申请日1999.09.29
公开(公告)日2001.12.26
IPC分类号C02F3/12
摘要
本发明涉及在采用活性污泥的废水处理方法中,控制污泥澄清停留时间的方法,它包括将活性污泥从澄清步骤循环到生物釜的步骤。本发明的特征在于,它包括对污泥再循环速率(Qr)进行调节以获得恒定的再循环污泥浓度(Cr)并确保污泥澄清的停留时间(TS)低于临界值(TSmax)。
权利要求书
1.在采用活性污泥处理废水的方法中控制进行澄清的污泥的停留时间的方法，它包括将活性污泥从澄清级循环到生物池，其特征在于，改变污泥循环流量(Qr)以维持恒定的循环污泥浓度(Cr)，并同时确保进行澄清的污泥的停留时间(RT)低于临界值(RTmax)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，根据代表流经装置的水的通过量(Qt)的信号改变污泥循环流量(Qr)以限制澄清级内污泥的停留时间。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，当所述信号的有效性不能得到认可时，根据水处理站的波动操作方式控制循环。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，根据代表循环线路中的污泥浓度(Cr)的信号改变污泥循环流量(Qr)，所述代表性信号通过位于循环线路中的传感器获得，该信号被输送到一自动逻辑工具，该自动逻辑工具根据所接收的信号的变化来改变循环流量(Qr)，以使循环线路中的污泥浓度(Cr)保持恒定;万一怀疑所述信号的代表性时，根据从动操作方法自动控制污泥循环，该从动操作方法的目的是限制污泥在澄清级的停留时间，所述从动操作方法是基于生物池内的污泥浓度(Cas)值的分析和流经装置的水的通过量(Qt)被控制的。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，当由所述传感器输送的信号的有效性不能得到认可时，根据水处理站的波动操作方式控制循环。
6.根据前述任一权利要求的方法，其特征在于，周期性地测量沉降的污泥的体积以评估污泥沉降指数(Is)和生物池内的污泥浓度(Cas)并确定操作控制器的设置值。
7.根据前述任一权利要求的方法，其特征在于，这样设计污泥循环的自动操作逻辑工具，以便
-基于曝气池中的污泥浓度(Cas)值和重新更新的沉降指数(Is)，周期性地更新污泥平均循环率(τrec)以使它适应处理站的条件;
-对水力事件迅速响应并根据基于通过量(Qt)的变化的澄清池/曝气池系统的响应时间而控制作用滞后;和
-使循环线路中的污泥浓度(Cr)保持恒定。
8.实施权利要求1-5任一项的方法的装置，其特征在于，它包括：
-分别使测量通过量(Qt)成为可能的传感器;
-确保对上述活性污泥循环流量(Qr)进行可调控制的装置;
-测量已沉降的污泥的体积并评估沉降指数(Is)和生物池内的污泥浓度(Cas)的装置;
-确保对循环的自动操作的控制器，它包括配备有一信号输入公共级的两个主要模块;
-提供用户和控制器之间的界面并使显示浓度设置(Cr)成为可能的第一模块(A);
-形成控制循环流量的单元的第二模块(B)，它包括：
-基于通过量(Qt)对澄清池内的污泥的停留时间进行控制的控制逻辑工具(B2)，以便计算控制循环流量(Qr)的信号;
-对操作循环装置的逻辑工具的安全作用进行操作的模块(B3);以及
-涉及对来自传感器和设备操作的逻辑指示器的信号进行参数化、接收、处理、分析和确认以便供给所述各模块的级。
9.实施权利要求1、4和5任一项的方法的装置，其特征在于，它包括：
-分别使测量下列量成为可能的传感器：
-在将活性污泥从澄清池循环到曝气池的线路中的污泥浓度(Cr);
-曝气池内的污泥浓度(Cas);和
-通过量(Qt);
-确保对上述活性污泥循环流量(Qr)进行可调控制的装置;
-使测量已沉降的污泥的体积并评估沉降指数(Is)成为可能的装置;
-确保对循环的自动操作的控制器，它包括配备有一信号输入公共级的三个主要模块：
-提供用户和控制器之间的界面并使显示浓度设置(Cr)成为可能的第一模块(A);
