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一种基于缺 氧池反硝化过程的 碳源投加量在线计算方法

阅读：385发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种基于缺氧池反硝化过程的碳源投加量在线计算方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明揭示了一种基于缺氧池反硝化过程的碳源投加量在线计算方法，该方法在于通过缺氧池内实时的硝态氮实际浓度，结合反硝化过程的反应动力学，计算出硝态氮实际浓度满足硝态氮设定浓度所需的碳源投加量，反映了反硝化过程对碳源的真实需求量，避免因碳源投加过量造成的药剂浪费和二次污染，或者因碳源投加不足造成的出水水质超标。，下面是一种基于缺氧池反硝化过程的碳源投加量在线计算方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于缺氧池反硝化过程的碳源投加量在线计算方法，其特征在于，包括S1：在缺氧池进水管上和碳源投加管路上分别安装流量计，在缺氧池进水端和缺氧池内分别安装硝态氮在线仪表，在缺氧池内安装污泥浓度计，所述流量计、硝态氮在线仪表、污泥浓度计、液位计和控制器相连；
S2：所述控制器采集不同时刻进水流量、进水中硝态氮浓度、缺氧池内硝态氮浓度、缺氧池内活性污泥浓度、缺氧池液位和碳源投加量，上述采集的数据进行阈值判断、去跳等预处理，剔除异常值；
S3：根据步骤二中的数据，计算采样时间间隔内使硝态氮浓度从实测值达到设定值所需消耗的有机物浓度，计算公式如下：
式中：
SCOD(t)：消耗的有机物浓度，单位mg/L；
ΔNOX：缺氧池内硝态氮浓度变化率，单位mg/L·h，通过下式进行计算：
ΔNOXWatFlow：进水引起的缺氧池硝态氮浓度变化率，单位mg/L·h，通过下式进行计算：
NOXSP：缺氧池硝态氮设定浓度，单位mg/L；
NOX(t-dt)：前一时刻缺氧池内硝态氮浓度，单位mg/L；
NOXIn(t-dt)：前一时刻缺氧池进水中硝态氮浓度，单位mg/L；
MLVSS(t-dt)：前一时刻缺氧池内活性污泥浓度，单位mg/L；
WatFlow(t-dt)：前一时刻进水流量，单位m3/h；
Level(t-dt)：前一时刻缺氧池液位，单位m；
Yh：活性污泥微生物的产率系数，单位g微生物/g有机物；
dt：采样时间间隔，单位s；
Aset：缺氧池表面积，单位m2；
μmax：活性污泥微生物最大生长速率常数，单位1/d；
Ks：有机物浓度半饱和系数，单位：g有机物/m3；
KNO：硝态氮浓度半饱和系数，单位：g氮/m3；
S4：根据步骤三中计算的有机物浓度，计算碳源投加量的修正值；
S5：根据步骤四中计算得到的碳源投加修正量计算当前时刻的碳源投加量。
2.根据权利要求1所述的基于缺氧池反硝化过程的碳源投加量在线计算方法，其特征在于，所述根据碳源投加修正量的计算公式如下：
式中：
ΔDosageFlow(t)：碳源投加修正量，单位L/h；
Vol：缺氧池容积，单位m3；
SCOD(t)：消耗的有机物浓度，单位mg/L；
con：碳源浓度，单位％；
pur：碳源纯度，单位％；
ρ：碳源密度，g/m3；
dt是采样时间间隔，单位s。
3.根据权利要求1所述的基于缺氧池反硝化过程的碳源投加量在线计算方法，其特征在于，所述当前时刻的碳源投加量的计算公式如下：
DosageFlow(t)＝DosageFlow(t-dt)+ΔDosageFlow(t)
式中：
DosageFlow(t)：当前时刻碳源投加量，单位L/h；
DosageFlow(t-dt)：上一时刻碳源投加量，单位L/h；
ΔDosageFlow(t)：碳源投加修正量，单位L/h。
4.根据权利要求1所述的基于进水碳氮比在线计算碳源投加量的方法，其特征在于，所述碳源投加修正量ΔDosageFlow(t)数学表达式中涉及的参数取值范围如下：

