（环境工程专业论文）城市污水处理厂运行控制研究.pdf

墨整奎兰三堡塑主堂垡堡壅丝壹塑坐! 堕墨笪塑塑里! 墅 城市污水处理厂运行控制研究 l 目前，我国污水处理设施建设正以超常规速度发展，进一步提高城市污水处理厂的 运行控制水平，使城市污水处理设施高效稳定地运行，保证出水水质，降低运行成本， 、 是污水处理行业的当务之急。、4 本文采用理论分析、现场测试及数学模拟相结合的方法，针对我国城市污水处理厂 常用工艺，首次从工艺技术机理与运行控制技术的结合点，系统研究了污水处理厂各工 段运行控制机理，其中重点研究了关键工段一生物反应池中溶解氧随进水参数及曝气扰 动的变化规律。对于采用底部曝气和表面曝气的生物处理工艺，针对各主要工段分别提 出了相应的运行控制方案；对于s b r 工艺，提出了“以运行时序为基础，以设备运行状 态为边界条件”的运行控制思想，从而最大限度地保证s b r 工艺系统的正常运转。 f f 本项研究成果适用于我国普遍采用的普曝法、a b 法、a a o 法、s b r 法及各种氧 一 化沟工艺污水处理厂的运行控制。d 关键词：城市污水处理；运行控制溶解氧? 污水处蘧驴用工欺 耋塑查堂三矍堕主兰堡垒奎塑壹望查竺堡 重要篓! ! ! 堕 a b s t r a c t a st h ec o n s t r u c t i o no fm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tf a c i l i t i e si sb o o m i n gn o w a d a y s i n c h i n a ，i ti se s s e n t i a lt h a tt h em a n a g e m e n ti m p r o v e dc o r r e s p o n d i n g l y ，s o t h a tt h et r e a t m e n t p l a n t sc a n b eo p e r a t e ds t e a d i l ya n d e f f i c i e n t l yw i t h s t a n d a r de f f l u e n tq u a l i t ya n dl o wp o w e r c o n s u m p t i o n i nt h i sp a p e r , am e t h o d 。w h i c hw a st h ec o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，o n s i t et e s t i n ga n d m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i n g ，w a sa p p l i e dt o p u tf o r w a r dt h e b l u e p r i n to ft y p i c a l c h i n e s e m u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s i ti st h ef i r s tt i m et os t u d yt h eo p e r a t i n gt e c h n o l o g yi n r e g a r d w i t ht h em e c h a n i s m so ft h e p r o c e s s e s t h e m e c h a n i s mo fe a c h p r o c e s s w a s s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e dw h i l es 廿e s s e d o nt h ek e y p r o c e s s b i o l o g i c a lr e a c t o r , w h e r ed i s s o l v e d o x y g e ni sc h a n g e da c c o r d i n gt o i n f l u e n ta n da e r a t i o n t h eo p e r a t i o n a lc o n t r o l l i n gs c h e m e s w e r et h u s p r o p o s e d a s t ot h e b i o l o g i c a l t r e a t m e n t t e c h n o l o g y o fb o t t o ma e r a t i o na n d s u p e r f i c i a la e r a t i o nw e r ea p p l i e d ，t h eo p e r a t i o n a lc o n t r o ls c h e m ew a sp u tf o r w a r ds e p a r a t e l y a i m e da te a c hm a i np r o c e s s a st os b r