一种分置曝气自循环污泥膨胀床的运行控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种污水处理的运行控制系统及方法，更具体的说，尤其涉及一种分置曝气自循环污泥膨胀床的运行控制系统及方法。

背景技术

就颗粒污泥法工艺而言，比传统的活性污泥法具有更高的有机负荷，其自身的生物量非常丰富，比传统活性污泥法更加的节省空间，且处理效率更高。但目前来说，活性污泥法仍在污水处理处于主导地位，其主要的原因为颗粒污泥法其自身的局限性滞后了其自身的推广与发展。

颗粒污泥的运行条件相对严苛，如不注意可能会导致解体或崩溃。特别是一种分置曝气自循环污泥膨胀床反应器，采用曝气柱独立曝气产生压差带动反应器自循环的装置，其更加需要注意维持相对稳定的上升流水借此提供上升的剪切力。此类装置随着曝气及回流阀开度等环节的改变，反应柱内污泥床高度及其运行情况会发生很大的改变，因此需要专业的人员进行随时的监控与维护，以保证其正常的运行。

为维持分置曝气自循环污泥膨胀床的稳定运行，实现分置曝气自循环污泥膨胀床的自主调节，减少人工以及事故成本，自动化控制技术将成为不可缺少一部分。此外人工进行调节，通常会产生调节过度或者调节方向不对的问题。运用前端的在线监测设备与逻辑控制方法以及后端的电动调节设备，实现对分置曝气自循环污泥膨胀床反应器的智能维稳调节。采用机器调节，更加严谨有逻辑性，并且可以不断进行修正以减少调节偏差，这些是人工调节所不具备的。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种分置曝气自循环污泥膨胀床的运行控制系统及方法。

本发明的分置曝气自循环污泥膨胀床的运行控制系统，由反应器和运行控制系统构成，反应器由反应柱、曝气柱、鼓风机、上循环管和下循环管构成，曝气柱的上端经上循环管与反应柱的下端相连通，反应柱的上端经下循环管与曝气柱的下端相连通，上循环管的中下部连接有进水管，反应柱的上部连接有出水管；反应柱中接种有对污水进行处理的颗粒污泥，曝气柱的底部设置有曝气盘，鼓风机经曝气管路与曝气盘相连接；在曝气盘的曝气作用下，曝气柱底部污水密度减小且液面上升，使曝气柱顶部污水经上循环管流入反应柱底部，使反应柱顶部污水一部分经下循环管流入曝气柱底部、一部分经出水管溢流排出，实现污水处理过程中的自循环流动；其特征在于：运行控制系统由PLC控制器、在线COD、在线氨氮、在线一号DO、在线一号SS、在线二号SS、在线PH、在线二号DO、液体回流阀以及气体电磁阀构成；在线COD、在线氨氮、在线一号DO和在线一号SS的检测端均置于反应柱内的顶部，信号输出端均与PLC控制器的输入端相连接；

在线PH、在线二号DO的检测端均置于曝气柱内的顶部，信号输出端均与PLC控制器的输入端相连接；在线二号SS的检测端设置于下循环管的上端，信号输出端与PLC控制器的输入端相连接；气体电磁阀设置于鼓风机与曝气盘之间的曝气管路上，液体回流阀设置于进水管与反应柱之间的上循环管上，气体电磁阀和液体回流阀的控制端均与PLC控制器的输出端相连接；

PLC控制器经在线COD、在线氨氮、在线一号DO和在线一号SS分别检测反应柱顶部污水的COD、氨氮、溶解氧和污泥浓度，经在线PH、在线二号DO分别检测曝气柱顶部污水的PH和溶解氧浓度，经在线二号SS检测反应柱出水的污泥浓度，根据所检测的数值，经气体电磁阀和液体回流阀分别控制调节曝气量和污水回流量，以控制反应器对污水处理的自动正常进行。

本发明的分置曝气自循环污泥膨胀床的运行控制系统，包括气体流量计和液体流量计，液体流量计设置于进水管与曝气柱之间的上循环管上，气体流量计设置于鼓风机与曝气盘之间的曝气管路上，气体流量计和液体流量计的信号输出端均与PLC控制器的输入端相连接。