说明书全文

一种基于缺氧池反硝化过程的 碳源投加量在线计算方法

技术领域

[0001] 本发明属于污水处理领域，具体涉及一种基于缺氧池反硝化过程的碳源投加量在线计算方法。

背景技术

[0002] 反硝化反应是污水脱氮处理过程的关键环节，关系到总氮的去除效果。

[0003] 发生反硝化反应的主要场所是在生化处理工艺的缺氧池，缺氧池活性污泥中的异养菌优先以回流硝化液中的硝态氮为电子受体，将硝态氮转化成氮气从水体中脱除，同时消耗有机污染物作为微生物生长的底物，完成反硝化过程。因此，如果进入缺氧池的有机物浓度偏低，就提供不了足够的底物供异养菌进行正常的生理活动，从而影响到反硝化的顺利进行，降低硝态氮的去除效果，最终影响到总氮的去除。所以有必要在缺氧池投放外加碳源来补充有机物的不足，促进反硝化反应的顺利进行。

[0004] 目前，大多数污水处理厂均会采用外加碳源(通常是乙酸钠，甲醇等有机物)的方式来促进反硝化过程的正常运行，以保障出水总氮达标，满足排放要求。但是现有的碳源投加量一般是基于人工理论计算，即根据进水碳氮比的平均水平估算出碳源投加量来作为加药泵投加的依据；在实际运行中再根据缺氧池硝态氮的在线监测值和设定值的偏差，基于PID 算法来计算碳源投加量，并没有考虑到碳源和污染物的反应过程、水力冲击过程对碳源投加量的影响。由于进入缺氧池的进水流量、污染物浓度是变化的，缺氧池对碳源的需求也是随之变化的。传统的碳源投加技术，对碳源投加量缺乏精细化的计量和预测，也缺乏科学合理的量化调整方法，普遍存在碳源投加不足或者过量的问题。

[0005] 碳源投加不足会造成反硝化不充分，影响出水总氮的达标排放；而碳源投加过量一方面会造成药剂浪费，增加运行成本，另一方面会导致污水中的有机物增多，出水COD超标的风险升高，加重了处理COD的负担，由此还会消耗额外的曝气量，进一步提高系统的能耗和运行成本。如果考虑缺氧池发生的反硝化反应过程，将硝态氮浓度维持在设定目标所需的碳源作为碳源投加的依据，将会有助于提高碳源投加的精细化控制水平，对促进污水厂的稳定达标排放和节约运行成本有着积极的意义。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种基于缺氧池反硝化过程的碳源投加量在线计算方法，结合反硝化过程的反应动力学，实时计算缺氧池硝态氮实际值满足设定值所需的碳源投加量，以适应污水处理过程中对碳源消耗的真实需求，避免因碳源投加过量或不足造成的药剂浪费或出水水质超标。

[0007] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0008] 一种基于缺氧池反硝化过程的碳源投加量在线计算方法，其特征在于，包括：

[0009] S1：在缺氧池进水管上和碳源投加管路上分别安装流量计，在缺氧池进水端和缺氧池内分别安装硝态氮在线仪表，在缺氧池内安装污泥浓度计，所述流量计、硝态氮在线仪表、污泥浓度计、液位计和控制器相连；

[0010] S2：所述控制器采集不同时刻进水流量、进水中硝态氮浓度、缺氧池内硝态氮浓度、缺氧池内活性污泥浓度、缺氧池液位和碳源投加量，上述采集的数据进行阈值判断、去跳等预处理，剔除异常值；

[0011] S3：根据步骤二中的数据，计算采样时间间隔内使硝态氮浓度从实测值达到设定值所需消耗的有机物浓度，计算公式如下：

[0012]

[0013] 式中：

[0014] SCOD(t)：消耗的有机物浓度，单位mg/L；

[0015] ΔNOX：缺氧池内硝态氮浓度变化率，单位mg/L·h，通过下式进行计算：

[0016]

[0017] ΔNOXWatFlow：进水引起的缺氧池内硝态氮浓度变化率，单位mg/L·h，通过下式进行计算：

[0018]

[0019] NOXSP：缺氧池硝态氮设定浓度，单位mg/L；

[0020] NOX(t-dt)：前一时刻缺氧池内硝态氮浓度，单位mg/L；

[0021] NOXIn(t-dt)：前一时刻缺氧池进水中硝态氮浓度，单位mg/L；

[0022] MLVSS(t-dt)：前一时刻缺氧池内活性污泥浓度，单位mg/L；

[0023] WatFlow(t-dt)：前一时刻进水流量，单位m3/h；

[0024] Aset：缺氧池的表面积，单位m2；

[0025] Level(t-dt)：前一时刻缺氧池液位，单位m；

[0026] Yh：活性污泥微生物的产率系数，单位：g微生物/g有机物；

[0027] dt：采样时间间隔，单位s；

[0028] μmax：活性污泥微生物最大生长速率常数，1/d；

[0029] KS：有机物浓度半饱和系数，单位：g有机物/m3；

[0030] KNO：硝态氮浓度半饱和系数，单位：g氮/m3；

[0031] S4：根据步骤三中计算的有机物浓度，计算碳源投加量的修正值；

[0032] S5：根据步骤四中计算得到的碳源投加修正量计算当前时刻的碳源投加量。

[0033] 优选的，所述流量计有两个，分别安装在缺氧池进水管上和碳源投加管路上；所述硝态氮在线仪表有两个，分别安装在缺氧池进水端和缺氧池内；污泥浓度计安装在缺氧池内。