t e c h n o l o g y , t h et h o u g h to fo p e r a t i o n a lc o n t r o lw a s b r o u g h tf o r w a r dt h a t “b a s e d o no p e r a t i o n a lt i m e s e q u e n c e ，t e r m sl i m i t e db ye q u i r ，m e r i t o p e r a t i o n a ls t a t e ，s ot h a tt oa s g u l f ef a r t h e s tt h a tt h es b rp r o c e s sc o u l d b e o p e r a t e d i ng e a r t h ea c h i e v e m e n to ft h i sr e s e a r c hc a nb ea p p l i e dt ot h em a n a g e m e n to fm o s tw a s t e w a t e r t r e a t m e n t p l a n t s ，w h e r ec o n v e n t i o n a la e r a t i o np r o c e s s ，a b ，a i a i o ，s b ro ro t h e rk i n d so f o x i d a t i o nd i t c hp r o c e s s e sa r ew i d e l ya d o p t e d k e yw o r d s ：m u n i c i p a l w a s t e w a t e r t r e a t m e n t ；o p e r a t i o n c o n t r o l ；d i s s o l v e d o x y g e n c o n v e n t i o n a lt r e a t m e n t p r o c e s s 墨苎壁三堡堕主堂垡垒壅塑堕望查丝墨 重堡篓! ! 里堕 第1 章序言 目前，我国城市污水年排放量约5 0 0 亿立方米，7 0 的污水未经任何处理便排入自然 水体，致使全国8 2 的江、河、湖泊受到不同程度的污染，2 5 万公里河流水质达不到渔 业水质标准，仅此造成的经济损失每年达1 4 0 0 亿元人民币，严峻的现实，使人们认识到， 加大水污染治理力度，加快污水处理设施建设速度，提高污水处理设施运行管理水平， 保障新建和建成污水处理设施的高效稳定运行，已成为我国环保行业的当务之急。 西方发达国家的大规模水污染治理是在6 0 年代随着经济的发展带来环境污染而展开 的，至7 0 年代末，美国投入了数万亿美元兴建了1 8 0 0 0 余座城市污水处理厂，英国、法 国、德国也分别耗巨资兴建了7 0 0 0 8 0 0 0 座城市污水处理厂，这些污水处理厂的投入运 行对这些国家的水体改善起到了关键作用，同时也为城市蒋水处理厂建设特别是运行控 制管理积累了丰富的经验。 我国的城市污水处理设施建设从7 0 年代提出“环境保护是我国的基本国策”后，特 别是8 0 年代中后期，取得了明显进展。目前我国6 8 4 个城市中仅有2 0 0 余座在建和建成 的城市污水处理厂，其中包括天津市纪庄子污水处理厂，天津市东郊污水处理厂，北京 市高碑店污水处理厂，上海市苏州河污水截流工程等国内外知名的特大型城市污水处理 项目。这些污水治理项目的建成投运，已经在缓解水体污染、改善环境方面发挥了突出 作用。但是我国污水处理的发展还远不能适应我国经济发展的速度，按照城市污水处 理及污染防治技术策略提出的总体目标：2 0 1 0 年全国设市城市和建制镇的污水处理率 不低于6 0 ，重点城市的污水处理率不低于7 0 。国务院“关于加强城市供水节水和水污 染防治工作的通知”中要求：“十五”期间，所有设市城市都必须建设污水处理设施。因 此，今后若干年内我国一方面要加快城市污水处理设施的建设速度，另一方面更应在建 成及在建和拟建城市污水处理厂的运行控制管理方面进行深入研究，以使城市污水处理 _ _ _ _ _ - 一 - 墨整拦兰堡塑圭堂堂坠羔 整查翌塾些墅墨壁型壁墅 一设施离效稳定地运行，降低运行成本，保证如水水震。 。1 2 研究罱的及意义 联翦，阑内外城市污零处理广泛采孀的技术基本上都是以好氧生物处理奔基础，依 靠消耗能羹创造适合予微生物生存的环境，强化其降解污染物质的能力，从丽达到改善 水质的目的。这种好氧生物处理过程与进水水震及环境条件有着复杂的关系，其反波过 程具有变化迟缓、滞后较大、影响因素较多等特点，务种糖关变量的扰动都可能影响出 承水凄的稳定。另外好氧生物处理又是高船耗的污水处理工艺，美日等国污水处邂厂的 耗电置均已秘过其全国总发电羹的o 1 ，b 担当可观。藤我国浮承总攫如按9 0 0 亿珏0 年，其中2 0 进行二缀处理估算，矬瓒污水耗电量为o 2 5 k w h m 3 ，所耗电董将达4 5 亿k w h 约为2 0 0 0 年我鼠总发电爨的1 ，这对予我们这样个人均资潦匮乏、经济满不发达的 发展中国家来说是很难承受的。