（环境工程专业论文）gsmbr自动化控制系统研究.pdf

a b s t r a c t n o to n l yc h i n a se c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n ti sr e s t r i c t e d b yw a t e r r e s o u r c e ss h o r t a g ea n dw a t e rp o l l u t i o n ，b u ta l s ot h ep e o p l e sh e a l t h , t h es o c i a l h a r m o n ya n ds t a b i l i t y t h ee f f l u e n t i nt r a d i t i o n a lb i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n ts h o u l d b ep o s t - t r e a t e db yt e r t i a r yt r e a t m e n ti no r d e rt ob er e u s e d , s u c ha sf u r t h e r f i l t r a t i o n ，a c t i v a t e dc a r b o na d s o r p t i o n ，d i s i n f e c t i o n , r e v e r s eo s m o s i s ，a n ds oo n n o w a d a y , t h em e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) m a k e sw a s t e w a t e rr e u s ee c o n o m i c l y t h r o u g hi t ss i m p l es t r u c t u r e a n da u t o m a t i o nc o n t r o l s y s t e m ，a n de f f l u e n td on o t c o n t a i ns u s p e n d e dm a t e r i a la n dp a t h o g e n i cm i c r o - o r g a n i s m s ，an e w t y p em e m b r a n eb i o r e a c t o r ( g s - m b r ) w i t ha u t o m a t i cc o n t r o ls y s y t e m ， w h i c hc o n s t r u c t e dm a i n l yb ys e q u e n i c a lb a t c hb i o r e a c t o r ( s b r ) a n dm e m b r a n e m o d u l eu n i t ，w a sd e v e l o p e di nt h i sr e s e a r c hw o r k g s m b rw a sp r e s s u r e - d r i v e nb y t h eh e a do ft h em i x t u r eo ft h es e t u p ，s a v i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na n do p e r a t i o nc o s t s a l s o ，t h es y s t e mw i t hs i m p l es t r u c t u r e ，n os l u d g er e t u r n i n ge q u i p m e n t ，f l e x i b l e o p e r a t i o nm o d e ，f i n ee f f l u e n tq u a l i t y , w i l lc e r t a i n l yp r o m o t et h em e m b r a n eb i o r e a c t o r t e c h n o l o g yi nc h i n a su r b a ns e w a g et r e a t m e n ta n dr e c y c l i n gf i e l d s t h eg s - m b rp l cc o n t r o ls y s t e mw a sc o m p o s e do fp l c ，r e l a y s ，a n ds o l e n o i d s ， r e a l i z i n gt h et i m i n gc o n t r 0 1 a tt h es a m et i m e ，o nt h es t u d yo fm e t r o l o g yw a s t e w a t e r b i o l o g i c a lt r e a t m e n t ，a n ds u m m a r i z e do nt h eb a s i so fp