[0034] 优选的，所述碳源投加修正量的计算公式如下：

[0035]

[0036] 式中：

[0037] ΔDosageFlow(t)：碳源投加修正量，单位L/h

[0038] Vol：缺氧池容积，单位m3；

[0039] SCOD(t)：消耗的有机物浓度，单位mg/L；

[0040] con：碳源浓度，单位％；

[0041] pur：碳源纯度，单位％；

[0042] ρ：碳源密度，g/m3；

[0043] dt是采样时间间隔，单位s。

[0044] 优选的，所述当前时刻的碳源投加量的计算公式如下：

[0045] DosageFlow(t)＝DosageFlow(t-dt)+ΔDosageFlow(t)

[0046] 式中：

[0047] DosageFlow(t)：当前时刻碳源投加量，单位L/h；

[0048] DosageFlow(t-dt)：上一时刻碳源投加量，单位L/h；

[0049] ΔDosageFlow(t)：碳源投加修正量，单位L/h。

[0050] 优选的，所述碳源投加修正量ΔDosageFlow(t)数学表达式中涉及的参数取值范围如下：

[0051]符号参数名称取值范
Yh 活性污泥微生物的产率系数 0.6～0.8
NOXSP 缺氧池硝态氮设定浓度 3.0～8.0
μmax 活性污泥微生物最大生长速率常数 6.0～8.0
dt 采样时间间隔 5.0～10.0
KS 有机物浓度半饱和系数 4.0～6.0
KNO 硝态氮浓度半饱和系数 0.5～1.0

[0052] 本发明的技术方案中：

[0053] 本发明碳源投加量的计算方法中需要基于上一时刻的碳源投加量DosageFlow(t-dt)来计算当前时刻的碳源投加量DosageFlow(t)。因此需要指定计算开始时刻(t＝0)的碳源投加量作为计算的初始值，一般是用该时刻采集到的实时碳源投加量作为初始值，来计算出后续的碳源投加量。

[0054] 本发明技术方法中在采样时间间隔内，投加碳源使的硝态氮减少，作为硝态氮的变化率，获知从实际硝态氮浓度变化到硝态氮浓度设定值，所对应的硝态氮变化率，而从实际硝态氮浓度变化到硝态氮浓度设定值，认为是投加碳源的作用，因此根据硝态氮浓度的变化率，进而求出所需的碳源投加量。

[0055] 本发明的有益效果：

[0056] 本发明结合反硝化过程的反应动力学，实时计算缺氧池硝态氮实际值满足设定值所需的碳源投加量，以适应污水处理反硝化过程对碳源消耗的真实需求。采用本发明所述方法计算的碳源投加量，能在满足出水水质达标要求的前提下，避免碳源投加量过多造成的药剂浪费和二次污染，相比传统方法具有更高的费效比。附图说明

[0057] 图1本发明实施例中两种不同方法计算得到的碳源投加量对比图；

[0058] 图2本发明实施例中硝态氮高于设定值时的碳源投加量

[0059] 图3本发明实施例中硝态氮低于设定值时的碳源投加量

具体实施方式

[0060] 下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

[0061] 以某污水厂为试点，该厂的设计进水流量5万吨/天，折合2083m3/h，碳源投加泵两用一备，单泵的设计投加量180L/h。缺氧池进水硝态氮浓度小于1mg/L，池中的活性污泥平2
均浓度约3500mg/L，池子表面积625m ，液位维持在5米左右。全厂共设两组平行的处理工艺，对应两座缺氧池，选择其中一座按本发明的方法进行碳源投加，另一座仍沿用传统的投加模式，仅根据硝态氮实测值和设定值的偏差来计算碳源投加量，不考虑反硝化因素的影响。