目前已建成的城市污水处理厂也大都鼹运行成本太舞， 瀑受经费不足的困拢。圜此，本研究将针对我国污水处理不同主导工艺，通过对各工段 工艺杌理和运行控制模式的研究，提出适合我国困情的城市嚣水处理厂运行控制模式。 城索污水处理厂运行控制研究的主要目的是： 提高污水处理系统对水质水量波动灼适应性，稳定出水承餍。 对各工艺环节实现优化控制，降低污水处理厂能耗及蓊耗。 通过蝴应的自动控制系统，准确记录备类数据，控制相关设备，提高生产运行的 可靠性。 2 天津大学王穆礤士学位论文 城雍污拳处理厂运行控秘骈究 2 i 研究内容 第2 章研究内容与方法 本项研究针对我圈城露污水处理厂常用王艺，酋次从工艺技术枧理与运行控制技术 籀结合的角度，系统研究了污水处理厂各工段运行拄制机理，其巾重点研究了关键工段 一生物反应港中溶解氧随进水参数及曝气扰动酶变仡规律；对于采用底部臻气和表面曝 气的生物处理工艺，针对各主要工段分男n 提出了袒应的运行控制方案；对于s b r 工艺， 提豳了“以运行时序为基础，以设备运行状态为边界条件”的运行控制恿想，从而最大 限度地保证s b r 工艺系统的正常运转。本项识究成果对于我国普避采用的普曝法、a b 法、a 幻法、s b r 法及各种氧亿沟工艺污水处理厂的运行控制具有较高的参考价值。 2 2 研究方法 本项瓣究采用理论分蚜、现场测试及数学模拟榴结合的方法，针对污水斑壤工艺各 工段的工艺运行及设备特性，在可麓的愤况下，均进行了瑷场试验测试，以使本项研究 雯具实用性。 墨整燮望堡圭堂垡鎏茎 楚查塑挫堑壅塑型嬖壅 第3 章城市污水处理厂运行控制机理研究 鼠前，我国已有多种不同处理工艺的污水处理厂投入运霉亍，了怨并掌握这些处理工 艺的特点，楚深入研究其送行控制的基础。 普曝法属传统滔性污泥法，是国内终污承处理工程中历史最长、使用最广泛的一种 方法，具有运行效果可靠，鼯水水质稳定、管理经验丰寓的优势，在国内较大规模的污 水处理厂中融有较多王稷实例。 a b 法工艺由德国b o h u k e 教授首先开发。该工艺将曝气池矜为商低负荷鼹段，各霄 独立的沉淀和污泥圆滚系统。离灸祷段( a ) 停留时阕约2 0 一4 0 分锋，以生物絮凝吸附作 箱为主，同时发生不完全氧化反应，生物主要为短世代的缎蘸群落，去除b o d 达5 0 以 上。b 段与常规活性污泥法楣似，负荷较低，漉龄较长。a b 法a 段效率很高，并有较强 的缓冲能力。b 段起列出承把关作用，处理稳定性较好。对于离浓度的污水处理，a b 法 具有很好的适用性，并有较高的常能效益，尤其在采用污泥消化和溺气剃用工艺时，优 势最为哽显。 对于有除磷脱氮要求的城市污水处理厂，传统上往往考虑曹选a a o 工艺。a i a o 工艺根据活性污泥微生物在完成礴化、反硝化以及生物除磷过程对环境条件要求的不同， 在不同的漶予区域分男n 设置厌氧区、缺氧区和好氯区。a i a o 工艺应用较为广泛，历史 较长，已积累有一定的设计和运行经验，通过精心的控翩和调节，一般可以获彳导较好的 除瞵阻氯欢果，出水水羼较稳定，在强内外大中型城市污水处理厂常有采用。 $ b r 工艺早在2 0 世纪初已有应咸，由于人工管理的困难秘焕琐未推广应恩。蜚匕法钓 遴水、曝气、沉淀均在一个池子中完成。一般由多个池予组成组，各池工作状态轮流 变换运行，单池由滗水器间歇出水，披又祢爽痒批式活性污泥法。该工艺将传统韵曝气 池、沉淀池出空闺上的分布改为对阔t 的分布，形成一体化的集约构筑物，并列予实现 紧凑的模块布置，最大的优点是节省占垲。另外，哥以减少污泥圆流量，有节能效果。 典型的s b r 工艺为沉淀日寸停止进水，静止沉淀可以获褥较赢的沉淀效率翻较好的水质。$ b r 经过不断演变搬改良，又产生或羼期发展为c a s s 和c a s t 等工艺，尤其是将厌氧选择池 聿 菱苎型三里堡圭兰堡堡茎 堡堕曼! 垫哩 墨塑量塑! ! ! 堑 和s b r 相结合的循环式活性污泥法工艺，引入了“同时硝化反硝化”机理，进一步强化 了除磷脱氮效果，并能有效防止污泥膨胀，可以获得很好的处理水质。 奥贝尔氧化沟由三个相对独立的同心椭园形沟道组成，污水由外沟道进入沟内，然后 依次进入中间沟道和内沟道，最后经中心岛流出，至二次沉淀池。三个环形沟道相对独立， 溶解氧分别控制在0 、1 、2m g 1 ，其中外沟道容积达5 0 一6 0 ，处于低溶解氧状态，大部 分有机物和氨氮在外沟道氧化和去除。内沟道体积约为1 0 一2 0 ，维持较高的溶解氧 ( 2 m g 1 ) ，为出水把关。在各沟道横跨安装有不同数量转碟曝气机，进行供氧兼有较强的 推流搅拌作用。奥贝尔氧化沟除具备一般氧化沟的优点：流程简单、抗冲击负荷能力强、 出水水质稳定和易于维护管理。其独特之处还在于具有：氧传递效率高，有较好的节能性 能；可实现同时硝化反硝化，具有较高的脱氮效率，运行控制灵活且适应性强等优点。 通过对国内外已经投运的污水处理厂的调研以及对适合我国国情的主导污水处理工 艺运行控制的研究，确定以生物池底部曝气工艺( 普曝法、a b 法、a i o 或a a 0 法等) 、 采用表曝法的氧化沟工艺和序批式活性污泥工艺( s b r ) 为主要研究目标。 