-形成控制循环流量的单元的第二模块(B)，它包括：
-基于污泥浓度(Cr)的测量确保对循环流量(Qr)的控制和调节的控制逻辑工具(B1)，以便保持循环浓度恒定;
-基于曝气池内的污泥浓度(Cas)和通过量(Qt)的测量确保对澄清池内的污泥的停留时间进行控制的控制逻辑工具(B2)，以便计算控制循环流量(Qr)的信号;
-对操作循环装置的逻辑工具的安全作用进行操作的模块(B3);以及
-计算澄清池/生物池系统内存在的污泥的质量以确定污泥提取并且按进度进行提取的第三模块(C);以及
-涉及对来自传感器和设备操作的逻辑指示器的信号进行参数化、接收、处理、分析和确认以便供给所述各模块的级。
10.根据权利要求9的装置，其特征在于，模块(A)被设计成允许有关测量和期望设置的手工信息、对处理过程的约束和期望设置之间的相容性的检验，以及显示来自控制器的操作数据和信息。
11.根据权利要求9的装置，其特征在于，所述涉及对信号的参数化、接收、分析、处理和确认的级一方面接收来自所采用的不同传感器的模拟信息，另一方面接收与设备如循环泵和它们的控制系统和它们的曝气设备的操作有关的逻辑信息。
12.根据权利要求9-11一项的装置，其特征在于，通过变频器控制用于循环污泥的泵的输出。
说明书
对按照活性污泥法处理废水所进行的改进
本发明涉及对按照活性污泥法处理废水所进行的改进。更确切地，本发明涉及用于控制在通过活性污泥处理废水的方法中的澄清过程中污泥的停留时间的方法和装置，包括将活性污泥从澄清级循环到曝气级。
公知的是，在活性污泥方法中，污泥回收在净化站的整体操作中属于敏感单元。二级澄清池的作用包括从所处理的水中分离污泥，为此，污泥浓缩级在此净化站中是必不可少的。该浓缩级要求对澄清池中的污泥限定停留时间，而如果不控制该停留时间，该方法会失去控制，产生机能不良的必然结果。
停留时间太长首先导致缺氧条件，伴有立刻的潜在脱氮作用并在澄清池表面出现浮沫。其次，污泥进入厌氧条件，其后果对水系统和污泥处理影响通常是灾难性的，这是由于此时有利于丝状微生物的生长，在整个装置上导致发泡问题和低劣的絮凝体沉降问题(Mohlman指数增加)。随之，在水力浪涌下污泥外流的危险增加。此外，厌氧条件完全不适于生物脱磷过程，此时，磷释放到澄清池中导致排放立刻偏离技术要求。这些现象是水系统主要故障的特征。与此同时，从直接的经济观点出发，当絮凝体沉降性能低劣时，无论采用何种处理系统，污泥处理均达不到最佳。污泥处理系统的设备操作时间延长，固体含量降低并且对于相同质量的所处理的干物料而言，所提取的污泥体积立即增加。
因此，污泥在澄清级内的停留时间必须受到限制，这可能导致水处理出现故障。对通过延长曝气操作的活性污泥法，该限制约为2小时。在中等或高负荷的情况下，停留时间更短。
另一方面，澄清时过短或过于变化的污泥停留时间对污泥处理系统也可能是一个限制因素。这是因为当从循环管线提取污泥时，它导致对特定的浓缩和脱水结构不适宜的污泥浓度。这通常发生在设有通过排放进行浓缩的结构的小规模和中等规模的装置上。在此类装置入口处稀释污泥导致捕获率不足或对絮凝聚合物的过量投放的需求，这有引起堵塞的危险。这些调节设备的负荷的变化往往导致与对初始调节操作期间预定的操作条件的改变有关的故障，如蠕动或堵塞。排放筛或台的最小容许浓度为约6g/l。这类装置所承受的负荷的变化为约10%到20%。这些对浓度(该浓度相应于在污泥井中碰到的浓度)的条件直接与对澄清过程中的最小停留时间的约束相关。该最小停留时间本身依赖于污泥的沉降性能。
因此，保持并控制澄清过程中污泥的平均停留时间对确保处理的质量、可靠性和经济性是最重要的。这正是本发明旨在解决的技术难题。
在水处理技术领域，关于活性污泥循环的作用，可将净化站内的循环分为两类：
●将污泥从澄清池返回曝气池的循环：目的是再循环部分生物污泥
以便不致耗尽曝气池的净化物质;
●在具有缺氧池和曝气池的站内存在的混合液的循环;它们从富含
硝酸盐的曝气池回收污泥以将污泥带入缺氧区以便脱氮作用能够
减少排放物的含量。
形成本发明主题的方法涉及将活性污泥从澄清池循环到曝气池。考虑到活性污泥从澄清池循环到曝气池的不同方案构成水处理领域技术人员的传统技术知识的一部分，对此不再描述。关于这一点，读者可参考《水技术手册》(Memento Technique de 1’Eau)，第九版(1989)。
