專利名稱:使用其中調(diào)節(jié)連續(xù)注入到反應(yīng)器中的空氣速度的生物反應(yīng)器的水處理方法和相應(yīng)的設(shè)備的制作方法
本發(fā)明涉及水處理。更確切地說(shuō)，本發(fā)明涉及通過(guò)自由或者固定培養(yǎng)在固體材料上的生物物質(zhì)消除含氮或者含碳污染物的方法對(duì)城市或者工業(yè)污水的處理。
常規(guī)的水去污技術(shù)使用例如生物過(guò)濾器的生物反應(yīng)器或者活性污泥。
根據(jù)這種技術(shù)，對(duì)反應(yīng)器曝氣以便處理污染。現(xiàn)有技術(shù)通?；趦蓚€(gè)不同的處理階段，一種是需氧的硝化(N)，而另一種是需要缺氧的反硝化(DN)。這兩個(gè)處理階段可以在具有曝氣和然后不曝氣周期(順序曝氣)的單相反應(yīng)器中，或者在具有兩個(gè)特定隔室的反應(yīng)器中(一個(gè)連續(xù)曝氣而另一個(gè)從不曝氣)進(jìn)行。
本發(fā)明由在沒(méi)有任何專用于一個(gè)或者另一個(gè)反應(yīng)的特定間隔區(qū)并且具有持續(xù)曝氣的同一反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行這兩個(gè)相反的反應(yīng)(硝化/反硝化)。但是，必須恰當(dāng)?shù)乜刂七@種曝氣的水平，因?yàn)榉磻?yīng)器中可用的過(guò)量氧氣的量越高，反硝化越受抑止，反之亦然。
因而，該去污方法的總效率直接依賴于曝氣調(diào)節(jié)。
在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法中，通常在反應(yīng)器中或者在反應(yīng)器的出口測(cè)量特定的參數(shù)，以便可以調(diào)節(jié)生物物質(zhì)的曝氣。它們的目的是確定系統(tǒng)在特定時(shí)刻的狀態(tài)。當(dāng)確定了這種狀態(tài)時(shí)，計(jì)算氣體流量控制然后應(yīng)用。通常是銨、硝酸鹽、氧化還原電位或者溶解氧的測(cè)量。也可以使用被稱為“復(fù)合”的其它參數(shù)。它們是測(cè)量的變量的線性組合。
因而，在城市殘留水處理方法的控制體制中，污染含量指標(biāo)(每天每立方米曝氣反應(yīng)器中N-NH4的千克質(zhì)量)已被確認(rèn)為對(duì)控制有用的數(shù)據(jù)。
專利申請(qǐng)公開(kāi)WO01/02306A1定義了一種源于電導(dǎo)率和混濁度測(cè)量的這種污染含量的估計(jì)量。
但是，它是估算而不是直接的測(cè)量。這種類型的工具不能用于需要高精確度的調(diào)節(jié)。
使用這種估計(jì)量的理由之一是基于特定分析器的購(gòu)買和維護(hù)成本。因此，可以理解這種低成本伴有非常有限的性能。
目前，現(xiàn)有工藝水平在不同種類的調(diào)節(jié)策略之間加以區(qū)別。
根據(jù)這些調(diào)節(jié)策略之一，計(jì)算生物物質(zhì)對(duì)分配的氧氣的使用效率“Ct”來(lái)調(diào)節(jié)氣體流量。這在專利公布FR2764817中進(jìn)行了描述。
這項(xiàng)技術(shù)需要使用自身依賴于待處理的污染的參數(shù)Ct。但是，難度在于污染含量隨時(shí)間變化，因此這種參數(shù)Ct需要有規(guī)律地變化以便它總是一致的，這排除了它在激烈變化的污水情況中的應(yīng)用。
其它技術(shù)使用系統(tǒng)輸入變量(銨、硝酸鹽等)的線性組合來(lái)計(jì)算要應(yīng)用的空氣流量控制，如在國(guó)際專利申請(qǐng)公布WO93/07089中具體描述的。
但是，這些技術(shù)是基于經(jīng)驗(yàn)或者半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。使用的控制函?shù)實(shí)質(zhì)上是基于在從前的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)。如果由于生物物質(zhì)或者過(guò)濾器性能的變化模型不再適用，曝氣將不再是最佳的。
現(xiàn)有技術(shù)也提出了使用被稱為“反饋/前饋”調(diào)節(jié)回路的控制系統(tǒng)。
根據(jù)這些系統(tǒng)的一種方法，一些作者提出了通過(guò)在輸入處使用銨測(cè)量控制生物反應(yīng)器中溶解氧濃度的策略。
根據(jù)另一種方法，使用待處理的銨含量的概念來(lái)預(yù)測(cè)溶解氧設(shè)定值的必要改變。本發(fā)明沒(méi)有使用僅代表可用氧而非生物物質(zhì)必需氧的溶解氧測(cè)量。