本发明的分置曝气自循环污泥膨胀床的运行控制系统，所述液体回流阀为电动液体蝶阀，气体电磁阀为电动气体球阀。

本发明的分置曝气自循环污泥膨胀床的运行控制系统，所述PLC控制器经通信光纤连接有监控PC。

本发明的分置曝气自循环污泥膨胀床的运行控制系统的污水处理控制方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).设备运行；启动运行控制系统，待处理污水经进水管通入，开启鼓风机，PLC控制器开启气体电磁阀和液体回流阀，鼓风机经曝气盘对曝气柱底部污水进行曝气，在曝气的作用下污水在曝气柱与反应柱之间循环流动；进入反应柱底部的污水在上升的过程中，带动颗粒污泥膨胀，使反应柱中的污泥床升高，污泥床中的颗粒污泥实现对污水的处理；

b).参数采集；PLC控制器实时采集反应柱顶部污水的COD、氨氮、溶解氧和污泥浓度，采集曝气柱顶部污水的PH和溶解氧浓度，并根据所采集的数据控制气体电磁阀和液体回流阀的开度，将集反应柱顶部污水的COD、氨氮、溶解氧和污泥浓度以及采集曝气柱顶部污水的PH和溶解氧浓度控制在设定范围内，以实现污水处理的自动控制运行；

c).供需氧检测及控制；PLC控制器通过在线一号DO采集反应柱上部污水的溶解氧DO1，当检测到溶解氧DO1低于0.5mg/L时，表明反应柱顶部污水的溶解氧浓度过低，则增加气体电磁阀和液体回流阀的开度，以扩大曝气量和提高污水回流量；

通过在线二号DO采集曝气柱顶部污水的溶解氧DO2，并判断溶解氧DO2的值是否介于[4mg/L~7mg/L]的范围内，如果溶解氧DO2低于4mg/L，表明曝气过低，则增加气体电磁阀的开度，以加大曝气量；如果溶解氧DO2高于7mg/L，表明曝气柱中曝气存在过度，则减小气体电磁阀的开度，以适当降低曝气；

d).污染物浓度检测及控制；通过在线COD检测反应柱顶部污水的化学需氧量COD，如果检测到化学需氧量COD大于30mg/L而其余参数正常时，表明反应柱顶部污水中的污染物浓度过高，则加大液体回流阀的开度，提高循环量，加快反应充分进行；

e).污泥沉积检测及控制；如果污泥大量聚集在底部，受阻导致生化反应进程受阻，进而溶解氧消耗量急剧下降；当通过在线一号SS检测到反应柱上部污水中的污泥浓度低于1000mg/L，通过在线二号DO检测到曝气柱顶部污水的溶解氧DO2大于0.5mg/L，通过在线COD检测到反应柱顶部污水的化学需氧量COD大于30mg/L，且通过在线氨氮检测到反应柱顶部污水的氨氮浓度大于5 mg/L，则判断出反应柱中的颗粒污泥发生了沉积情况，则同时增加气体电磁阀和液体回流阀的开度，扩大曝气量，增加两柱体间的压差，促进回流，提高反应柱内污水的上升流速，提高污泥层高度；通过负反馈调节，使反应柱中的污泥层能够稳定在预设高度，反应柱中的污水上升流速也维持在一定范围内；

e).污泥过高检测及控制；当通过在线二号SS检测到反应柱出水中的污泥浓度大于1000mg/L且持续时间超过30min时，表明此时反应柱内的污泥层高度过高，既不利于反应柱中颗粒污泥对污染物的生化反应处理，也会导致污泥经下循环管进入曝气柱，此时减小液体回流阀的开度，减小反应柱内污水的上升流速，以降低反应柱中污泥层的高度；

f).进水浓度急剧升高检测及控制；当通过在线一号DO检测到反应柱顶部污水的溶解氧DO1在短时间内急剧降低，如5min内溶解氧DO1变为0，且反应柱顶部污水的氨氮溶度上升至大于5mg/L、在线化学需氧量溶度COD上升至大于30mg/L，表明进水中的污染物浓度发生了急剧升高；则控制液体回流阀和气体电磁阀的开度呈阶梯式逐步增加，以增加曝气量和污水回流速度，增加反应柱对污染物的处理能力；