r e l i m i n a r yl a b o r a t o r yg s m b r t e s t d a t a , d e v e l o p e d g s m b r o p t i m i z a t i o n s o f t w a r e ，i t c a nd e t e r m i n et h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eo p e r a t i o n a lp r o c e s s e so ft h eb e s tt i m ea n do p e r a t i o no ft h ef o r m b yt h ew a s t e w a t e rc h a r a c t e r i s t i c sa n de f f l u e n tr e q u e s t t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m a p p l i e sn o to n l yt os m a l lg s - m b rt e c h n o l o g yt e s t , p i l o ts t u d i e s ，a n dh a sas t r o n g p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dv a l u e t h eo p e r a t i o nm e t h o dw a si n t r o d u c e da sf o l l o w s ：t h es u p e m a t a n to fs b ra f t e r b i o d e g r a d a t i o nf l o w e di n t ot h em e m b r a n em o d u l e ，t h ee f f l u e n tf l u x e dt h r o u g ht h e m e m b r a n e ，a tt h em e a t i m et h em e m b r a n em o d u l ew a sc l e a n e db yt h ea e r a t i o np u m p t h es b ro p e r a t i o nm o d ew a sd e c i d e d 勰f o l l o w s ：i n s t a n ti n f l o w , a n a e r o b i c3h i i t o t a le f f e c t i v eb j o t r e a t m e n tv o l u m ew a s5 0 t h er e s u l t ss h o wt h a tg s m b rw a ss t a b l y h i 【g l l i nn i t r o g e nr e m o v a li nt h e s e w a g et r e a t m e n t w i t hl o w c o d a l s o 。p h o s p h o r u s r e m o v a lc a ng e t r a p i d i n c r c a s e m e n t t h r o u g hs u p l y i n g c a r b o nr e s o u r c ：e a n d ，o p t i m i z i n gt h e g s - m b r c o n t r o l l i n gs y s t e mt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l 。 t h r o u g hn e a r l ys i xm o n t h s ，r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eg s m b ra u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mc o m p o s e db yt h ep l c , r e l a y s ，s o l e n o i d s ，a n do t h e rc o m p o n e n t so fa u t o m a t i o n c o n t r o ld e v i c e s ，i ss t a b l e ，u n m a n n e da u t o m a t i c , a n da l s oc a l le x p a n d d o 、p h ，a n do t h e f s e n s o r st oa c h i e v ef e e d b a c ko p t i m a lc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：c o n t r o ls y s t e m ；m e m b r a n eb i o r e a e t o r ( m b r ) ：s e q u e n c i n gb a t c h b i o r e a c t o r ( s b r ) ；w a s t e w a t e rr e u s e l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得武汉理工大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 我国水资源和水污染现状 目前，我国水资源严重短缺。淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，占全球水 资源的6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2 3 0 0 立方米，仅为世界平均水平的1 4 、美国的1 5 ，在世界上名列1 2 1 位，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一。扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区 的地下水资源后，我国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为1 1 0 0 0 亿立方米左 右，人均可利用水资源量约为9 0 0 立方米，并且其分布极不均衡。到2 0 世纪末， 全国6 0 0 多座城市中，已有4 0 0 多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的 缺水城市达1 1 0 个，全国城市缺水总量为6 0 亿立方米。 水环境形势严峻。主要污染物排放量远远超过水环境自净能力。2 0 0 0 年， 全国废水排放总量为4 1 5 亿吨( 其中工业废水1 9 4 亿吨，生活污水2 2 1 亿吨) ，废 水中c o d 排放量1 4 4 5 万吨。据专家预测，按1 0 大水系多年平均迳流量计算， 我国地表水全部达到国家三类水质标准时的c o d 容量为8 0 0 万吨。由于排放总 量大且相对集中，己对地表水体产生了普遍影响，对地下水水质产生威胁。 水污染严重。2 0 0 1 年全国七大江河水系劣五类水质占4 4 o ，辽河、海河、 淮河污染严重，主要超标污染物为高锰酸盐指数和氨氮。全国7 5 的湖泊出现 不同程度的富营养化，尤以巢湖、滇池、太湖为重。近岸海域以二类和超四类 海水为主，主要超标污染物为氮和磷，赤潮发生次数和面积明显增加。氮、磷等 营养类污染物未得到有效控制，加剧了地表水的污染程度，是湖泊富营养化和 海洋赤潮产生的主要物质来源。 饮水安全受到威胁。2 0 0 1 年，开展集中式饮用水水质月报的4 6 个环境保护 重点城市中，仅2 8 3 的城市饮用水源地水质良好，2 6 1 的城市水质较好，4 5 6 的城市水质较差。经全国布点监测( 不含西藏) ，2 0 0 0 年农村地区饮用水卫生合 格率为6 2 1 ，全国尚有3 6 亿农村人1 3 喝不上符合标准的饮用水i l j 。 1 2 膜生物反应器简介 传统的生物处理源自“治理、排放”的环保理念，但是传统的生物处理无 武汉理工大学硕士学位论文 法达到直接或间接的饮用水要求，为了达到回用的目的就必须经过消毒、过滤 等三级处理。膜生物反应器是结合传统的生物处理工艺和膜分离技术基础上发 展起来的。膜生物反应器工艺除了可以降解各种污染物外，还直接消除了各种 病原性微生物进入水体，从而能确保出水达到回用标准，实现污水的零排放， 所以更充分地体现了“治理、回用”的节约淡水资源的理念。美国内政部就已 经对膜生物反应器在节约淡水资源和污水回用等方面的潜力展开了细致调查。 报告显示了膜生物反应器过程在水回用和反渗透预处理等方面有着广阔的应用 前景，还展示了这种技术具有广泛的应用领域，如饮用水、生活污水、工业废 水、垃圾渗滤液、市政污水处理和豪华建筑物的循环使用水等1 2 1 。 1 3 膜生物反应器的分类 按照膜组件在膜生物反应器的位置不同，分为外置式膜生物反应器和浸没 式膜生物反应器( 如图1 - 1 所示) 。 浸没式膜生物反应器外置式膜生物反应器 图1 - 1 膜组件的放置方式 在未出现膜生物反应器之前，二沉池的排放出水还需要进一步过滤、活性 炭吸附、杀菌消毒甚至反渗透等三级处理。这样的工艺较为复杂，而且还有化 学处理产生的沉淀污泥。膜制作技术的进步促进了用超滤或微滤膜取代三级处 理的工艺方法，工艺的进一步发展最终导致了用超滤或微滤膜取代二沉池的工 艺方法，该工艺称为外置式膜生物反应器。 在浸没式膜生物反应器里，微滤或超滤膜直接浸没于生物反应池，并安置 在曝气器的上方，借助曝气流引起的上升的汽水混合流擦洗膜表面以去除滤饼 层。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 膜生物反应器的优缺点 1 3 1 1 膜生物反应器的优点 膜生物反应器以膜单元( 超滤膜或微滤膜) 取代二沉池，所有悬浮物和胶 体都被膜分离截留，污泥的沉降性不会影响到出水水质。另一方面，膜分离单 元增加了曝气池中活性污泥的浓度提高了生物降解的效率，同时也降低了比负 荷率，并减少剩余污泥的产生量。 