采用先进的控制算法来优化工艺和曝气性能的制作方法
采用先进的控制算法来优化工艺和曝气性能的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年11月16日提交的美国临时申请序列号61/727, 517的优先权， 其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003] 本发明涉及废水处理工艺，特别地，涉及自动控制的废水处理工艺。
【背景技术】
[0004] 目前的废水处理批处理工艺采用时间启动系统，该系统将流入的废水引入容纳装 置，然后在各种条件下处理废水。处理阶段通常被称为反应阶段，其中使用好氧、缺氧和/ 或厌氧条件来处理流入的废水。在好氧条件下，溶解氧被引入容纳装置并与流入的废水和 各种微生物混合。好氧条件将废水中含有的铵和有机氮转化为硝酸盐。这通常被称为硝化。 如本文所用，铵（NH 4)被用来描述氨（NH3)、氨态氮（NH3-N)和铵态氮（NH4-N)。某些处理工 艺也使用缺氧条件将硝酸盐转化为氮气，这被称为反硝化。废水的反硝化是通过在缺少溶 解氧的环境下将硝酸盐和微生物混合来实现的。
[0005] 进一步地，当废水中含有磷时，在好氧条件之后使用厌氧条件除磷。在厌氧工艺 中，在既缺少溶解氧又缺少化学结合氧的环境下将废水和微生物混合在一起。在厌氧条件 下磷被微生物释放，随后被微生物收回，这样收回的磷比通常没有被引入厌氧条件时微生 物收回的磷多。
[0006] 反应阶段由逻辑程序来控制，其使用操作者输入的时间段来促进好氧、缺氧和厌 氧条件。例如，为了在反应阶段中控制好氧条件，曝气系统的速度设定值是基于来自溶解氧 (DO)仪器的读数和操作者输入的DO设定值来控制的。
[0007] 如从上述步骤中可以看出的，目前的处理工艺的一个缺点在于，需要在系统中手 动输入信息。手动输入信息到控制单元，以确定并调整DO设定值以及用于每个处理循环所 需的好氧、缺氧和厌氧时间量的工艺是低效且繁重的。因此，存在对于一种系统的需要，该 系统可以自动调整废水处理工艺中的参数，以便优化每个处理循环的出水的水质，并尽量 减少在整个处理工艺中使用的能量。
【发明内容】
[0008] 在根据本发明的一个实施方式中，一种用于自动控制水源中的硝化能力的方法包 括：测量水源中的氮和水源温度；在处理循环开始时，为所述水源确定在所述处理循环中 待硝化的氮的量；根据所述待硝化的氮的量，计算溶解氧设定值、好氧处理阶段的时间段或 其组合；以及使氧溶解于所述水源中。基于所计算的溶解氧设定值、好氧处理阶段的时间段 或其组合，通过控制单元来自动控制溶解于所述水源中的氧的量和持续时间。
[0009] 在某些实施方式中，本发明涉及一种用于自动控制水源中的反硝化能力的方法。 该方法包括：测量水源中的氮和温度；在处理循环开始时，为所述水源确定在所述处理循 环中待反硝化的氮的量；计算用于反硝化的缺氧处理阶段的时间段；以及终止向所述水源 的氧气供给。基于所计算的用于所述缺氧处理阶段的时间段，通过控制单元来自动控制所 述终止氧气供给的持续时间。
[0010] 在某些实施方式中，本发明涉及一种用于自动控制水源中的固体停留时间（SRT) 的方法。该方法包括：测量水源中的总悬浮固体、铵、硝酸盐、温度或其组合；确定消耗的生 物质的量；计算所述水源的硝化细菌生长速率；采用所述硝化细菌生长速率计算所述水源 的目标SRT ;以及计算将要消耗的生物质的目标量。基于修改消耗的持续时间、消耗的流率 或其组合，通过控制单元来自动控制所述将要消耗的生物质的目标量。
[0011] 在某些实施方式中，本发明涉及一种用于自动控制从容纳装置中除水的方法，该 方法包括：测量容纳装置中的水源的水位、水流量、污泥层高度或其组合；在处理循环的倾 倒阶段开始时，为所述水源确定之前处理循环、所述当前处理循环、所预计的处理循环或其 组合的水力性能；采用所述之前处理循环、所述当前处理循环、所述所预计的处理循环或其 组合的水力性能，为给定的处理循环计算从所述容纳装置中待移除的水的体积；以及一旦 达到为给定的处理循环所计算的从所述容纳装置中待移除的水的体积，就终止从所述容纳 装置中除水。通过监测所述容纳装置中的水位或从所述容纳装置的出水B的水流率，由控 制单元来自动控制所述从容纳装置中移除的水的体积。
[0012] 在某些实施方式中，本发明涉及一种用于自动控制水源中生物除磷的方法。该方 法包括：测量选自水源中的硝酸盐、磷或其组合的参数；基于所测量的所述水源中的所述 参数，确定处理循环的厌氧阶段的时长；限制向所述水源的氧气供给，其中基于所测量的所 述水源中的所述参数或预设的时间段，通过控制单元来自动控制所述限制氧气供给的持续 时间；以及在确定完成所述限制氧气的时间段后，使氧溶解于所述水源中。
[0013] 在某些实施方式中，本发明涉及一种用于自动控制水源中的同步硝化和反硝化的 方法。该方法包括：测量水源中的铵和硝酸盐；基于所测量的所述水源中的铵和硝酸盐，计 算一阶导数；基于所测量的所述水源中的铵和硝酸盐，计算二阶导数；以及采用所述一阶 导数、二阶导数或其组合来启用和禁用向所述水源的氧气供给。所述氧气供给是通过控制 单元来自动控制的。
【附图说明】
[0014] 图1为根据本发明的一实施方式的用于处理废水的容纳装置的侧视图；
[0015] 图2为根据本发明的一实施方式的用于处理废水的多容纳装置的俯视图；
[0016] 图3为描绘了根据本发明的一实施方式的数据的监测和传输的示意图；
[0017] 图4为描绘了根据本发明的另一实施方式的数据的监测和传输的示意图；
[0018] 图5为描绘了根据本发明的多个实施方式的硝化速率和DO设定值的影响与所需 的好氧时间的关系曲线图；
[0019] 图6A示出了本发明的一个实施方式的逻辑的一部分的流程图；
[0020] 图6B示出了图6A中的逻辑的第二部分的流程图；
[0021] 图7为根据本发明一实施方式的具有预反应墙的用于处理废水的容纳装置的侧 视图；
[0022] 图8示出了本发明的另一实施方式的逻辑的流程图。
【具体实施方式】
[0023] 以下为了说明的目的，术语"上部"、"下部"、"右"、"左"、"竖直"、"水平"、"顶部"、 "底部"、"侧部"、"纵向"及由其导出的应与本发明相关，因为其为在附图中的方向。然而，应 了解的是，除有具体的相反说明外，本发明可以具有多种替换变型和步骤顺序。还应了解的 是，附图所示的以及在说明书中所描述的具体装置和过程仅仅是本发明的示例性的实施方 式。因此，在此公开的与实施方式相关的具体尺寸和其他物理特征并不视为限制。
[0024] 此外，除了在任何操作示例中或另有说明之外，例如，说明书和权利要求中所使用 的表达数量的所有数值在所有情况下均应理解为被"大约"一词修饰的。因此，除非有相反 的指示，列于下面的说明书和所附的权利要求中的数值参数均为近似值，其可根据通过本 发明要获得的所需特性而变化。最起码，每个数值参数至少应当被解释为按照所记载的有 效数字的数值并采用一般舍入技术。
[0025] 同样地，应了解的是，任何在此列举的数值范围意在将所有子范围包含在其中。例 如，范围"1至10"意在包括所列举的最小值1和所列举的最大值10之间（含1和10)的 所有子范围，即，具有大于或等于1的最小值和小于或等于10的最大值。
[0026] 在本申请中，所使用的单数包括复数，并且复数涵盖单数，除非另有说明之外。此 外，在本申请中，除非另有说明之外，所使用的"或"表示"和/或"的意思，即使可能会在某 些情况下中明确采用"和/或"。
[0027] 如上所述，本发明涉及一种废水处理工艺。废水处理工艺可以在任何水源中使用。 如本文所用，"水源"包括，但不限于，流入的废水、容纳装置中的废水和/或流出的废水。在 某些实施方式中，如图1所示，该工艺包含容纳装置1的使用，容纳装置1具有第一端2和 第二端3,流入的废水从第一端2进入容纳装置1，流出的水从第二端3离开容纳装置1。进 入容纳装置1的第一端2的流入的水流在图1中被表示为参考字母A，离开容纳装置1的第 二端3的流出的水流在图1中被表示为参考字母B。
[0028] 在一个实施方式中，容纳装置1为间歇式反应器。然而，本发明也可以使用其他的 容纳装置1。适于在本发明中使用的容纳装置1的非限制性示例包括各种类型的水池、水箱 和容器。本发明可以使用如图1所示的单个容纳装置1或如图2所示的至少具有第一容纳 装置21和第二容纳装置22的多容纳装置系统20。多容纳装置系统20可以利用必要数量 的容纳装置。参考图2,可以使用多个阀门24和控制单元26将流入的废水以间歇的时间间 隔引入多容纳装置系统20的容纳装置21、22。
[0029] 再次参考图1，容纳装置1可以包括曝气系统10。曝气系统10向容纳装置1提供 空气。曝气系统10所提供的空气流通经过并与容纳装置1中流入的废水和微生物混合。本 发明中可以使用各种类型的曝气系统10。例如，曝气系统10可以包括浸于水下或设于容纳 装置1的底部附近的鼓风机、空气阀（自动的、调制的和/或手动的）、空气管道布置以及扩 散器。适于在本发明中使用的鼓风机的非限制性示例包括容积式鼓风机、旋转螺杆鼓风机、 高速涡轮鼓风机和离心鼓风机。适于在本发明中使用的扩散器的非限制性示例包括膜扩散 器，如细气泡扩散器和粗气泡扩散器。适于在本发明中使用的曝气系统10的其他非限制性 示例利用射流曝气机、抽吸器和各种机械曝气机。曝气系统10与容纳装置1的接近度取决 于在本发明中使用的曝气系统10的类型。
[0030] 容纳装置1可以进一步包括仪器4(参见图I)，仪器4可以分析、探测和监测水源 的各种条件和环境。可以在本发明中使用的仪器4的非限制性示例包括那些使用探针插入 容纳装置以测量参数以及那些从容纳装置中汲取样品以测量参数，所测量的参数包括以下 参数中的一个或多个：溶解氧（DO)、铵（NH 4)、化学需氧量（COD)、氧化还原电位（ORP)、总悬 浮固体（TSS)、硝酸盐（NO3)、亚硝酸盐（NO 2)、总氮（TN)、正磷酸盐（PO4)、总磷（TP)、温度、 水位、污泥层和PH值。各种类型的仪器4包括上述那些可以在单个容纳装置1或多容纳装 置系统20中一起使用、单独使用或以不同的组合使用。此外，某些仪器4可以被用于测量 不止一个参数。例如，单个的仪器4可以测量順 4和腸3两者。在某些实施方式中，单个的 容纳装置1包含多个相同类型的仪器4。例如，单个容纳装置1可以具有多于一个的DO仪 器。