对于采用生物池底部曝气工艺的城市污水处理厂，分别对一级处理、二级处理及污 泥处理等工段的运行控制进行了研究，主要包括： 机械格栅排渣运行控制； 进水泵房流量调节运行控制； 生物反应池的优化运行控制； 活性污泥回流调节运行控制； 污泥消化温度调节运行控制； 污泥脱水系统运行控制。 氧化沟工艺多采用表面曝气设备，其运行控制与采用底部曝气方式的处理工艺略有 不同，其中某些工段的运行控制同样适用于s b r 和氧化沟工艺中相应工段。结合山东文 登市污水处理厂实例，研究并建立了运行控制系统。 s b r 工艺早在6 0 年代就已经被提出，但是由于当时控制技术和工艺设备品质的制约， 天津大学工程硕士学位论文 城市污水处理厂运行控制研究 一直没有得到很好的发展，随着近几年技术的发展，控制技术不断提高，工艺设备也满 足了实际应用的要求，s b r 工艺因此得以快速的发展。s b r 工艺的运行控制要求严格的时 序，任何故障和错误都不应影响和打乱其运行时序。我们结合河南莲花味精集团污水处理 厂和张家港味精厂污水处理厂工程精心研究和设计了运行控制系统取得了运行控制成功 经验。 3 1 底部曝气工艺的运行控制机理( 以a b 工艺为例) 为使本项研究更具实用性，我们在对各工段运行控制机理及相关设备进行理论分析 研究的同时，结合对采用a b 法处理工艺并已经投运的青岛海泊河污水厂进行了定量测 试和深入研究，分工段论述如下： 3 1 1 机械格棚排渣运行控制 由于城市污水中含有大量的固体废物，在进行污水处理之前应去除水中的杂物。为 此，设置了粗、细格栅间。污水先流经粗格栅去除大块杂物，然后由细格栅去除其中微 小杂物。 格栅的除渣有两种控制方式：1 时间控制，由控制器根据事先设定的时序，按照固 定的时间间隔运行和停止；2 格栅前后液位差控制，杂物在格栅前堆积，使得栅前液位 升高，栅前和栅后形成液位差，由液位差计检测液位差信号，当液位差达到限定值时启 动格栅，去除杂物。工程实践证明同时使用上述两种方法控制格栅，可以有效的去除杂 物保持进水的顺畅。 格栅排渣过程需要有一系列设备配合进行，包括格栅、皮带机、栅渣压实机等设备。 设备如果配合不好，容易造成栅渣的撒漏，污染格栅间，为避免这一问题，在运行控制 中，应重视各设备运行的时间顺序。设备的启动顺序是栅渣压实机皮带机一格栅，设 备的停机顺序是格栅一皮带机栅渣压实机。 在格栅间对各设备应设置自动手动控制箱，在特殊情况或检修设备时切断自动控 6 墨整查竺墨堡堡圭型茎一一塑燕曼查墅墅 墨箜篓! i ! ! 堑 嗣，现场手动操作格循的运行，避免发生入员伤害事故。 电子搬渣的堆款会产生澄气程珏：s ，知果格栅前后水道较深，气体容易聚集在沟道 底部，工作人员检修时易于发生事故，所以在格褫沟道中设鬣气体照测仪表对这薅釉气 体进行落测，实对报警。 格珊间设置仪表：液位计，澄气检测仪，h ：s 检测仪和浮球开关。 进水泵钓电耗一般占全厂电耗的1 0 一2 0 ，是污水处理厂的节能重点。 根据海泊河嚣承处理厂的进水流蠢报表分柝，城书污水处理厂的进水流量并不是恒 定的，在不同的时间内其流赣不断变化，在一天中其变化螺度较大。以毒鼹海渡河为铡， 白天最寒流爨可以达到6 2 0 0 t h ，嚣发闯最低流量仅为1 8 0 0 t h ，相差超过3 5 倍。进水 泵提升泵池中的污承，使迸水靠重力瀛完成后续工艺藏程。为了减少泥沙淤积，进水泵 池的褥积一般设计的不是 蹙大，福是较深。水泵控铺的主要目的是使迸水泵池中的液位 维持在一定的范围内，不澈流、不超低，保证后续工艺单元的需要和保证进水泵的稳定 运行，次要目的是降低能耗( 既在_ 芷常适于亍中傈持较商的效率) 协调水泵的趣簪：平德 泵的损耗；乎缓出水水漉漉逮等。 我们对海泊河污水厂迸水泵池的变频水泵、定速水泵及装有预旋装置的水泵分别进 行了现场运行测试，其申变频水泵的瑗场测试数据说翻，当变频泵电机电源频率由_ 最高5 0 赫兹减少瓢最低2 2 5 赫兹时，消耗有功功率从7 2 k w 减少裂l o + 5 6 k w ，电流出1 1 7 安培躐 少到2 0 安培，流量变化扶1 0 0 一1 7 ，可觅随着流量的减小，功耗同时租应减小，保持了 租对较高的效率，节能效果非常显著，露且出于霹大范围调节水泵流慧以适应进水流羹 的变化，因此可以大大减少泵的启停次数，延长泵和电机的使用寿命。 枣心泵变转数调节魏图3 - i 所示，当转数铁n ，变化刮n 2 ，q h 性能曲线上的对应点a ，、 a ：、a 3 沿着等效越物线( 等效掘物线是强泵眭戆曲线上对应不阕转速鹣流蟹的点鹤连线， 7 墨塑拦堡堡堂堂茎一_ 堕塑型墅墨堑墅型翌 在这条线上泵的运行状态相似，效率相等) 收敛于坐标原点。根据离心泵变转数调节原 理可知对应点q ( 流量) 、h ( 扬程) 、n ( 转数) 的关系为：q ：q 。= n ：n ，；h j h l = ( n z n t ) 2 则在转数n ：下，性能曲线对应点的流量、扬程为：q ：= ( n ：n 。) q - ； h 2 = ( n 2 n 1 ) 2 h 1 h q 2q 1 q 图3 - 1 离心泵变转数调节 因此转数改变，变速离心泵的性能曲线也发生相应的变化。由于不改变阀门位置， 管网性能曲线不变。所以，随着转速的改变，工况点也由变化到b ：，流量从q 。