根據(jù)其它技術(shù)，曝氣體積的調(diào)節(jié)基于反應(yīng)器的分隔化(而不是基于氣體流量或者速度的調(diào)節(jié))。但是，這種類型策略的根本上的不連續(xù)性質(zhì)(曝氣體積的不連續(xù)變化)是為什么作者總是用溶解氧調(diào)節(jié)支持他們的系統(tǒng)的原因。
在任何情況下，大多數(shù)公布是基于從使用合成水的模擬(活性污泥模型)或者分批測(cè)試獲得的結(jié)果。
實(shí)際上，已經(jīng)進(jìn)行的小規(guī)模或者在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)非常少。此外，進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)幾乎全部是對(duì)于活性污泥生物反應(yīng)器。
特別地，本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的劣勢(shì)和/或不足。
更確切地說(shuō)，本發(fā)明的目的是提出一種使用不分隔的生物反應(yīng)器，加入通過(guò)連續(xù)的空氣注入曝氣的生物物質(zhì)處理水的方法，其中與根據(jù)現(xiàn)有工藝的技術(shù)相比空氣注入控制得到最優(yōu)化。
在本文中，本發(fā)明的目的是在相同的腔和相同的時(shí)間同時(shí)進(jìn)行硝化、反硝化和碳去除步驟。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供在任何情況下，包括當(dāng)待處理的水的污染含量隨時(shí)間具有大的變化時(shí)都有效的這樣一種方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供調(diào)整作為生物物質(zhì)性能的函數(shù)的注入空氣控制的這樣一種方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供擬相對(duì)快地返回投資和運(yùn)行費(fèi)用的這樣一種方法。在這種意義上講，本發(fā)明的目的是提出避免由污染含量的日峰值引起的額外操作費(fèi)用的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供控制注入空氣而不必測(cè)量溶解氧的這樣一種方法。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供容易實(shí)現(xiàn)的這樣一種方法。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了這些目標(biāo)以及稍后將變得更加清楚的其它目標(biāo)，其目的是一種水處理方法，包括在生物反應(yīng)器的相同腔中發(fā)生的硝化和反硝化過(guò)程以便去除所述的水中含有的被稱作輸入含量的含氮污染，所述反應(yīng)器結(jié)合通過(guò)氧化氣體的注入曝氣的生物物質(zhì)，所述的方法包括至少一個(gè)調(diào)整所述注入氣體速度的步驟，其特征在于所述的氣體注入是連續(xù)的并且所述的硝化和反硝化過(guò)程基本上是同時(shí)發(fā)生的，所述的方法包括連續(xù)測(cè)量所述水中含有的N-NH4(CVEDD)的輸入含量，通過(guò)時(shí)間的補(bǔ)償測(cè)量和權(quán)衡所述的輸入含量來(lái)推導(dǎo)對(duì)作為時(shí)間函數(shù)的要注入的所述氣體的速度的控制。
應(yīng)注意氧化氣體的連續(xù)注入是指持久然而可變的注入。
應(yīng)注意輸入量CVEDD可以表示為如下 其中Q是供應(yīng)流量(這里用升/小時(shí)表示)，CNH4是測(cè)得的輸入銨濃度(以每升N-NH4的mg表示)而V曝氣是曝氣反應(yīng)器的體積(m3)。
在存在幾個(gè)并聯(lián)的相同反應(yīng)器的情況下，曝氣體積等于運(yùn)行中的曝氣反應(yīng)器的數(shù)量(nf)和每個(gè)反應(yīng)器的個(gè)體表面積(Su)和個(gè)體高度(hmat)的積，即V曝氣＝nf×Su×hmat和S＝nf×Su(曝氣反應(yīng)器的總表面積)。
因而，根據(jù)本發(fā)明的方法是基于對(duì)作為數(shù)學(xué)模型輸入?yún)?shù)的含量的直接測(cè)量來(lái)預(yù)測(cè)空氣需求(或者更通常為氧氣需求)。
以這種方式，獲得了比根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法更有效和更精確控制的水處理方法，這在下面將變得更加清楚。這種控制允許連續(xù)氣體注入但是可對(duì)應(yīng)于生物物質(zhì)的需要隨時(shí)間變化并且允許硝化和反硝化同時(shí)進(jìn)行。