[0031] 如图3所示，每个仪器4可以连接至不同的终端6,终端6可以解释和格式化由仪 器4探测和采集到的数据和信息。因此，在一个实施方式中，DO仪器连接至DO终端并与其 通信，以及ORP仪器连接至ORP终端并与其通信。可替代地，如图4所示，仪器4可以连接 至单个终端6。仪器4也可以连接至终端6的网络。仪器4可以采用有线连接至终端6。 在另一个实施方式中，仪器4可以通过无线连接而连接至终端6。在某些实施方式中，仪器 4直接通信并传送数据和信息至终端6。可替代地，仪器4可以间接地通信和传送数据和信 息至终端6。如本文所使用的，"间接通信"是指通过使用中间组件从一个装置到另一个装 置的数据和信息的传输。
[0032] 通过仪器4采集的数据由终端6格式化之后，该格式化的信息被传输至控制单元8 并通过控制单元8计算。在一个实施方式中，控制单元8为可编程逻辑控制器（PLC)。适于 在本发明中使用的控制单元8的其他非限制性示例包括微处理器和计算机。控制单元8可 以被编程，以基于通过仪器4采集并通过终端6格式化的数据和信息来控制处理工艺。例 如，控制单元8可以使用逻辑来自动控制本发明的废水处理工艺的反应阶段的持续时间， 其在下文中进行详细描述。
[0033] 在根据本发明的一个实施方式中，活性污泥工艺的硝化能力是通过调整DO设定 值来自动控制的，DO设定值基于识别给定处理循环中待硝化的氮的量。在容纳装置1的内 容物完全混合之后，在循环开始时，给定处理循环中待硝化的氮的量被识别。在某些实施 方式中，位于容纳装置1、流出的废水流B和/或流入的废水流A中的铵（NH 4)仪器4可以 用于测量水源中的氮的量和水源温度。比较所测量的水源中的氮的量和输入的目标氮设定 值，以预计并识别在处理循环中待硝化的氮的量。目标氮设定值是用户所需并输入的氮的 水平。COD仪器可以用于预计可用的有机物质，以及TSS仪器可以用于识别出现在容纳装 置1中的生物质。额外的仪器可以单独或组合使用，额外的仪器包括，但不限于，〇RP、N0 3、 NO2、水位、pH以及温度仪器，以修饰或进一步监测其他工艺参数。
[0034] 基于最初的需要硝化的氮的量和可用的硝化质量或浓度，硝化动力学方程可以用 于计算目标DO设定值，目标DO设定值由诸如控制单元8的控制系统维护，从而将铵和有机 氮转化为硝酸盐。DO浓度可以通过建立DO和硝化速率之间的关系来确定。如在本文所用 的，"硝化速率"是指铵和有机氮转化为硝酸盐的速率。硝化动力学方程如何可以用于计算 目标DO设定值的示例如下所示：
[0036] 该方程是由下述硝化动力学方程派生而来的：
[0038] 其中，NRx =硝化速率，NR最大硝化速率，DO =溶解氧浓度，Ktl =溶解氧的半 饱和常数，NH4=出水的铵浓度，以及Kn =硝化细菌的半饱和常数。水源的硝化速率可以通 过下述方程来确定：
[0040] 其中，NRx =硝化速率，Nm =待硝化的氮的量，MLSS =容纳装置1中的生物质的 量，以及AT =好氧时间。好氧时间可以通过采用从容纳装置1中的DO仪器4接收的DO读 数来确定。硝化速率和最大硝化速率也可以根据之前进行的水处理循环、当前水处理循环 和/或已建立的硝化速率来确定。如在本文所使用的，"已建立的硝化速率"是可以容易地 在文献中找到或根据其他水源计算得到的。在确定了目标氮设定值无法达到的情形中，系 统将会使用来自仪器的实时数据来调整或修正反应阶段中的控制算法。
[0041] 在根据本发明的另一个实施方式中，活性污泥工艺的硝化能力也可以通过调整处 理循环内的好氧时间来控制，该调整基于给定处理循环中的待硝化的氮的量和硝化速率， 其中硝化速率可以根据之前进行的水处理循环、当前的水处理循环和/或已建立的硝化速 率来确定。给定循环的好氧时间的时长可以通过采用处理循环的特定硝化速率和处理循环 中待硝化的氮的量来确定。在容纳装置1中的内容物完全混合之后，在循环开始时，给定处 理循环中待处理的氮的量被识别。为了稳定特定硝化速率，DO仪器与控制单元8-起使用， 以保持容纳装置1中的DO浓度尽可能接近DO设定值（通过逻辑或用户输入来计算的）。 铵和/或NO 3仪器用于确定NH 4和NO 3的浓度的变化。NH 4和/或NO 3浓度的变化与TSS仪 器结合可以用于计算处理循环的全部或部分反应阶段的特定硝化速率。順4和/或NO 3仪 器也用于持续反馈容纳装置1中的实时順4和/或NO 3浓度。额外的仪器包括，但不限于， C0D、0RP、水位pH和温度仪器可以单独或组合使用，以修饰或进一步监测其他工艺参数。图 5示出了示例性的溶解氧设定值如何能够在整个好氧时间段实现获得目标出水铵，而另一 个溶解氧设定值能够在较短的好氧时间段内实现获得目标出水铵。
[0042] 基于待硝化的氮的量和可用的硝化质量，硝化动力学方程可以用于计算每个循环 中好氧处理工艺所需的总时间。可以用于计算每个循环中好氧处理工艺所需的总处理时间 的硝化动力学方程如下所示：
[0044] 其中，NRx =硝化速率，Nm =待硝化的氮的量，MLSS =容纳装置1中的生物质的 量，以及AT =每个循环的好氧时间。在确定了目标氮设定值无法达到的情形下，系统将会 采用来自仪器的实时数据来调整或修正反应阶段中的控制算法。
[0045] 通过采用如上所述的任一工艺来自动控制活性污泥工艺的硝化能力，通过选择用 于操作工艺的最小的DO设定值和/或将每个处理循环中的好氧时间最小化，系统的能量消 耗减少。以这种方式控制和供给氧气不仅将过度的氧气供给最小化，同时还在低DO环境中 供给氧气，这提高了氧气的传输效率。
[0046] 在本发明的另一个实施方式中，活性污泥工艺的反硝化能力是通过调整缺氧处理 阶段的时间段来自动控制的，该调整是通过识别给定处理 循环中的待反硝化的氮的量。在 容纳装置1的内容物完全混合之后，在循环开始时，识别给定处理循环中待反硝化的氮的 量。位于容纳装置1、流出废水流B和/或流入废水流A中的仪器4可以用于测量废水中的 氮的量和温度。比较待硝化的氮的量和输入的目标氮设定值，以预测整个处理循环中待反 硝化的氮的量。COD仪器可以用于确定可用的有机物质，以及TSS仪器可以用于识别出现在 容纳装置1中的生物质。额外的仪器包括，但不限于，〇1^、勵 3、勵2、順4、水位、？!1和温度仪 器可以单独或组合使用，以修饰或进一步监测其他工艺参数。基于最初的需要反硝化的氮 的量和可用的反硝化质量，反硝化方程可以用于计算每个循环的总缺氧时间。例如，每个循 环的总缺氧时间可以由下述方程来计算：
[0048] 其中，DNRx =反硝化速率，Ndenit =待反硝化的氮的量，MLSS =容纳装置1中的生 物质的量，以及AxT =每个循环的缺氧时间。
[0049] 当曝气终止时，反硝化能力通过界定缺氧时间段操控。在本发明的一个实施方式 中，水源在那时搅拌。反应阶段的缺氧时间的持续时间是反硝化速率的函数。如本文所使 用的，"反硝化速率"是指硝酸盐转化为氮气的速率。反硝化速率可以通过采用由順 4和NO 3 仪器4所测量的順4和/或NO 3浓度的变化以及通过TSS仪器在所界定的缺氧时间内测量 反应器生物质来确定。反硝化速率可以根据之前进行的水处理循环、当前水处理循环和/ 或已建立的反硝化速率来确定。如本文所使用的，已建立的反硝化速率是能够容易地在文 献中找到或根据其他水源计算得到的。反硝化速率可以通过下述方程来确定：
[0051] 其中，DNRx =反硝化速率，Ndenit =待反硝化的氮的量，MLSS =容纳装置1中的生 物质的量，以及AxT =缺氧时间。缺氧时间可以通过采用从容纳装置1中的DO和ORP仪器 4接收的DO和/或ORP读数来确定。对于系统的反硝化能力超过设置的要求的周期来说， 容纳装置1中的搅拌器可以被关掉以减少所使用的能量的量。水位、PH和温度仪器也可以 单独或组合使用，以修饰和/或监测处理工艺的其他参数。类似于之前的实施方式，在确定 了目标氮设定值无法达到的情形下，系统将会采用来自仪器的实时数据来调整或修正反应 阶段中的控制算法。
[0052] 图6A和6B示出了根据本发明的一个或多个实施方式并如上所述的用于完成硝化 和反硝化步骤的逻辑。应注意的是，逻辑的一部分在图6A中示出，而逻辑的其余的部分在 图6B中继续。如图6所示，在反映阶段完成之后，一系列计算被执行，以检验硝化和/或反 硝化能力并将其与预期的结果相比较。下一循环的控制逻辑被调整以补偿硝化差异和优化 出水质量。
[0053] 除了自动控制硝化和反硝化以外，本发明还涉及一种自动控制水源的生物除磷的 工艺。该工艺可以通过采用磷、NO 3或其组合仪器4来控制，以确定处理循环的厌氧阶段的 长度。该工艺通过限制向水源的氧气供给来利用用于生物除磷的反应阶段的开始，以及磷、 NO3或其组合仪器4用于确认厌氧环境。处理循环的厌氧阶段的长度可以通过采用水源中的 磷的量的变化速率来确定。一旦变化速率从稳定值降低，对氧气的限制将暂停。处理循环的 厌氧阶段的长度也可以通过采用输入的目标磷设定值来确定，并且一旦达到该设定值，对 氧气的限制将暂停。目标磷设定值是用户所需的由用户输入的磷的水平。处理循环的厌氧 阶段的长度也可以通过采用输入的目标硝酸盐设定值和输入的厌氧时间段设定值来确定， 并且一旦水源中的硝酸盐的量降至低于输入的厌氧时间段设定值的硝酸盐设定值，对氧气 的限制将暂停。目标硝酸盐设定值是用户所需且由用户输入的硝酸盐水平。厌氧时间段设 定值是在达到目标硝酸盐设定值之后，氧气被限制的时间长度，由用户输入。处理循环中厌 氧阶段的长度也可以选自用户输入的最小和最大时间段设定值，与水源中的硝酸盐的量无 关。进一步地，确定处理中厌氧阶段的长度的方法可以被结合在一起使用来控制。一旦缺 少氧气供给的持续时间基于水源中的参数或预设的时间段被确定下来，空气便被提供至系 统以创造处理循环的好氧阶段。