调节到 q 2 。 从图中还可以看到如果水泵定转速工作，即泵的性能曲线不改变，设其性能曲线为 n ，当流量从q 。减小到q ：时，泵的工作点从a 。移动到a 。，如果采用变速泵则工作点转 移到b ：，显然变速泵比定速泵减少了a i - b ：这一段扬程。由此可见在流量易于发生变化 的工况条件下，使用变速泵比定速泵更适宜并且更节能。 实验表明，定速泵的调节能力较差，但是在实验中当泵池水位由1 5 米上升到4 米 时，泵的有功功率的变化很小，流量却由9 0 0 r n 3 h 上升到1 4 3 0 m 3 h ，而扬程由7 5 米下降 到5 米，可见扬程低时定速泵可以明显的增加流量，提高效率。如果选择q - h 曲线特性较 平坦的水泵，人为合理的利用水泵的这种自调节能力，则可以得到较大的流量调节范围。 预旋水泵( 此处所测量的预旋水泵是在普通离心泵安装时设置一个“预旋墙”，以 使水泵运行时在某种情况下有一定调节和预旋作用) 的测试是分两次进行的。实验数据 墨塑丝三垦堡主兰垡丝茎 塑塑查竺堑兰! 翌墅! ! 堕羔 表明，在水位从预旋墙高度下降，即从3 2 米处下降到2 8 米，水位差为0 4 米，功率 下降了5 k w ，而水位从高于预旋墙的3 2 米变化到4 米时功耗仅从3 9 3 k w 上升到4 0 5 k w 。 这说明在低于预旋墙高度的情况下，预旋水泵有一定的节能效果，但是由于正常工作的工 况点是在预旋墙高度以上，所以在正常运行情况下采用这种预旋泵调控流量并没有很高 的经济性。 近年来开发出一种专供水泵调节与节能用的“前导式调节器”的机电装置，其原理 是在水泵吸入侧增加可变角度的导页及管道导板等措施，辅以电控机构控制泵的进口流 量和压力，达到节电的效果，从有关报道看到其调节效果近似调速水泵，比上述预旋墙 调节、节能效果好。 以上三种水泵是污水处理厂常用水泵，测试数据表明：变频泵是易于控制和节能效 果最为理想的水泵，但是一次投资较大，随着变频器价格的下降，变频泵越来越得到用 户和工程设计人员的认可；定速泵辅助变频泵进行液位控制是一种经济和易于实施的控 制方案。预旋水泵的调控和节能效果没有达到我们所预期( 从资料和实验数据上可知) 的效果。 在进水泵池应设有液位计，测量泵池液位，设置浮球开关，在高、低水位时报警。 结合上面的比较可知，进水泵可以采用以下几种组合，其控制方式描述如下： 1 ) 使用大容量定速泵和小容量定速泵组合，根据进水泵池的液位和水位上升的速 度( 趋势) 控制水泵的开停，当泵运行或停止运行时，出水流速会迅速变化，呈台阶式 升降，进水泵池液位在一定范围内变化。在使用两台泵的情况下，可以按照下面描述的 控制方案：设置低液位1 、低液位2 、高液位1 、高液位2 ，这些液位点逐级升高，当液 位达到高液位1 时开启1 号泵，液位下降到低液位1 时关闭1 号泵，在1 号泵运行时， 液位持续上升到高液位2 时开启2 号泵，液位下降到低液位2 时关闭2 号泵。使用大泵 和小泵的组合，在大流量时运行大泵，小流量时运行小泵，可以相对降低能耗、减少泵 的启停循环、平滑出水流速。 这种控制方案适用于小型污水处理厂，进水流量变化较小的情况。 2 ) 使用一台变速泵和几台定速泵组合，在这种泵的组合方式中，一般选用较大的 天津太学工程疆士学位论文 城隶鞴水魅理厂运行控制研究 变速泵，使得依次启动的泵的容萤发生重叠，以稳定出水流量，防止形成断续的出水水 流，避免泵的频繁起侉。控制时采集进水泵池的液位信号，当变速泵接近满受荷运转， 而液位持续上升割一设定值时，开启一台定速泵，然后再根据液位变亿情况，调节变速 泵转速；如果液位下降雯l j 减，l 、变速泵的运行频率，以使液位稳定。如果汗启定速泵后液 位继续上升，铡下一液位设定点时，贝i j 再开启一台定速泵，然盛根据液位变化情况调节 变速泵频率。当水位下降封设定液位同时变速泵转速达到设定低点时，关闭一台定速泵， 然后报提液位变化情况，决定是否再关闭一台定逮裘或提舞变逮泵的转速，依此类推进 行控制。交速泵本身的机械效率不是最高，但是由予它的变速设计，只礞控制程序能够 快速跟踪水傻调节转速就霹以使其在嫠个工作周期内节约电能。 这种控制方案适用于污水流量变化较大的情况。 3 ) 使用硬旋泵、变速泵和定逮泵的缀合，由予特殊的泵坑设计，水在进入预旋泵 之前产生了旋转，这一预旋转产生了对预旋泵的启动控制，质以瑗旋泵不需要复杂鹃自 动控制。这一维系酶控制方式耱第二种组合基本一样。由于预旋水浆需要设蛩特殊的泵 坑，其投资成本较大，恧其能耗的节约并不显著，掰以不推荐这种缀合方式。 进水泵池盗设有备丽泵以提高系统可靠往。为减少液压瞬变瓤配电系统的过载，应 挽调控制泵的起停，避免同时寤动对电网造成的冲击。由于泵有一定的使用寿命，在设 计控制系统时应考虑泵的切换，以平德泵的运行时间。应遵循优先侉止运每对阉最长的 泵，优先启动停止时阊最长的聚的原则。 进水泵池滚位的控制并不要求滚位保持恒定，仪仅要求滚位程一定的范围内变化。 上述三种泵的组合和控制方式，都熊满足污水处理厂的要求。确定泵的组会秘控制时， 嚣要综合考虑进求情况、初始投资和运行时的电耗，以求得到最好的总体经济效益。进 水泵合理的运行控制能明显减少迸水泵的能量损耗。 