g).进水浓度急剧降低检测及控制；在进水中污染物浓度急剧降低时，反应柱内的需氧量随之减少，供养充足，反应柱上部的在线溶解氧快速上升，当检测到5min内反应柱顶部污水的溶解氧DO1增加至2×0.5 mg/L，同时，5min内反应柱顶部污水的化学需氧量COD降低至（30mg/L）/2、氨氮浓度降低至（5mg/L）/2，则表明进水中污染物浓度急剧降低，为节省曝气，降低能耗，则通过减小气体电磁阀的开度对曝气量进行适量降低；

h).进水异常检测及控制；判断经在线PH所检测的曝气柱顶部污水的PH是否处于[6.5,8]的范围内，如果PH低于6.5或高于8则表明进入的污水中出现了会破坏颗粒污泥活性的污染物质，此时，首先减少进水量，然后增加气体电磁阀和液体回流阀的开度，加大曝气和提高液体的回流，提高回流比，冲洗污泥，使污泥状态自我调节恢复。

本发明的有益效果是：本发明的分置曝气自循环污泥膨胀床的运行控制系统及方法，反应柱与曝气柱之间经上循环管和下循环管相连通，在鼓风机经曝气盘对曝气柱的曝气作用下，使得曝气柱底部污水的密度降低、曝气柱中液面上升，曝气柱顶部的污水经上循环管流入反应柱底部，反应柱顶部的污水一部分经出水口溢流排出、一部分经下循环管流入至曝气柱的底部，这样，实现了污水处理过程中无需借助外力的自循环流动；运行控制系统中的PLC控制器经在线COD、在线氨氮、在线一号DO和在线一号SS实时采集反应柱顶部污水的化学需氧量COD、氨氮浓度、溶解氧浓度和污泥浓度，通过在线PH、在线二号DO采集曝气柱顶部污水的PH和溶解氧溶度，经在线二号SS采集反应柱出水中污泥浓度，并根据所采集的参数数据，控制气体电磁阀和液体回流阀至合适的开度，以控制反应器对污水处理的稳定运行，并可实现供需氧状态、污染物浓度、污泥沉积、污泥床高度过高、进水浓度急剧升高、进水浓度急剧降低、进水异常状态的检测，并给出最合理的控制反馈，使反应器始终维持最佳的运行状态。

附图说明

图1为本发明的分置曝气自循环污泥膨胀床的运行控制系统的原理图。

图中：1为在线COD，2为在线氨氮，3为在线一号DO，4为在线一号SS，5为液体流量计，6为在线PH，7为在线二号DO，8为气体流量计，9为PLC控制器，10为监控PC，11为液体回流阀，12为气体电磁阀，13为鼓风机，14为反应柱，15为曝气柱，16为上循环管，17为下循环管，18为进水管，19为出水管，20为曝气盘，21为在线二号SS。

实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的分置曝气自循环污泥膨胀床的运行控制系统的原理图，其由反应器和运行控制系统两部分构成，所示反应器由反应柱14、曝气柱15、上循环管16、下循环管17、进水管、出水管19、鼓风机13和曝气盘20构成，反应柱14和曝气柱15均为内部为柱形腔的立柱，曝气柱15的顶部经上循环管16与反应柱14的底部相连通，反应柱14的顶部经下循环管与曝气柱15的底部相连通。进水管18设置于上循环管16的中下部，待处理的污水经进水管18通入回路管16，出水管19设置于反应柱14的顶部，用于将处理完毕的污水排出。

曝气盘20设置于曝气柱15的底部，鼓风机13的出气口经曝气管路与曝气盘20相连通，这样，在鼓风机13经曝气盘20向曝气柱15的底部鼓入空气的情况下，即可对曝气柱15底部的污水进行充氧，充氧后的污水上升，不仅使得曝气柱15的液面上升，曝气柱15中的液面上升后，使得曝气柱15中的液面高度高于反应柱14中的液面高度，在液位差的条件下曝气柱15顶部的污水经上循环管16流入至反应柱14的底部。同时，曝气柱15底部的污水曝气后密度减小，在压力差的作用下，使得反应柱14顶部的污水一部分经下循环管17流入至曝气柱15的顶部、一部分经出水管19溢流排出。这样，就实现了污水处理过程中的自循环流动，无需借助外力，降低了污水处理过程中能量的消耗。

运行控制系统由PLC控制器9、监控PC、在线COD、在线氨氮2、在线一号DO、在线一号SS、在线二号SS、在线PH、在线二号DO、液体流量计5、液体回流阀11、气体流量计8以及气体电磁阀12构成，PLC控制器9具有信号采集、数据运算和控制输出的作用，PLC控制器9经通信光纤与监控PC通信连接，监控PC用于监控PLC控制器9的运行。

在线COD、在线氨氮2、在线一号DO、在线一号SS的检测端设置于反应柱14内腔的顶部，信号输出端与PLC控制器9的输入端相连接，以便PLC控制器9经其采集反应柱14顶部污水的化学需氧量COD、氨氮浓度、溶解氧浓度和污泥浓度。在线PH、在线二号DO的检测端设置于曝气柱15内腔的顶部，信号输出端与PLC控制器9的输入端相连接，以便PLC控制器9经其采集曝气柱15顶部污水的PH和溶解氧浓度。在线二号SS的检测端设置于下循环管17的上端，信号输出端与PLC控制器9的输入端相连接，以便PLC控制器9经在线二号SS采集反应柱14出水中的污泥浓度。

液体流量计5设置于进水管18与曝气柱15之间的上循环管16上，用于对曝气柱15回流至反应柱14底部的污水流量进行检测；液体回流阀11设置于进水管18与反应柱14之间的上循环管16上，用于对上循环管16污水回流速度进行控制。气体流量计8和气体电磁阀12设置于鼓风机13与曝气盘20之间的曝气管路上，分别对曝气管路的气体流量进行检测和控制。液体流量计5和气体流量计8的信号输出端与PLC控制器9的输入端相连接，PLC控制器9的输出端与液体回流阀11和气体电磁阀12的控制端相连接，为了进行不同的开度控制，液体回流阀11和气体电磁阀12分别采用电动液体蝶阀和电动气体球阀。

在线一号DO和在线二号DO用于检测反应柱14和曝气柱15顶部污水的溶解氧状态，通过计算二者的差值，借此可以得到反应器内部的供需氧状态。在线PH用于检测曝气柱15顶部污水的酸碱度状态，在线一号SS用于监测反应柱14顶部污水的污泥浓度，从而判断污泥床的大致位置。在线COD和在线氨氮2用于实时反应柱14顶部污水的COD（化学需氧量）及氨氮浓度，从而判断反应器内的生化反应进程。各监测传感器与PLC控制器9进行连接，将前端的监测信号上传至PLC控制器9进行逻辑判断，经过逻辑判断后PLC控制器9将控制信号传输至电动控制单元，以便对液体回流阀11和气体电磁阀12的开度进行控制和调节。

在正常运行阶段，待处理污水经进水管18进入到上循环管16中，进水与上循环管16回流的污水混合后进入到反应柱14的底部，污水通过布水器在反应柱14中均匀向上扩散，向上水流达到一定上升流速时，带动颗粒污泥膨胀，污泥床高度升高，颗粒污泥中的微生物通过生化反应实现对污水的处理；反应柱14顶部的污水一部分经下循环管17流入至曝气柱15的底部、一部分经出水管19溢流排出，反应柱14的上升水流及部分沉淀性能差的小颗粒通过下循环管17流入曝气柱15中，整体循环由曝气推动。

首先，运行控制系统起监督与辅助运行的功能，各传感器实时记录反应器的运行状态，并将数据传输至PLC控制器9进行记录；其次，运行控制系统可以实时优化反应器的运行条件，以达到降低能耗及优化运行效果的目的，运行控制系统通过反应柱14及曝气柱15的供需氧关系，判断反应器的需氧情况，从而调节曝气量的大小；通过反应柱中的污染物浓度情况，可以判断反应器内的反应进程，在处理效果差时，加大回流管阀门的开度，提高循环量，加快反应充分进行。

运行控制系统的第一要务为，维持反应器的稳定运行，并且根据对反应器内在线水质指标的监测，由PLC控制器9及监控PC实时对在线数据进行实时分析，对反应器的运行条件做出实时的优化与调整，已实现反应器的智能化运行。

为保持反应柱14中污泥膨胀床的稳定运行，维持反应柱14中的溶解氧梯度，以及减少污泥的流失量，在运行过程中，需要在反应柱14中形成稳定的污泥层。通过在线一号SS实时监测反应柱14顶部的污泥浓度，在污泥浓度超出预设浓度时，通过液体回流阀11、气体电磁阀12调节反应器整体的回流量，使污泥层下降，但污泥浓度低于预设值时通过液体回流阀11、气体电磁阀12调节反应器整体的回流量，使污泥层上升，使污泥层始终保持在反应柱14的某一高度（根据SS传感器位置确定）。