[0054] 厌氧周期之后的好氧周期促进过度或过量的磷摄取。在初始厌氧阶段之后，反应 阶段的所有周期中，〇RP、D0、磷和/或NO 3仪器被监测，以确保系统不会随着过度或过量的 磷摄取而达到厌氧状态。如果仪器显示容纳装置1中的厌氧环境，曝气系统10会开启以将 容纳装置1转变为缺氧或好氧环境。
[0055] 在根据本发明的另一个实施方式中，活性污泥工艺的固体停留时间（SRT)也可以 通过测量水源中的总悬浮固体、NH 4、勵3和/或温度以及自动调整所消耗的生物质来控制。 所消耗的生物质的量是基于所计算的水源的目标SRT。硝化细菌生长速率可以被计算和使 用，以确定系统所需的好氧SRT。好氧SRT和每天的好氧时间可以用于计算系统所需的总 SRT。总SRT为悬浮固体的颗粒保持在废水处理系统中的平均时间。进一步地，如本文所使 用的，术语"硝化细菌生长速率"是指在环境中氮消耗微生物增长的速率。
[0056] 在某些实施方式中，水源的硝化细菌生长速率可以根据硝化速率、硝化细菌产率 系数、水源中的生物质、水源的温度或其组合来计算。硝化速率可以根据之前进行的水处理 循环、当前的水处理循环、已建立的硝化速率或其组合来确定。进一步地，如本文所使用的， 术语"硝化细菌产率系数"是指每一氮氧化的量所产生的硝化细菌生物质的量。硝化细菌 产率系数可以基于已建立的值来选择，其中已建立的值是能够容易地在文献中找到或从其 他水源计算得到的。
[0057] 在某些实施方式中，设置在容纳装置1中的TSS仪器可以与剩余活性污泥（WAS) TSS仪器和WAS流量计或指示器组合使用，以识别容纳装置中的生物质以及每个循环（和 每天）所消耗的生物质。水位、pH、温度、NH 4、N03、N02、DO和ORP仪器也可以单独或组合使 用，以修饰和监测其他参数。
[0058] 控制算法可以与仪器所计算的数据一起使用，以自动调整每天的消耗时间，从而 在由系统的硝化细菌生长速率派生而来的污泥龄中稳定生物质。该控制算法包括目标总 SRT计算如下所示：
[0060] 其中，5? =最，
[0061] 其中，GRn= NRxXYn，
[0062] 其中，GRn =硝化细菌生长速率，NRx =硝化速率，Yn=硝化细菌产率系数，SRTa = 好氧污泥停留时间，SF =安全因子，ATd =每天的曝气时间，以及SRT =目标总污泥停留时 间。如本文所使用的，术语安全因子是指考虑到废水变化的倍数。
[0063] 控制算法还包括当前污泥停留时间的计算，如下所示：
[0065] 其中，SRTaffi=当前污泥停留时间，Mass ^ss =容纳装置1中的生物质的质量，以及 Massms =每天剩余活性污泥的质量。
[0066] 在某些实施方式中，所消耗的生物质的量基于水源的目标SRT与水源的当前生物 质之间的差异来调整。所消耗的生物质的量通过修饰消耗周期的持续时间和/或生物质消 耗的流率来调整。消耗周期的持续时间如何被调整的示例是通过增加消耗生物质的泵的运 行时间。生物质消耗的流率如何能够被调整的示例是通过改变消耗生物质的泵的速度。另 一个能够用于控制生物质消耗的机制为控制阀门。
[0067] 图8示出了根据本发明的一个实施方式并如上所述的用于调整污泥龄的逻辑。如 图8所示，在循环完成之后，一系列计算被执行，以确定将来的循环消耗时间。消耗时间是 基于上述所计算的目标SRT设定值来确定的，采用特定的硝化细菌生长速率。
[0068] 参考图7,本发明可以利用连续流入的水流和预反应墙30。预反应墙30位于容纳 装置1的第一端2附近，流入的废水在那里进入。位于容纳装置1的第一端2和预反应墙 30之间的区域为预反应区32。在本实施方式中，处理工艺可以通过利用预反应区32内的 条件进一步优化。由于预反应区32中具有高食微比（food to mass ratio)，这对于同步硝 化和反硝化是理想的位置。通过优化涉及DO、ORP、N02、勵3和/或NH 4浓度的环境，同步硝 化和反硝化在预反应区32中被执行。该工艺由曝气和/或搅拌步 骤来控制。独立的曝气 系统33连同自动控制阀可以用于预反应区32,以调整用于预反应区32的曝气的量，这与主 反应区34的曝气的量无关。控制阀可以为可调整曝气系统33的任何装置，可在允许最大 空气量通过的完全打开位置、空气不能通过的完全关闭位置以及完全打开和关闭位置之间 的任何比例调整曝气系统33。
[0069] 本发明可以通过测量水源中的順4和NO 3并计算其一阶和二阶导数来控制用于同 步硝化和反硝化工艺的曝气和/或搅拌步骤。如本文中所使用的，"一阶导数"是指时间段 中任意两个铵和/或硝酸盐测量值之间的变化率。进一步地，如本文所使用的，"二阶导数" 是指在时间段中任意两个铵和/或硝酸盐测量值之间的变化率的变量。一阶和/或二阶导 数的变化可以用于启用或禁用向水源的氧气供给。水源中的铵的二阶导数的减小可以用 于禁用向水源的氧气供给，而水源中的铵的二阶导数的增大可以用于启用向水源的氧气供 给。进一步地，水源中的硝酸盐的二阶导数的增大可以用于禁用向水源的氧气供给，而水源 中的硝酸盐的二阶导数的减小可以用于启用向水源的氧气供给。进一步地，当水源中的铵 或硝酸盐的一阶导数等于零时，氧气供给可以被启用或禁用。在启用氧气供给的周期中，水 源可以被搅拌，其中搅拌可以通过搅拌器装置来创造，并且搅拌器装置的速度可以被改变。
[0070] 再次参考图7,轴流泵36可以安装在预反应墙30上，以控制预反应区32和主反应 区34之间的氮和有机负荷的搅拌和再循环。在某些实施方式中，使用多个轴流泵36。通过 控制预反应区32和主反应区34之间的搅拌和再循环，基质和入水负荷分布可以得到优化， 以获得更好的硝化、反硝化以及生物除磷。轴流泵36可以以可变的速度操作，例如以100% 的操作速度或者对于部分或全部反应阶段可以被完全关掉。在一个实施方式中，轴流泵36 为飞力型号4600 (Flygt Model 4600)系列水平轴流泵，可由赛莱默（Xylem)公司购得。轴 流泵36以及预反应区32和主反应区34两者的曝气系统10、33可以一起或分开使用，以通 过单独或组合使用COD、DO、ORP、pH、N0 3、N02、NH4和温度仪器来优化容纳装置1中的条件。
[0071] 除了优化反应阶段的一部分的曝气和搅拌周期之外，系统的倾倒阶段和水力学性 质也可以用于在保持出水质量的同时优化能量效率。如在本文中所使用的，"倾倒阶段"是 指在好氧、缺氧和/或厌氧阶段之后的时间段，在该周期中倾析器或其他去除机构42启动。 对于具有间歇或连续流入水流的系统，预测控制可以用于保持容纳装置1中的水位对每个 循环来说尽可能高。曝气过程中较高的操作水位将会提供比较低的水位更高的氧气传输效 率。预测控制包括来自入水流量计、污泥层监测器和/或容纳装置1水位信号传送器的反 馈，以提供诸如上一循环填充率、每个容纳装置1每个循环的总体积、当前入水流率、历史 每日流量趋势（每日峰值及持续时间）和/或污水管/水泵站网的信息。虽然倾倒体积和 持续时间可能会随着循环而变化，但是每个循环的总时长不会变化，每个容纳装置1中的 倾倒之间的时间也不会变化，除非独立控制算法基于入水流率确定有这样的必要。如图7 所示，分别地，生物质废物通过诸如泵的装置40移除，出水从容纳装置1中被倾倒，例如通 过倾析器或其他去除机构42。
[0072] 在某些实施方式中，从容纳装置1中移除的水的量可以被自动控制。为了自动控 制从容纳装置1中移除的水的量，可以测量容纳装置1内的水源的水位、水流、污泥层高度 或其组合。术语"污泥层高度"是指沉积固体的区域或指定空间的总高度。如上所注明的，这 类信息可以通过仪器4来测量，仪器4包括但不限于，入水流量计、污泥层监测器和容纳装 置1水位信号传送器。之前的处理循环、当前的处理循环或所预计的下一处理循环的水力 性能也在处理循环的倾倒阶段开始时被确定，其中容纳装置1中的水被控制。在某些实施 方式中，之前的处理循环的水力性能是采用来自之前的处理循环的水流数据来确定的。在 另一实施方式中，之前的处理循环的水力性能是采用来自之前的处理循环的处理循环水的 填充率、总水体积或其组合来确定的。如在本文中所使用的，术语"填充率"是指时间段中水 位的变化，以及术语"总水体积"是指一个循环的时间段中填充容纳装置的水的体积。进一 步地，在某些实施方式中，当前的处理循环的水力性能是通过采用当前水流数据来确定的， 并且所预计的下一处理循环的水力性能是采用污水管或水泵站网的流量数据来确定的。
[0073] 在测量某些参数并确定水力性能之后，给定处理循环中从容纳装置1中待移除的 目标水体积可以被计算出来。被移除的水的体积可以由控制单元8通过监测容纳装置1中 的水位或从容纳装置1的出水B的水流率来自动控制。容纳装置1中的水位与已知的容纳 装置1的表面面积一起用来确定移除的水的体积。从容纳装置1的出水B的水流率可以 在时间段中计算总数，在时间段中倾析器或其他去除装置42被启动，以确定移除的水的体 积。进一步地，一旦已经达到所计算的给定处理循环中从容纳装置1待移除的水的体积，便 终止从容纳装置1中除水。
[0074] 本发明提供一种废水处理工艺，其自动处理诸如间歇式反应器的容纳装置1中的 废水。如上所详述的，除此之外，该工艺利用控制算法，基于实时仪器反馈，以自动选择设定 值以及好氧、缺氧和厌氧的持续时间并且无需操作输入。本发明不仅通过减少设定值输入 的错误和时间而对于操作者更加高效，而且还在优化出水质量的同时在整个处理工艺中节 省了能量。
[0075] 虽然以上描述中已经提供了本发明的各种实施方式，然而本领域技术人员在不脱 离本发明的范围和精神的情况下，可以对这些实施方式作各种修饰与替换。例如，应了解的 是，在合理的范围内，本申请公开涵盖任一实施方式的一个或多个特征可以与任一其他实 施方式的一个或多个特征组合。因此，以上描述意在说明而非限制。
【主权项】