通過(guò)其進(jìn)行輸入含量測(cè)量權(quán)衡的這種時(shí)間的補(bǔ)償(能夠可變的)，尤其能夠考慮到關(guān)于從測(cè)量點(diǎn)到降解位置的轉(zhuǎn)變時(shí)間的補(bǔ)償。
這種關(guān)于轉(zhuǎn)變的補(bǔ)償實(shí)質(zhì)上對(duì)應(yīng)于水進(jìn)入反應(yīng)器的真實(shí)時(shí)間和銨開(kāi)始降解的時(shí)間之間的補(bǔ)償。
這種補(bǔ)償也是考慮在反應(yīng)器中的經(jīng)過(guò)時(shí)間或者平均停留時(shí)間的一種方法。
在下面將變得更清楚的是，這樣的方法的一個(gè)特別令人感興趣的結(jié)果是它可以限制引起額外運(yùn)行費(fèi)用的污染含量的日峰值期間的過(guò)高-或者過(guò)低-曝氣。
由于大的運(yùn)行節(jié)約，這個(gè)發(fā)明也使投資能夠快速收回(在1和2年之間)。
而且，根據(jù)本發(fā)明的方法可以應(yīng)用于生物過(guò)濾器和大多數(shù)水處理方法，尤其是例如包括膜生物反應(yīng)器的活性污泥，具有固定培養(yǎng)例如生物過(guò)濾器、流化床的方法，具有混合培養(yǎng)的方法。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的解決方案，所述的一個(gè)或多個(gè)調(diào)節(jié)步驟是基于下面的作為時(shí)間函數(shù)的空氣速度控制法則V空氣(t)＝α(H(t)*CVEDD(t)-CV設(shè)定值)+β其中CV設(shè)定值是輸出含量設(shè)定值而H(t)是相延遲函數(shù)H(S)的拉普拉斯逆變換。
應(yīng)注意“*”符號(hào)表示卷積。
因而，作為連續(xù)進(jìn)行的測(cè)量中的輸入含量變化的函數(shù)可以持久地校正空氣注入控制，因此可以對(duì)不同污水實(shí)現(xiàn)高的處理效率，尤其是對(duì)含量隨時(shí)間變化大的污水。
下面詳細(xì)描述用于建立這樣一個(gè)趨勢(shì)控制法則的論證。
該控制法則的目的是將進(jìn)入到生物反應(yīng)器中的N-NH4輸入含量(以每D曝氣反應(yīng)器的N-NH4/m3的kg表示)與空氣流量并然后與空氣速度相聯(lián)系，N-NH4輸入含量是實(shí)際應(yīng)用到反應(yīng)器的含量，也就是說(shuō)從澄清水和再循環(huán)水的混合估算的含量。
使用這個(gè)變量同時(shí)考慮流量和濃度變化。
它也是用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。
觀察到除去的實(shí)際含量在24小時(shí)的時(shí)期內(nèi)對(duì)于給定的空氣流量是不變的。通過(guò)在不變的空氣流下使用緩沖水的幾個(gè)測(cè)試的分析證實(shí)了這種假定。
在實(shí)驗(yàn)期間，使銨濃度和供應(yīng)流量變化使得施用的含量保持不變。
這些實(shí)驗(yàn)顯示了在瞬態(tài)相之后，除去的N-NH4含量返回到相等的水平并且僅有的不變參數(shù)為空氣流。
在表示下列隨時(shí)間變化的圖1中的曲線圖中清楚地顯示了這一點(diǎn)-輸入含量11；-除去的含量12；-輸出含量13。
因此，產(chǎn)生了在穩(wěn)定狀態(tài)條件下除去的N-NH4含量(Cve)和空氣速度之間的線性關(guān)系V空氣(t)＝α*CVe(t)+β其中 但是，獲得的關(guān)系仍然沒(méi)有考慮瞬態(tài)現(xiàn)象。
因此，本發(fā)明的一個(gè)特別的特征是如何考慮到瞬態(tài)現(xiàn)象以獲得上述關(guān)系中的參數(shù)。
為了將除去的含量與空氣速度聯(lián)系，必須考慮反應(yīng)器中的過(guò)渡時(shí)間或者平均停留時(shí)間Tg(所考慮的反應(yīng)器中流體粒子的平均過(guò)渡時(shí)間)。實(shí)際上，通過(guò)研究將稀釋的澄清水濃度(澄清水+再循環(huán)水)與該方法輸出測(cè)量相聯(lián)系的交叉相關(guān)系數(shù)獲得參數(shù)Tg。
根據(jù)早先的觀察，除去含量對(duì)于固定的空氣流是不變的，并且如果供應(yīng)流量固定，則有效結(jié)果是不變的N-NH4去除(輸入/輸出濃度之間的差值)。
因而，這時(shí)將輸出銨濃度作為稀釋輸入濃度的函數(shù)表示為[NH4]，(t)＝[NH4]θ(t-Tg)-Cst其中Cst將是例如由測(cè)量所限定的常數(shù)。
此外，交叉相關(guān)系數(shù)對(duì)于步驟n是對(duì)應(yīng)于時(shí)間補(bǔ)償Tg＝nTe(其中Te是取樣周期)的最大值。
