[00131784]基于呼吸法的污水厂节能的调控模型及关键调控设备研究

活性污泥系统的安全稳定运行面临两大现实问题：普遍存在的进水水质水量波动、微生物生长状况随环境变化而变化。微生物适应性强既是活性污泥系统稳定的基础,也是重大安全隐患的源泉。活性污泥系统在何种条件下适应外部冲击而保持系统稳定,何时需要采取措施以避免事故的发生,此类问题尚无明确界定方法。因此,污水处理厂在设计上普遍采用较大安全系数应对这种不确定性,导致能耗物耗偏高;在运行过程中则严重依赖技术人员的经验,造成超标事故频发。因此,如何量化表征活性污泥系统的稳定健康状态是活性污泥系统安全稳定运行的关键问题。 采用COD、氨氮等出水指标表征活性污泥系统稳定健康状态具有滞后性。从获得数据的便利性角度而言,出水水质往往是系统稳定性评估的首要指标,但时效性、准确性和可靠性有待商榷。如前所述,活性污泥系统及功能性微生物的冗余导致系统的变化并不能及时体现在出水水质中,即出水波动,系统失稳,但出水平稳并不代表微生物状态稳定。这种严重的滞后性导致操作人员无法及时准确把握活性污泥的运行状态,造成重大事故风险。 技术上而言,对活性污泥系统进行量化表征非常困难,主要原因在于实际污水处理厂的进水等外部条件波动较大,活性污泥由大量不同类型的复杂微生物种群构成,对这样复杂的系统进行测量难以获得稳定的测试结果。 对此,本项目提出了全新的解决方案：以现场活性污泥为分析对象,营造不同生长环境,测试微生物对应的活性,从而形成多维度数据集,通过对此数据集的运算分析,建立活性污泥系统稳定健康状态的描述指标。 本技术为基于课题组长期开发的多维呼吸图谱理论：设定不同的微生物生长环境,并对其微生物活性进行监测,从而获得的一个数据集,从功能菌群活性、外部工艺条件效应、絮体结构特征等多个维度,提取此数据集上的呼吸特征并对其特征进行解析,结合专家系统的规则库及特征数据库,对污泥系统的运行状态进行判定,解决了长期以来污水厂无法准确、快速、定量判定活性污泥系统运行状态的难题。 以呼吸图谱为基础,开发了污泥健康状态评估、污泥膨胀预判、出水超标预警等功能,可对水质超标、污泥膨胀等污水厂常见运行风险进行识别和量化管理,形成了污水厂故障诊断和预警智能系统,解决了污水厂实时诊断和在线预警的主要技术难题。 课题组构建了集智能测试终端控制、云端决策和用户交互三位一体的污水处理运行平台,具有污水处理运行管理技术共享、领域专家资源共享等特点;通过对接入水厂的数据挖掘,构建了厂群状态感知技术,消除了异常数据对决策过程的影响,提高了处理系统的可靠性。 技术的创造性与先进性凸显在以下几个方面; （1） 建立了全新的系统稳定健康状态量化指标,打破长期以来采用出水水质指标表征系统稳定健康状态的传统思路,从微生物生长这一本质特性出发提出系统稳定健康状态的定量描述指标。几十家污水处理厂的实践工程证明该指标时效性强、指向性强。突破了近百年来活性污泥系统的精细化运行管理缺少生物学决策数据的困境。 （2） 在理论上提出准内源呼吸这一全新的呼吸过程,该过程与污泥絮体结构有关,围绕该过程,发表了3篇SCI一区论文,得到了国际同行的认可,为多维呼吸图谱的建立提供了理论基础。 （3） 开创了多维呼吸图谱的技术框架,从多个维度考察活性污泥的呼吸特性,突破了传统方法聚焦某个具体指标大小的局限,从呼吸图谱各维度活性之间的相互关系解析活性污泥的运行状态,从而将不稳定的生物状态评估过程变得可测量、可解析、可量化。开创了在呼吸图谱数据集基础上分析运行状态的新方法,充分体现了本项目的先进性和基础性。 本技术比较成熟,适用于各类采用生物处理的污水处理系统,目前已经应用领域包括城镇、炼化以及机械加工等各类废水,应用地域覆盖从我国东部山东东营到西部新疆塔城,应用规模从几十吨的农村污水处理站到几十万吨的城市污水处理厂。 该技术已在陕西、山西、甘肃、宁夏、新疆、河北、山东、江苏等10多个省（自治区）的几十个污水处理厂得到了推广应用,包括日本轴承先锋NSK等外资企业、长庆石化等大型国企、城镇污水处理厂、工业废水处理站以及小型农村污水处理站等,满足了不同地域、不同规模、不同水质进行水处理的技术需求,充分展现了该技术具备助力事故快速恢复、事故预警与工程改造、超设计水量的稳定运行、进水水质严重超标的达标运行、复杂工业废水的稳定运行、技术力量薄弱地区污水处理厂（站）的稳定运行等多项功能。系列产品具有良好的适应性和推广应用价值,创造了不菲的经济、社会与环境效益。 对于该技术,需要进一步开发针对不同工艺的专用控制产品,在国家平台上加大推广力度。 2019年3月,本技术获陕西高等学校科学技术一等奖。