现下面阐述水处理中操作活性污泥循环的一般原则。
适于污泥循环的操作的对象必须满足以下标准：
●防止澄清池中污泥经历厌氧生活以降低发生任何故障的危险;
●使站的操作模式适合操作中碰到的条件(系统中的污泥质量、污
泥沉降性能、降雨等)以便特别防止污泥床外流;
●处理总污泥质量在生物池和澄清池之间的分布以便加强生物处理
可靠性。
参考附图1。图1是表示建立污泥流量平衡的示意图，图中曝气池由1表示，澄清池由2表示。
从澄清池2进入曝气池1的污泥的循环量定义为循环流量与站的通过量的比值：
τrec=Qr/Qt
式中τrec表示循环率(0<τrec<1)
Qr表示循环流量(m3/h)
Qt表示通过量(m3/h)。
这一循环量由现场碰到的条件确定，它遵循流入和流出澄清池的污泥流量的总体平衡：
(Qt+Qr)×Cas=Qr×Cr
其中，Cas为曝气池内的污泥浓度(g/l)
Cr为循环线路中的污泥浓度(g/l)。
在此忽略了储存项，如同对处理后的水的排放出流的处理。
这一方程用于计算循环率τrec：
τrec=Qr/Qt=Cas/(Cr-Cas)。
Cas是能够直接在曝气池内测量的操作参数。对Cr必须进行控制以满足对污泥在澄清池内的停留时间的要求，这是由于经验表明，污泥停留时间与表示污泥沉降和浓缩性能的Mohlman指数关联，也与曝气池内和循环线路中的污泥浓度关联。在这些变量之间已建立了如下关联式：
RT/60=(CrMI/1000)3-(CasMI/1000)3
其中，RT为澄清过程中污泥的停留时间(分)
MI是Mohlman指数(ml/g)。
这一公式是用于自动化循环操作逻辑方法的参考关系式，它基于由ATV(ATV Standard，A131.(1991);“Dimensioning of single-stageactivated sludge plants upwards from 5000 total inhabitants andpopulation equivalents”，Abwassertechnische Vereinigung e.V.，St.Augustin)发表的同类型公式：如果Mohlman指数的大小不代表污泥沉降不充分的事实，可以安全的方式定义沉降指数Is，然后用在这些公式中。
Is是未稀释的沉降指数(ml/g)。
实践上，澄清过程中污泥的最大容许停留时间仅取决于站的物料负荷。作为说明性内容，对低负荷，它大约为120分钟;对高的负荷，它可降低到40分钟。
对于给定的负荷，由于沉降指数和曝气池内的污泥浓度是操作参数，因此有可能确定循环线路中污泥浓度的设置值;该设置值总体上符合澄清过程中的最大容许停留时间这一与水处理可靠性有关的约束。
所确定的循环率由此将是曝气池中污泥浓度的函数，并且间接地是污泥沉降指数和站中物料负荷的函数，换句话说，是现场碰到的操作条件的函数。因此，这一循环率可表示为：
τrec=Qr/Qt=Cas/(Cr，set-Cas)
其中Cr，set=1000/MI(RTmax/60+(CasMI/1000)3)1/3;
Cr，set为循环线路中污泥浓度的设置值(g/l);
RTmax是澄清过程中污泥的最大容许停留时间(分)。
实际上，为严密起见，有必要利用进入污泥处理系统的提取污泥的流量完成平衡方程。这个量有时对小装置的流出量可能是主要的。
(Qt+Qr)×Cas=(Qr+Qext)×Cr，set
其中Qext是提取流量(m3/h)。
由此，计算出的循环流量为：
Qr=[(Qt×Cas)-(Qext× Cr，set)]/(Cr，set-Cas)。
现在叙述与在通过活性污泥处理水的领域内回收污泥相关的目前公知操作方法。
通常，采用两种操作方法：
●循环流量恒定，其大小为站的预定日废水流量的100-150%。超过
该通过量的限度，循环设备可能必须加强;
●循环流量以正比的方式随进入的流量变化。
为使循环率成比例，设备的操作以固定流量继续进行，或者通过从动于日程安排或循环计量装置而切分。对大的装置，存在特定的调节机制，它们组合使用用于捕集通过量、循环流量、曝气池内和循环线路中的污泥重量、污泥层高度和出口处浊度的收集器。