通過(guò)擴(kuò)展，通過(guò)取輸入含量和應(yīng)用等于Tg的延遲的輸出含量之間的差來(lái)計(jì)算除去的含量。然后t時(shí)刻的空氣速度可以被表示成同時(shí)計(jì)算的除去含量的函數(shù)(見(jiàn)圖2，曲線(F(t)))。
然而，這種方法沒(méi)有考慮稀釋澄清水滲透到反應(yīng)器中和銨開(kāi)始降解的實(shí)際時(shí)間，這種補(bǔ)償關(guān)系到從測(cè)量點(diǎn)到降解位置的過(guò)渡。
類似地，它沒(méi)有考慮到可能對(duì)系統(tǒng)的水力學(xué)沒(méi)有立即作用的曝氣變化。
所有這些現(xiàn)象引起數(shù)值的分散(如在生物過(guò)濾器情況下的圖2所示)和因此待應(yīng)用的空氣速度的不確定性最高達(dá)±15％大約7Nm/h。因此，本發(fā)明的另一個(gè)特別特征涉及糾正這些漏算并獲得期望的線性度(如在圖2中曲線H(t)*F(t)所示)的相延遲函數(shù)H(s)的應(yīng)用。
因而，隨時(shí)間除去的含量(Cve)等于被H(t)卷積(相延遲函數(shù)H(s)拉普拉斯逆變換)的輸入(CVEDD)和輸出(Cve)之間的含量差。
可以使用這種方法來(lái)獲得空氣速度與先前計(jì)算的除去含量之間的線性關(guān)系。因此，獲得如下控制法則V空氣(t)＝α(H(t)*CvEDD(t)-Cv設(shè)定值)+β此外，已知使用具有經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的模型導(dǎo)致在現(xiàn)場(chǎng)使用方面的劣勢(shì)。
獲得設(shè)置所必需的值并不總與處理設(shè)備中的操作優(yōu)先級(jí)相兼容。
因此，本發(fā)明提供了獲得初步設(shè)置的理論方法。
這通過(guò)模型的驗(yàn)證來(lái)證實(shí)，由比較觀察的經(jīng)驗(yàn)法則與理論法則以便克服確定尺寸和比例轉(zhuǎn)換問(wèn)題組成。
獲得的經(jīng)驗(yàn)法則依賴與硝化和碳去除相對(duì)應(yīng)的理論氧需求的計(jì)算。使用下面的已知關(guān)系確定O2需求硝化B.02NH4＝4.57×N-NH4的除去質(zhì)量反硝化B.02NO3＝-2.86×(N-NH4的除去質(zhì)量-產(chǎn)生的NO3的質(zhì)量)碳B.02CODs＝0.90×CODs的除去質(zhì)量因此，生物反應(yīng)器的氧需求被表示成先前需求的總和。空氣需求從這些氧需求導(dǎo)出。它們與轉(zhuǎn)化效率之間有關(guān)系，它的值隨著空氣速度減小。
圖3是用來(lái)比較生物過(guò)濾器的經(jīng)驗(yàn)空氣需求量32和理論空氣需求量31的圖。該圖顯示了這樣計(jì)算的理論空氣需求與經(jīng)驗(yàn)法則非常一致。因此存在獲得需要的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的理論基礎(chǔ)。
注意到兩個(gè)線性回歸的系數(shù)與α和β的值對(duì)應(yīng)(α理論等于25.7，測(cè)量等于24.1，β理論等于-4.2，測(cè)量等于-3.6)，R2表示100％與每一個(gè)線性回歸相關(guān)的置信系數(shù)(首先通過(guò)測(cè)量其次通過(guò)理論獲得的系數(shù)實(shí)際上相同)。
優(yōu)選地，以如下開(kāi)環(huán)表示該控制法則V空氣(t)＝α(H(t)*CvEDD(t)-CV設(shè)定值(t+Δt))+β以這種方式，術(shù)語(yǔ)CV設(shè)定值(t+Δt)預(yù)見(jiàn)了輸出量設(shè)定值的未來(lái)變化。這種解決方法可以提供不可忽略的額外靈活性來(lái)優(yōu)化設(shè)備的使用。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，所述延遲函數(shù)是下面的類型H(S)=[11+VnQs]n]]>-n是在所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)器中的分布調(diào)節(jié)參數(shù)；-V是所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)器的表觀容積；-Q是所述待處理水的供應(yīng)流量；-s是變量t的拉普拉斯變換。
這個(gè)函數(shù)與拉普拉斯空間中的一系列n個(gè)完美攪拌的反應(yīng)器(RPA)的傳遞函數(shù)對(duì)應(yīng)，其中n是正整數(shù)。
這里描述的這個(gè)相延遲函數(shù)是以一系列完美攪拌的反應(yīng)器(RPA)的數(shù)學(xué)形式，其參數(shù)是流量和容積。該流量從屬于柱過(guò)濾流量，因?yàn)閮H僅使用表觀容積V來(lái)調(diào)節(jié)該函數(shù)。