[0062] 按照本发明所述的方法计算碳源投加量的步骤如下：

[0063] S1：在缺氧池进水管上和碳源投加管路上分别安装流量计，在缺氧池进水端和缺氧池内分别安装硝态氮在线仪表，在缺氧池内安装污泥浓度计，所述流量计、硝态氮在线仪表、污泥浓度计、液位计和控制器相连。

[0064] S2：控制器采集不同时刻的进水流量、进入缺氧池的硝态氮浓度、缺氧池内硝态氮浓度、缺氧池内活性污泥浓度、缺氧池水深和碳源投加量，上述采集的数据进行阈值判断、去跳等预处理，剔除异常值；

[0065] S3：根据步骤二得到的数据计算采样时刻能使硝态氮浓度从实测值硝态氮浓度达到设定值硝态氮浓度所需消耗的有机物浓度，计算公式如下：

[0066]

[0067] 式中：

[0068] SCOD(t)：消耗的有机物浓度，单位mg/L；

[0069] Yh：活性污泥微生物的产率系数，单位：g微生物/g有机物；

[0070] dt：采样时间间隔，单位s；

[0071] ΔNOX：缺氧池内硝态氮浓度变化率，单位mg/L·h，通过下式进行计算：

[0072]

[0073] ΔNOXWatFlow：进水引起的缺氧池内硝态氮浓度的变化率，单位mg/L·h，通过下式进行计算：

[0074]

[0075] NOXSP：缺氧池硝态氮的设定浓度，单位mg/L；

[0076] NOX(t-dt)：前一时刻缺氧池内硝态氮浓度，单位mg/L；

[0077] NOXIn(t-dt)：前一时刻缺氧池进水中硝态氮浓度，单位mg/L；

[0078] MLVSS(t-dt)：前一时刻缺氧池内活性污泥浓度单位，mg/L；

[0079] WatFlow(t-dt)：前一时刻进水流量，单位m3/h；

[0080] Aset：缺氧池表面积，单位m2；

[0081] Level(t-dt)：前一时刻缺氧池液位，单位m；

[0082] μmax：活性污泥微生物最大生长速率常数，单位1/d；

[0083] KS：有机物浓度的半饱和系数，单位：g有机物/m3；

[0084] KNO：硝态氮浓度的半饱和系数，单位：g氮/m3；

[0085] S4：根据步骤二中计算的有机物浓度，计算碳源投加量的修正值；

[0086] S5：根据步骤三中计算得到的碳源投加修正量计算当前时刻的碳源投加量。

[0087] 本实施例中，计算碳源投加量修正值所用参数的取值如下表所示：

[0088]符号参数名称取值
Yh 活性污泥微生物的产率系数 0.67
NOXSP 缺氧池硝态氮设定浓度 4.0
μmax 活性污泥微生物最大生长速率常数 6.0
dt 采样时间间隔 5.0
KS 有机物浓度半饱和系数 6.0
KNO 硝态氮浓度半饱和系数 0.8

[0089] 如图1所示，两座缺氧池连续运行48小时后，两种方法的碳源投加量和对应的缺氧池硝态氮浓度的对比。两座缺氧池中硝态氮的浓度很接近，也就是利用两种不同方法得到的碳源投加量可以达到相同的效果，但是采用本发明方法得到的碳源投加量总体上要少于采用传统方法得到的碳源投加量。经过连续运行48小时后统计，采用传统方法的平均碳源投加量约302L/h，而采用本发明方法的平均碳源投加量约273L/h，碳源投加量节省约9.6％。

[0090] 图2中缺氧池硝态氮实际值较设定值整体偏高，意味着碳源不足，实际的碳源投加量是偏低的。

[0091] 在这种情况下，根据硝态氮浓度的实际值与设定值的偏差，利用本发明所述计算方法计算得到的碳源投加量相较实际值碳源投加量增多，即需要投入更多的碳源。这意味着如果采取计算出的碳源投加量作为实际碳源投加量，可以将明显偏高的硝态氮浓度“拉低”达到设定值水平，使出水水质更符合达标排放的要求。

[0092] 图3中，缺氧池硝态氮浓度的实际值相较设定值整体偏低，意味着碳源过量，即实际的碳源投加量是偏高的。

[0093] 在这种情况下，根据硝态氮浓度的实际值与设定值的偏差，采用本发明所述计算方法计算得到的碳源投加量，相较实际碳源投加量整体上是减少了，这就是说如果按照本发明所述方法计算得到的碳源投加量作为实际碳源投加量，可以使实际硝态氮浓度“抬高”到设定值的水平，避免碳源投入过多造成的药剂浪费和二次污染。

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