与传统活性污泥法，膜生物反应器具有以下优点： 1 1 膜生物反应器的污泥浓度、容积负荷都远高于传统活性污泥法，所以膜 生物反应器的处理系统所占的空间体积要小于传统活性污泥法； 大多数膜生物反应器的出水c o d 相当低，且基本上不含有悬浮物质和 病原性微生物，对氮和磷的去除效率亦优于传统工艺； 3 1 好氧膜生物反应器的污泥产率明显偏低。一些研究表明，膜生物反应器 工艺甚至可以在不用排泥的条件下长期运行； 4 ) 膜对污水中有机物的截留也增加了生物反应池的降解效率。膜生物反应 器工艺由于微生物长时间地被截留，一些传统工艺难以降解的有机物都 会被膜生物反应器系统所降解； 5 ) 厌氧膜生物反应器可以完全截留微生物而不增加反应器的容积，亦无需 污泥有更好的颗粒化。厌氧膜生物反应器的出水水质较好，不含胶体物 质和悬浮固体； 1 3 1 2膜生物反应器的缺点 尽管膜生物反应器具有众多优点，但是相对于传统活性污泥法，也有一些 不足之处： 1 1 膜的价格和膜更换费用较高。建造大型的污水厂时，活性污泥法污水厂 的费用仅为膜生物反应器工艺的污水厂的费用的5 4 0 】。 能耗较高。膜生物反应器的污泥浓度一般较高，这就容易导致氧传递率 的降低，从而使运行能耗增大。 3 1 容易出现膜污染。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 国内外膜生物反应器的研究现状 1 3 2 1 国外膜生物反应器的研究现状 1 9 6 6 年，美国的d o r r o l i v e r 公司首先进行了m b r 用于废水处理的研究。1 9 6 9 年，s m i t h 4 l 等将m b r 用于处理城市污水。2 0 世纪7 0 年代初期，m b r 的研究 主要停留在实验室阶段，厌氧m b r 处理生活污水的研究也在这个时期开始。进 入2 0 世纪8 0 年代，日本由于污水再生利用的需要而实施的“水综合再生利用系 统9 0 年代计划”使m b r 研究在污水处理对象与规模上又大大推进 5 1 。1 9 8 9 年， 日本y a m a m o t 0 1 6 等首先开发了一体式m b r 。2 0 世纪9 0 年代初，m b r 开始应 用于废水的脱氮除磷及给水处理【7 j 。1 9 9 7 年，v i s v a n a t h a n 8 l 等人最早报道了一体 式m b r 中采用空气反冲洗技术，开辟m b r 研究的一个新的领域一过滤曝气 两用型膜生物反应器。 进入2 1 世纪，膜生物反应器应用范围不断扩大，但其应用过程也出现了问 题，为此人们对m b r 进行了更全面和深入的研究。其中在膜污染的机理和膜污 染的防治方面的研究较多。2 0 0 2 年，l 朋y 曲g h u n l 9 j 等用数学模型来描述浸没式 膜生物反应器中微生物代谢产物对膜污染的影响，从实验中发现了有机负荷率 和泥龄是反应器内控制溶解性微生物代谢产物浓度的关键因素，溶解性微生物 代谢产物与膜污染和出水水质密切相关，该模型的建立为优化系统操作条件提 供了依据；c h ob d 1 1 0 l 等通过研究发现m b r 在低的恒定流操作条件下，膜驱动 压力增加缓慢，还发现膜驱动压力有一次骤升，通过对膜丝解剖发现细菌胞外 聚合物是引起膜驱动压力最初和逐渐上升的原因，且细菌胞外聚合物在膜丝上 不同部位分配不均匀；h o n g s p i “l 等研究了中空纤维膜生物反应器膜污染的控制 方法及影响膜污染的因素，结果表明，使用间歇抽吸操作可能在大规模处理上 不具有经济可行性。2 0 0 3 年，k a n gi n - j o o n g 1 2 j 等通过控制溶解氧的浓度来考察 膜一复合式生物反应器中微滤膜的过滤特性，发现高浓度溶解氧使膜驱动压力增 加缓慢，膜污染相对较轻；b a et a e h y u n 】等研究了膜复合式生物反应器在牛 奶工业废水处理中的应用，发现恒流操作和间歇抽吸方法适应该系统，长期操 作可达1 1 0d ，b o d 的去除率达9 7 9 8 ，并且出水水质稳定，膜分离出水悬 浮物几乎为零。氮主要作为营养被新细胞合成而消耗，去除率达到9 6 ，因为 生物学过程的限制，磷去除相对较低。2 0 0 4 年，s o f i a a 等研究了化学和机械清 洗、空气清洗对一体式膜生物反应器系统膜通量的恢复情况，发现与机械清洗 相比，化学清洗能保持系统更长的运行时间，均匀分布好空气气泡可能减缓过 4 武汉理工大学硕士学位论文 滤阻力的提高。在临界曝气强度下用空气清洗，不需要化学制剂或机械清洗， 能使膜操作延长到8 个月【1 4 l ；s i n d h u j as 等用细菌和酵母菌取代活性污泥分别研 究了m b r 的性能i 蝴。实验使用2 座5l 反应器，浸入中空纤维膜，其中一座反 应器内培养细菌，另一座反应器内培养酵母菌。两反应器的性能就c o d 的去除 而言差别不大，但就b o d 5 而言，培养酵母菌的反应器显示了更好的去除率，并 且，培养酵母菌的反应器膜过滤阻力较低，维持操作时间更长，其原因可能是 酵母的细胞结构降低了细菌胞外聚合物的产生。此外，学者们还研究了p h 值、 温度、大分子吸附、水力停留时间等对膜污染的影响。 膜生物反应器在国外的研究和应用发展很快，从2 0 世纪9 0 年代中后期， 膜生物反应器在国外就已经进入了实际应用阶段，无论是应用范围还是处理规 模都不断增大，其中绝大部分是好氧膜生物反应器。