更一般地說(shuō)，可以使用任何利用理想反應(yīng)器降遞函數(shù)組合的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
因此，在其它可能的實(shí)施方案中，相延遲函數(shù)可以是不同類型。
例如，這個(gè)函數(shù)可以表示成代表一系列四個(gè)RPAs的傳遞函數(shù)的形式，其中n＝4。
根據(jù)一個(gè)有利的解決方案，該方法包括至少一個(gè)測(cè)量輸出含量(Cvs)和/或所述處理水中含有的溶解銨濃度的步驟。
在這種情況下，優(yōu)選使用所述輸出含量(Cvs)的所述測(cè)量通過(guò)應(yīng)用下面的等式來(lái)調(diào)節(jié)所述設(shè)定值Cv設(shè)定值(t)-Cvs＝誤差(t)其中
信號(hào)e(t)定義為e(t)＝[NH4]設(shè)定值(t)-[NH4]s(t)其中hmat是所述反應(yīng)器中所述生物物質(zhì)的高度而S是所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)器的表面積，hmat和S的積所得體積代表所述生物反應(yīng)器的曝氣體積。
這個(gè)公式由含量計(jì)算導(dǎo)出，這個(gè)公式中的e(t)代表設(shè)定值[NH4]設(shè)定值(t)和輸出測(cè)量[NH4]s(t)之間的濃度差。
本發(fā)明提供了使用這種類型的反饋系統(tǒng)對(duì)預(yù)測(cè)模型的連續(xù)修正，因此它總是與實(shí)際一致。
因而，通過(guò)加入反饋?lái)?xiàng)可以補(bǔ)償趨勢(shì)曲線模型中的誤差或者不可測(cè)擾動(dòng)?？梢允褂镁哂汹厔?shì)曲線的閉合環(huán)路來(lái)得到比單獨(dú)“前饋”或者“反饋”調(diào)節(jié)器更好的結(jié)果。
因此，該反作用的特定特征之一在于誤差評(píng)估。
它不只是輸出處溶解銨的測(cè)量結(jié)果與設(shè)定值之間的差(表示為e(t))，而且是輸出含量和設(shè)定含量之間的差(表示為誤差(t))。
雖然e(t)和誤差(t)之間有關(guān)聯(lián)，但這些兩個(gè)參數(shù)之間的區(qū)別是根本的。
根據(jù)第一個(gè)實(shí)施方案，連續(xù)進(jìn)行對(duì)輸出含量(CVs)和/或所述處理水中含有的溶解銨濃度的測(cè)量。
調(diào)節(jié)器在計(jì)算將應(yīng)用的操作中隱含考慮了供應(yīng)流量的變化。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，該方法包括對(duì)信號(hào)e(t)進(jìn)行變換步驟，使得-如果e＞0，f(e)＝e-如果e≤0，f(e)＝1-exp(-k，e)，其中k＞0。
注意到k提供了一種對(duì)信號(hào)變換強(qiáng)度分級(jí)的方法。
因而，使用信號(hào)e(t)的變換進(jìn)行了改善。銨的輸出濃度不嚴(yán)格是氣體流量線性函數(shù)，因?yàn)樗芟抻?。例如，當(dāng)設(shè)定值為2mg N-NH4/L時(shí)，測(cè)量結(jié)果和設(shè)定值之間的誤差可以僅考慮了[-2，+∞]區(qū)間內(nèi)的值，并且在這種情況下存在不希望的調(diào)節(jié)區(qū)間的不對(duì)稱。
因此，這樣的變換可以考慮這種不對(duì)稱性。
這種變換提供了一種當(dāng)調(diào)節(jié)器的反應(yīng)接近下限時(shí)放大其的方法。
在設(shè)定值等于2mg N-NH4/L的情況下，如果k＝1，這時(shí)誤差將等于[-6.4，+∞]區(qū)間內(nèi)的值。
因而，由于這種操作條件增益的增加，以系統(tǒng)的弱不穩(wěn)定性為代價(jià)限制飽和效應(yīng)。
可以設(shè)想其它的變換例如f(x)＝x2，其可以當(dāng)接近設(shè)定值時(shí)提供小的控制變化，和當(dāng)距離設(shè)定值的誤差增加時(shí)較大的變化。
最后，反饋或者前饋調(diào)整回路的使用提供了增強(qiáng)的安全性，因?yàn)樵摽刂剖菐讉€(gè)信號(hào)的組合。當(dāng)一些信息丟失時(shí)，其它的信息仍然可以提供調(diào)節(jié)，盡管其性能較低。
本發(fā)明也涉及用于上面所述的包括在生物反應(yīng)器的同一個(gè)腔中硝化和反硝化相的水處理方法的設(shè)備，所述反應(yīng)器包括通過(guò)空氣注入曝氣的生物物質(zhì)和調(diào)節(jié)所述注入空氣速度的裝置，其特征在于它包含-連續(xù)測(cè)量所述的進(jìn)入含量的裝置；-設(shè)置輸出含量和/或輸出濃度(Cv設(shè)定值)的設(shè)定值的裝置；-基于控制法則設(shè)計(jì)對(duì)所述調(diào)節(jié)裝置作用的計(jì)算裝置，其中通過(guò)時(shí)間補(bǔ)償特別權(quán)衡所述的測(cè)量輸入含量根據(jù)其作為時(shí)間的函數(shù)推導(dǎo)對(duì)待注入的空氣速度的控制，所述的空氣注入是連續(xù)的且所述的硝化和反硝化過(guò)程基本上是同時(shí)的。