另外，遥避对国内外资料的对比分析，我们发现国内在进行污水处理厂设计时，永 头损失普遍馈算偏赢，导致进水泵的扬程毒 算镶偏离，露过量程将加大水泵功耗。侵漱， 日本一般污水处璞厂的总水位羞在2 o 米左右。而天津东郊污水处理厂总水位差是4 。5 拳，天津纪庄予露水处理厂的落差是5 米。出此哥觅，更船合毽的工艺设计可以从根本 差蓬查堂兰墼堕圭堂垡鎏塞 蕉壅塑查墼墅 墨塑篓塑墼 上减少投资，节约电耗。 进水泵池设鐾仪表；液位计，溪气检测仪，珏芦检测仪。 3 。1 3 生物反应池的优化运行控制 在污水处理王艺中，生物反应单元是其核心，这一酃分运褥控制的好坏蛊攮关系到 整个污水处理厂的运行状况。西j l ：，本研究将生物反应单元作为重点研究内容，从机瓒、 影响因素等方藤入手，寻求最佳运行控制的参数与方式。 生物好氧反应的首簧条件魑器提供充足的氧气，这需要供气系统来完成，同时需傈 _ | 正维持完全混合所需熊量。在生物反应器中，污水中的有机豁或被微生物消化，或被其 吸附形成絮捩物。供气系统既给生物反应提供了氧气，又保诞了固体悬浮赝鬟的搅拌能 量。从生物反应器中捧躜的含有生物体并附着营养物的絮状俸在经过二次沉淀溜时会从 液体中分离出来。澄涛承从沉淀浊上层溢毖，沉淀污泥圆滚到生物反应器中搏次循环或 作为剩余污泥排放。污溅翘流的目的燕保持生物反应器中足够高的混合渡浓度，以保证 有枧物艇快速分鳃。 生物反应池和二次沉淀池的运行相互影响，稠互作用。例如：如果曝气池设计较小， 混合滚悬浮物( m l s s ) 的浓度就要受高以维持裙嗣的污泥负荷( f ：m ) 或固体停留时间 ( s r t ) 。m l s s 的增加会造成二抗浊中疆体受旖的增加；因此沉淀池就要增大以维持相同 的固体负荷一表面院。 m l s s 的沉淀特性强烈影响到二沉池的运行性能，微生物的生长条件和环境会对混合 悬浮圆体沉淀经能产生显著影响。除了达到足够的澎染物去除承乎外，曝气池必须产生 派淀性质良好的躅体物质。 污永的生物处理主终是微生物，污水的净化是通过微生物的掰陈代谢避程来完成的。 薪陈代谢包括褥钝作用稀异化作用。葡化作媚是消耗能量、吸收营养物菔，合成细胞物 质的过程；异化儋服是放出能爨，分解营养物和蛊身编胞物质韵过程。根据微生物砰吸 类登的不嗣，即对氧的需求不间，生物反应玲为好氧( 有氧条 譬下) 反应瓤厌氧( 无氧 天津大学工稷磋学位论文 城雍污承e 理厂运行拄镕4 研究 条件下) 反应，丽微生物除了好氧徽生物和厌氧微生物外，还有类既能在好氧也能在 厌氧臻境中生存的微生物，称之为兼性微生物。在污水处理系统中，绝大部分缨落都为 兼往蘸。有时为了实现菜一特殊的处理西标，在一个系统中既有好氧过程又有厌戴过程， 此时兼氧蘑靛占据了绝大部分，它们在好氧条件下进行好氧及应，在厌氧条件下进行厌 氧反应，实现有机物的分解与转化，从而达到处理的最终目的。 在污水生物处理过程中，影晌微生物活性的嚣素哥分为基质类和环境类掰太类。 基质类包攒馥养物质，如以碳元素为主的有胡；化会物r p 碳源物质、氮源、磷源等营 养物质、以及铁、锌、锰等微量元素；另外，还包括一蹩有毒有害化学物质如酚类、苯 类等化会物、也包撂些重金羼离子如镧、镪、铅离予等。 环境类影响西素主要有： ( 1 ) 瀛度。湿度对微生物钓影响是徽广泛的，尽管在高温环境( 5 0 。一7 0 。c ) 稀低温 环境( 一5 - 0 。c ) 中也活跃黄某些类的细菌，但污永处理中绝大部分微生物最逶寰生长的 温度范晷是2 0 一3 8 0 e 。雀适宜的温嶷范围肉，微生物的生壤活动旺癜，其活往随温度的增 高丽增强，处理嫂果也越好。超出此范围，微生物的活性变差，生物反应过程就会受影 稿。一般的，控制反应进程的最高稀最低限值分剐为3 5 。c 和i o e c 。 ( 2 ) p h 值。遗性污泥系统微生物最适宜豹p 珏德范围是6 5 - 8 5 ，酸性或碱性过强 的环境砑不利于微生物的生存和生长，严重时会使污泥絮体遭到破坏，墓胶团鳃体，处 理效果怠剧恶化。 ( 3 ) 溶解氧。对好氧生物反应来说，保持混合滚中一定浓度的溶解氧至关垂要。 当环境中的溶解氧高于0 3 m g l 时，兼性菌和好氧菌都进行好氧呼吸：当溶鹅氧低予 0 t 2 - 0 3 m g l 接近予零时，兼性菌则转入茨氧呼吸，绝大部分好氧蘸蒸本停盎晔暇，而 有部分好氧菌( 多数为丝状菌) 还可能生长良好，在系统中占据优势露常导致污泥膨胀。 一般的，曝气洮如疆处的溶解氧以保持2 m g 1 左右为宜，过裔澍增加能耗，经济上不合 算。 程所有影嫡因素中，基质类透素和p h 值决定于进水永质，对这些因素的控钢，主 要靠日常的监测翻有关条例、法规的严格执褥。对一般城市污水瑟言，这些嚣素大都不 一 型查整三墅圭兰! 鲨茎 堡垒望奎丝墨 壅篓篓墨! ! ! 色 。 会构成太大的影墒，各参数蒸本能维持在适当范围内。温度的变化与气候有关，对于万 吨级的城索嬷承处理厂，特男4 是采用淫性污泥工艺时，对温度的控制难以实施，在经济 上和工程上都不是十分可行的。因此，一般是通过设计参数的适聋选取来满足不简温度 变化的处理要求，以达裂处理目标。西北，王艺控制的主要目掭就落在活性浮泥本身以 及可通过调控手段来改变的环境因素上，控制的主要任务就是采取合适的措施，克服外 界因素对活性污泥系统的影璃，使其能持续稳定地发挥作用。 