好氧m b r 工艺已经成功应 用于：化妆品、医药、金属制造、纺织、屠宰场、食品、饮料，造纸，垃圾填 埋场渗滤液等领域的污水处理。m b r 在日本的商业应用发展很快，世界上约有 6 6 的工程在日本，其余的主要在北美和欧洲。据统计，至2 0 0 2 年，日本已有 3 0 0 余座m b r 处理系统用于小区污水回用，1 5 0 余座用于工业废水的处理。此 外，荷兰、英国、美国、德国、加拿大、瑞士等国也有多家大规模的m b r 污水 处理厂运行稳定且处理效果良好1 1 6 1 。 1 3 2 2 国内膜生物反应器的研究现状 我国对m b r 的研究工作起始于2 0 世纪9 0 年代。中国科学院生态环境研究 中心、清华大学、同济大学等研究机构在膜生物反应器废水处理领域的研究中 取得了丰硕成果，如对m b r 处理人工合成污水和制药废水的可行性研究，m b r 用于石油化工废水的净化研究，膜的最佳反冲洗周期的研究，厕所污水的再生 回用，分离式m b r 处理生活污水的研究，一体式膜生物反应器用于中水处理的 经济效益分析等等【1 7 s l 。 一 我国对m b r 的研究仅十余年，但发展十分迅速。近几年来，我国学者对 膜生物反应器的研究力度明显加大，主要针对一体浸没式膜生物反应器，且 膜组件多用中空纤维膜。研究内容主要包括：膜生物反应器运行参数的确定； 出水方式、溶解氧、泥龄、膜通量等对膜污染的影响及膜清洗方式；不同组 合工艺对污染物去除效果的影响；复合式膜生物反应器去除氨氮废水的研究； 用纯化后的硝化细菌代替传统活性污泥考察对生活污水中氨氮去除效果；膜 本身对污染物的强化作用；膜生物反应器中微型动物变化与活性污泥状态相 武汉理工大学硕士学位论文 关性；过滤曝气两用型膜生物反应器试验研究；给水处理的膜污染特征及清 洗研究等等1 1 乳2 ”。 1 4 国内外污水处理自动化控制的研究现状 国内外对s b r 的研究主要有：溶解氧的模糊控制；根据d o 、p h 、o r p 的 变化规律来判断s b r 各阶段的结束点的研究；探测反硝化碳源不足时自动添加 碳源等自动化控制策略。膜生物反应器的研究主要有如何在线判断膜污染和清 洗膜污染，膜生物反应器的溶解氧控制上。 1 4 1 国内污水处理自动化控制研究现状 厦门市环境保护科研所的洪俊吲捌等提出用a s b r s b rt 艺处理屠宰废 水，其中s b r 运行的控制方式是时间控制；根据s b r 中的溶解氧控制罗茨风机 的频率。控制系统的组成方式上由上位监视级( 研华工控机) 、控制级( s 7 3 0 0 p l c ) 组成，上位机组态软件为组态王软件。控制系统的功能主要有：生产过程 自动控制在线监视、故障显示报警、自动生产报表等功能。 北京工业大学的曾薇l 垮人提出了用d o 、o r p 联合作为s b r 好氧曝气时 间的模糊控制参数。发现在不同进水c o d 浓度、不同曝气量时d o ，o r p 突然 迅速大幅升高时，c o d 已达到难降解浓度。故d o 、o r p 突然迅速大幅度升高 的变化特征能够可靠控制不同曝气量、不同原水c o d 水平下所需的曝气时间。 控制方式上选择了模糊控制。 中南大学信息科学与工程学院的尚国祥】等人设计了s b r 工艺污水处理 实验控制系统，控制方式上可选用常规时间控制或采用以d o 作为s b r 的模糊 控制参数来调节曝气量的模糊控制，模糊控制在出水水质达标下同时降低了能 耗。控制系统的组成方式是采取p l c 作为控制装置。 东南大学的赵立杰1 2 5 l 等人针对s b r 间歇过程缓慢时变、可变运行长度和非线 性的特点，采用双滑动窗口机制，提出多变量非线性自适应动态建模方法可变长 度的滑动窗口m p c a 方法，解决常规m p c a 在工业应用过程中存在的几个潜在 问题：( 1 ) 建模数据样本不同步问题；( 2 ) 模型失配问题：( 3 ) m p c a 线性方法不能充 分有效压缩和抽取非线性过程信息；( 4 ) 估计未来测量变量所引进的监视误差。所提 方法已成功应用在国际水协大会提出的b e n c h m a r k 仿真试验平台。 浙江大学智能系统与决策研究所工业控制技术国家重点实验室的商敏儿瞄】 等人综述了活性污泥法污水处理过程自动控制的研究现状，指出了污水处理自 6 武汉理工大学硕士学位论文 动化控制落后的原因是( 1 ) 对生化处理过程的生物机理还不了解( 2 ) 对某些测量参 数，现有传感器达不到足够的精确性和可靠度，并指出了未来污水处理自动化 控制的研究方向是软测量技术及智能控制策略。 沈阳化工大学的刘先春吲等人在辽宁石油化工大学小区污水处理站设计 了m b r 系统，控制系统为p l c 控制，控制方式上主要采用模糊控制，根据膜 生物反应器水中的溶解氧来控制风机的频率。 厦门大学的丁原红i z s l 等人采用由继电器、电磁阀和液位控制器等元件所构 成自动控制装置利用液面下降速率的快慢表征膜污染的状况，以液位控制器为 核心，将m b r 的进水、出水、液控、曝气和反冲5 个系统联系为一个统一的整 体，其中进水、出水和曝气分别为由时间继电器控制的周期性运行运行实验表 明：反应体系中基本的物化参数，如混合液体积和膜出水通量等参数随时间的波 动基本符合生化反应所需要的稳定性，同时对各种泵类起到了良好的保护作用。 