1. 一种用于自动控制水源中的硝化能力的方法，所述方法包括： 测量水源中的氮和水源的温度； 在处理循环开始时，为所述水源确定在所述处理循环中待硝化的氮的量； 根据所述待硝化的氮的量，计算溶解氧设定值、好氧处理阶段的时间段或其组合；以及 使氧溶解于所述水源中， 其中基于所计算的溶解氧设定值、好氧处理阶段的时间段或其组合，通过控制单元来 自动控制溶解于所述水源中的氧的量和持续时间。2. 如权利要求1所述的方法，进一步包括确定所述水源中的有机物质的量。3. 如权利要求1所述的方法，进一步包括识别所述水源中生物质的量。4. 如权利要求1所述的方法，其中在所述处理循环中所述待硝化的氮的量是通过在所 述处理循环开始时，比较所测量的所述水源中的氮和输入的目标氮设定值来确定的。5. 如权利要求1所述的方法，其中用于所述水处理循环中针对硝化的所述溶解氧设定 值是通过方程式（I)来确定的：其中，NRx =硝化速率，NR 最大硝化速率，DO =溶解氧浓度，K f溶解氧的半饱和 常数，NH4=出水铵浓度，以及K N=硝化细菌的半饱和常数。6. 如权利要求5所述的方法，其中所述硝化速率和最大硝化速率是根据之前进行的水 处理循环、当前的水处理循环、已建立的硝化速率或其组合来确定的。7. 如权利要求5所述的方法，其中所述水源的所述硝化速率是通过的方程（II)来确定 的：其中，NRx =硝化速率，Nm =待硝化的氮的量，MLSS =容纳装置1中的生物质的量，以 及AT =好氧时间。8. 如权利要求1所述的方法，其中在所述水处理循环中用于硝化的所述好氧处理阶段 的所述时间段是根据所计算的溶解氧设定值、输入的溶解氧设定值、在所述水处理循环开 始时所确定的氮的量、在所述水源中所检测到的有机负荷的量、所述水源中的生物质的量 或其组合来确定的。9. 如权利要求1所述的方法，其中在所述水处理循环中用于硝化的所述好氧阶段的时 间长度是通过方程（III)来确定的：其中，NRx =水处理工艺的硝化速率，Nm =待硝化的氮的量，MLSS =容纳装置中的生 物质的量，以及AT =每个循环的好氧时间。10. 如权利要求1所述的方法，进一步包括当确定了所述目标氮设定值无法达到时，调 整所计算的溶解氧设定值或所计算的在所述水处理循环中用于所述好氧处理阶段的时间 段。11. 一种用于自动控制水源中的反硝化能 力的方法，所述方法包括： 测量水源中的氮和水源的温度； 在处理循环开始时，为所述水源确定在所述处理循环中待反硝化的氮的量； 计算用于反硝化的缺氧处理阶段的时间段；以及 终止向所述水源的氧气供给， 其中，基于所计算的用于所述缺氧处理阶段的时间段，通过控制单元来自动控制所述 终止氧气供给的持续时间。12. 如权利要求11所述的方法，进一步包括确定所述水源中的有机物质的量。13. 如权利要求11所述的方法，进一步包括识别所述水源中生物质的量。14. 如权利要求11所述的方法，其中在所述处理循环中所述待硝化的氮的量是通过在 所述处理循环开始时，比较所测量的所述水源中的氮和输入的目标氮设定值来确定的。15. 如权利要求11所述的方法，其中用于所述水处理循环中反硝化的所述缺氧处理的 所述时间段是通过反硝化速率来确定的。16. 如权利要求15所述的方法，其中所述反硝化速率是根据之前进行的水处理循环、 当前的水处理循环、已建立的反硝化速率或其组合来确定的。17. 如权利要求15所述的方法，其中所述水源的所述反硝化速率是通过方程（IV)来确 定的：其中，DNRx =反硝化速率，Ndenit =待反硝化的氮的量，MLSS =容纳装置中的生物质的 量，以及AxT =缺氧时间。18. 如权利要求17所述的方法，其中在所述水处理循环中用于反硝化的所述缺氧阶段 的时间长度是通过方程（V)来确定的：其中，DNRx =反硝化速率，Ndenit =待反硝化的氮的量，MLSS =容纳装置中的生物质的 量，以及AxT =每个循环的缺氧时间。19. 如权利要求11所述的方法，进一步包括当确定了所述目标氮设定值无法达到时， 调整所述水处理循环中用于所述缺氧处理阶段的所述时间段。20. 如权利要求11所述的方法，进一步包括当所述氧气供给被终止时，搅拌所述水源。21. -种用于自动控制水源中的固体停留时间（SRT)的方法，所述方法包括： 测量水源中的总悬浮固体、铵、硝酸盐、温度或其组合； 确定消耗的生物质的量； 计算所述水源的硝化细菌生长速率； 使用所述硝化细菌生长速率计算所述水源的目标SRT ;以及 计算将要消耗的生物质的目标量， 其中，基于修改消耗的持续时间、消耗的流率或其组合，通过控制单元来自动控制所述 将要消耗的生物质的目标量。22. 如权利要求21所述的方法，其中所述消耗的生物质的量是采用水源流量指示器和 水源总悬浮固体测量值来确定的。23. 如权利要求21所述的方法，其中所述水源的硝化细菌生长速率是根据硝化速率、 硝化细菌产率系数、所述水源中的生物质、所述水源的温度或其组合来计算的。24. 如权利要求23所述的方法，其中所述硝化速率是根据之前进行的水处理循环、当 前的水处理循环、已建立的硝化速率或其组合来确定的。25. 如权利要求23所述的方法，其中所述硝化细菌产率系数是基于已建立的值来选择 的。26. 如权利要求21所述的方法，其中所述硝化细菌生长速率是根据如下所述的方程 (VI) 来计算的： GRn= NRxXYk (VI) 其中，GRn =硝化细菌生长速率，NRx =硝化速率，以及Yn=硝化细菌产率系数。27. 如权利要求21所述的方法，其中所述水源的目标SRT是根据所述水源的硝化细菌 生长速率、安全因子、每天的所述好氧时间或其组合来计算的。28. 如权利要求21所述的方法，其中所述消耗的生物质的量是根据如下所述的方程 (VII) 来计算的：其中，MassWAS =待消耗的目标质量，Mass ^ss =容纳装置1中的生物质的质量，以及SRT =目标污泥停留时间。29. -种用于自动控制从容纳装置中除水的方法，所述方法包括： 测量容纳装置中的水源的水位、水流量、污泥层高度或其组合； 在处理循环的倾倒阶段开始时，为所述水源确定之前处理循环、所述当前处理循环、所 预计的处理循环或其组合的水力性能； 采用所述之前处理循环、所述当前处理循环、所述所预计的处理循环或其组合的水力 性能，为给定的处理循环计算从所述容纳装置中待移除的水的体积； 其中，通过监测所述容纳装置中的水位或从所述容纳装置的出水B的水流率，由控制 单元来自动控制所述从容纳装置中移除的水的体积；以及 一旦达到为给定的处理循环所计算的从所述容纳装置中待移除的水的体积，就终止从 所述容纳装置中除水。30. 如权利要求29所述的方法，其中所述之前处理循环的水力性能是采用之前处理循 环的水流数据来确定的。31. 如权利要求29所述的方法，其中所述之前处理循环的水力性能是采用来自之前处 理循环的处理循环的水填充率、水的总体积或其组合来确定的。32. 如权利要求29所述的方法，其中所述当前处理循环的水力性能是通过采用当前水 流数据来确定的。33. 如权利要求29所述的方法，其中所述所预计的处理循环的水力性能是采用污水管 或水泵站网的水流数据来确定的。34. -种用于自动控制水源中生物除磷的方法，所述方法包括： 测量选自水源中的硝酸盐、磷或其组合的参数； 基于所测量的所述水源中的所述参数，确定处理循环的厌氧阶段的时长； 限制向所述水源的氧气供给，其中基于所测量的所述水源中的所述参数或预设的时间 段，通过控制单元来自动控制所述限制氧气供给的持续时间；以及 在确定完成所述限制氧气的时间段后，使氧溶解于所述水源中。35. 如权利要求34所述的方法，其中所述确定处理循环的厌氧阶段的时长包括采用所 述水源中的磷的量的变化率。36. 如权利要求34所述的方法，其中所述确定处理循环的厌氧阶段的时长包括：采用 输入的磷的设定值和确定所述水源中的磷的量是否超过所述磷的设定值。37. 如权利要求34所述的方法，其中，处理循环的所述厌氧阶段的时长是通过输入硝 酸盐设定值和输入的厌氧时间段设定值，并确定对于所述输入的厌氧时间段设定值何时所 述水源中的硝酸盐的量降到低于所述硝酸盐设定值来确定的。38. 如权利要求34的方法，进一步包括通过采用输入的硝酸盐设定值以及确定所述水 源中的硝酸盐是否降到低于所述输入的硝酸盐的设定值来防止在初始的厌氧阶段之后所 述处理循环的后续的厌氧阶段。39. 如权利要求34所述的方法，其中界定了所述限制氧气供给的持续时间的所述预设 的时间段是针对最小的时间段、最大的时间段或其组合输入的设定值。40. -种用于自动控制水源中的同步硝化和反硝化的方法，所述方法包括： 测量水源中的铵和硝酸盐； 基于所测量的所述水源中的铵和硝酸盐，计算一阶导数； 基于所测量的所述水源中的铵和硝酸盐，计算二阶导数；以及 采用所述一阶导数、二阶导数或其组合来启用和禁用向所述水源的氧气供给， 其中所述氧气供给是通过控制单元来自动控制的。41. 如权利要求40所述的方法，进一步包括采用所述水源中的铵的所述二阶导数的减 小来禁用向所述水源的所述氧气供给，以及采用所述水源中的铵的所述二阶导数的增大来 启用向所述水源的所述氧气供给。42. 如权利要求40所述的方法，进一步包括采用所述水源中的硝酸盐的二阶导数的减 小来启用向所述水源的氧气供给，以及采用所述水源中的硝酸盐的二阶导数的增大来禁用 向所述水源的氧气供给。43. 如权利要求40所述的方法，其中当所测量的所述水源中的铵或硝酸盐的所述一阶 导数等于零时，向所述水源的氧气供给被启用或禁用。44. 如权利要求40所述的方法，进一步包括当所述氧气供给被禁用时，搅拌所述水源。45. 如权利要求40所述的方法，进一步包括当所述氧气供给被启用时，改变向所述水 源的氧气供给的量。
【专利摘要】一种自动控制的废水处理工艺可以包括自动控制水源中的硝化和反硝化能力。硝化和反硝化能力可以被同步地自动控制。此外，废水处理工艺还可以包括自动控制水源中的固体停留时间(SRT)和生物除磷，以及自动控制从容纳装置中除水。
【IPC分类】C02F3/02
【公开号】CN104903254
【申请号】CN201380067073
【发明人】萨拉·奥利维亚·艾尔加, 约翰·爱德华·科赫三世, 阿萨·海伦娜·格兰德司道特·亨里克森
【申请人】赛莱默水处理美国有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月18日
【公告号】CA2891914A1, EP2931666A1, US20140138308, WO2014078761A1