這樣的計(jì)算裝置可以包括軟件工具的使用。
還可以注意到本發(fā)明沒(méi)有使用任何溶解氧測(cè)量或者設(shè)定值來(lái)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，該設(shè)備包含反作用回路，該反作用回路包含測(cè)量輸出含量(CVs)和/或所述處理水中含有的溶解銨的濃度的裝置，以及比較所述輸出含量與所述輸出含量設(shè)定值的裝置。
在這種情況下，所述的比較裝置優(yōu)選與所述的計(jì)算裝置相關(guān)聯(lián)以調(diào)節(jié)所述的控制法則中使用的所述設(shè)定值。
在閱讀了作為說(shuō)明性和非限制實(shí)施例給出的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案和附圖的下面描述之后，本發(fā)明的其它的特定特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加更清楚，其中-圖1是顯示在緩沖水中，在恒定含量下銨濃度變化的曲線-圖2顯示了空氣速度作為計(jì)算的生物過(guò)濾器除去含量的函數(shù)的兩條記錄；-圖3是顯示生物過(guò)濾器的經(jīng)驗(yàn)和理論空氣需求的比較的圖；-圖4是根據(jù)本發(fā)明的試驗(yàn)性單元的圖解視圖；-圖5是根據(jù)本發(fā)明的“反饋/前饋”調(diào)節(jié)區(qū)段的圖解視圖；-圖6顯示了使用根據(jù)本發(fā)明的方法利用固定的供應(yīng)流量和再循環(huán)率獲得的記錄曲線；-圖7顯示了使用根據(jù)本發(fā)明的方法利用變化的供應(yīng)流量和固定的再循環(huán)率獲得的記錄曲線；-圖8顯示了使用根據(jù)本發(fā)明的方法利用變化的供應(yīng)流量和再循環(huán)率獲得的記錄曲線；下面通過(guò)使用如圖4中所示的試驗(yàn)性單元進(jìn)行測(cè)試來(lái)論證根據(jù)本發(fā)明的方法的效率。
可以看到，這個(gè)單元由兩個(gè)內(nèi)部直徑為29cm的高5m的有機(jī)玻璃圓柱組成。用來(lái)同時(shí)進(jìn)行硝化/反石硝化(NDN)測(cè)試的材料高度(hmat)為2.75m并且在其中使用的球的平均直徑為3.34mm±0.19mm。
從城市水網(wǎng)獲得處理的污水；在通過(guò)重力被送到持久攪拌的30升緩沖罐42中之前首先使其沉降(分層沉降罐)。然后通過(guò)兩個(gè)SEEPEX泵提升流入液裝滿兩個(gè)增壓圓柱。這些提供了2.40mCe的最大可得壓力損失。
在硝化/反硝化框架中再次使用處理水的一部分43供應(yīng)給試驗(yàn)性單元。在增壓圓柱中將該水與供應(yīng)水混合。再一次，使用兩個(gè)Seepex泵再循環(huán)所需的流量。
從兩個(gè)圓柱輸出的未再循環(huán)的處理水44在普通的10升罐中混合，從其中取樣進(jìn)行分析。在這個(gè)配置中，該試驗(yàn)性單元的運(yùn)行類似于包含兩個(gè)過(guò)濾單元的現(xiàn)場(chǎng)。該處理因此是均勻的并且在線測(cè)量是多余的。
使用位于距每個(gè)圓柱底部20cm的兩個(gè)空氣支管(沒(méi)有顯示)連續(xù)但是可變地注入處理過(guò)的空氣遍及反應(yīng)器，并且使用每一個(gè)底部的兩個(gè)其它的孔用于沖洗空氣的注入。在這兩種情況下，由壓縮空氣網(wǎng)確?？諝馍a(chǎn)。
在測(cè)試期間基于全部的材料計(jì)算的應(yīng)用量在0.3和0.6kg N-NH4/m3/D之間且平均0.45kgN-NH4/m3/D，對(duì)于平均125％的再循環(huán)率相應(yīng)的平均水供應(yīng)流速V水是1.2m/h。這個(gè)比率不同于傳統(tǒng)的NDN(也就是說(shuō)具有曝氣區(qū)域和非曝氣區(qū)域的反應(yīng)器)，因?yàn)闋可娴男什煌?br>三個(gè)研究案例說(shuō)明了本發(fā)明的性能。首先(圖6)論證了具有固定流量和固定再循環(huán)率的調(diào)節(jié)的效率。第二(圖7)說(shuō)明了具有變化的流量和固定的再循環(huán)率的調(diào)節(jié)的性能。和第三(圖8)顯示了具有變化的流量和變化的再循環(huán)率的調(diào)節(jié)獲得的結(jié)果。