中国科学院沈阳自动化研究所的樊立萍等人综述了污水处理过程仪表 的现状，指出污水处理中用的d o 传感器要配备自动清洁系统并可要进行自校准， 对于高度缓冲能力的废水，碳酸盐测量系统显得比p h 计更为合适。 北京工业大学的崔有为1 3 0 1 等人提出用模糊控制强化生物除磷s b r 系统的 除磷过程。实验结果表明，厌氧阶段的结束点可以选择o r p 曲线出现微小的跳 跃的时候，而厌氧阶段p h 的监测，p h 下降则说明是p a o 强势、p h 升高则说明 是g a o 强势。而好氧阶段的选择可以是在p h 曲线谷点出现以后，p h 大幅度快 速上升时，而缺氧阶段的选择，当硝酸盐足量时，p h 谷点可以作为缺氧吸磷的结 束点；当硝酸盐量不足的时候，o r p 、p h 大幅度下降可以作为结束点。 1 4 2 国外污水处理自动化控制研究现状 s m a r s i l i l i b e l l i 3 l j 提出用小波降噪来处理传感器的数据，从而提供控制器 更为信赖的数据；并且提出用模糊聚类算法来决定s b r 各阶段的终点。实验结果 表明用模糊聚类算法的s b r 处理时间上比常规时间控制下的s b r 节省时间。 g e r m a nb u i 扛0 n 1 3 2 1 等人用s b r 处理高浓度的四氯酚( 4 c p ) ，实验了两种控制 策略。第一种控制策略，可变时间控制( v t c 控制) ，探测到反应阶段的重点来 停止。第二种控制策略就是基于观察者的时间优化控制( o b t o c 策略) ，即自 动化系统通过控制进料速率来使底物降解速率保持最大生长速率。当微生物一 直接触的是相同浓度的进水时，v t c 策略之下的s b r 控制系统可以保持稳定和高 效的运行，当4 c p 浓度高于或等于1 0 5 0 m g a 时，系统被严重的扰乱了。4 c p 浓度 武汉理工大学硕士学位论文 j 拯l j l 4 0 0 m g l 时微生物的新陈代谢活性被彻底损害了，导致了反应器的失败。在 o b t o c 策略之下，当4 c p 浓度分别是7 0 0 ，1 0 5 0 ，1 4 0 0 m g l 时，系统一直保持稳 定和高效的运行。从而实验结果表明处理浓度波动比较大的有毒有机物浓度时， o b t o c 策略显得比v t c 策略更有优势。 at r a o r 7 e 1 3 3 1 等人研究了s b r 中三种不同的控制策略的研究，开关控制、p i d 控制和模糊逻辑控制。实验结果表明，开关控制和p i d 控制难以有效控制d o 的 变化，并且对硝化和反硝化的控制有负面的影响；而模糊控制显得比常规控制 有效和优越。 j u h y u nk i m 3 4 1 等人针对养猪场废水c o d 浓度波动比较大，而使得反硝化 阶段缺少碳源的情况下，设计了自动增加碳源的自动化控制系统，利用o r p 和p h 作为控制变量来控制厌氧阶段和好氧阶段的时间。试验结果表明，t o c 和氮平均 处理效率分别达到了9 4 和9 6 。 。 1 5 本课题的研究目的与研究内容 1 5 1 研究目的 目前，国内外正在研究不同生物处理工艺与膜分离单元的组合形式，来强 化城市生活污水的处理效果。本课题自主开发了一种新型复合式膜生物反应器 佑s m b r ) ，它由间歇式生物反应器单元( s b r ) 和膜组件单元组成，形成一套污 水处理复合工艺。利用混合液水头压力驱动出水，有效节省膜出水能耗，降低 了膜生物反应器系统的运行费用。同时该系统结构简单，无需污泥回流设备， 并可根据进水水质及出水要求改变运行模式，与传统活性污泥法相比，具有一 定的优势。再加上膜的高效截留作用，可使反应器内维持较高的污泥浓度，保 证出水水质良好，达到城市中水回用标准。 本课题的研究目的是在已有研究成果的基础上，充分利用s b r 中硝化作用、 反硝化作用、生物除磷作用结束点与运行工序之间的正相关性，设计与开发基 于时间控制的g s m b r 膜生物反应器全程自动控制系统，将自动化控制技术和 膜生物反应器技术很好的结合起来，通过处理城市生活污水的试验，考察 g s m b r 自动控制装置处理生活污水的实际效果和经济可行性。 1 5 2 研究内容 1 ) 设计与开发g s m b r 自动控制系统。 2 ) 研究g s m b r 自控系统在稳定运行工艺条件下，对城市生活污水c o d 、 n i - 1 4 + 一n 、t p 的去除率。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章g s m b r 自控装置设计 2 1g s m b r 自控装置设计原理图 g s m b r 装置的设计分为以下两种情况，第一种情况是：g s m b r 处理时， 不用外加碳源和硝酸盐。如下图2 1 ： 在污水生物处理过程中，有时碳源不足难以达到除磷或反硝化的目的，可以外 加碳源，或无硝酸盐实现反硝化除磷时，可以添加外加硝酸盐模块。如下图2 - 2 - ：；器i ：；i 专? 譬；、怒：t ；1 r 。m 。ms 篙嚣。 拴瀑：嚣絮2 ；藉：? 