良好操作的循环有利于高品质污泥和水的澄清。污泥不得储存在澄清池内以防止发酵。操作期必须总是比澄清池刮泥桥的旋转时间长或至少基于非谐波频率进行操作。
若对污泥浓度进行调节并且若循环受到良好操作，则污泥层是不可见的且不能被Secchi盘检测到：污泥层处在1m以上深处。
现有技术的这些操作方法具有以下缺点：
1-以固定流量或从动方式进行的传统的循环操作方法仍然依赖于平均循环率的确定，因此依赖于与操作条件有关的控制设置。通常，有效循环率在装置尺寸设计和投产时就已确定。除了在故障时(典型实例：观察到污泥床泄漏，直接的反应是增加循环量。不幸的是，这种操作反应发生得太迟了)，仅在极少数情况下对它们重新调节。其中一个重要的操作规则是当测量曝气池中的Mohlman指数和/或污泥浓度时，更新循环率并随之调整设置值。除了这一主要缺点外，通过固定流量进行的循环操作具有未充分考虑所遇到的水力事件的缺点。高峰操作极少按照日常工作状态(工作日或周末)进行调节，不同季节工作状态也按照相同方式被处理(夏季，雨季，临时活动(葡萄收割等))，而由下雨天气造成的强制操作对时间、对事件的环境(突然或有规律的、短期或持久的降雨)未予以考虑。
2-从动于流量的操作方法在本领域显得更为合适。然而，从严格的观点看，看来迄今仍未考虑曝气池/澄清池系统内的污泥转移动力学。这是由于系统响应缓慢并由于缓冲作用而被减弱，对快速事件的反应不能由正比于激励的作用进行简单控制。
3-最后，循环设备的控制方式通常被切分，而对设置值的调整往往导致切分频率与澄清池刮泥桥的旋转时间相一致。所谓非谐波频率不再被遵守，并且循环的污泥仍然来自于澄清池底部的相同区域。这是由于因污泥层的相对致密度限制了通过朝向污泥井的抽吸而进行的污泥的均匀回收，所以刮泥器具有主要地破坏结构的作用。刮泥器的通道使污泥层局部流态化并在开动循环泵时促进对新被破坏结构的污泥的回收。在谐波频率(例如对刮泥桥旋转时间为30分钟而言，操作15分钟，停车15分钟)，污泥回收仅在澄清池的某部分有效。
对污泥循环的不合适的操作面临下述危险：
a)-过度循环
过度循环所引起的危险是在对要处理的通量(不良沉降)起分布器作用的沉降器(″clifford″)的内“裙”内的过高速度和水/污泥界面上的不平衡：污泥泵送速率将比颗粒沉降速度高得多，由此产生水力短路。此外，过高的循环液量使循环管线内的污泥浓度降低，这可能对污泥处理系统的进料造成限制。
b)-循环不足
循环不足所引起的危险与可能的不受控制的脱氮有关，并与进入澄清池内厌氧条件的污泥有关(释放磷、促进丝状微生物和气泡的生长等)。澄清池周期性地转变为污泥储存器和浓缩器。
c)-具有非谐波频率的切分循环
这种危险与循环不足的危险相同，但通过建立其停留时间长的未回收污泥区或袋而受到较少关注。
对具有抽吸桥的澄清池，循环流量绝不能
-低于消除虹吸作用的流量
-使在吸管上的负荷损失不平衡(这密切依赖于底部污泥浓度的分布)。
考虑到现有的操作活性污泥循环的策略不令人满意，本发明的目的是提供对这种循环进行自动操作的方法，旨在对在活性污泥法中进行二级澄清的污泥的停留时间进行控制。其首要的目标是将澄清池内的污泥的停留时间限制在低于最大限度，目的是使水处理可靠。其第二个目标是通过在循环线路中保持恒定浓度，促进对采用例如排放设备的污泥处理系统的操作。
因此，本发明的主题是一种在通过活性污泥处理废水的方法中控制澄清过程中污泥的停留时间的方法，它包括活性污泥从澄清级到生物池的循环，其特征在于，改变污泥循环流量(Qr)以维持恒定的循环污泥浓度(Cr)，与此同时确保澄清过程中污泥的停留时间(RT)小于临界值(RTmax)。
根据本发明的一个实施方法，根据代表流经装置的水的通过量(Qt)的信号改变污泥循环流量(Qr)，以限制澄清级内的污泥停留时间。
根据另一个实施方法，当代表流过装置的水的通过量的信号的有效性不能得到认可时，根据操作水处理站的波动(repli)操作方式对污泥循环进行控制。