因此圖6顯示了通過(guò)預(yù)見(jiàn)空氣需求來(lái)消除每日峰值含量。不同于現(xiàn)有技術(shù)中所發(fā)生的，在峰含量之前或者之后沒(méi)有過(guò)低或者過(guò)高曝氣區(qū)域。因此，沒(méi)有使反硝化抑制來(lái)獲得硝化的目標(biāo)，因?yàn)槠貧饪刂铺峁┝巳炀_維持相同銨濃度的途徑。
看到根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)在變化的供應(yīng)流量條件下正確運(yùn)行并預(yù)見(jiàn)到峰含量(圖7)。除去其間該含量使得已經(jīng)達(dá)到空氣速率的飽和的短時(shí)期。減少曝氣使得它不超過(guò)15Nm/h以便作為裝置主要部分的代表。
最后，當(dāng)以可變化的供應(yīng)流量和可變化的再循環(huán)率(圖8)使用時(shí)，其不是典型的工業(yè)裝置，結(jié)果變差但是仍好于現(xiàn)有技術(shù)。
使用與根據(jù)本發(fā)明方法的優(yōu)選實(shí)施方案對(duì)應(yīng)的圖5中所示類似的調(diào)節(jié)區(qū)段獲得這些結(jié)果。
如圖所示，將被處理的水51直接引入生物反應(yīng)器52，使供應(yīng)流量Q和輸入含量數(shù)據(jù)與這將被處理的水聯(lián)系。應(yīng)記得根據(jù)本發(fā)明的原理，硝化和反硝化過(guò)程在反應(yīng)器的同一腔中發(fā)生(反應(yīng)器實(shí)際上積具有一個(gè)隔室)并且這些硝化和反硝化過(guò)程基本上是同時(shí)發(fā)生的。
使用被稱作“前饋”調(diào)節(jié)器的第一調(diào)節(jié)器53對(duì)這將被處理的水進(jìn)行測(cè)量，尤其是對(duì)CVEDD之間的含量進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。
該調(diào)節(jié)器還接收關(guān)于輸出含量設(shè)定值Cv設(shè)定值的信息。
被稱作“反饋”調(diào)節(jié)器的另一個(gè)調(diào)節(jié)器54收集信息并且尤其是連續(xù)測(cè)量的輸出含量CVS。
調(diào)節(jié)器54也接收關(guān)于輸出量設(shè)定值Cv設(shè)定值的信息。
用于反作用回路的調(diào)節(jié)器可以是PID(比例積分微分調(diào)節(jié)器)類型或者PFC(預(yù)測(cè)函數(shù)控制)類型。
設(shè)定這些調(diào)節(jié)器使得每一個(gè)輸出命令。對(duì)相應(yīng)的命令進(jìn)行處理以便通過(guò)應(yīng)用作為時(shí)間函數(shù)的空氣速度控制法則作用于空氣速度V空氣V空氣(t)＝α×(H(t)*CvEDD(t)-Cv設(shè)定值(t))+β+V空氣反作用如上所述，通過(guò)測(cè)量或者通過(guò)計(jì)算可以得到系數(shù)α和β。
V空氣反作用對(duì)應(yīng)于通過(guò)反作用回路中的調(diào)節(jié)器計(jì)算的必需空氣流量的變化。
此外，在先前描述的試驗(yàn)性單元的情形中，相延遲函數(shù)H(s)如下表示H(s)=[11+V4Qs]4]]>此外，通過(guò)與下面指示對(duì)應(yīng)的計(jì)算獲得來(lái)自調(diào)節(jié)器54的命令輸出。
Cv設(shè)定值(t)-Cvs＝誤差(t)其中， 符號(hào)e(t)定義為e(t)＝[NH4]設(shè)定值(t)-[NH4]s(t)根據(jù)上面提到的參數(shù)(V水＝1.2m/h和hmat＝2.75m)，誤差(t)定義如下誤差(t)＝1.05×10-2e(t)
權(quán)利要求
1.水處理方法，使用生物反應(yīng)器以除去所述水中含有的被稱作輸入含量的氮污染，所述反應(yīng)器結(jié)合通過(guò)空氣注入曝氣的生物物質(zhì)，所述的方法包括調(diào)節(jié)所述的注入空氣速度的至少一個(gè)步驟，其特征在于它包括對(duì)所述水中含有的N-NH4(CVEDD)的輸入含量的連續(xù)測(cè)量，通過(guò)時(shí)間補(bǔ)償測(cè)量和權(quán)衡所述輸入含量來(lái)推導(dǎo)對(duì)作為時(shí)間函數(shù)的所述待注入的空氣速度V空氣的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的水處理方法，其特征在于所述的一個(gè)或多個(gè)調(diào)節(jié)步驟基于作為時(shí)間函數(shù)的、下面的空氣速度控制法則V空氣(t)＝α(H(t)*CvEDD(t)-Cv設(shè)定值)+β，其中Cv設(shè)定值是輸出含量設(shè)定值而H(t)是相延遲函數(shù)H(S)的拉普拉斯逆變換。