反应器的总氮去除效率是反应器运行的一重要参考指标，对总氮去除效率的优化是该控制系统的重要目标。通过控制液体回流阀11、气体电磁阀12分别控制反应器的回流量及曝气量既而控制反应器内的供氧量，根据氨氮的在线数值反馈，对供氧量作实时调整，以实现总氮去除效率的最大化。随着进水量与进水浓度的不断波动，反应器所需供氧量会发生实时的变化，系统根据PLC控制器 9内置逻辑在线做出判断，对液体回流阀11、气体电磁阀12及时做出调整。

运行控制系统基于分置曝气自循环污泥膨胀床，其全部的处理单元均处于一个大环境之中，如果反应器内某个单元或环节出现问题将影响整个反应器的运行状态，因此对于反应器内部状态的实时监控，以及对反应器内可能出现的问题提前做出预测，并准备处理方案，如下：

在反应器污泥发生沉积情况时，污泥大量聚集在反应柱14底部，导致生化反应进程受阻，且溶解氧消耗量急剧下降，位于反应柱14顶部的在线溶解氧浓度升高，在线一号DO数值明显增加，在线一号SS浓度降低，在线氨氮2及在线COD浓度也均升高。如当反应柱上部污水中的污泥浓度低于1000mg/L、化学需氧量COD大于30mg/L、氨氮浓度大于5 mg/L时，可以认为反应柱14的底部发生了污泥沉积。

对应的处理办法为，通过PLC控制器９做出如下反应：同时增加液体回流阀11、气体电磁阀12开度扩大曝气量，增加曝气柱15与反应柱14之间的压差，促进回流，同时液体回流阀11开度增大，进一步提高反应柱14内的上升流速，提高污泥层高度。另外运行控制系统通过负反馈调节，使污泥层能够稳定在某一预设高度，即上升流速也维持在某一范围内。

在进水浓度突然急剧升高时，反应柱14内的需氧量随之快速增加，导致反应柱14内的溶解氧浓度大幅度下降，反应柱14上方的在线溶解氧浓度降低，在线一号DO数值明显降低，在没有及时的补充曝气之前，反应柱14内的污染物去除不再彻底，反应柱14顶部的在线氨氮2及在线COD浓度上升。如当反应柱顶部污水的氨氮溶度上升至大于5mg/L、在线化学需氧量溶度COD上升至大于30mg/L，可以认为进水中的污染物浓度发生了急剧升高。

对应的处理办法为，PLC控制器9控制液体回流阀11、气体电磁阀12开度呈阶梯式逐步增加，并不断通过在线检测设备的实时数据对液体回流阀11、气体电磁阀12开度进行调节。此外还可通过降低进水量进行调节。

在进水浓度急剧降低时，反应器内的需氧量随之减少，供养充足，反应柱14上部的在线溶解氧快速上升，在线一号DO的数值明显增加，少量的污染物质在进入反应柱14也被及时去除，在线COD及在线氨氮2浓度明显低于预设值。例如，当检测到5min内反应柱顶部污水的溶解氧DO1增加至2×0.5 mg/L，同时，5min内反应柱顶部污水的化学需氧量COD降低至（30mg/L）/2、氨氮浓度降低至（5mg/L）/2，可以认为进水中污染物浓度急剧降低。

对应的处理办法为：为节省曝气，降低能耗，减小气体电磁阀12的开度对曝气量进行适量降低，同时实时根据在线一号SS及在线溶解氧浓度在在线一号DO对曝气进行负反馈调节，防止曝气过低以及曝气延迟导致的污染物去除不彻底，同时也防止污泥层的下降沉积。

在进水异常时，进水PH6与正常进水差异大，如PH低于6.5或高于8则表明进入的污水中出现了会破坏颗粒污泥活性的污染物质，污泥性质会发生突变，首先其浓度会缓慢降低，并且其污染物质的去除效率会大幅降低。在线COD及在线氨氮2浓度较高，在此情况下，单纯调节曝气和回流量，作用将会很有限，首先要先减少进水，其次加大曝气，提高液体回流阀11、气体电磁阀12开度，尽量提高回流比，冲洗污泥，使污泥状态尽可能自我调节恢复。