A/O法污水处理系统过程控制与外碳源投加仿真

摘要

A/O工艺是一种前置反硝化工艺，是目前实际工程中广泛采用的生物脱氮工艺。对于已建无脱氮功能的传统活性污泥法污水处理厂经过适当的改造，很容易改造成A/O工艺实现脱氮目的。本研究对A/O生物脱氮工艺过程控制进行研究，在全面分析国内外污水生物处理智能控制和活性污泥法动力学模型研究现状的基础上，以实际生活污水为研究对象，通过试验对A/O生物脱氮工艺的影响因素和运行参数进行研究，确定了工艺的控制对象和控制策略，并探索了用DO、pH值、ORP作为控制参数的可行性，对于实现A/O生物脱氮工艺在线控制具有重要的现实意义。 关于A/O连续流工艺的控制一直是污水生物处理控制的难点之一。A/O连续流工艺连续进水，进水水质水量是随时间变化的，在无调节池的情况下，水流在反应系统的停留时间也是变化的，因此根据进水氨氮负荷变化，通过控制曝气量的大小，可以间接控制硝化反应速率，从而充分利用反应器容积，使出水水质满足排放指标要求。在反应系统碱度充足的条件下，通过pH值变化可以判断处理系统曝气量过量与否。在曝气过量的情况下，pH值沿反应器推流的方向出现一个最低点，通过这个最低点，可以判断硝化反应的结束点；但在曝气适量或曝气不足的情况下，pH值沿反应器推流方向一直下降，无法通过pH值的变化判断硝化反应的结束点。 研究发现用平均溶解氧浓度能间接反映处理系统的耗氧情况，可以用平均溶解氧浓度，来判断反应系统的曝气状态是过量、适量还是不足，从而控制处理系统的供气量，降低能耗费用。当通过pH值变化无法判断硝化反应的进程及供气量大小时，此时可通过控制反应系统的平均DO浓度在2.5～3.0mg/L范围内，优化供气量。 对曝气过渡区的控制，可根据进水水质和环境变量的变化，合理分配缺氧区和好氧区的容积比，有效利用反应器容积。当进水氨氮负荷低时关闭曝气过渡区，增加缺氧区的容积，延长反硝化的时间，提高TN的去除率；当进水氨氮负荷较高时，启动曝气过渡区，增加好氧区的容积，首先保证出水氨氮浓度满足出水水质指标。如果DO不是反应过程的限制因素，当环境温度升高时可通过关闭曝气过渡区来加大缺氧区容积，延长反硝化水力停留时间，充分利用进水中的碳源进行反硝化，减少外碳源的投加量。 研究确定了总回流比和碳源投加量的控制方案：总回流比由进水总氮浓度和出水NOx--N的设定值来确定，通过使缺氧区出水NOx--N浓度保持在2mg/L左右来控制外加碳源的投加量。这样既保证了回流的硝酸盐量，又容易判断碳源投加的最佳量，节省碳源的投加量。由于进水氨氮负荷较高，为防止污泥在二沉池中发生反硝化，引起污泥上浮现象，采用前馈控制来实现定污泥浓度控制，污泥回流比在100～150％较高的范围内变化。 研究引入BP神经网络的理论与方法，根据试验所得总回流比、碳源投加量与出水TN浓度的数据对BP神经网络进行训练并检验，检验的预测输出值与试验测量值具有很好的一致性。可见，神经网络作为一种新型无参数模型，能够很好的模拟A/O生物脱氮系统的性能，并且通过建立的三维仿真模型，可以寻找到它们之间的最佳配合关系，优化系统的运行，降低运行费用。 通过对A/O生物脱氮工艺的分析，确定了以缺氧区NOx--N浓度为控制目标来计算外加碳源投加量的方法；通过对外加碳源投加量、总回流比和出水总氮关系的分析，基于ASMNo.1建立了A/O工艺外碳源投加的数学模型；并在Matlab程序下对PI控制器和前馈PI控制器的控制效果进行了仿真比较，结果表明前馈PI控制器具有较好的控制效果。 在生物反硝化过程中，参与氧化还原反应的氧化态物质和还原态物质主要是硝酸盐和进水中的易生物降解的有机物，其变化可以用ORP来表示。当缺氧区的硝酸盐浓度在3～18mg/L之间变化时，ORP的绝对值同时受硝酸盐浓度和CODcr浓度的影响，很难用ORP的绝对值确定缺氧区硝酸盐浓度；但是，从ORP的绝对值是否高于-160mV或者低于-230mV，可以判断缺氧区硝酸盐浓度是否过高或者已经被全部还原(即在3～18mg/L以外)，可将此作为工艺运行状态与运行参数调节的依据。 为了进一步提高处理系统的脱氮效率，研究中还对A/O推流反应器做了适当的变形，形成串级缺氧-好氧脱氮工艺。通过对三种运行工况的研究结果比较，确定了串级缺氧-好氧工艺的运行工况，缺氧区A1：好氧区O1：缺氧区A2：好氧区O2的容积比为22：53：14：11，并将缺氧区A1容积的一半设置为曝气过渡区，当进水氨氮负荷大于0.129kg/(kgMLSS·d)或者出水氨氮浓度大于5mg/L时，启动曝气过渡区。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第1章绪论