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年11月16日提交的美国临时申请序列号61/727, 517的优先权， 其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003] 本发明涉及废水处理工艺，特别地，涉及自动控制的废水处理工艺。
【背景技术】
[0004] 目前的废水处理批处理工艺采用时间启动系统，该系统将流入的废水引入容纳装 置，然后在各种条件下处理废水。处理阶段通常被称为反应阶段，其中使用好氧、缺氧和/ 或厌氧条件来处理流入的废水。在好氧条件下，溶解氧被引入容纳装置并与流入的废水和 各种微生物混合。好氧条件将废水中含有的铵和有机氮转化为硝酸盐。这通常被称为硝化。 如本文所用，铵（NH 4)被用来描述氨（NH3)、氨态氮（NH3-N)和铵态氮（NH4-N)。某些处理工 艺也使用缺氧条件将硝酸盐转化为氮气，这被称为反硝化。废水的反硝化是通过在缺少溶 解氧的环境下将硝酸盐和微生物混合来实现的。
[0005] 进一步地，当废水中含有磷时，在好氧条件之后使用厌氧条件除磷。在厌氧工艺 中，在既缺少溶解氧又缺少化学结合氧的环境下将废水和微生物混合在一起。在厌氧条件 下磷被微生物释放，随后被微生物收回，这样收回的磷比通常没有被引入厌氧条件时微生 物收回的磷多。
[0006] 反应阶段由逻辑程序来控制，其使用操作者输入的时间段来促进好氧、缺氧和厌 氧条件。例如，为了在反应阶段中控制好氧条件，曝气系统的速度设定值是基于来自溶解氧 (DO)仪器的读数和操作者输入的DO设定值来控制的。
[0007] 如从上述步骤中可以看出的，目前的处理工艺的一个缺点在于，需要在系统中手 动输入信息。手动输入信息到控制单元，以确定并调整DO设定值以及用于每个处理循环所 需的好氧、缺氧和厌氧时间量的工艺是低效且繁重的。因此，存在对于一种系统的需要，该 系统可以自动调整废水处理工艺中的参数，以便优化每个处理循环的出水的水质，并尽量 减少在整个处理工艺中使用的能量。
【发明内容】
[0008] 在根据本发明的一个实施方式中，一种用于自动控制水源中的硝化能力的方法包 括：测量水源中的氮和水源温度；在处理循环开始时，为所述水源确定在所述处理循环中 待硝化的氮的量；根据所述待硝化的氮的量，计算溶解氧设定值、好氧处理阶段的时间段或 其组合；以及使氧溶解于所述水源中。基于所计算的溶解氧设定值、好氧处理阶段的时间段 或其组合，通过控制单元来自动控制溶解于所述水源中的氧的量和持续时间。
[0009] 在某些实施方式中，本发明涉及一种用于自动控制水源中的反硝化能力的方法。 该方法包括：测量水源中的氮和温度；在处理循环开始时，为所述水源确定在所述处理循 环中待反硝化的氮的量；计算用于反硝化的缺氧处理阶段的时间段；以及终止向所述水源 的氧气供给。基于所计算的用于所述缺氧处理阶段的时间段，通过控制单元来自动控制所 述终止氧气供给的持续时间。
[0010] 在某些实施方式中，本发明涉及一种用于自动控制水源中的固体停留时间（SRT) 的方法。该方法包括：测量水源中的总悬浮固体、铵、硝酸盐、温度或其组合；确定消耗的生 物质的量；计算所述水源的硝化细菌生长速率；采用所述硝化细菌生长速率计算所述水源 的目标SRT ;以及计算将要消耗的生物质的目标量。基于修改消耗的持续时间、消耗的流率 或其组合，通过控制单元来自动控制所述将要消耗的生物质的目标量。
[0011] 在某些实施方式中，本发明涉及一种用于自动控制从容纳装置中除水的方法，该 方法包括：测量容纳装置中的水源的水位、水流量、污泥层高度或其组合；在处理循环的倾 倒阶段开始时，为所述水源确定之前处理循环、所述当前处理循环、所预计的处理循环或其 组合的水力性能；采用所述之前处理循环、所述当前处理循环、所述所预计的处理循环或其 组合的水力性能，为给定的处理循环计算从所述容纳装置中待移除的水的体积；以及一旦 达到为给定的处理循环所计算的从所述容纳装置中待移除的水的体积，就终止从所述容纳 装置中除水。通过监测所述容纳装置中的水位或从所述容纳装置的出水B的水流率，由控 制单元来自动控制所述从容纳装置中移除的水的体积。
[0012] 在某些实施方式中，本发明涉及一种用于自动控制水源中生物除磷的方法。该方 法包括：测量选自水源中的硝酸盐、磷或其组合的参数；基于所测量的所述水源中的所述 参数，确定处理循环的厌氧阶段的时长；限制向所述水源的氧气供给，其中基于所测量的所 述水源中的所述参数或预设的时间段，通过控制单元来自动控制所述限制氧气供给的持续 时间；以及在确定完成所述限制氧气的时间段后，使氧溶解于所述水源中。
[0013] 在某些实施方式中，本发明涉及一种用于自动控制水源中的同步硝化和反硝化的 方法。该方法包括：测量水源中的铵和硝酸盐；基于所测量的所述水源中的铵和硝酸盐，计 算一阶导数；基于所测量的所述水源中的铵和硝酸盐，计算二阶导数；以及采用所述一阶 导数、二阶导数或其组合来启用和禁用向所述水源的氧气供给。所述氧气供给是通过控制 单元来自动控制的。
【附图说明】
[0014] 图1为根据本发明的一实施方式的用于处理废水的容纳装置的侧视图；
[0015] 图2为根据本发明的一实施方式的用于处理废水的多容纳装置的俯视图；
[0016] 图3为描绘了根据本发明的一实施方式的数据的监测和传输的示意图；
[0017] 图4为描绘了根据本发明的另一实施方式的数据的监测和传输的示意图；
[0018] 图5为描绘了根据本发明的多个实施方式的硝化速率和DO设定值的影响与所需 的好氧时间的关系曲线图；
[0019] 图6A示出了本发明的一个实施方式的逻辑的一部分的流程图；
[0020] 图6B示出了图6A中的逻辑的第二部分的流程图；
[0021] 图7为根据本发明一实施方式的具有预反应墙的用于处理废水的容纳装置的侧 视图；
[0022] 图8示出了本发明的另一实施方式的逻辑的流程图。
【具体实施方式】
[0023] 以下为了说明的目的，术语"上部"、"下部"、"右"、"左"、"竖直"、"水平"、"顶部"、 "底部"、"侧部"、"纵向"及由其导出的应与本发明相关，因为其为在附图中的方向。然而，应 了解的是，除有具体的相反说明外，本发明可以具有多种替换变型和步骤顺序。还应了解的 是，附图所示的以及在说明书中所描述的具体装置和过程仅仅是本发明的示例性的实施方 式。因此，在此公开的与实施方式相关的具体尺寸和其他物理特征并不视为限制。
[0024] 此外，除了在任何操作示例中或另有说明之外，例如，说明书和权利要求中所使用 的表达数量的所有数值在所有情况下均应理解为被"大约"一词修饰的。因此，除非有相反 的指示，列于下面的说明书和所附的权利要求中的数值参数均为近似值，其可根据通过本 发明要获得的所需特性而变化。最起码，每个数值参数至少应当被解释为按照所记载的有 效数字的数值并采用一般舍入技术。
[0025] 同样地，应了解的是，任何在此列举的数值范围意在将所有子范围包含在其中。例 如，范围"1至10"意在包括所列举的最小值1和所列举的最大值10之间（含1和10)的 所有子范围，即，具有大于或等于1的最小值和小于或等于10的最大值。
[0026] 在本申请中，所使用的单数包括复数，并且复数涵盖单数，除非另有说明之外。此 外，在本申请中，除非另有说明之外，所使用的"或"表示"和/或"的意思，即使可能会在某 些情况下中明确采用"和/或"。
[0027] 如上所述，本发明涉及一种废水处理工艺。废水处理工艺可以在任何水源中使用。 如本文所用，"水源"包括，但不限于，流入的废水、容纳装置中的废水和/或流出的废水。在 某些实施方式中，如图1所示，该工艺包含容纳装置1的使用，容纳装置1具有第一端2和 第二端3,流入的废水从第一端2进入容纳装置1，流出的水从第二端3离开容纳装置1。进 入容纳装置1的第一端2的流入的水流在图1中被表示为参考字母A，离开容纳装置1的第 二端3的流出的水流在图1中被表示为参考字母B。
[0028] 在一个实施方式中，容纳装置1为间歇式反应器。然而，本发明也可以使用其他的 容纳装置1。适于在本发明中使用的容纳装置1的非限制性示例包括各种类型的水池、水箱 和容器。本发明可以使用如图1所示的单个容纳装置1或如图2所示的至少具有第一容纳 装置21和第二容纳装置22的多容纳装置系统20。多容纳装置系统20可以利用必要数量 的容纳装置。参考图2,可以使用多个阀门24和控制单元26将流入的废水以间歇的时间间 隔引入多容纳装置系统20的容纳装置21、22。
[0029] 再次参考图1，容纳装置1可以包括曝气系统10。曝气系统10向容纳装置1提供 空气。曝气系统10所提供的空气流通经过并与容纳装置1中流入的废水和微生物混合。本 发明中可以使用各种类型的曝气系统10。例如，曝气系统10可以包括浸于水下或设于容纳 装置1的底部附近的鼓风机、空气阀（自动的、调制的和/或手动的）、空气管道布置以及扩 散器。适于在本发明中使用的鼓风机的非限制性示例包括容积式鼓风机、旋转螺杆鼓风机、 高速涡轮鼓风机和离心鼓风机。适于在本发明中使用的扩散器的非限制性示例包括膜扩散 器，如细气泡扩散器和粗气泡扩散器。适于在本发明中使用的曝气系统10的其他非限制性 示例利用射流曝气机、抽吸器和各种机械曝气机。曝气系统10与容纳装置1的接近度取决 于在本发明中使用的曝气系统10的类型。
[0030] 容纳装置1可以进一步包括仪器4(参见图I)，仪器4可以分析、探测和监测水源 的各种条件和环境。可以在本发明中使用的仪器4的非限制性示例包括那些使用探针插入 容纳装置以测量参数以及那些从容纳装置中汲取样品以测量参数，所测量的参数包括以下 参数中的一个或多个：溶解氧（DO)、铵（NH 4)、化学需氧量（COD)、氧化还原电位（ORP)、总悬 浮固体（TSS)、硝酸盐（NO3)、亚硝酸盐（NO 2)、总氮（TN)、正磷酸盐（PO4)、总磷（TP)、温度、 水位、污泥层和PH值。各种类型的仪器4包括上述那些可以在单个容纳装置1或多容纳装 置系统20中一起使用、单独使用或以不同的组合使用。此外，某些仪器4可以被用于测量 不止一个参数。例如，单个的仪器4可以测量順 4和腸3两者。在某些实施方式中，单个的 容纳装置1包含多个相同类型的仪器4。例如，单个容纳装置1可以具有多于一个的DO仪 器。
