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第30卷第2期4200年6月北京工OJt」NRALOBFEGNJII业大学学报UNRESVIIT、OFTECHGNOOYLVol30Nd.2Jull.2004A/0脱氮工艺中内循环控制策略的建立与研究彭永臻1,马勇“,王洪臣”,甘一萍”,杨向平”(1.北京工业大学北京市水环境恢复重点实验室,北京100022;2.哈尔滨工业大学市政与环境工程学院,哈尔滨150090;3.北京市城市排水集团公司,北京100061摘要:为了在刀0(anoxic/oxic)脱氮工艺中对内循环进行有效的控制,将好氧区生成的硝酸氮回流到缺氧区,实现氮的有效去除,在分析了反硝化反应对进水COD利用效率及反硝化速率影响因素的基础上,得出内循环控制策略就是控制内循环回流量以维持缺氧区末端硝酸氮质量浓度处于最优设定值.2smgL/,研究表明该设定值具有很强的鲁棒性,不随进水负荷变化而变化,出水硝酸氮和总氮质量浓度可以实现最低值,同时可大大降低内循环能耗.在上述分析的基础上建立了内循环模糊控制器以期实现污水厂的智能控制.关键词:月0脱氮工艺;内循环控制策略;模糊控制器中国分类号:X703.1文献标识码:A文章编号:0254一0037(2004)02一0201一06生物脱氮需要2个步骤:①硝化反应,即在好氧条件下将氨氮转化为亚硝酸氮或硝酸氮的过程;②反硝化反应,即在缺氧环境下以有机碳源为电子供体将硝化过程中产生的亚硝酸氮或硝酸氮转化为氮气的过程,所以在刀O脱氮工艺中需把好氧区生成的硝态氮混合液回流到缺氧区,反硝化反应才会顺利进行,因而,如何有效控制硝化液回流量(简称内循环)是刀O脱氮工艺的重要研究方向.研究表明在线控制内循环可以提高硝酸氮和总氮去除效率,降低它们的出水质量浓度,并提出了不同控制策略川:如控制缺氧区末端硝酸氮质量浓度维持在较低水平,并通过ORP来指示硝酸氮质量浓度的高低;控制进水p(CO)D/p(TN)保持在合适的水平以满足反硝化所需碳源,进而控制硝酸氮的去除,很明显这些控制策略无法实现精确的在线控制,不适合工业控制.作者通过对刀O工艺内循环控制的目的和反硝化反应对进水COD利用效率的详细分析,获得内循环控制策略,并对其进行了模拟和研究,最后建立了内循环模糊控制器.1内循环控制策略的提出内循环控制目标主要有2个,一是降低出水硝酸氮和总氮质量浓度,二是降低内循环所需能耗.在当前水体富营养化问题日益加剧以及公众环保意识日益加强的现状下,城市污水厂的排放标准日益严格,鉴于此,内循环控制应在满足第1个目标的前提下,再考虑第2个目标.另外在生物脱氮污水厂,反硝化反应经常受进水可生物降解有机物的限制,为有效降低出水硝酸氮质量浓度,提高对进水COD的利用效率尤其显得重要,具有重大的经济意义和环境效益.下面通过对刀O脱氮工艺反硝化反应对进水coD利用效率的分析来获得内循环控制策略[2].进水中可生物降解COD(以bCOD表示)由2部分组成:溶解性bCO珠和颗粒性bCO氏,所占比例分别以月和1一口表示.当bCOD进人反应器后bCO氏迅速被污泥絮体吸附,而bco压只有水解后才可利用,但其水解速度很慢,会随水流进人好氧区,所以好氧区和缺氧区都可以利用一部分bCO珠,bCO氏的利用量与缺氧区和好氧区体积大小成比例关系.对于bCO压大部分会在缺氧区作为反硝化反应电子受体去除,但仍有一小部分不可避免进人好氧区,假设比例为1一,的bCO珠进人好氧区,因而进水中比例为护+收稿日期:2004一03一03.基金项目:国家“八六三”计划资助项目(ZO03AA6O1010);国家“十五”攻关课题(2002BA860B04).作者简介:彭永臻(1949一),男,黑龙江哈尔滨人,教授,博士,博士生导师.北京工业大学学报2004年a(1一户的bCoD会在缺氧区去除a(表示缺氧区和好氧区的体积比),比例为l(一珍)口+(1一a)(l一户的bCOD会在好氧区去除.