СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВОДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОЛОГИЧЕСКОГО РЕАКТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2010 года по МПК C02F3/00 

Изобретение относится к области обработки воды. Более конкретно изобретение относится к обработке хозяйственно-бытовых или промышленных сточных вод с использованием способа удаления загрязнений азотистыми и углеродистыми соединениями с помощью биомассы, находящейся в свободном состоянии или размещенной на стационарных носителях.

При обычной технологии очистки воды используется биологический реактор, например биофильтр или активный ил.

В соответствии с этой технологией для обработки загрязняющих соединений осуществляется аэрация реактора. Известные технологии основываются на двух отдельных фазах обработки, а именно: нитрификация (N), для которой требуется кислород, и денитрификация (DN), которая осуществляется в отсутствие кислорода. Эти два процесса могут выполняться либо в одном реакторе с аэрацией, с последующими периодами работы без аэрации (циклическая аэрация) или в реакторе с двумя отдельными секциями, одна из которых непрерывно аэрируется, а другая работает без аэрации.

В соответствии с изобретением обе реакции (нитрификация/денитрификация) выполняются одновременно в одном и том же реакторе с непрерывной аэрацией и без разделения реактора на секции, в которых выполнялись бы эти реакции. Однако интенсивность аэрации должна аккуратно регулироваться, поскольку, чем больше количество избыточного кислорода в реакторе, тем больше затрудняется денитрификация, и наоборот.

Таким образом, общая эффективность способа удаления загрязнений напрямую зависит от управления аэрацией.

В известных способах обычно выполняется измерение определенных параметров в реакторе или на выходе из реактора так, что может осуществляться управление аэрацией биомассы. Измерения выполняются для определения состояния системы на текущий момент. После определения состояния системы вычисляется функция управления расходом газа и затем она реализуется. Обычно измеряется содержание аммония, нитратов, окислительно-восстановительный потенциал или содержание растворенного кислорода. Могут использоваться также и другие параметры, которые можно назвать "составными". Это могут быть линейные комбинации измеряемых переменных параметров.

Так, практикой обработки городских сточных вод было установлено, что для управления в системе обработки целесообразно использовать показатель содержания загрязняющих веществ (масса N-NH₄ в килограммах в одном кубическом метре объема аэрируемого реактора за день).

В заявке WO 01/02306 А1 на изобретение описывается устройство оценки этого содержания загрязняющих веществ, начиная с измерений проводимости и мутности жидкости.

Однако такой способ представляет собой больше оценку, чем прямое измерение. Этот способ не может использоваться для регулирования в системе, в которой необходима высокая степень точности.

Одно из обоснований использования таких устройств оценки исходит из стоимости покупки и технического обслуживания конкретных моделей анализаторов. Поэтому можно понять, что низкая стоимость связана с очень низкими характеристиками работы.

В настоящее время в существующих системах используются четко различающиеся способы регулирования процесса.

В соответствии с одним из таких способов регулирования вычисляется эффективность использования распределенного кислорода биомассой "Ct" для регулирования расхода газа. Такой способ описан в патенте, опубликованном под номером FR 2764817.

В этом случае требуется использовать опорное значение Ct, которое само зависит от загрязнения, которое должно обрабатываться. Однако трудность заключается в том, что содержание загрязняющих веществ изменяется во времени, и поэтому необходимо регулярно обновлять опорное значение Ct таким образом, чтобы оно всегда соответствовало этому содержанию, что исключает применение в случае сточных вод, в которых содержание загрязняющих веществ может изменяться в очень широких пределах.

В других способах используются линейные комбинации переменных характеристик на входе системы (аммоний, нитраты и др.) для вычисления регулирования расхода воздуха, которое должно применяться, как это описано в частности в заявке WO 93/07089 на изобретение.

Однако эти способы основываются на эмпирических и полуэмпирических моделях. Используемые функции управления в основном определяются данными, полученными из предшествующей практики. Если модель больше не соответствует изменению характеристик биомассы или работы фильтра, аэрация уже не будет оптимальной.