嚣“” 图2 1 g s m b r 装置图 1 、再木0 嚣垤& 电聃 瑟自接叫嚣5 ，n 瞒艳k 蔫* | 7 、r 一 8 、锑t - 帅z t m 一1 “s 辱e 1 1 ，湖1 t 一 1 2 黜$ t t 月1 3 、喇目# 1 4 职m t $ 目1 t 粕1 6 - 嘎 1 7 氍1 1 k 嘲t 1 “i 叠2 0 , 柏t i 图2 - 2g s m b r 装置图( 加碳源或硝酸盐) 2 2g s m b r 自控装置设计选型 2 2 1p l c 控制与继电器控制的比较 9 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1p l c 和继电器控制的比较【3 5 】 2 2 2p l c 与通用计算机的比较 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 2p l c 和通用计算机的比较【3 5 l 2 2 4 g s m b r 自控装置设计选型 在g s m b r 自控装置选型中，由于考虑到要有一定的扩展余地和价格方面的 因素，选用了p l c 控制系统，p l c 选择了西门子c p u2 2 4 c n ，它有1 4 个输入 触点和1 0 个输出触点，能满足g s m b r 控制系统的要求，同时有一定的余量， 还可以扩展模拟量模块及d o 、p h 等传感器来实现反馈优化控制。 2 3g s m b r 自控装置电气图 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3 ( i s m b r 自控系统电气原理图( 左) 图2 4g s - m b r 自控系统电气原理图( 右) 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 5p l c 接线端子分配图 2 4g s m b r 自控装置实物图 图2 - 6 控制柜内部电气元件实物图图2 - 7 控制柜按钮图 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章g s m b r 设计优化软件 g s m b r 主要由s b r 和膜组件构成，故g s m b r 的设计可分为膜生物反应 器中s b r 生物处理设计计算和膜出水过程分析。 3 1g s m b r 中s b r 的设计 3 1 1s b r 中c o d 去除及脱氮设计分析 s b r 的设计工艺灵活多变，可分为厌氧、好氧、缺氧同时脱氮除磷工艺或 厌氧、缺氧、好氧同时脱氮除磷工艺或其他分段进水的工艺。本文只考虑厌氧、 好氧、缺氧同时脱氮除磷工艺。 一个典型的不考虑除磷的序批式工艺，它在各个时段的生化环境或操作方 式分别为： 进水时段一好氧时段一缺氧时段一排水时段 在好氧时段，进水有机物被异养菌好氧降解，同时铵态氮被自养菌转化为 硝态氮；在缺氧时段，伴随着异养菌的缺氧生长，硝态氮被转化为氮气。 无污泥排放的工艺条件下好氧时段时间h r t o 的设计值为【卅 h r t o 。( 1 0 - 1 4 3 ) v e r * s , o x r s s v e r ：每一周期的进水量v 进水和反应器的池容v 反应器之比被定义为体积 交换比。s s o ：进水c o d 。x - r s s ：反应池的污泥浓度。 如果好氧时段产生的硝态氮刚好被缺氧时段所消耗，那么h r t o 和i 茁r t a 之 间应该满足如下方程f 3 6 j ： h r t 月r 瓦一4 x f ，g o 一0 0 3 2 l n , s s o ( g ( n ) g ( c o d ) ) 为进水有机物的含氮量。 3 1 2s b r 除磷设计分析 1 1 生物除磷工艺的工作原理 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 生物除磷的污水处理工艺主要利用了除磷菌的如下习性：在厌氧区，储磷 菌可以将厌氧发酵的产物转化为胞内储存物，同时释放出胞内储存物的聚磷酸盐， 让它水解成为正磷酸盐：在好氧区，储磷菌从胞内储存物的好氧呼吸作用中获 取能量，并将水体中的正磷酸盐储存为胞内储存物聚磷酸盐。由于储磷菌将正 磷酸盐转化为胞内储存物，并作为富含磷的剩余污泥排放，所以好氧区出水的 含磷量将会变得极低，从而保证了良好的出水水质。 2 ) s b r 的生物除磷工艺的设计 s b r 厌氧段时间一般要保持在2 h 。在进水有机物c o d 和磷的比例达到1 0 0 ：1 时，通过降解有机物即可去除t p 实现达标排放。 3 2 膜组件对有机物、氨氮、磷去除的分析 根据实验室课题组g s m b r 前期实验结果可以看出，膜组件对有机物、总 氮、磷均有1 0 的去除效果，氨氮并不受过滤的影响。 3 3g s m b r 优化设计模块小结 对于g s m b r 工艺要顺利的实现同步脱氮除磷时，设计要满足： 厌氧时段一般定为2 h 。 为了要达到良好的脱氮和除磷的效果，进水有机物c o d 和磷的比例要达到 1 0 0 ：1 。 