[0031] 如图3所示，每个仪器4可以连接至不同的终端6,终端6可以解释和格式化由仪 器4探测和采集到的数据和信息。因此，在一个实施方式中，DO仪器连接至DO终端并与其 通信，以及ORP仪器连接至ORP终端并与其通信。可替代地，如图4所示，仪器4可以连接 至单个终端6。仪器4也可以连接至终端6的网络。仪器4可以采用有线连接至终端6。 在另一个实施方式中，仪器4可以通过无线连接而连接至终端6。在某些实施方式中，仪器 4直接通信并传送数据和信息至终端6。可替代地，仪器4可以间接地通信和传送数据和信 息至终端6。如本文所使用的，"间接通信"是指通过使用中间组件从一个装置到另一个装 置的数据和信息的传输。
[0032] 通过仪器4采集的数据由终端6格式化之后，该格式化的信息被传输至控制单元8 并通过控制单元8计算。在一个实施方式中，控制单元8为可编程逻辑控制器（PLC)。适于 在本发明中使用的控制单元8的其他非限制性示例包括微处理器和计算机。控制单元8可 以被编程，以基于通过仪器4采集并通过终端6格式化的数据和信息来控制处理工艺。例 如，控制单元8可以使用逻辑来自动控制本发明的废水处理工艺的反应阶段的持续时间， 其在下文中进行详细描述。
[0033] 在根据本发明的一个实施方式中，活性污泥工艺的硝化能力是通过调整DO设定 值来自动控制的，DO设定值基于识别给定处理循环中待硝化的氮的量。在容纳装置1的内 容物完全混合之后，在循环开始时，给定处理循环中待硝化的氮的量被识别。在某些实施 方式中，位于容纳装置1、流出的废水流B和/或流入的废水流A中的铵（NH 4)仪器4可以 用于测量水源中的氮的量和水源温度。比较所测量的水源中的氮的量和输入的目标氮设定 值，以预计并识别在处理循环中待硝化的氮的量。目标氮设定值是用户所需并输入的氮的 水平。COD仪器可以用于预计可用的有机物质，以及TSS仪器可以用于识别出现在容纳装 置1中的生物质。额外的仪器可以单独或组合使用，额外的仪器包括，但不限于，〇RP、N0 3、 NO2、水位、pH以及温度仪器，以修饰或进一步监测其他工艺参数。
[0034] 基于最初的需要硝化的氮的量和可用的硝化质量或浓度，硝化动力学方程可以用 于计算目标DO设定值，目标DO设定值由诸如控制单元8的控制系统维护，从而将铵和有机 氮转化为硝酸盐。DO浓度可以通过建立DO和硝化速率之间的关系来确定。如在本文所用 的，"硝化速率"是指铵和有机氮转化为硝酸盐的速率。硝化动力学方程如何可以用于计算 目标DO设定值的示例如下所示：
[0036] 该方程是由下述硝化动力学方程派生而来的：
[0038] 其中，NRx =硝化速率，NR最大硝化速率，DO =溶解氧浓度，Ktl =溶解氧的半 饱和常数，NH4=出水的铵浓度，以及Kn =硝化细菌的半饱和常数。水源的硝化速率可以通 过下述方程来确定：
[0040] 其中，NRx =硝化速率，Nm =待硝化的氮的量，MLSS =容纳装置1中的生物质的 量，以及AT =好氧时间。好氧时间可以通过采用从容纳装置1中的DO仪器4接收的DO读 数来确定。硝化速率和最大硝化速率也可以根据之前进行的水处理循环、当前水处理循环 和/或已建立的硝化速率来确定。如在本文所使用的，"已建立的硝化速率"是可以容易地 在文献中找到或根据其他水源计算得到的。在确定了目标氮设定值无法达到的情形中，系 统将会使用来自仪器的实时数据来调整或修正反应阶段中的控制算法。
[0041] 在根据本发明的另一个实施方式中，活性污泥工艺的硝化能力也可以通过调整处 理循环内的好氧时间来控制，该调整基于给定处理循环中的待硝化的氮的量和硝化速率， 其中硝化速率可以根据之前进行的水处理循环、当前的水处理循环和/或已建立的硝化速 率来确定。给定循环的好氧时间的时长可以通过采用处理循环的特定硝化速率和处理循环 中待硝化的氮的量来确定。在容纳装置1中的内容物完全混合之后，在循环开始时，给定处 理循环中待处理的氮的量被识别。为了稳定特定硝化速率，DO仪器与控制单元8-起使用， 以保持容纳装置1中的DO浓度尽可能接近DO设定值（通过逻辑或用户输入来计算的）。 铵和/或NO 3仪器用于确定NH 4和NO 3的浓度的变化。NH 4和/或NO 3浓度的变化与TSS仪 器结合可以用于计算处理循环的全部或部分反应阶段的特定硝化速率。順4和/或NO 3仪 器也用于持续反馈容纳装置1中的实时順4和/或NO 3浓度。额外的仪器包括，但不限于， C0D、0RP、水位pH和温度仪器可以单独或组合使用，以修饰或进一步监测其他工艺参数。图 5示出了示例性的溶解氧设定值如何能够在整个好氧时间段实现获得目标出水铵，而另一 个溶解氧设定值能够在较短的好氧时间段内实现获得目标出水铵。
[0042] 基于待硝化的氮的量和可用的硝化质量，硝化动力学方程可以用于计算每个循环 中好氧处理工艺所需的总时间。可以用于计算每个循环中好氧处理工艺所需的总处理时间 的硝化动力学方程如下所示：
[0044] 其中，NRx =硝化速率，Nm =待硝化的氮的量，MLSS =容纳装置1中的生物质的 量，以及AT =每个循环的好氧时间。在确定了目标氮设定值无法达到的情形下，系统将会 采用来自仪器的实时数据来调整或修正反应阶段中的控制算法。
[0045] 通过采用如上所述的任一工艺来自动控制活性污泥工艺的硝化能力，通过选择用 于操作工艺的最小的DO设定值和/或将每个处理循环中的好氧时间最小化，系统的能量消 耗减少。以这种方式控制和供给氧气不仅将过度的氧气供给最小化，同时还在低DO环境中 供给氧气，这提高了氧气的传输效率。
[0046] 在本发明的另一个实施方式中，活性污泥工艺的反硝化能力是通过调整缺氧处理 阶段的时间段来自动控制的，该调整是通过识别给定处理 循环中的待反硝化的氮的量。在 容纳装置1的内容物完全混合之后，在循环开始时，识别给定处理循环中待反硝化的氮的 量。位于容纳装置1、流出废水流B和/或流入废水流A中的仪器4可以用于测量废水中的 氮的量和温度。比较待硝化的氮的量和输入的目标氮设定值，以预测整个处理循环中待反 硝化的氮的量。COD仪器可以用于确定可用的有机物质，以及TSS仪器可以用于识别出现在 容纳装置1中的生物质。额外的仪器包括，但不限于，〇1^、勵 3、勵2、順4、水位、？!1和温度仪 器可以单独或组合使用，以修饰或进一步监测其他工艺参数。基于最初的需要反硝化的氮 的量和可用的反硝化质量，反硝化方程可以用于计算每个循环的总缺氧时间。例如，每个循 环的总缺氧时间可以由下述方程来计算：
[0048] 其中，DNRx =反硝化速率，Ndenit =待反硝化的氮的量，MLSS =容纳装置1中的生 物质的量，以及AxT =每个循环的缺氧时间。
[0049] 当曝气终止时，反硝化能力通过界定缺氧时间段操控。在本发明的一个实施方式 中，水源在那时搅拌。反应阶段的缺氧时间的持续时间是反硝化速率的函数。如本文所使 用的，"反硝化速率"是指硝酸盐转化为氮气的速率。反硝化速率可以通过采用由順 4和NO 3 仪器4所测量的順4和/或NO 3浓度的变化以及通过TSS仪器在所界定的缺氧时间内测量 反应器生物质来确定。反硝化速率可以根据之前进行的水处理循环、当前水处理循环和/ 或已建立的反硝化速率来确定。如本文所使用的，已建立的反硝化速率是能够容易地在文 献中找到或根据其他水源计算得到的。反硝化速率可以通过下述方程来确定：
[0051] 其中，DNRx =反硝化速率，Ndenit =待反硝化的氮的量，MLSS =容纳装置1中的生 物质的量，以及AxT =缺氧时间。缺氧时间可以通过采用从容纳装置1中的DO和ORP仪器 4接收的DO和/或ORP读数来确定。对于系统的反硝化能力超过设置的要求的周期来说， 容纳装置1中的搅拌器可以被关掉以减少所使用的能量的量。水位、PH和温度仪器也可以 单独或组合使用，以修饰和/或监测处理工艺的其他参数。类似于之前的实施方式，在确定 了目标氮设定值无法达到的情形下，系统将会采用来自仪器的实时数据来调整或修正反应 阶段中的控制算法。
[0052] 图6A和6B示出了根据本发明的一个或多个实施方式并如上所述的用于完成硝化 和反硝化步骤的逻辑。应注意的是，逻辑的一部分在图6A中示出，而逻辑的其余的部分在 图6B中继续。如图6所示，在反映阶段完成之后，一系列计算被执行，以检验硝化和/或反 硝化能力并将其与预期的结果相比较。下一循环的控制逻辑被调整以补偿硝化差异和优化 出水质量。
[0053] 除了自动控制硝化和反硝化以外，本发明还涉及一种自动控制水源的生物除磷的 工艺。该工艺可以通过采用磷、NO 3或其组合仪器4来控制，以确定处理循环的厌氧阶段的 长度。该工艺通过限制向水源的氧气供给来利用用于生物除磷的反应阶段的开始，以及磷、 NO3或其组合仪器4用于确认厌氧环境。处理循环的厌氧阶段的长度可以通过采用水源中的 磷的量的变化速率来确定。一旦变化速率从稳定值降低，对氧气的限制将暂停。处理循环的 厌氧阶段的长度也可以通过采用输入的目标磷设定值来确定，并且一旦达到该设定值，对 氧气的限制将暂停。目标磷设定值是用户所需的由用户输入的磷的水平。处理循环的厌氧 阶段的长度也可以通过采用输入的目标硝酸盐设定值和输入的厌氧时间段设定值来确定， 并且一旦水源中的硝酸盐的量降至低于输入的厌氧时间段设定值的硝酸盐设定值，对氧气 的限制将暂停。目标硝酸盐设定值是用户所需且由用户输入的硝酸盐水平。厌氧时间段设 定值是在达到目标硝酸盐设定值之后，氧气被限制的时间长度，由用户输入。处理循环中厌 氧阶段的长度也可以选自用户输入的最小和最大时间段设定值，与水源中的硝酸盐的量无 关。进一步地，确定处理中厌氧阶段的长度的方法可以被结合在一起使用来控制。一旦缺 少氧气供给的持续时间基于水源中的参数或预设的时间段被确定下来，空气便被提供至系 统以创造处理循环的好氧阶段。
[0054] 厌氧周期之后的好氧周期促进过度或过量的磷摄取。在初始厌氧阶段之后，反应 阶段的所有周期中，〇RP、D0、磷和/或NO 3仪器被监测，以确保系统不会随着过度或过量的 磷摄取而达到厌氧状态。如果仪器显示容纳装置1中的厌氧环境，曝气系统10会开启以将 容纳装置1转变为缺氧或好氧环境。