实现对生物反应系统的过程控瓤关犍在予撩翩对象或控制参数的选取，蕊这又与处 理工艺或处理舀标密切相关。 维持系统内一寇数鬟的微生物是所有污水处理工艺最基本的要求。相对稳定恧合理 的微生物是获得稳定而高效的处理效果的保证。 翦巴述及溶解氧是生辏反应类型和过程中一个很霆要的指承参数，它能蠢观虽比较 迅速地反映出整个系统的运行状况，运行管理方便，仪黎、仪表的安装及维护也较简单， 这也是避十年我围新建的污水处理厂基本都实现了溶解氧现场和在线监测的原因。 对于有特殊处理要求或墓项攒标成为处理过程的眼觑因素时，媳可将出水的某项指 标作为控制参数。错如，对掰水中氨氮或硝酸盐氮有严格限制时，限糊的指标可以被选 ， 取律为控豢4 参数。这嚣要在反应池戌设置蘸氮和磷酸盐氮以及亚磷酸盐氮的监测仪表， 将现场蘸测蓟的数据反馈封控镧系统，通过改变供气羹的多少来增强或减弱慕一生物反 应( 硝化或爱硝化) ，从衙达銎l 所希望的出水指标。这一控制方式在国外有应用，如美国 奥兰多( o r l a n d o ) 的一个w a t e rr e c l a m a t i o nf a c i l i t y ，该厂在1 9 8 6 年扩建时并无对 出水中硝酸盐氮控制的簧求，僵在1 9 9 2 年，佛罗羹达州环境保护部对所有处理设施增加 了如水硝酸楚氮鼹在l o m g l 以下的艰剑要求。农不改动处理梅筑物的条件下，该厂透过 增设瑰场仪表，采取自动控镧供气量的方式达弼了处理要求。但在我圜，以采集这类水 质指标为控制参数的控制方式海来冕有应用实例，其原因可能是此类参数的在线监测仪 表十分昂贵，特别是如硝酸盐氮等在线骏测仪表基本上得依赖予国外进口。毽此，现黔 段这种控制方式在我国还难戳实拖。 。综上所述，生物好氧反应是污水处理厂中最主要、最关键的工段，该工段的运行 耋壁壁三堡堕圭堂焦堡壅 情况直接影响污水厂出水水质及运行成本。 行控制是污水厂运行管理的重中之重。 城市污水处理厂运行控制研究 3 1 3 1 溶解氧控制 因此，对曝气池实施有效、合理、优化的运 生物池溶氧值的运行控制是污水处理厂中至为重要的环节，该运行控制品质的好 坏，直接关系到出水质量和污水厂的能耗的高低。溶解氧控制的主要目标是：确保供氧 量满足有机物氧化分解过程动态变化的需要并且维持一个期望的混合液d 0 浓度；有效的 控制氧气的传输以最大限度的减小曝气能耗；最大限度地减少实现这一目标所需的人力。 污水处理厂实行曝气运行控制的益处在于降低运行成本。曝气池中d o 浓度持续不 足可抑制生物活性，会在处理过程中产生一些问题，如污泥膨胀，絮凝效果差，抑制硝 化作用。相反，过度曝气会造成能量过度消耗。提高过程的可靠性、除氮效率、污泥可 沉淀性及出水水质等都归功于d o 的控制。曝气能量的消耗一般约占普通活性污泥法污水 处理厂能源总需求的5 0 以上，曝气过程有效的运行控制能大大节省能耗。 需氧量的变化使得操作人员很难手动控制空气流速和空气分配量，从而在整个处理 过程中难以维持期望的混合液d o 浓度值，即使对于设计得很好且有灵活曝气系统的污水 处理厂也是如此。因此，手动调节曝气系统一般在空气流量分配固定的情况下使用，通 常是每周或每月调一两次。手动调节空气流量使其固定在一个足够高的值上，以满足峰 值负荷期间的需氧量，但这样却导致了负荷降低期间不必要的昂贵的过量曝气。 自动d o 控制是曝气系统运行控制的最佳方式，它可以最大限度地减小与曝气不足 或过量有关的运行问题，最大限度地减少曝气能量消耗。一般来说，采用自动控制曝气 的方式节能可达2 5 一4 0 。 在生物反应过程中，溶解氧的变化率可用下式表示： d c d t = k l 。( bc 。一c ) 一y( 3 1 ) 式中： d c d t 溶解氧的变化率( m g ( lh ) ) 4 耋燮三堡堡主兰垡垒塞 基史翌查塾墨 垩鱼叁塑! ! ! 堕 k i 广一氧在清水中的总转移系数( h 。1 ) nk ，f 一氧在污水中的总转移系数( h 。1 ) c 。氧在清水中的溶解度( m g l ) bc 8 氧在污水中的溶解度( r a g l ) c 氧在污水中的实际浓度( m g l ) y 生物池中氧的消耗速率( m g ( lh ) ) 生化反应需氧量决定生物池中氧的消耗速率，如不考虑硝化作用，则碳化需氧量0 z 表示为： 0 2 ：a q ( s o - s e ) + b v x ( 3 2 ) 式中：q ( s o s e ) 基质去除量( k g d ) v ) 【微生物量( k g ) a 常数( k g0 2 k g 基质) b 一常数( 微生物内呼吸需氧率d - 1 ) 当氧传递速率nk ，。( pc 。一c ) 与耗氧速率y 相等，即传氧与耗氧达到平衡时， d c d t = 0 ，溶解氧浓度保持相对稳定。当耗氧速率上升时，d c d t 0 ，c 和氧传递速率朝与上述相反的方向变化，直至氧传递速率与耗 氧速率在较高的溶解氧水平上达到新的平衡。对于耗氧速率，由于生物反应池中微生物 量相对稳定，因而进水流量和进水b o d ；是导致耗氧速率变化的直接因素，b o d ，目前尚不 易实现连续在线监测，故不能得到q ( s o s e ) 的实时数据。