1.1课题来源及研究目的和意义

1.1.1课题来源

1.1.2课题目的和意义

1.2污水生物处理系统智能控制的研究现状

1.2.1污水生物处理系统实现智能控制的必要性

1.2.2国内外智能控制的研究现状及分析

1.2.3污水智能控制的发展趋势及研究重点

1.3污水生物处理的控制参数的研究现状

1.3.1 DO在污水处理中的应用

1.3.2 ORP在污水处理中的应用

1.3.3 pH在污水处理中的应用

1.3.4 DO、pH和ORP在污水处理中的联合应用

1.4生物处理的数学模型

1.4.1活性污泥法动力学模型

1.4.2活性污泥工艺的模拟软件

1.5本课题的主要研究内容

第2章试验材料及方法

2.1试验用水的来源与水质

2.2试验设备与方法

2.2.1缺氧-好氧生物脱氮系统

2.2.2试验方法

2.3主要仪器和分析检测方法

2.4试验的启动与运行控制

第3章A/O生物脱氮工艺

3.1引言

3.2 A/O 工艺的硝化反硝化过程

3.3影响因素和运行参数的研究

3.3.1温度的影响

3.3.2 pH值和碱度的影响

3.3.3溶解氧的影响

3.3.4进水碳氮比的影响

3.3.5碳源的影响

3.4控制对象的确定

3.5本章小结

第4章A/O工艺曝气量和过渡区的控制

4.1引言

4.2曝气量的控制

4.2.1恒定曝气量进水负荷对硝化过程的影响

4.2.2恒定进水负荷曝气量对硝化过程的影响

4.2.3曝气量的控制策略

4.3过渡区的控制

4.3.1进水氨氮负荷对过渡区控制的影响

4.3.2水温对过渡区控制的影响

4.3.3过渡区的控制策略

4.4本章小结

第5章A/O工艺硝化液内回流和污泥回流的控制

5.1引言

5.2肖化液内回流的控制

5.2.1总回流比对氮去除的影响

5.2.2恒定总回流比投加碳源量对处理系统的影响

5.2.3恒定碳源投加量总回流比对处理系统的影响

5.3污泥回流的控制策略

5.4总回流比的控制策略

5.5本章小结

第6章A/O 工艺外碳源投加控制策略和仿真

6.1引言

6.2基于BP神经网络的建模方法研究

6.2.1神经网络技术

6.2.2 BP网络算法研究

6.2.3算法比较

6.2.4基于BP网络连续流A/O脱氮系统的建模与仿真

6.2.5仿真结果分析

6.3基于ASM1模型的控制策略和仿真研究

6.3.1 A/O工艺外碳源投加控制目标的确定

6.3.2硝化液内回流量的确定

6.3.3污泥回流量的确定

6.3.4外碳源投加的模型

6.3.5控制器的设计

6.3.6仿真结果分析

6.4本章小节

第7章串级缺氧-好氧生物脱氮工艺

7.1引言

7.2试验方案的设计

7.3试验结果和讨论

7.3.1串级缺氧-好氧工艺工况1的运行

7.3.2串级缺氧-好氧工艺工况2的运行

7.3.3串级缺氧-好氧工艺工况3的运行

7.3.4 ORP在串级缺氧-好氧工艺中的变化

7.3.5串级缺氧-好氧工艺的控制策略

7.4本章小结

结论

建议与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