[0055] 在根据本发明的另一个实施方式中，活性污泥工艺的固体停留时间（SRT)也可以 通过测量水源中的总悬浮固体、NH 4、勵3和/或温度以及自动调整所消耗的生物质来控制。 所消耗的生物质的量是基于所计算的水源的目标SRT。硝化细菌生长速率可以被计算和使 用，以确定系统所需的好氧SRT。好氧SRT和每天的好氧时间可以用于计算系统所需的总 SRT。总SRT为悬浮固体的颗粒保持在废水处理系统中的平均时间。进一步地，如本文所使 用的，术语"硝化细菌生长速率"是指在环境中氮消耗微生物增长的速率。
[0056] 在某些实施方式中，水源的硝化细菌生长速率可以根据硝化速率、硝化细菌产率 系数、水源中的生物质、水源的温度或其组合来计算。硝化速率可以根据之前进行的水处理 循环、当前的水处理循环、已建立的硝化速率或其组合来确定。进一步地，如本文所使用的， 术语"硝化细菌产率系数"是指每一氮氧化的量所产生的硝化细菌生物质的量。硝化细菌 产率系数可以基于已建立的值来选择，其中已建立的值是能够容易地在文献中找到或从其 他水源计算得到的。
[0057] 在某些实施方式中，设置在容纳装置1中的TSS仪器可以与剩余活性污泥（WAS) TSS仪器和WAS流量计或指示器组合使用，以识别容纳装置中的生物质以及每个循环（和 每天）所消耗的生物质。水位、pH、温度、NH 4、N03、N02、DO和ORP仪器也可以单独或组合使 用，以修饰和监测其他参数。
[0058] 控制算法可以与仪器所计算的数据一起使用，以自动调整每天的消耗时间，从而 在由系统的硝化细菌生长速率派生而来的污泥龄中稳定生物质。该控制算法包括目标总 SRT计算如下所示：
[0060] 其中，5? =最，
[0061] 其中，GRn= NRxXYn，
[0062] 其中，GRn =硝化细菌生长速率，NRx =硝化速率，Yn=硝化细菌产率系数，SRTa = 好氧污泥停留时间，SF =安全因子，ATd =每天的曝气时间，以及SRT =目标总污泥停留时 间。如本文所使用的，术语安全因子是指考虑到废水变化的倍数。
[0063] 控制算法还包括当前污泥停留时间的计算，如下所示：
[0065] 其中，SRTaffi=当前污泥停留时间，Mass ^ss =容纳装置1中的生物质的质量，以及 Massms =每天剩余活性污泥的质量。
[0066] 在某些实施方式中，所消耗的生物质的量基于水源的目标SRT与水源的当前生物 质之间的差异来调整。所消耗的生物质的量通过修饰消耗周期的持续时间和/或生物质消 耗的流率来调整。消耗周期的持续时间如何被调整的示例是通过增加消耗生物质的泵的运 行时间。生物质消耗的流率如何能够被调整的示例是通过改变消耗生物质的泵的速度。另 一个能够用于控制生物质消耗的机制为控制阀门。
[0067] 图8示出了根据本发明的一个实施方式并如上所述的用于调整污泥龄的逻辑。如 图8所示，在循环完成之后，一系列计算被执行，以确定将来的循环消耗时间。消耗时间是 基于上述所计算的目标SRT设定值来确定的，采用特定的硝化细菌生长速率。
[0068] 参考图7,本发明可以利用连续流入的水流和预反应墙30。预反应墙30位于容纳 装置1的第一端2附近，流入的废水在那里进入。位于容纳装置1的第一端2和预反应墙 30之间的区域为预反应区32。在本实施方式中，处理工艺可以通过利用预反应区32内的 条件进一步优化。由于预反应区32中具有高食微比（food to mass ratio)，这对于同步硝 化和反硝化是理想的位置。通过优化涉及DO、ORP、N02、勵3和/或NH 4浓度的环境，同步硝 化和反硝化在预反应区32中被执行。该工艺由曝气和/或搅拌步 骤来控制。独立的曝气 系统33连同自动控制阀可以用于预反应区32,以调整用于预反应区32的曝气的量，这与主 反应区34的曝气的量无关。控制阀可以为可调整曝气系统33的任何装置，可在允许最大 空气量通过的完全打开位置、空气不能通过的完全关闭位置以及完全打开和关闭位置之间 的任何比例调整曝气系统33。
[0069] 本发明可以通过测量水源中的順4和NO 3并计算其一阶和二阶导数来控制用于同 步硝化和反硝化工艺的曝气和/或搅拌步骤。如本文中所使用的，"一阶导数"是指时间段 中任意两个铵和/或硝酸盐测量值之间的变化率。进一步地，如本文所使用的，"二阶导数" 是指在时间段中任意两个铵和/或硝酸盐测量值之间的变化率的变量。一阶和/或二阶导 数的变化可以用于启用或禁用向水源的氧气供给。水源中的铵的二阶导数的减小可以用 于禁用向水源的氧气供给，而水源中的铵的二阶导数的增大可以用于启用向水源的氧气供 给。进一步地，水源中的硝酸盐的二阶导数的增大可以用于禁用向水源的氧气供给，而水源 中的硝酸盐的二阶导数的减小可以用于启用向水源的氧气供给。进一步地，当水源中的铵 或硝酸盐的一阶导数等于零时，氧气供给可以被启用或禁用。在启用氧气供给的周期中，水 源可以被搅拌，其中搅拌可以通过搅拌器装置来创造，并且搅拌器装置的速度可以被改变。
[0070] 再次参考图7,轴流泵36可以安装在预反应墙30上，以控制预反应区32和主反应 区34之间的氮和有机负荷的搅拌和再循环。在某些实施方式中，使用多个轴流泵36。通过 控制预反应区32和主反应区34之间的搅拌和再循环，基质和入水负荷分布可以得到优化， 以获得更好的硝化、反硝化以及生物除磷。轴流泵36可以以可变的速度操作，例如以100% 的操作速度或者对于部分或全部反应阶段可以被完全关掉。在一个实施方式中，轴流泵36 为飞力型号4600 (Flygt Model 4600)系列水平轴流泵，可由赛莱默（Xylem)公司购得。轴 流泵36以及预反应区32和主反应区34两者的曝气系统10、33可以一起或分开使用，以通 过单独或组合使用COD、DO、ORP、pH、N0 3、N02、NH4和温度仪器来优化容纳装置1中的条件。
[0071] 除了优化反应阶段的一部分的曝气和搅拌周期之外，系统的倾倒阶段和水力学性 质也可以用于在保持出水质量的同时优化能量效率。如在本文中所使用的，"倾倒阶段"是 指在好氧、缺氧和/或厌氧阶段之后的时间段，在该周期中倾析器或其他去除机构42启动。 对于具有间歇或连续流入水流的系统，预测控制可以用于保持容纳装置1中的水位对每个 循环来说尽可能高。曝气过程中较高的操作水位将会提供比较低的水位更高的氧气传输效 率。预测控制包括来自入水流量计、污泥层监测器和/或容纳装置1水位信号传送器的反 馈，以提供诸如上一循环填充率、每个容纳装置1每个循环的总体积、当前入水流率、历史 每日流量趋势（每日峰值及持续时间）和/或污水管/水泵站网的信息。虽然倾倒体积和 持续时间可能会随着循环而变化，但是每个循环的总时长不会变化，每个容纳装置1中的 倾倒之间的时间也不会变化，除非独立控制算法基于入水流率确定有这样的必要。如图7 所示，分别地，生物质废物通过诸如泵的装置40移除，出水从容纳装置1中被倾倒，例如通 过倾析器或其他去除机构42。
[0072] 在某些实施方式中，从容纳装置1中移除的水的量可以被自动控制。为了自动控 制从容纳装置1中移除的水的量，可以测量容纳装置1内的水源的水位、水流、污泥层高度 或其组合。术语"污泥层高度"是指沉积固体的区域或指定空间的总高度。如上所注明的，这 类信息可以通过仪器4来测量，仪器4包括但不限于，入水流量计、污泥层监测器和容纳装 置1水位信号传送器。之前的处理循环、当前的处理循环或所预计的下一处理循环的水力 性能也在处理循环的倾倒阶段开始时被确定，其中容纳装置1中的水被控制。在某些实施 方式中，之前的处理循环的水力性能是采用来自之前的处理循环的水流数据来确定的。在 另一实施方式中，之前的处理循环的水力性能是采用来自之前的处理循环的处理循环水的 填充率、总水体积或其组合来确定的。如在本文中所使用的，术语"填充率"是指时间段中水 位的变化，以及术语"总水体积"是指一个循环的时间段中填充容纳装置的水的体积。进一 步地，在某些实施方式中，当前的处理循环的水力性能是通过采用当前水流数据来确定的， 并且所预计的下一处理循环的水力性能是采用污水管或水泵站网的流量数据来确定的。
[0073] 在测量某些参数并确定水力性能之后，给定处理循环中从容纳装置1中待移除的 目标水体积可以被计算出来。被移除的水的体积可以由控制单元8通过监测容纳装置1中 的水位或从容纳装置1的出水B的水流率来自动控制。容纳装置1中的水位与已知的容纳 装置1的表面面积一起用来确定移除的水的体积。从容纳装置1的出水B的水流率可以 在时间段中计算总数，在时间段中倾析器或其他去除装置42被启动，以确定移除的水的体 积。进一步地，一旦已经达到所计算的给定处理循环中从容纳装置1待移除的水的体积，便 终止从容纳装置1中除水。
[0074] 本发明提供一种废水处理工艺，其自动处理诸如间歇式反应器的容纳装置1中的 废水。如上所详述的，除此之外，该工艺利用控制算法，基于实时仪器反馈，以自动选择设定 值以及好氧、缺氧和厌氧的持续时间并且无需操作输入。本发明不仅通过减少设定值输入 的错误和时间而对于操作者更加高效，而且还在优化出水质量的同时在整个处理工艺中节 省了能量。
[0075] 虽然以上描述中已经提供了本发明的各种实施方式，然而本领域技术人员在不脱 离本发明的范围和精神的情况下，可以对这些实施方式作各种修饰与替换。例如，应了解的 是，在合理的范围内，本申请公开涵盖任一实施方式的一个或多个特征可以与任一其他实 施方式的一个或多个特征组合。因此，以上描述意在说明而非限制。
【主权项】