因此，溶解氧浓度成为生化反 应过程中氧传递速率和耗氧速率平衡状况的关键指示值，也是曝气控制的重要被调参数。 基于上述氧传递原理，为最大程度的节约能源，对于推流式生物反应池，延其流向溶解 氧可按梯度设定，即进入口附近溶解氧可以控制在最低水平，出水口附近溶解氧控制在 2 m g l 左右，以保证污泥良好的沉降特性，使出水水质稳定达标。而对于完全混合式生 物反应池，也可分区域控制溶解氧的浓度，如奥贝尔氧化沟采用外、中、内沟溶解氧分 玉整查堂三墨壁堂堂垒奎 塑立望垄丝墼重丝堂! ! ! 堑 另控制在。一1 2 的范围内。 对于溶解氧浓度的控制，由于其动态过程是非线性的、时变的、滞后的，因此在确 定控制方案时应选择理想控制和维持控制器的稳定性两者之间的折中方案，即控制器在 某种程度上不可调或断续调节，以适应溶解氧变化的动态过程。 大中型城市污水处理厂多有数个生物池，根据工艺有两种运行方式： 1 ) 生物池的曝气量分配不同，有不同的溶氧控制目标值，如采用a b 法的海泊河污 水处理厂，由于鼓风机输出气量不能平均分配，需要在输气管道出i z l 安装电动阀来调节 气量的分配。运行控制采用2 个独立的调节回路，1 个调节回路是根据d o 的变化调节相 应管路的风量阀门，另1 个调节回路是根据管道压力变化来调节鼓风机进口导叶片或出 口扩压器叶片。其控制系统简图如下所示。 实地测量海泊河污水处理厂生物池在各种不同控制条件下的数据，结果表明，只有 在调节阀门之后根据总管压力调节扩压器叶片，鼓风机能耗才能保持最小，所以最经济 的方法是尽量开大阀门以减少管道的损耗，以调节扩压器叶片调节风量为主，阀门开度 调节为辅。 2 ) 生物池的运行条件完全一样，也有同样的溶解氧控制目标值，如李村河污水处 理厂。这种情况从原理上讲应平均分配气量，虽然在实际运行中，各个生物池的运行状 态不可能完全一样，各个池子的溶氧值有一些差异，但是由于差异比较小，而且变化和 扰动情况相似，可以采用手动阀门，在污水处理厂运行初期人工调节气量的分配，以获 1 6 天津大学工程硕士学位论文 城市污水处理厂运行控制研究 得调节经验，稳定运行后，阀门开度基本可以固定下来，这样可以降低成本减少运行控 制的复杂程度。其控制系统简图如下所示。 如前面对鼓风机的分析中所述，出口节流是经济性最差的方案，但是在第一种请况下， 为了满足气量分配的要求又必须采用出口节流。设计适合这种工艺条件的控制系统时， 要尽量减少阀门阻力，尽量保持阀门阀门开度量大，以减小鼓风机的功率损耗。此外， 为防止发生喘振，也应控制阀门的开度，防止阀门开度过小，流量减小，会使鼓风机性 能工况点移到喘振区。控制系统应考虑下面三种情况： 1 ) 所有生物池的溶氧值均偏高。这时应调节鼓风机的导叶片，降低风量。如果此时 有多台鼓风机在运行，应调节累计运行时间长的两台鼓风机的导叶片，使其流量降低， 当这两台鼓风机流量之和再加上一预先设定值后小于单台鼓风机气量时，关闭运行时间 最长的鼓风机。设定值的作用是设置了一个缓冲区，以避免鼓风机的频繁启停。 2 ) 生物池的溶氧值有的偏高，有的偏低。这时应先根据溶氧值调节出口阀门，进 行气量的重新分配，鼓风机则根据空气总管的压力调节导叶片，以维持总管压力的稳定， 如果阀门开度均已达到最大，而溶氧值还未达到目标，则应调节鼓风机导叶片增加鼓风 机的流量。 3 ) 所有生物池的溶氧值均偏低。这时应逐步增加阀门的开度，减小管网阻力，当 阀i 、 j t 度达到最大时，溶氧值还未达标，则应调节鼓风机的导叶片增加流量。如果在设 定时间内，溶氧值还未达标，应增加开启一台鼓风机。此设定时间为溶解氧测量系统的 墨苎盔兰三塞堡主兰垡丝这 塑壹望查墼曼 墨塑丝! ! ! ! 垄 时问常数，一般约为i 0 分钟到半小时。 由于溶氧值测量存在滞后，溶氧值的控制目标值不应设定为一固定值，而应设定一 个控制死区，例如，当期望的溶氧值是1 5 m g l l 时，可以设定溶氧值的控制区间为 1 o m g 1 2 0 m g 1 ，这样可以使得鼓风机的启停间隔时问延长，保护风机，节约电耗，但 是控制效果会有一些下降。由于曝气池的主要目的是保证生物的活性而且仪表测量本身 有一定的不稳定性，只要死区设置得当，这种控制对曝气效果的影响甚微。为了达到需 要的溶氧值，测量溶氧值的溶氧仪的安装位置应根据工艺选定，自控系统获得的溶氧值 最好是几台溶氧仪的平均值，以减少测量误差。 导叶片和扩压器的调节一般采用p i d 闭环控制。在确定的运行条件下，应该能够找 到组最佳的控制参数。但是对于d o 浓度控制，由于其动态过程是非线性的，随时间、 温度、水质等参数变化，实现理想的控制需要随时调节p i d 参数，参数不断变化会和控 制器的稳定性之间产生矛盾，所以固定p i d 参数，以便在较大的范围内实现充分控制是 比较好的方案。如果条件允许，可以根据运行情况的变化，在不同的时间，设置不同的 控制参数，例如，为适应季节性d o 浓度变化，可以在不同的季节设置不同的控制参数。 空气管道出口阀门的调节如果采用p i d 调节，会使阀门的开度产生震荡，从而影响 到对鼓风机的调节。所以，阀门的调节以步进调节为好，步进的幅度宜小不宜大，宜慢 不宜快，以配合溶解氧测定的速度。 溶氧控制系统需要设置的