无污泥排放的工艺条件下好氧时段时间h r t o 的设计值为【蚓： h r t a o o 1 4 3 ) v e 莨r * 一s , o 缺氧段时间h r t a 的设计值为【3 q ： h r l h r r o 一4 f ，g o 一0 0 3 2 3 4g s m b r 系统同步脱氮除磷计算程序 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - ig s m b r 控制系统计算模块 1 6 武汉理工人学硕士学位论文 第4 章p l c 程序设计 4 1p l c 时间控制的程序结构图 图4 1 p l c 程序结构图 4 2p l c 时间控制的梯形图 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 主氇睾 0 7 娃i l $ ：罅： s l 酣( c i b l ) 变量囊童黼宪童龋 w x 婚 t d p * 蔫 钰麓 武汉理= 大学硕士学位论文 孵络标纛 地蛙 w 2 0 0 i v i o 速幂 串折程簪洼髯 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 科i 圭程序( o b i ) rh 武汉理工大学硕士学位论文 块： 孝； 挚敌对闱t 符号数据囊量洼 武汉理工大学硕士学位论文 武汉理工大学硕士学位论文 皂蛙注 懂o o 武汉理工大学硕士学位论文 武汉理工大学硕士学位论文 武汉理工大学硕士学位论文 武汉理工大学硕士学位论文 武汉理工大学硕士学位论文 武汉理工大学硕士学位论文 建； “ 蓉妻錾留：2 2 0 ”0 5 瓮蓉；嚣 ： 耔号鼓据毙型注鼙塑 一萎m r h r h 武汉理工大学硕士学位论文 壹量宪盟教据党置 注 瑙i l o o l 埘 d w m t 叫 r h 卜h 武汉理工大学硕士学位论文 教挹菇壁注释 3 1 h h 卜h r h 武汉理工大学硕士学位论文 毒： 知“西“i 叩 藿萎葑：鬟。0 g 。2 ii 嚣 ；： 符号变i 娄型数据囊盔注释 hm 球 口u 耵 n 婚 武汉理工大学硕士学位论文 悖髫： 皤教屯田：2 50 6 2 5 符号变量凳型教第宪型 洼 m 搿 1 0 0 卜_ _ ( t ) 8 02 ) ) 武汉理工大学硕士学位论文 狩号 数据黉型注拜 武汉理工大学硕士学位论文 符号 hie r 印盯t 舾4 t i 懈m 7 ) 散格差鼍 莲鬻童 一： 武汉理工大学硕士学位论文 苻 ) ) 数舞羹盘注释 q 聍种 缝 武汉理工大学硕士学位论文 符号交量采翟教糟囊翟往释 搿 b 0 0 1 瑾 口蟹 武汉理工大学硕士学位论文 武汉理工大学硕士学位论文 武汉理工大学硕士学位论文 曼： 刨谴时间 蟹魏时勰 符号数据典型毽#型 一： 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 武汉理工大学硕士学位论文 注释 0皓“吁盯姆潞n撑n强坫魅碍铝诘珊谨珏增仍艟辐谭碍碍 样“i豁“站戤n督虬毗怔篡瑟美蠢瑟黧麓 武汉理工大学硕士学位论文 武汉理工大学硕士学位论文 ：搏蝎坤n竺o=蟑拈地谁诣堪得礓珥谁!堂 裳器譬鑫m 嚣黧嚣黧黧美 武汉理工大学硕士学位论文 麟艇糍墨 一 l 慧 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章g s 。m b r 自控装置和实验分析方法 5 1 试验装置和材料 g s m b r 自控装置如图5 1 所示，主要由s b r 生物反应器单元、膜组件单元 和p l c 控制部分组成。s b r 生物反应器用p v c 材料制成，尺寸为：d 3 0 0 x 3 5 0m m ， 有效容积2 0 l 。s b r 反应器与膜组件底部分别装有微孔曝气管，由鼓风机提供空 气，空气转子流量计控制气体流量。鼓风机提供的气体不仅供s b r 生物反应器中 的活性污泥微生物好氧分解有机物，而且可以冲刷膜表面，借助气流与膜组件 之间的剪切力减缓膜通量的衰减和膜堵塞问题，防止污泥附着在膜面上，达到 一气两用的目的。电机搅拌，由电子调压器控制搅拌速度。进水、厌氧、好氧、 沉淀、出水时间均由p l c 自动控制。膜组件为国产0 2 5 胂聚偏氟乙烯中空纤维 微滤膜( p v o f ) ，孔径为0 2 5 z m ，膜表面积为0 5 m z 。 图5 1g s m b r 膜生物反应器照片 武汉理工大学硕士学位论文 5 2 试验污水和污泥 试验采用校园生活污水，取自武汉理工大学西院体育场排污口，主要为学 生宿舍、食堂、学校行政楼排放的生活污水和实验室排出的废液，其水质见表 5 1 。 表5 1 污水水质特征 试验所用的活性污泥菌种取自武汉水质净化厂的回流污泥，经过2 0d 驯化 之后而得到试验所用的活性污泥。 5 3 试验运行工艺条件 本试验装置运行工序是：s b r 反应器经过瞬时进水、厌氧搅拌、好氧曝气， 静置沉淀，上清液经膜过滤出水，膜截流下来的浓缩液回流到s b r 反应器中，进 行再次处理。试验装置运行期间，s b r 反应器的一个运行周期为8 h ，其中厌氧搅 拌3h 、好氧曝气3 h ，静置沉淀1h ，出水与进水合计1h ，一个周期处理的水量为 1 0l ，即该工艺系统的处理水量q 。为加l d ，水力停留时间h r t 为1 6 h 。搅拌机 和鼓风曝气均由p l c 控制，进水由进水泵实现，瞬时进水；膜出水通过重力驱动 连续出水，由p l c 操作，出水时并对膜组件曝气。试验装置采用全泥龄操作，运 行期问除取样外没有额外排泥。 本新型复合式膜生物反应器试验装置稳定运行期间，工艺参数如下； m l