然而由于反硝化菌的生长,一部分bCOD被微生物同化或者成为微生物胞内储存物(其比例为珠,YH代表细胞产率系数),所以在缺氧区去除的汉二OD只有比例为1一蛛的被反硝化反应利用.另外微生物内源呼吸会有一部分细胞性bCOD被反硝化利用,其比率为凡一称,、,珠,*为表观产率系数,可由下式获得凡l+动尹xb尹x+l式中:气、久、f,分别代表异养菌衰减速率、污泥停留时间和微生物细胞内所含惰性COD的比例.根据以上分析,可以得到刀O脱氮工艺进水中bCOD可被反硝化反应利用的比例为下=(l一气)[内十a(1一吞)卜a(称一从obx)二(l一珠)稍+a[l一口(l一珠)一气,*](l)式中:(l一珠场口指在缺氧区去除的bCO氏;(l一几)a(l一口)指在缺氧区去除的bCO珠;a(珠-气,。ix)t指在缺氧区内去除的细胞性coD.因此在刀O脱氮工艺中通过控制内循环最大程度地去除硝酸氮,就是使值足够大,在上式中珠、珠,。、和口均与内循环无关,因此加大下就是加大粉和a,也就是按如下2个规则控制内循环,规则1:保证缺氧区硝酸氮充分,充分利用缺氧区反硝化潜力(即加大a的值),如oLndogn采取的控制措施是控制内循环保证反硝化区出水硝酸氮质量浓度处于一个非0但较低的值〔’].如果缺氧区硝酸氮质量浓度为。,此时缺氧区处于厌氧状态,使得缺氧区反硝化潜力没有充分被利用,另外如果硝酸氮质量浓度太低,基本以内源反硝化为主,而内源反硝化速率很低,这些都会导致出水总氮质量浓度过高,所以缺氧区出水硝酸氮质量浓度不能低于1mg/L.规则:2降低溢流到好氧区bCO压的量(即加大叮值).如果采用ASMI模型设定值,气=0.8,b。一0.2,弃=0.2,0、一7.8,月=0.24则式(l)变为:下=0.048粉+o.542a,这表明规则l相对于规则2对参数影响更大,所以内循环控制策略的关键就是满足规则1的条件.由于内循环控制的主要目的是为了降低出水总氮质量浓度,也即在缺氧区最大程度地去除硝酸氮,提高反硝化速率,而反硝化速率可以表示为:rd(:)=rde、(:)+rd,e、(:),rd,。。d(:)代表内源反硝化,以bCO氏、胞内储存物和细胞性COD为有机碳源,可以看出它和内循环无关;`,。、(:)代表外源反硝化,以bCO岛为有机碳源,因而加大进水中bCO压的利用效率,可以提高r0,。:(T),这也和加大下值相符合,rd,。、(r)可表示为:竺ssr改n=产H,凡max凡十_-玉塑一二(2)式中:0er。代表反硝化速率;蝙代表硝酸氮质量浓度;ss代表有机物质量浓度;下标AN代表缺氧区;凡和ha分别代表ss和气的半饱和常数;拜H,max代表最大比增长速率;瓜H代表异养菌污泥质量浓度.由该式明显看出气。受内循环的影响:当内循环流量增加时,大量的硝化液回流到缺氧区,硫值将会提高,而凡”。将会降低.因此需要控制内循环提高der。值.从规则1可知缺氧区出水硝酸氮质量浓度蝙控制很重要,本文通过分析获得最优硝酸氮质量浓度设定值阮,二。为2.smg/L而ASMI中ha的值为0.5,所以uer。值基本上不受气的限制,此时乓oD成为限制反硝化速率的因素,而采用规则1控制内循环可以充分利用进水中bCOD,这和提高反硝化速率是一致的.综上所述,内循环控制策略的实质就是控制内循环回流量以维持缺氧区末端硝酸氮质量浓度处于最优设定值鲡,二f,它可充分利用进水中bCOD,提高缺氧区反硝化潜力,降低溢流到好氧区bCo乓的量.2实验方法实验模型采用COST682工作组提供的污水厂控制策略模拟标准(v乃刀TPeBcnhmakr)[’〕.它由5部分组成,模型装置(lPantlayou)t、工艺仿真模型(prcoessmdoel)、进水负荷i(nfluentfoad)、测试步骤(etstp叹尤deuer)和评价标准(vealauitonciretira).该标准开发的初衷是因为不同国家都有各自的污水排放标第2期彭永臻等:刀O脱氮工艺中内循环控制策略的建立与研究准,另外在控制策略研究过程中所采用的进水水质、工艺等条件都不同,为了比较研究者们提出的大量控制策略,开发了该国际标准,它的提出可以对污水处理系统控制策略进行公平的评价和分析.