污水为研究对象进行小试，通过实验与模型模拟优化工艺参数，探索了工艺过程的污泥回流、阶段转换以及碳源添加的控制规律。主要研究内容和结论总结如下： 1．多箱一体化活性污泥反应器的水力特性通过示踪剂试验研究反应器的水力特性，采用单向进水与交替进水两种工况进行对比试验。研究结果表明：单向进水时，单个反应池的反应器阶式效应数N接近于1，单池趋于CSTR。把五箱一体化活性污泥反应器的四个反应池作为整体时，反应器阶式效应数为4.2，六箱一体化活性污泥反应器五个反应池整体的反应器阶式效应数为5.4；交替进水时，一周期内，不同时间投加示踪剂得到的停留时间分布曲线以及N值不同，五箱一体化活性污泥反应器的N在2.5左右，六箱一体化活性污泥反应器的N在3左右，说明由于周期性交替进水，反应器整体的完全混合特征加强，在工艺上表现为通过交替进水自动完成混合液与污泥的回流。 2．反应器内污泥分布模型与污泥回流量的控制基于对反应器水力特性的研究建立反应器内污泥分布模型，模拟不同的阶段时间设定下反应器内各池的污泥浓度变化规律，并通过试验验证。研究结果表明：六箱一体化活性污泥工艺周期为16h时，污泥回流比为55％能保持反应器内活性污泥量的稳定。给出多箱一体化活性污泥工艺的相当内回流率r<,el>与相当污泥回流率r<,es>的概念。在设定的工况下，五箱一体化活性污泥工艺的周期内平均相当污泥回流率r<,es>为48％，平均相当内回流率r<,el>为147％，六箱工艺的r<,el>为117％。 对六箱工艺，基于在不同阶段设置下保持反应器内活性污泥总量稳定的目的，以半周期平均污泥浓度偏差以及偏差的变化为输入变量，污泥回流量的变化为输出变量，建立了污泥回流量的模糊控制系统。 3．多箱一体化活性污泥工艺生物过程的数学描述基于过程控制目的，建立多箱一体化活性污泥工艺生物过程的简化模型并通过试验验证。采用常规检测指标作为模型的输入输出组分，过程速率方程采用线性表达式。对五箱工艺，试验确定各反应速率常数，得出化学计量系数c<,2,NO<,3>>为0.15 g(N)/g(COD)，C<,4，PO<,4>>为0.22 g(P)/g(COD)，工艺过程中好氧(包括缺氧)吸磷量与厌氧释磷量比的均值为1.315。研究结果表明：模型能够系统描述工艺去除氮磷的完整过程，预测阶段时间与反应池内各污染物降解的关系以及不同进水水质下去除氮磷所需的碳源量，适用于工艺的过程控制。 4．阶段转换规律的试验研究与控制系统的建立阶段时间是本工艺过程控制关注的重点，取主体阶段一为重点研究对象，试验研究各反应池内污染物以及DO、ORP、pH等环境变量随阶段时间的变化规律。研究结果表明：以城市污水为进水时，难以用环境变量作为阶段转换控制指标：直接以污染物浓度及其变化率为阶段时间控制参数，试验得出各控制参数的设定值。 建立了多箱一体化活性污泥工艺阶段转换的专家控制系统，由于阶段的控制与其他子控制系统的相联性，给出多箱一体化工艺过程控制的树状知识库结构，并设计了阶段转换的专家控制决策树。 5．进水碳源含量对去除氮磷的影响与进水分配及碳源添加控制系统的建立试验研究进水有机物量不同时，工艺厌氧释磷和缺氧反硝化的程度以及出水水质。研究结果表明：当进水中COD量较低时，五箱工艺有明显的反硝化除磷现象(DBPR)，出水水质达标；而六箱工艺中没有明显的DBPR现象，且出水不能达标，要考虑外加碳源。进水中COD量中等时，通过进水分配调节，六箱工艺出水氮磷能够达标。 基于所建的简化模型，设计多箱一体化工艺基于模型的前馈—反馈进水分配以及外碳源添加控制器。基本控制思想是碳源不足时，通过强化工艺缺氧反硝化聚磷作用、调控进水分配等手段提高碳源利用率，当工艺优化不能完全解决碳源不足问题时，再进行外碳源添加控制。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略词以及符号等本论文专用术语的注释表

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.1.1课题来源

1.1.2研究的目的与意义

1.2活性污泥脱氮除磷工艺现状

1.2.1生物法脱氮除磷原理

1.2.2同步脱氮除磷工艺的发展

1.3活性污泥工艺自动控制的研究现状

1.3.1控制参数

1.3.2控制方法

1.4本研究工艺的提出

第二章 试验方法与研究内容

2.1试验方法与材料

2.1.1实验用水来源与水质

2.1.2试验设备与方法

2.1.3实验的启动

2.2多箱一体化活性工艺介绍

2.2.1五箱一体化活性污泥工艺(FTIACP)

2.2.2六箱一体化活性污泥工艺(STIACP)

2.3多箱一体化活性污泥工艺过程控制研究内容的分析

2.3.1控制意义

2.3.2控制目标

2.3.3控制结构

2.4论文研究内容

第三章 反应器水力特性

3.1描述反应器水力特性的模型

3.1.1串联CSTR模型

3.1.2示踪剂试验

3.1.3描述液相流态的统计函数

3.2试验目的与试验方案

3.2.1试验目的

3.2.2示踪剂试验

3.2.3试验工况

3.3试验结果与分析

3.3.1五箱一体化活性污泥反应器

3.3.2六箱一体化活性污泥反应器

3.4水力停留时间

3.5本章小结

第四章 反应器内污泥分布模型与污泥回流量的模糊控制

4.1反应器污泥分布规律与模型

4.1.1模型的建立

4.1.2模型的模拟与试验验证

4.2相当内/外回流率

4.3污泥回流量的模糊控制

4.3.1模糊控制基本原理与结构

4.3.2污泥回流量的模糊控制器的建立

4.4本章小结

第五章 工艺脱氮除磷简化模型

5.1前言

5.1.1活性污泥法数学模型的发展

5.1.2本章建立模型的目的

5.2简化模型的建立

5.2.1所建模型的内容概述

5.2.2各反应池生物过程分析与假设

5.2.3模型的数学描述

5.2.4模型参数的确定

5.3模型的验证

5.4本章小结

第六章 阶段转换控制研究

6.1前言

6.2阶段转换控制的试验研究

6.2.1试验目的与试验方案

6.2.2试验结果与分析

6.3阶段转换的专家控制

6.3.1专家控制的一般结构与组成

6.3.2阶段转换的专家控制器的设计

6.4本章小结

第七章 进水碳源含量对脱氮除磷的影响及外碳源添加的控制

7.1引言

7.2进水碳源量对脱氮除磷影响的试验研究

7.2.1试验设计

7.2.2试验结果与分析

7.3碳源投加与进水分配的基于模型的前馈—反馈控制

7.3.1前馈与反馈控制的基本概念与原理

7.3.2碳源添加与进水分配的基于模型前馈—反馈控制器的设计

7.4本章小结

第八章 结论

8.1主要研究结论

8.2创新点

8.3研究展望

攻读学位期间发表的论文与参与的科研项目

致谢

参考文献