1. 一种用于自动控制水源中的硝化能力的方法，所述方法包括： 测量水源中的氮和水源的温度； 在处理循环开始时，为所述水源确定在所述处理循环中待硝化的氮的量； 根据所述待硝化的氮的量，计算溶解氧设定值、好氧处理阶段的时间段或其组合；以及 使氧溶解于所述水源中， 其中基于所计算的溶解氧设定值、好氧处理阶段的时间段或其组合，通过控制单元来 自动控制溶解于所述水源中的氧的量和持续时间。2. 如权利要求1所述的方法，进一步包括确定所述水源中的有机物质的量。3. 如权利要求1所述的方法，进一步包括识别所述水源中生物质的量。4. 如权利要求1所述的方法，其中在所述处理循环中所述待硝化的氮的量是通过在所 述处理循环开始时，比较所测量的所述水源中的氮和输入的目标氮设定值来确定的。5. 如权利要求1所述的方法，其中用于所述水处理循环中针对硝化的所述溶解氧设定 值是通过方程式（I)来确定的：其中，NRx =硝化速率，NR 最大硝化速率，DO =溶解氧浓度，K f溶解氧的半饱和 常数，NH4=出水铵浓度，以及K N=硝化细菌的半饱和常数。6. 如权利要求5所述的方法，其中所述硝化速率和最大硝化速率是根据之前进行的水 处理循环、当前的水处理循环、已建立的硝化速率或其组合来确定的。7. 如权利要求5所述的方法，其中所述水源的所述硝化速率是通过的方程（II)来确定 的：其中，NRx =硝化速率，Nm =待硝化的氮的量，MLSS =容纳装置1中的生物质的量，以 及AT =好氧时间。8. 如权利要求1所述的方法，其中在所述水处理循环中用于硝化的所述好氧处理阶段 的所述时间段是根据所计算的溶解氧设定值、输入的溶解氧设定值、在所述水处理循环开 始时所确定的氮的量、在所述水源中所检测到的有机负荷的量、所述水源中的生物质的量 或其组合来确定的。9. 如权利要求1所述的方法，其中在所述水处理循环中用于硝化的所述好氧阶段的时 间长度是通过方程（III)来确定的：其中，NRx =水处理工艺的硝化速率，Nm =待硝化的氮的量，MLSS =容纳装置中的生 物质的量，以及AT =每个循环的好氧时间。10. 如权利要求1所述的方法，进一步包括当确定了所述目标氮设定值无法达到时，调 整所计算的溶解氧设定值或所计算的在所述水处理循环中用于所述好氧处理阶段的时间 段。11. 一种用于自动控制水源中的反硝化能 力的方法，所述方法包括： 测量水源中的氮和水源的温度； 在处理循环开始时，为所述水源确定在所述处理循环中待反硝化的氮的量； 计算用于反硝化的缺氧处理阶段的时间段；以及 终止向所述水源的氧气供给， 其中，基于所计算的用于所述缺氧处理阶段的时间段，通过控制单元来自动控制所述 终止氧气供给的持续时间。12. 如权利要求11所述的方法，进一步包括确定所述水源中的有机物质的量。13. 如权利要求11所述的方法，进一步包括识别所述水源中生物质的量。14. 如权利要求11所述的方法，其中在所述处理循环中所述待硝化的氮的量是通过在 所述处理循环开始时，比较所测量的所述水源中的氮和输入的目标氮设定值来确定的。15. 如权利要求11所述的方法，其中用于所述水处理循环中反硝化的所述缺氧处理的 所述时间段是通过反硝化速率来确定的。16. 如权利要求15所述的方法，其中所述反硝化速率是根据之前进行的水处理循环、 当前的水处理循环、已建立的反硝化速率或其组合来确定的。17. 如权利要求15所述的方法，其中所述水源的所述反硝化速率是通过方程（IV)来确 定的：其中，DNRx =反硝化速率，Ndenit =待反硝化的氮的量，MLSS =容纳装置中的生物质的 量，以及AxT =缺氧时间。18. 如权利要求17所述的方法，其中在所述水处理循环中用于反硝化的所述缺氧阶段 的时间长度是通过方程（V)来确定的：其中，DNRx =反硝化速率，Ndenit =待反硝化的氮的量，MLSS =容纳装置中的生物质的 量，以及AxT =每个循环的缺氧时间。19. 如权利要求11所述的方法，进一步包括当确定了所述目标氮设定值无法达到时， 调整所述水处理循环中用于所述缺氧处理阶段的所述时间段。20. 如权利要求11所述的方法，进一步包括当所述氧气供给被终止时，搅拌所述水源。21. -种用于自动控制水源中的固体停留时间（SRT)的方法，所述方法包括： 测量水源中的总悬浮固体、铵、硝酸盐、温度或其组合； 确定消耗的生物质的量； 计算所述水源的硝化细菌生长速率； 使用所述硝化细菌生长速率计算所述水源的目标SRT ;以及 计算将要消耗的生物质的目标量， 其中，基于修改消耗的持续时间、消耗的流率或其组合，通过控制单元来自动控制所述 将要消耗的生物质的目标量。22. 如权利要求21所述的方法，其中所述消耗的生物质的量是采用水源流量指示器和 水源总悬浮固体测量值来确定的。23. 如权利要求21所述的方法，其中所述水源的硝化细菌生长速率是根据硝化速率、 硝化细菌产率系数、所述水源中的生物质、所述水源的温度或其组合来计算的。24. 如权利要求23所述的方法，其中所述硝化速率是根据之前进行的水处理循环、当 前的水处理循环、已建立的硝化速率或其组合来确定的。25. 如权利要求23所述的方法，其中所述硝化细菌产率系数是基于已建立的值来选择 的。26. 如权利要求21所述的方法，其中所述硝化细菌生长速率是根据如下所述的方程 (VI) 来计算的： GRn= NRxXYk (VI) 其中，GRn =硝化细菌生长速率，NRx =硝化速率，以及Yn=硝化细菌产率系数。27. 如权利要求21所述的方法，其中所述水源的目标SRT是根据所述水源的硝化细菌 生长速率、安全因子、每天的所述好氧时间或其组合来计算的。28. 如权利要求21所述的方法，其中所述消耗的生物质的量是根据如下所述的方程 (VII) 来计算的：其中，MassWAS =待消耗的目标质量，Mass ^ss =容纳装置1中的生物质的质量，以及SRT =目标污泥停留时间。29. -种用于自动控制从容纳装置中除水的方法，所述方法包括： 测量容纳装置中的水源的水位、水流量、污泥层高度或其组合； 在处理循环的倾倒阶段开始时，为所述水源确定之前处理循环、所述当前处理循环、所 预计的处理循环或其组合的水力性能； 采用所述之前处理循环、所述当前处理循环、所述所预计的处理循环或其组合的水力 性能，为给定的处理循环计算从所述容纳装置中待移除的水的体积； 其中，通过监测所述容纳装置中的水位或从所述容纳装置的出水B的水流率，由控制 单元来自动控制所述从容纳装置中移除的水的体积；以及 一旦达到为给定的处理循环所计算的从所述容纳装置中待移除的水的体积，就终止从 所述容纳装置中除水。30. 如权利要求29所述的方法，其中所述之前处理循环的水力性能是采用之前处理循 环的水流数据来确定的。31. 如权利要求29所述的方法，其中所述之前处理循环的水力性能是采用来自之前处 理循环的处理循环的水填充率、水的总体积或其组合来确定的。32. 如权利要求29所述的方法，其中所述当前处理循环的水力性能是通过采用当前水 流数据来确定的。33. 如权利要求29所述的方法，其中所述所预计的处理循环的水力性能是采用污水管 或水泵站网的水流数据来确定的。34. -种用于自动控制水源中生物除磷的方法，所述方法包括： 测量选自水源中的硝酸盐、磷或其组合的参数； 基于所测量的所述水源中的所述参数，确定处理循环的厌氧阶段的时长； 限制向所述水源的氧气供给，其中基于所测量的所述水源中的所述参数或预设的时间 段，通过控制单元来自动控制所述限制氧气供给的持续时间；以及 在确定完成所述限制氧气的时间段后，使氧溶解于所述水源中。35. 如权利要求34所述的方法，其中所述确定处理循环的厌氧阶段的时长包括采用所 述水源中的磷的量的变化率。36. 如权利要求34所述的方法，其中所述确定处理循环的厌氧阶段的时长包括：采用 输入的磷的设定值和确定所述水源中的磷的量是否超过所述磷的设定值。37. 如权利要求34所述的方法，其中，处理循环的所述厌氧阶段的时长是通过输入硝 酸盐设定值和输入的厌氧时间段设定值，并确定对于所述输入的厌氧时间段设定值何时所 述水源中的硝酸盐的量降到低于所述硝酸盐设定值来确定的。38. 如权利要求34的方法，进一步包括通过采用输入的硝酸盐设定值以及确定所述水 源中的硝酸盐是否降到低于所述输入的硝酸盐的设定值来防止在初始的厌氧阶段之后所 述处理循环的后续的厌氧阶段。39. 如权利要求34所述的方法，其中界定了所述限制氧气供给的持续时间的所述预设 的时间段是针对最小的时间段、最大的时间段或其组合输入的设定值。40. -种用于自动控制水源中的同步硝化和反硝化的方法，所述方法包括： 测量水源中的铵和硝酸盐； 基于所测量的所述水源中的铵和硝酸盐，计算一阶导数； 基于所测量的所述水源中的铵和硝酸盐，计算二阶导数；以及 采用所述一阶导数、二阶导数或其组合来启用和禁用向所述水源的氧气供给， 其中所述氧气供给是通过控制单元来自动控制的。41. 如权利要求40所述的方法，进一步包括采用所述水源中的铵的所述二阶导数的减 小来禁用向所述水源的所述氧气供给，以及采用所述水源中的铵的所述二阶导数的增大来 启用向所述水源的所述氧气供给。42. 如权利要求40所述的方法，进一步包括采用所述水源中的硝酸盐的二阶导数的减 小来启用向所述水源的氧气供给，以及采用所述水源中的硝酸盐的二阶导数的增大来禁用 向所述水源的氧气供给。43. 如权利要求40所述的方法，其中当所测量的所述水源中的铵或硝酸盐的所述一阶 导数等于零时，向所述水源的氧气供给被启用或禁用。44. 如权利要求40所述的方法，进一步包括当所述氧气供给被禁用时，搅拌所述水源。45. 如权利要求40所述的方法，进一步包括当所述氧气供给被启用时，改变向所述水 源的氧气供给的量。
【专利摘要】一种自动控制的废水处理工艺可以包括自动控制水源中的硝化和反硝化能力。硝化和反硝化能力可以被同步地自动控制。此外，废水处理工艺还可以包括自动控制水源中的固体停留时间(SRT)和生物除磷，以及自动控制从容纳装置中除水。
【IPC分类】C02F3/02
【公开号】CN104903254
【申请号】CN201380067073
【发明人】萨拉·奥利维亚·艾尔加, 约翰·爱德华·科赫三世, 阿萨·海伦娜·格兰德司道特·亨里克森
【申请人】赛莱默水处理美国有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月18日
【公告号】CA2891914A1, EP2931666A1, US20140138308, WO2014078761A1
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