其实验装置如图1所示,由5个格室组成的刀O工艺,前2个格室缺氧运行,后3个格室好氧运行,其中缺氧区体积为20O0m,,好氧区体积为4000m,,二沉池体积为6000m,,采用国际水协会ASMI活性污泥模型[4〕及Takacs提出的二沉池模型〔’〕.在本研究过程中,控制好氧区〕〕为2mg/L,污泥排放量为300m3d/,污泥回流量为18446m3d/,其他条件采用标准提供值.内循环IP控制器}一2室硝酸氮设定值、.,.}.1丁2室硝酸氮测量值进水去r----一r一寸一T----一1一万一000U00,00OO。洲}2缺氧区4口}好氧区万~片人产一污泥回流澳主污泥图1Rg.1schemiatcidagralll内循环控制策略示意图ofinetmalerci兀uliatoneolllt’O15位兔etgysysetm实验研究最优设定值的确定uYan等人通过实验研究获得缺氧区末端硝酸氮质量浓度的最优编,二。值为2mg/L[’」.为了获得缺氧区末端硝酸氮质量浓度的最优设定值以及最优设定值的稳定性,应用了3种进水负荷,分别是(a)p(COD)=300mg/L,进水户(bCoD)/p(TN)=2.6;(b加(COD)=380mg/L,进水p(bCOD)/户(TN)=3.6;(c加(Co)D=480mg/L,进水户(bCOD)/p(TN)=4.8.如图2所示,无论进水有机碳源如何变化,是否充足,当气,二。为2.5mg/L时出水总氮质量浓度最低,同时出水硝酸氮质量浓度也最低.另外随着硫,。f设定值的增加,内循环回流量逐渐增大,但并不是内循环回流量越大,出水硝酸氮和总氮质量浓度越低,而是不同进水负荷对应一个最佳内循环回流量,所以恒定内循环回流量或内循环回流比的策略是不可取的,这也证明了内循环控制策略的必要性和重要性.习粼愉姆仅11ù誉à、ǎ昌àd卜氏训让.升r业刀伪`..且1,1111闷·叻日à、ǎ昌àd习封愉把理`斗乙U,`,.二`l八曰八“(TN)循环比妙川N)T/内循环比l2励4567l8l6l4l2l08.斗l|贴。,`2.二f(/nlg·L-鲡,二f/(mg·L一’)(b)P(丈OD)/P(TN)=3.6鲡,。f/(mg·L一`)c()P(bCOD)/P(TN)=4.8闷.如日à、ǎ21àda()P(bCOD)/P(TN)=2.6图2Rg.2Eiffuentto回不同品〕,。对应的出水总氮质量浓度和内循环比introgeneconentaritonandintomalreeyelemteofdifferent品。,二f当进水有机碳源相对不足时出水总氮质量浓度很高(如图2(a)),尽管控制内循环维持缺氧区硝酸氮质量浓度为2.5mg/L时,出水总氮质量浓度最低,但出水总氮质量浓度依然很高,为了进一步降低出水总氮质量浓度,需要外投碳源;当进水碳源相对过量时,硝酸氮质量浓度设定值为1mg/L(如图2(。)),出水总氮质量浓度已经很低,并且硝酸氮质量浓度设定值在1一3mg/L之间选定时出水总氮质量浓度都很低,如果不限制内循环回流比,获得的最优硝酸氮质量浓度设定值依然是2.smg/L,但此时对应的内循环回流比为7,而大的内循环对应着大的能耗,这时需要考虑内循环第2个控制目标内循环能耗的大小,因此需从出水总氮和能耗两方面确定最优硝酸氮质量浓度设定值.综上所述,获得最优硝酸氮质量浓度设定北京工业大学学报2004年值为.25mg/L.但需注意当进水有机碳源不足和正常时选用硝酸氮质量浓度设定值为2.5mg/L,当进水有机碳源过量时最优硝酸氮质量浓度设定值,一般确定为1mg/L..32控制策略的稳定性为了考察内循环控制策略的稳定性和鲁棒性,应用标准Consitnfluent进水负荷,侃,二。设定值取最优值2.sgm/L,以工业中广泛应用的IP控制器,分别改变进水有机物质量浓度ss、进水氨氮质量浓度来考察该策略对外界干扰因素的