Также были предложены системы управления с контуром регулирования, в котором используется обычная обратная связь и/или упреждающая обратная связь.

В соответствии с одним из способов, используемых в этих системах, некоторые авторы предлагают управлять концентрацией растворенного кислорода в биологическом реакторе, используя измерения содержания аммония на входе.

В соответствии с другим способом для прогнозирования необходимого изменения заданного значения (уставки) концентрации растворенного кислорода используются данные о содержании аммония, который необходимо обрабатывать. В настоящем изобретении не используется измерение концентрации растворенного кислорода, которая представляет только имеющийся кислорода, а не кислород, который необходим для биомассы.

В соответствии с другими способами регулирование аэрируемого объема основывается на секционировании реактора (а не на регулировании расхода газа или его скорости). Однако принципиально дискретный характер (дискретное изменение аэрируемого объема) такого способа является причиной того, что авторы изобретений всегда предусматривают в своих системах дублирующее регулирование растворенного кислорода.

В любом случае многие публикации основываются на результатах, полученных в результате моделирования (модель активного ила) или испытаний партий синтетической воды.

Практически очень немногие эксперименты проводились на опытных или промышленных установках. Кроме того, подавляющее большинство экспериментов проводилось для биологических реакторов с активным илом.

Целью настоящего изобретения является преодоление недостатков и/или несовершенства известных установок.

Более конкретно, целью изобретения является создание способа обработки воды с помощью биологического реактора, в котором нет разделения на секции и который содержит биомассу, аэрируемую непрерывно подаваемым воздухом, и управление подачей воздуха оптимизировано по сравнению с известными способами.

Для этого в предлагаемом в изобретении способе одновременно выполняются стадии нитрификации, денитрификации и снижения концентрации соединений углерода в одной и той же камере и в одно и то же время.

Другой целью изобретения является создание способа, который был бы эффективен при любых условиях, в том числе и таких, когда имеют место большие изменения во времени содержания загрязняющих веществ в воде, которая подлежит обработке.

Другой целью изобретения является создание способа регулируемого изменения управления подачей воздуха в зависимости от рабочих характеристик биомассы.

Другой целью изобретения является создание способа, обеспечивающего сравнительно быстрый возврат инвестиций и эксплуатационных затрат. Для достижения этой цели предлагаемый в изобретении способ не должен допускать существенного увеличения эксплуатационных расходов, вызванных ежедневными пиковыми увеличениями содержания загрязняющих веществ.

Другой целью изобретения является создание способа управления подачей воздуха, в котором отсутствует необходимость в измерении количества растворенного кислорода.

Еще одной целью изобретения является создание способа, который был бы прост для реализации.

Эти цели и другие, которые станут более понятными ниже, достигаются в предлагаемом в изобретении способе обработки воды, который обеспечивает выполнение процессов нитрификации и денитрификации, происходящих в одной и той же секции биологического реактора, для уменьшения содержания азотистых загрязняющих веществ (содержания на входе), имеющихся в воде, причем реактор содержит биомассу, аэрируемую подачей газа, обогащенного кислородом, и способ содержит по меньшей мере одну стадию регулирования скорости подаваемого газа и отличается тем, что подача газа является непрерывной, и что процессы нитрификации и денитрификации выполняются практически одновременно, причем способ содержит непрерывное измерение концентрации N-NH₄ (СV_EDD) в воде на входе в реактор, и эта концентрация измеряется и взвешивается со сдвигом по времени для получения закона регулирования скорости подаваемого газа как функции от времени.

Следует иметь в виду, что здесь под непрерывной подачей газа, насыщенного кислородом, понимается непрерывная подача, однако, с переменной скоростью.

Концентрация CV_EDD на входе может быть выражена следующим уравнением:

где Q - это скорость поступающего потока (здесь выражаемая в литрах в час), С_NH4 - измеренная концентрация поступающего в реактор аммония (в мг N-NH₄ на литр) и V_aerated - объем аэрируемого реактора (в м³).

Если несколько совершенно одинаковых реакторов работают параллельно, то объем аэрации равен произведению числа аэрируемых рабочих реакторов (nf) на площадь поверхности (S_u) и высоту (h_mat) одного реактора, то есть V_aerated=nf×S_u×h_mat и S=nf×S_u (общая поверхность всех аэрируемых реакторов).

Таким образом, предлагаемый в изобретении способ основывается на прямом измерении концентрации, которая используется в качестве входного параметра в математической модели для прогнозирования потребности в воздухе (или в более общем смысле, потребности в кислороде).

Таким образом, как это станет более ясным из нижеприведенного описания, предложен способ обработки, который обеспечивает более эффективное и более точное управление по сравнению с известными способами. Такое управление предполагает непрерывную подачу газа, но с изменением скорости подачи во времени, соответствующим потребностям биомассы, для обеспечения одновременного выполнения процессов нитрификации и денитрификации.

Этот сдвиг по времени (которое может быть переменным), с использованием которого взвешивается измерение концентрации на входе, может в частности учитывать соответствующее время доставки от точки измерения к зоне разложения загрязняющих соединений.

Этот сдвиг по времени, связанный с доставкой, в основном соответствует разнице между временем поступления воды в реактор и расчетным временем начала разложения аммония.

Этот сдвиг, обеспечивающий учет времени доставки, также учитывает время прохождения или среднее время нахождения в реакторе.

Как станет более ясно из дальнейшего изложения, одним из наиболее интересных результатов такого способа является то, что он может ограничить избыточную и или недостаточную аэрацию в течение ежедневных пиков концентрации загрязняющих соединений, которые обычно приводят к увеличению производственных расходов.

Предлагаемый в изобретении способ также обеспечивает быстрый возврат инвестиций (1-2 года) благодаря большой экономии производственных расходов.

Кроме того, предлагаемый в изобретении способ может быть применен в биофильтрах и в большинстве систем обработки воды, в частности в мембранных биореакторах, использующих активный ил, в системах с культурами, размещенными на неподвижных носителях (биофильтры), с псевдоожиженными слоями, в системах со смешанными культурами.

Таким образом, управление подачей газа может непрерывно корректироваться в зависимости от изменений концентрации на входе, величина которой измеряется непрерывно так, что может быть достигнута высокая эффективность обработки для различных загрязняющих веществ, и в особенности для загрязняющих веществ, концентрации которых изменяются со временем в очень широком диапазоне.

Ниже приводится подробное обоснование использования такого закона управления на основе определяемого тренда.

Целью алгоритма управления является установление связи между исходным содержанием N-NH₄ (в кг на один куб. м аэрируемого реактора в день), поступающего в биологический реактор, и расходом воздуха и, соответственно, скоростью подаваемого воздуха, причем исходное содержание N-NH₄ - это реальное содержание загрязняющего вещества, поступающего в реактор, или, иными словами, содержание, определяемое для смеси отстоявшейся воды и оборотной воды.

Эта переменная используется для одновременного учета изменений расхода и концентрации.

Она также является параметром конструкции для промышленных установок.

Установлено, что количество фактически удаляемых загрязняющих веществ за сутки для заданного расхода воздуха является постоянным. Это предположение подтверждается анализом результатов нескольких экспериментов для воды буферного резервуара при постоянном расходе воздуха.

В процессе экспериментов концентрация аммония и поступающий поток изменяются таким образом, что количество поступающих загрязняющих веществ остается постоянным.

Эти эксперименты показывают, что после переходной фазы количество удаляемого N-NH₄ возвращается к постоянному уровню с расходом воздуха, являющимся единственным неизменяющимся параметром.

Это отчетливо видно на графике, представленном на фигуре 1, где показано изменение во времени следующих величин:

- содержания 11 загрязняющих веществ на входе;

- количества 12 удаленных загрязняющих веществ;

- содержания 13 загрязняющих веществ на выходе.

Для того чтобы получить зависимость между количеством удаленных загрязняющих веществ и скоростью подаваемого воздуха, необходимо учесть время доставки в реакторе или среднее время нахождения Tg (среднее время доставки частиц жидкости в рассматриваемом реакторе). На практике параметр Tg получают путем анализа коэффициента взаимной корреляции, устанавливающего взаимозависимость между концентрацией разбавленной отфильтрованной воды (отфильтрованная вода + оборотная вода) и используемым в способе измерением параметров на выходе.

В соответствии с вышеприведенными установленными фактами количество удаленных загрязняющих веществ для постоянного расхода воздуха является постоянным, и если поток воды, подаваемый в реактор, зафиксирован на каком-то уровне, то в результате будет получено постоянное уменьшение содержания N-NH₄ (разность между концентрациями на входе и выходе).

Таким образом, концентрация аммония является в этом случае функцией концентрации на входе после разбавления воды:

где Cst - константа, которая может быть определена, например, измерением.

Кроме того, коэффициент взаимной корреляции является максимальным для стадии n, соответствующей временному сдвигу Tg=nТе (где Те - это период выборки).

Количество удаленных загрязняющих веществ вычисляется с использованием экстраполяции для разности между содержанием на входе и содержанием на выходе и в этом случае используется задержка, равная Tg. Затем скорость потока воздуха в момент времени t может быть записана как функция удаленного количества загрязняющих веществ, вычисленного на этот же момент времени (см. фигуру 2, кривая (F(t)).

Тем не менее в этом способе не учитывается фактическое время, когда разбавленная отфильтрованная вода поступает в реактор, и время, когда начинается разложение аммония, причем этот временной сдвиг связан с доставкой от точки измерения в зону, в которой происходит разложение.

Аналогично, в нем не учитывается изменение аэрации, которое возможно не оказывает немедленного влияния на гидравлические характеристики системы.

Все эти процессы влияют на дисперсию величин (как показано на фигуре 2 в случае биофильтра), и в результате неопределенность скорости подаваемого воздуха достигает ±15% для 7 норм. м³/час. Поэтому еще одна особенность изобретения относится к применению функции H(s) задержки фазы, которая позволяет корректировать эти неточности и обеспечивает получение ожидаемой линейности (как показано на кривой H(t)·F(t) на фигуре 2).

Таким образом, количество (Cv_e) удаленных загрязняющих веществ равно разности свертки H(t) (обратное преобразование Лапласа функции H(s) задержки фазы) содержания (CV_EDD) на входе и содержания (Cv_e) на выходе.

Далее, известно, что использование моделей с эмпирическими параметрами не дает точной картины, и поэтому возникают проблемы при реализации промышленных установок.

Получение значений, необходимых для установок параметров, не всегда совместимо с приоритетами, существующими при эксплуатации установки по обработке воды.

Поэтому в настоящем изобретении предлагается способ расчета предварительных установок параметров.

Это было продемонстрировано путем проверки модели, заключающейся в сравнении полученной эмпирической зависимости с теоретической зависимостью для преодоления проблем реализации промышленной установки.

Полученная эмпирическая зависимость зависит от расчета теоретической потребности в кислороде, соответствующей нитрификации и удалению углерода. Необходимое количество О₂ определяется с помощью следующих известных уравнений:

Нитрификация: B.O₂NH₄=4,57 × масса удаленного N-NH₄

Денитрификация: В.O₂NO₃=-2,86 × (масса удаленного N-NH₄ - масса произведенного NO₃)

Углерод: B.O₂COD=0,90 × масса удаленных циклооктадиенов (ЦОД).

Таким образом, необходимое количество кислорода для биологического реактора представляет собой сумму предыдущих количеств необходимого кислорода. Потребность в воздухе определяется из полученного количества необходимого кислорода. Имеется зависимость между ними и эффективностью переноса, величина которой уменьшается вместе со скоростью потока подаваемого воздуха. На фигуре 3 представлен график сравнения необходимого количества 32 воздуха, полученного экспериментально, и вычисленного теоретически необходимого количества 31 воздуха для биофильтра. Из графика видно, что необходимое количество воздуха, определенное теоретически, хорошо согласуется с необходимым количеством воздуха, полученным экспериментально. Потому имеется теоретическая база для получения требуемых параметров для промышленной установки.

В более общем смысле могут использоваться любые математические выражения, использующие комбинации передаточных функций идеальных реакторов, поэтому в других возможных вариантах реализации изобретения могут использоваться функции задержки фазы других типов.

Например, эта функция может иметь форму передаточной функции для четырех реакторов RPA, то есть n=4.

В одном из вариантов реализации изобретения используется по меньшей мере одна стадия для измерения содержания на выходе (Cv_s) и/или концентрации растворенного аммония, содержащегося в обработанной воде.

В этом случае измерение содержания на выходе (Cv_s) предпочтительно используется для корректировки заданной величины в соответствии со следующим уравнением:

где

причем сигнал e(t) определяется следующим образом:

где h_mat - высота биомассы в реакторе, S - площадь поверхности реактора(ов) и произведение h_mat и S представляет аэрируемый объем биологического реактора.

Эта формула выведена из формулы определения содержания, причем е (t) в этой формуле представляет разницу концентраций между заданным значением [NH₄]_setvalue(t) и измерением содержания [NH₄]_s(t) на выходе.

Настоящее изобретение обеспечивает непрерывную коррекцию модели прогнозирования, используя этот тип системы с обратной связью так, что она всегда соответствует реальным условиям.

Таким образом, ошибки в модели кривой тренда или возмущения, которые невозможно измерить, могут быть скомпенсированы за счет введения дополнительно члена обратной связи. Может быть использован замкнутый контур с кривой тренда для получения лучших результатов по сравнению с результатами, получаемыми с регуляторами, использующими только обратную связь или только упреждающую обратную связь.

Поэтому одной из отличительных особенностей обратной связи является оценка ошибки.

Она не является только разностью между измерением растворенного аммония на выходе и заданной величиной (обозначенной e(t)), а представляет разность между содержанием на выходе и заданным содержанием (обозначенным error(t)).

Хотя между e(t) и error(t) имеется связь, однако, между этими двумя параметрами существует принципиальная разница.

В соответствии с первым вариантом реализации изобретения указанное измерение содержания (Cv_s) на выходе и/или концентрации растворенного аммония в обработанной воде осуществляется непрерывно.

Регулятор учитывает в неявном виде изменения поступающего потока при определении действия, которое должно быть выполнено.

В соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения способ содержит стадию преобразования сигнала e(t), которая выполняется в соответствии с нижеприведенной логикой:

- если е>0, то f(e)=е

- если е≤0, то f(e)=1-exp(-k, е), где k>0.

Следует иметь в виду, что параметр k обеспечивает сглаживание интенсивности преобразования сигнала.

Таким образом, использование преобразования сигнала e(t) представляет собой усовершенствование способа. Концентрация аммония на выходе не является строго линейной функцией расхода газа, поскольку она ограничена нулевым значением. Например, если заданное значение равно 2 мг N-NН₄/л, то расхождение между измеренным и заданным значениями может учитывать величины только в интервале [-2, +^∞[, и в этом случае имеет место нежелательная асимметрия интервала регулирования.

Поэтому такое преобразование может учитывать указанную асимметрию.

Такое преобразование является средством усиления реакции регулятора, когда он приближается к нижней границе диапазона.

Если заданное значение равно 2 мг N-NH₄/л, то ошибка в этом случае будет находиться в диапазоне [-6,4, +^∞[, если k=1.

Таким образом, эффект насыщения ослабляется за счет незначительного снижения устойчивости системы, связанного с увеличением усиления в этом рабочем режиме.

Могут быть предложены и другие преобразования, такие как f(x)=х², которые могли бы обеспечить незначительное изменение управления при приближении к заданному значению и большее изменение по мере того, как увеличивается отклонение от заданного значения.

Наконец, использование контура регулирования с обратной связью или с упреждающей обратной связью обеспечивает повышение надежности, поскольку управление определяется комбинацией нескольких сигналов. Если отсутствует какая-то информация, то другая информация может обеспечить регулирование, хотя характеристики регулирования при этом могут ухудшиться.

Изобретение также относится к установкам, в которых используется способ обработки воды, включая фазы нитрификации и денитрификации в одной и той же секции биологического реактора, как было описано выше, причем реактор, в котором имеется биомасса, аэрируемая подаваемым воздухом, и устройство регулирования скорости подаваемого воздуха отличается тем, что он содержит:

- устройство непрерывного измерения содержания веществ на входе;

- устройство установки заданного значения для содержания на выходе и/или концентрации (Cv_setvalue) на выходе;

- вычислительное устройство, предназначенное для воздействия на устройство регулирования в соответствии с алгоритмом управления, в котором осуществляется взвешивание измеренного значения содержания на входе, в частности с использованием временного сдвига, для получения закона управления скоростью подаваемого воздуха как функции от времени, причем подача воздуха осуществляется непрерывно и процессы нитрификации и денитрификации выполняются практически одновременно.

Вычислительное устройство может предусматривать использование программных средств.

Следует также отметить, что в предлагаемом в изобретении способе и устройстве не используются измерения растворенного кислорода или заданные значения для достижения указанных целей.

В соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения установка содержит контур с положительной обратной связью, содержащий устройство измерения содержания (Cv_s) на выходе и/или концентрации растворенного аммония, содержащегося в обработанной воде, и устройство сравнения содержания на выходе с заданным значением содержания на выходе.

В этом случае устройство сравнения предпочтительно относится к вычислительному устройству для обеспечения коррекции заданных значений алгоритма управления.

Другие отличительные признаки и достоинства изобретения станут более понятными из нижеприведенного описания предпочтительного варианта реализации изобретения, который используется лишь в целях иллюстративного примера, не ограничивающего объем изобретения, а также из прилагаемых фигур, на которых показано:

фигура 1 - график изменений концентрации аммония при постоянном содержании в воде буферного резервуара;

фигура 2 - две записи скорости воздуха как функции расчетного количества удаленных загрязняющих веществ для биофильтра;

фигура 3 - график, иллюстрирующий различие полученных экспериментально и вычисленных значений расхода воздуха, который необходим для биофильтра;

фигура 4 - схематический вид опытной установки в соответствии с изобретением;

фигура 5 - схематический вид блока регулирования с контурами обратной связи и упреждающей обратной связи в соответствии с изобретением;

фигура 6 - графики, полученные для предлагаемого в изобретении способа, с постоянным поступающим потоком и постоянной кратностью рециркуляции;

фигура 7 - графики, полученные для предлагаемого в изобретении способа, с переменным поступающим потоком и постоянной кратностью рециркуляции;

фигура 8 - графики, полученные для предлагаемого в изобретении способа, с переменным поступающим потоком и переменной кратностью рециркуляции.

Эффективность предлагаемого в изобретении способа иллюстрируется материалами испытаний, проведенных на опытной установке, схема которой представлена на фигуре 4.

Как можно видеть, эта установка содержит две колонны из плексигласа, имеющие высоту 5 м и внутренний диаметр 29 см. Высота материала (h_mat), используемого для одновременного выполнения процессов нитрификации и денитрификации (NDN), составляет 2,75 м, и средний диаметр используемых шариков равен 3,34 мм ± 0,19 мм.

Загрязненная вода, подлежащая обработке, поступает из городской водопроводной сети, причем сначала вода отстаивается (многослойный отстойный резервуар) под действием силы тяжести перед подачей в буферный резервуар 42 емкостью 30 л, в котором осуществляется непрерывное перемешивание. Затем загрязненная вода подается двумя насосами Seepex в две колонны, находящиеся под давлением. Максимальное падение напора при этом составляет 2,40 mCe.

Часть 43 обработанной воды подается в опытную установку для повторного использования в процессах нитрификации и денитрификации. Эта вода смешивается с загрязненной водой, поступающей в колонны, находящиеся под давлением. Два насоса Seepex используются для рециркуляции требуемых потоков.

Обработанная вода 44, поступающая из двух колонн, после отбора части воды для рециркуляции смешивается в общем резервуаре объемом 10 л, из которого берутся пробы для анализа. В такой конфигурации опытная установка действует как станция очистки, содержащая две фильтрационные секции. Таким образом, обработка гомогенизируется и измерения на проходе резервируются.

Два воздушных коллектора (не показаны), размещенные на 20 см ниже нижних частей колонн, используются для непрерывного пропускания технологического воздуха с переменной скоростью через реактор, и два других отверстия в нижней части каждой колонны используются для подачи воздуха для чистки колонн. Подача воздуха для указанных целей обеспечивается из магистрали сжатого воздуха.

Содержание загрязняющих веществ в экспериментах, рассчитанное для всего материала, находилось в диапазоне 0,3-0,6 кг N-NH₄/м³/день, и среднее значение составляло 0,45 кг N-NH₄/м³/дeнь. Соответствующая средняя скорость поступающей воды V_water равна 1,2 м/час для средней кратности рециркуляции 125%. Эта кратность отличается от используемой при обычном выполнении процессов NDN (то есть в реакторе с зоной аэрации и зоной, в которой аэрация отсутствует), поскольку эффективности различаются.

Характеристики работы установки, в которой реализован предлагаемый в изобретении способ, показаны на трех примерах; первый пример (фигура 6) иллюстрирует эффективность регулирования с постоянным потоком и постоянной кратностью рециркуляции. Второй пример (фигура 7) иллюстрирует характеристики регулирования с переменным потоком и постоянной кратностью рециркуляции. И третий пример (фигура 8) представляет результаты, полученные для переменного потока и переменной кратности рециркуляции.

Результаты, представленные на фигуре 6, показывают, что проблему ежедневных пиков содержания загрязняющих веществ можно решить, прогнозируя необходимый расход воздуха. В этом случае в отличие от известных систем не возникает зон с недостаточной или с избыточной аэрацией. Поэтому не происходит ухудшения условий выполнения денитрификации для того, чтобы эффективно выполнить процесс нитрификации, поскольку управление аэрацией обеспечивает постоянство концентрации аммония в течение суток.

Можно видеть, что управление в соответствии с изобретением обеспечивает точность, и в нем прогнозируется пиковое содержание в режиме переменного поступающего потока (фигура 7) за исключением кратковременного интервала, в котором содержание имеет такую величину, что достигается предельное значение скорости подачи воздуха. Аэрация была уменьшена так, что она не превышала 15 норм. м³/час, что является типичной величиной для большей части таких установок.

Наконец, при использовании в режиме переменного поступающего потока и переменных кратностей рециркуляции (фигура 8), который нетипичен для промышленных установок, результаты ухудшаются, но все-таки они лучше, чем в известных установках.

Эти результаты получены при использовании блока регулирования, схема которого представлена на фигуре 5 и который выполнен в соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения.

Как можно видеть, вода 51, которая подлежит обработке и содержит некоторое количество загрязняющих веществ, направляется в биологический реактор 52 со скоростью Q. Как уже было указано, в соответствии с основной идеей изобретения процессы нитрификации и денитрификации происходят в одной и той же секции реактора (реально реактор имеет только одну секцию), и указанные процессы происходят практически одновременно.

Измерения параметров воды, подлежащей обработке, осуществляются с использованием регулятора 53 с контуром упреждающей обратной связи, который в частности выполняет непрерывное измерение содержания загрязняющих веществ в интервале .

В этот регулятор поступает также информация о заданной величине содержания Cv_setvalue на выходе.

В другой регулятор 54 с контуром обратной связи поступает информация, в частности непрерывно измеряемая величина содержания C_VS на выходе.

В регулятор 54 поступает также информация о заданной величине содержания Cv_SETVALUE на выходе.

В качестве регулятора с контуром положительной обратной связи может использоваться регулятор типа PID (пропорционально-интегрально-дифференциальный) или типа PFC (функциональное управление с прогнозированием).

Кроме того, команда на выходе регулятора 54 определяется расчетом в соответствии со следующей формулой:

где

причем сигнал e(t) определяется следующим образом:

Для параметров, которые были указаны выше (Vwater = 1,2 м/час и hmat = 2,75 м), error (t) определяется следующим образом:

Изобретение относится к области обработки хозяйственно-бытовых или промышленных сточных вод. Процесс нитрификации/денитрификации поступающей воды 51 осуществляют в биологическом реакторе 52, без разделения на блоки, содержащем аэрируемую воздухом биомассу. Одновременно непрерывно измеряют концентрацию растворенного аммония на входе и на выходе, сравнивают данные значения с заданной величиной концентрации аммония на выходе. Скорость воздуха рассчитывают на основе этих данных в вычислительном устройстве и подают его в биологический реактор 52. Изобретение позволяет наиболее эффективно и точно управлять процессом обработки воды. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ обработки воды с одновременной нитрификацией/денитрификацией в одном и том же биологическом реакторе, содержащем аэрируемую воздухом биомассу, без разделения на блоки, чтобы уменьшить азотное загрязнение в воде, отличающийся тем, что он включает стадию регулирования скорости подаваемого воздуха, заключающуюся в:
прямом и непрерывном измерении концентрации N-NH₄(СV_EDD) на входе, имеющегося в воде;
вычислении скорости указанного введенного воздуха как функции концентрации N-NH₄ (СV_EDD) в воде на входе в реактор, причем эта концетрация измеряется и взвешивается со сдвигом по времени с учетом времени доставки от точки измерения к зоне разложения загрязняющих соединений, при этом сдвиг по времени соответствует разнице между временем поступления воды в реактор и расчетным временем начала разложения аммония;
вводе воздуха при расчетной скорости.

2. Способ обработки воды по п.1, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, одну стадию измерения концентрации растворенного аммония (Cv_s) на выходе, содержащегося в обработанной воде.

3. Способ обработки воды по п.2, отличающийся тем, что измерение содержания (Cv_s) на выходе предпочтительно используется для корректировки заданной величины в соответствии со следующим уравнением:
Cv_VETVALUE(t)-Cv_s=еrror(t)
где
причем сигнал e(t) определяется следующим образом:
e(t)=[NH₄]_SETVALUE(t)-[NH₄]_s, (t),
где h_mat - высота биомассы в реакторе, S - площадь поверхности реактора(ов), и произведение h_mat и S представляет аэрируемый объем биологического(их) реактора(ов).

4. Способ обработки воды по п.2 или 3, отличающийся тем, что измерение концентрации растворенного аммония (Cv_s) на выходе, содержащегося в обработанной воде, осуществляется непрерывно.

5. Способ обработки воды по п.2 или 3, отличающийся тем, что он содержит стадию преобразования сигнала e(t), выполняемого в соответствии со следующей логикой:
если е>0, f(e)=e
если е≤0, то f(e)=1-exp(-k,e), где k>0.

6. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее, по меньшей мере, один реактор, в котором имеется биомасса, аэрируемая подаваемым воздухом, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит:
устройство регулирования скорости подаваемого воздуха;
устройство непрерывного измерения концентрации N-NH₄ (СV_EDD) на входе;
устройство установки заданного значения концентрации аммония (Cv_setvalue) на выходе;
вычислительное устройство, предназначенное для вычисления скорости воздуха и воздействия на устройство регулирования скорости подаваемого воздуха, в котором осуществляется взвешивание измеренного значения концентрации N-NH₄ (СV_EDD) на входе в реактор со сдвигом по времени, с учетом времени доставки от точки измерения к зоне разложения загрязняющих соединений, при этом сдвиг по времени соответствует разнице между временем поступления воды в реактор и расчетным временем начала разложения аммония, и указанное вычислительное устройство соединено с устройством регулирования скорости подаваемого воздуха.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что оно содержит контур с положительной обратной связью, содержащий устройство измерения концентрации растворенного аммония (Cv_s) на выходе, содержащегося в обработанной воде, и устройство ее сравнения на выходе с заданным значением концентрации на выходе.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что устройство сравнения относится к вычислительному устройству для обеспечения коррекции заданного значения, используемого в алгоритме управления.