根据实施本发明方法的另一个方法，根据通过位于循环线路中的传感器所获得的代表循环线路中的污泥浓度(Cr)的信号改变污泥循环流量(Qr)，该信号被输送到一自动逻辑工具，该自动逻辑工具根据所接收的信号的变化将循环流量(Qr)改变以使循环线路中的污泥浓度(Cr)保持恒定;当怀疑所述信号的代表性时，根据从动操作方法对污泥循环进行自动控制，所述操作方法的目的是限制污泥在澄清级的停留时间，所述从动操作方法基于生物池内的污泥浓度(Cas)值的分析和流经装置的水的通过量(Qt)进行操作。
根据上述本发明的方法的另一个特征，周期性地测量沉降的污泥的体积以评估污泥沉降指数(Is)和生物池内的污泥浓度并确定操作控制器的设置值。
根据本发明，这样设计污泥循环的自动化操作逻辑工具，以便
-基于曝气池中的污泥浓度(Cas)值和重新更新的沉降指数(Is)，周期性地更新污泥平均循环率(τrec)以使它适应处理站的条件;
-对水力事件迅速响应并根据基于通过量(Qt)的变化的澄清池/曝气池系统的响应时间而安排动作滞后;和
-使循环线路中的污泥浓度(Cr)保持恒定。
本发明还涉及实施上述方法的装置。
根据第一个实施方案，该装置包括：
-分别使测量通过量(Qt)成为可能的传感器;
-确保对上述活性污泥循环流量(Qr)进行可调控制的装置;
-测量已沉降的污泥的体积并评估沉降指数(Is)和生物池内的污泥浓度(Cas)的装置;
-确保对循环的自动操作的控制器，它包括配备有一信号输入公共级的两个主要模块：
-提供用户和控制器之间的界面并使显示浓度设置(Cr)成为可能的第一模块;
-形成控制循环流量的单元的第二模块，它包括：
-基于通过量(Qt)控制澄清池内的污泥停留时间的控制逻辑工具，以便计算用于控制循环流量(Qr)的信号;
-对操作循环装置的逻辑工具的安全作用进行操作的模块;以及
-涉及对来自传感器和设备操作的逻辑指示器的信号进行参数化、接收、处理、分析和确认以供给所述各模块的级。
根据第二个实施方案，本装置包括：
-分别使测量下列量成为可能的传感器：
-在活性污泥从澄清池循环到曝气池的线路中的污泥浓度(Cr);
-曝气池内的污泥浓度(Cas);和
-通过量(Qt);
-确保对上述活性污泥循环流量(Qr)进行可调控制的装置;
-使测量已沉降的污泥的体积并评估沉降指数(Is)成为可能的装置;
-确保对循环的自动操作的控制器，它包括配备有一信号输入公共级的三个主要模块;
-提供用户和控制器之间的界面并使显示浓度设置(Cr)成为可能的第一模块;
-形成控制循环流量的单元的第二模块，它包括：
-基于污泥浓度(Cr)的测量确保对循环流量(Qr)进行控制和调节以便保持循环浓度恒定的控制逻辑工具;
-基于曝气池内的污泥浓度(Cas)的测量和通过量(Qt)的测量确保对澄清池内的污泥的停留时间进行控制以便计算控制循环流量(Qr)的信号的控制逻辑工具;
-对操作循环装置的逻辑工具的安全作用进行操作的模块;以及
-计算澄清池/生物池系统内存在的污泥的质量以确定污泥提取并且按进度进行提取的第三模块;以及
-涉及对来自传感器和设备操作的逻辑指示器的信号进行参数化、接收、处理、分析和确认以便供给所述各模块的级。
应该理解，形成本发明主题的方法使得能够改变循环流量以便维持循环污泥的恒定浓度，同时确保停留时间低于临界值。其中一项功能进一步使得能够评估系统内存在的污泥总质量以促进对提取的操作。最后，控制器所提供的安全检测防止了污泥质量或提供循环功能的部件上的任何偏离，并通知何时要进行异常的维修操作。
形成本发明主题的方法使得尤其能够消除仅操作二级澄清池时所出现的丝状菌。由此，这使水处理系统可靠并能够通过维持污泥的质量使污泥系统的操作最优化。最后，提取浓度的恒定性和更新预定设置或在任何时间操作设备的可能性使得能够有助于与通过排放进行浓缩有关的操作。实施这一自动控制的优势可表现在操作费用上：
●改善或维持由低Mohlman指数所表示的污泥的质量(污泥处理设
备的生产能力提高、操作时间缩短，固含量提高、体积减小，提
取所得到的污泥的费用降低、反应物计量费用减少、返回到顶部
的量减少)。
●有助于污泥处理并消除排放故障(组织操作人工)。
●符合排放标准(Water Agency Agreements and Premiums)。
●防止故障，尤其是极端操作条件下和降雨期间的故障(组织人工
并消除故障处理费用)。