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或者2所述的水處理方法，其特征在于所述的一個(gè)或多個(gè)調(diào)節(jié)步驟基于如下控制法則V空氣(t)＝α(H(t)*CvEDD(t)-Cv設(shè)定值)+β。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3或者4所述的水處理方法，其特征在于所述的相延遲函數(shù)是下面的類型H(S)=[11+VnQs]n]]>其中-n是在所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)器中的分布調(diào)節(jié)參數(shù)；-V是所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)器的表觀容積；-Q是所述待處理水的供應(yīng)流量；-s是變量t的拉普拉斯變換。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1-4任一個(gè)所述的水處理方法，其特征在于它包括測(cè)量輸出含量(CVs)和/或所述待處理的水中含有的溶解銨濃度的至少一個(gè)步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的水處理方法，其特征在于通過(guò)下面公式的應(yīng)用優(yōu)選使用所述的輸出含量(CVs)的所述測(cè)量來(lái)調(diào)節(jié)所述的設(shè)定值Cv設(shè)定值(t)-Cvs＝誤差(t)其中，誤差(t)=24xQxe(t)(1000x1000xhmatxS)]]>符號(hào)e(t)定義為e(t)＝[NH4]s(t)-[NH4]設(shè)定值(t)，hmat是所述反應(yīng)器中所述生物物質(zhì)的高度而S是所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)器的表面積，hmat和S的積所得體積表示所述生物反應(yīng)器的曝氣體積。
7.根據(jù)權(quán)利要求
5或者6所述的水處理方法，其特征在于連續(xù)進(jìn)行輸出量(CVs)和/或所述的處理水中含有的溶解銨濃度的測(cè)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求
5或者6所述的水處理方法，其特征在于它包含對(duì)所述符號(hào)e(t)進(jìn)行的變換步驟，使得-如果e＞0，f(e)＝e-如果e≤0，f(e)＝1-exp(-k，e)，其中k＞0。
9.用于權(quán)利要求
1-8任一個(gè)所述的水處理方法的設(shè)備，包括至少一個(gè)反應(yīng)器，該反應(yīng)器包含通過(guò)空氣注入曝氣的生物物質(zhì)和調(diào)節(jié)所述注入空氣速度的裝置，其特征在于它包含-連續(xù)測(cè)量所述的進(jìn)入含量的裝置；-設(shè)置輸出含量和/或輸出濃度(Cv設(shè)定值)的設(shè)定值的裝置；-基于控制法則設(shè)計(jì)對(duì)所述調(diào)節(jié)裝置作用的計(jì)算裝置，其中通過(guò)時(shí)間補(bǔ)償具體權(quán)衡所述的測(cè)量的輸入含量來(lái)根據(jù)其作為時(shí)間的函數(shù)推導(dǎo)對(duì)待注入的空氣的速度的控制。
10.根據(jù)權(quán)利要求
9所述的設(shè)備，其特征在于它包含反作用回路，該反作用回路含有測(cè)量輸出含量(CVs)和/或所述的處理水中含有的溶解銨濃度的裝置，和比較所述輸出含量與所述輸出含量設(shè)定值的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求
10所述的設(shè)備其特征在于所述的比較裝置與所述的計(jì)算裝置相關(guān)聯(lián)以調(diào)節(jié)所述的控制法則中使用的所述設(shè)定值。
專利摘要
本發(fā)明涉及借助于生物反應(yīng)器來(lái)對(duì)抗被稱為輸入負(fù)荷且包含在所述的水中的含氮污染物的處理水的方法，其中反應(yīng)器包含由注入空氣通風(fēng)的生物物質(zhì)。本發(fā)明的方法包括至少一個(gè)注入空氣速度調(diào)節(jié)階段并且在于連續(xù)測(cè)量包含在水中的所述的輸入N－NH
文檔編號(hào)C02F3/00GK1997602SQ20058001778
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2005年5月27日
發(fā)明者C·勒穆瓦納, M·佩羅多 申請(qǐng)人:Otv股份有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan