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水質信息計算處理裝置的製作方法

2023-11-10 04:10:27

專利名稱:水質信息計算處理裝置的製作方法
技術領域:
本發明涉及水質信息計算處理裝置,特別涉及為支持活性汙泥工藝的設計和運行,適於進行水質模擬用的水質信息計算處理裝置。
背景技術:
下水和工廠排水等汙水,事先用被稱為活性汙泥的微生物群所淨化,這種處理稱為活性汙泥工藝。現在運行的下水處理廠以活性汙泥工藝為主流,採用主要目的在於除去有機物的標準活性汙泥法。標準活性汙泥法,是使流入下水中的有機物在生物反應槽中被活性汙泥所攝取或者使之氧化分解後,在後端設置的最終沉澱池中使活性汙泥沉降後,放出上清液。
近年來,對封閉性水域中的氮和磷的總量提出限制,所以下水處理廠中引入了除去這些營養性鹽類的深度處理的方式。深度除去下水中氮和磷的處理方式,大體上分為物理化學法和生物學法。生物學法由於能夠將作為已有設施的標準活性汙泥法改造構築而成,所以不斷被下水處理廠所採用。標準活性汙泥法,由於向生物反應槽全體供給空氣,所以生物反應槽常常處於存在溶解氧的好氧狀態下。與此相比,所謂利用生物學氮、磷除去機溝的下水深度處理,是指使生物反應槽處於不存在溶解氧的厭氧狀態下,與好氧狀態組合除去磷、除去氮的方法。
生物學除氮由好氧狀態下的硝化工序與無氧狀態下的脫氮工序構成。一般而言,將進行硝化反應的細菌稱為硝化菌或自養菌(以下稱為自養菌),並將進行脫氮反應的細菌稱為脫氮菌或異養菌(以下稱為異養菌)。生物學除磷,是利用厭氧狀態下的磷釋放工序和在好氧狀態下的過量磷攝取工序,來除去下水中磷的處理方法。因此,一般將具有進行過量磷攝取能力的細菌稱為磷積累菌。
這種下水的深度處理,通過將與除去有機物、氮、磷有關的異養菌、自養菌、磷積累菌維持在適當的生存環境下可以發揮其性能。而且活性汙泥中各種微生物的生存環境,被流入條件和運行條件所顯著制約,與標準活性汙泥法相比,處理設施的設計和維護管理複雜。
但是,迄今為止尚沒有能夠計算和提示有關有機物、氮和磷之間複雜反應過程的方法,關於下水深度處理的設計和運行依賴於經驗和直覺。因此,常常發生不能預測目前尚無經歷的流入下水的水質和數量、生物反應槽結構和運行條件的事件,因而存在逐件研究對策的問題。
另一方面,有人提出了將生物反應模型化,利用數值模擬法評價活性汙泥過程特性的方法。作為生物反應模型的實例,在國外提出了由國際水協會(IWA)發表的活性汙泥模型ASM No.1(1986)、No.2(1995)、No.2d(1998)和No.3(1999)。作為除去氮和磷的模型,現在利用最多的是活性汙泥模型ASM No.2(以下稱為ASM-No2)和No.2d(ASM-No.2d)。但是這些活性汙泥模型,是用數學法描述生物反應的結構,未能提供模擬軟體。而且在特開2000-167585號公報和特開2002-1370號公報上,提出了通過採用生物模型的下水處理過程模擬儀計算水質的方法。
專利文獻1特開2000-167585號公報專利文獻2特開2002-1370號公報發明的公開發明要解決的課題已有技術中,在由國際水協會(IWA)發表的活性汙泥模型ASM-No2和ASM-No.2d中,硝化、脫氮、磷釋放、磷攝取、有機物分解、菌體增殖和自分解等反應過程的反應速度,可以分別用異養菌、自養菌、磷積累菌的濃度計算。因此,為了正確計算上述反應過程的反應速度,必須掌握活性汙泥中異養菌、自養菌、磷積累菌的濃度。在國際水協會的活性汙泥模型中,利用基於重鉻酸鉀的COD(化學需氧量,以下略記為CODcr)、呼吸速度和反應速度,表示異養菌、自養菌、磷積累菌的濃度。單位為gCOD/m3。但是,若要計算呼吸速度和反應速度,不僅需要特殊的儀器和技術,而且還需要抑制其他反應所需的各種前處理,因而存在不能輕易在處理場所實施的問題。其中所述的前處理,例如在測定異養菌的呼吸速度之際,是對硝化反應的抑制處理。
另一方面在下水處理廠中,日常的汙泥管理是藉助於反應槽內的汙泥濃度(MLSS)(單位mg/L)進行的。其理由是因為利用手工分析和自動計測儀器能夠容易得出MLSS的緣故。MLSS的手工測定,是用濾紙過濾反應槽內的混合液,乾燥殘留在濾紙上的固形物,測量該固形物的重量這一簡單方法進行的,所以可以在日常進行。而且隨著MLSS自動計測儀器的性能提高,處理廠往往利用MLSS計進行連續測定。在下水處理廠中,例如SRT(固形物滯留時間,單位日)、A-SRT(好氧固形物滯留時間,單位日)和SVI(汙泥容量指標,單位mL/gSS)等管理指標,全部是以MLSS作為基準的。其中,所述的SRT是指活性汙泥以剩餘汙泥形式收回之前的平均滯留時間,所述的SVI是指基於SV30(汙泥容量,單位%)以1克汙泥所佔的容量毫升數表示的指標。所述的SV30(%)表示將生物反應槽內的混合液注入1升量筒中,靜置30分鐘後以百分數表示的沉降的汙泥量。在最終沉澱池中汙泥的沉降狀況,可以用SV30或者SVI來管理。SVI越大汙泥的沉降性能越差,未沉降的汙泥與處理水一起向體系外流出。SVI是一項重要的指標,其定義示於下式。
SVI(mL/gSS)=SV30(%)×0.01×1000(mL)/(MLSS(mg/L)×1(L)×0.001)…(1)但是正如國際水協會的活性汙泥模型那樣,一旦採用gCOD/m3表示異養菌、自養菌、磷積累菌的濃度,由於不能計算MLSS(mg/L),所以不能計算提示作為管理指標的SRT、A-SRT和SVI。
而且在低水溫時,為了提高自養菌在系統內的保持時間必須增大A-SRT,為此必須提高MLSS。另一方面,一旦提高MLSS由於空氣量增加,所以從能量節省的觀點來看希望保持低水平。若要適當管理這種相反的條件,必須要求能夠維持A-SRT的最低MLSS值。此外,MLSS除了用在處理過程的維持管理中,還可以作為反應罐容量設計因素使用。因此,對於活性汙泥工藝過程來說,MLSS是不可缺少的必要指標。所以用MLSS表示活性汙泥儘管非常重要,但是卻存在不能用國際水協會的活性汙泥模型表示的這一課題。
而且就這些問題而言,在已有的下水處理模擬器中,與國際水協會的活性汙泥模型同樣,為了用gCOD/m3表示微生物濃度,卻不能表示MLSS,因而不能解決上述課題。

發明內容
於是本發明目的在於克服上述已有技術中的問題,為了以MLSS為基準來定義汙泥中的微生物濃度和惰性固形物濃度,反映生物模型,支援滿足目標處理條件的適當的生物反應槽的土木結構、曝氣條件、計測器裝備和運行條件。
為了達成上述目的,本發明構成為,具有輸入反應槽內的汙泥濃度信息的機構,和根據汙泥濃度信息計算微生物濃度信息和惰性固形物濃度信息的機構。
或者說,為了支援活性汙泥工藝的設計和運行,是進行水質模擬的活性汙泥工藝過程的一種模擬系統,其特徵在於具有設定流入水的水量和水質的流入條件設定機構,設定處理過程的尺寸和生物反應槽的分割用的土木結構設定機構,設定MLSS的機構,設定該MLSS中惰性固形物濃度的機構,由MLSS和所述的惰性固形物濃度計算微生物濃度的機構,計算MLSS中自養菌濃度的機構,計算MLSS中磷積累菌濃度的機構,計算MLSS中異養菌濃度的機構,設定處理過程運行條件的機構,輸入最終沉澱池的汙泥沉降指標的SVI設定機構,計算生物反應槽、最終沉澱池的處理水和返送汙泥的水質和汙泥濃度的模型計算機構,容納用所述的模型計算機構計算的水質數據和汙泥濃度的資料庫,從所述的資料庫取出水質數據和汙泥濃度的數據編輯機構,和數據顯示機構。
而且其特徵在於所述的微生物濃度計算機構具有基於MLSS與惰性固形物濃度之差計算微生物濃度的機構。
而且其特徵在於所述的自養菌濃度計算機構具有利用A-SRT計算自養菌濃度的機構。
此外,其特徵在於所述的磷積累菌濃度計算機構,具有利用MLSS中磷濃度、惰性固形物中磷濃度和微生物中磷濃度計算磷積累菌濃度的機構。
而且其特徵在於所述的異養菌濃度計算機構,具有基於微生物濃度與自養菌濃度和磷積累菌濃度差計算異養菌濃度的機構。
而且其特徵在於所述的模型計算機構,具有計算生物反應的生物模型計算機構、計算流體的輸送模型的計算機構、和計算曝氣裝置的溶解氧供給能力的溶解氧模型計算機構。
此外其特徵在於所述的生物模型計算機構,具有計算MLSS的時間變化的機構。
而且其特徵在於所述的輸送模型計算機構,具有用所述的SVI設定機構設定的SVI表示最終沉澱池的汙泥沉速度的機構,和計算返送汙泥濃度和剩餘汙泥濃度的機構。
而且其特徵在於所述的數據編輯的機構,具有利用由所述的生物模型計算機構計算的MLSS、和由所述的輸送模型計算機構計算的返送汙泥濃度和剩餘汙泥濃度,計算單位時間的反應槽汙泥質量、返送汙泥質量和剩餘汙泥質量的機構;和計算SRT的機構。
若談到上述構成的效果,則混合液的浮遊物質由進行生物反應的微生物和與生物反應無關的惰性固形物組成。因此,通過用表示反應槽的活性汙泥濃度的MLSS定義異養菌、自養菌和磷積累菌,不僅能計算處理水質,而且還能計算反應後的MLSS、返送汙泥濃度和剩餘汙泥濃度。而且利用返送汙泥濃度和剩餘汙泥濃度,也能計算每單位時間的返送汙泥質量和剩餘汙泥質量。此外,利用MLSS、反應槽容積和單位時間的剩餘汙泥質量,能夠計算出SRT和A-SRT。
而且能夠提示可以滿足流入水量、流入水質、季節、運行條件變動時和處理水質的MLSS,並支援過程的維持管理。
因此,通過不僅像已有技術那樣計算放出水的水質,而且還像本發明那樣計算MLSS,能夠提示土木、機械、計測器裝備、汙泥狀況的綜合情況,而且還能提高汙濁物質的除去性能,容易進行最佳化設計和最佳化運行。
綜上所述,按照本發明,能夠支援滿足目標處理水條件的適當的生物反應槽的土木結構、曝氣條件、計測器裝備、運行條件等。


圖1是表示本發明活性汙泥工藝中一種模擬系統實施例的結構圖。
圖2是表示本發明中自養菌濃度計算機構的實施例。
圖3是表示本發明中磷積累菌濃度計算機構的實施例。
圖4是表示本發明中生物模型計算機構的實施例。
圖5是表示本發明一實施例的模擬順序的流程圖。
圖6是表示本發明中設定MLSS的畫面實例。
圖7是表示本發明中係數設定裝置的畫面實例。
圖8是表示本發明的汙泥成漿速度的實施例。
圖9是表示本發明汙泥濃度計算結果的實施例。
圖10是表示本發明汙泥質量計算結果的實施例。
圖11是表示本發明維持管理的實施例。
符號的說明1…生物反應槽;2…最終沉澱池;3…流入水;4…返送泵;5…返送汙泥管;6…剩餘泵;7…剩餘汙泥管;8…循環泵;9…循環汙泥管;10…放流管;11…鼓風機;12…送風管;13…送風裝置;14…開關閥門;16…溶解氧濃度(DO)計;17…MLSS計;20…模擬器;30…數據設定裝置;31…流入條件設定機構;32…土木結構設定機構;33…運轉條件設定機構;34…MLSS初期數值設定機構;35…惰性固形物濃度設定機構;36…SVI設定機構;40…微生物濃度計算裝置;41…微生物濃度計算機構;42…自養菌濃度計算機構;43…磷積累菌濃度計算機構;44…異養菌濃度計算機構;50…模型計算裝置;51…生物模型計算機構;52…輸送模型計算機構;53…溶解氧模型計算機構;60…數據編輯機構;65…係數設定裝置;70…輸入裝置;71…鍵盤;72…滑鼠;73…監視器;80…工廠輸入機構;90…資料庫。
發明的最佳實施方式圖1是採用本發明模擬活性汙泥工藝的一個實施例。
圖1中,說明由厭氧槽1a、無氧槽1b和好氧槽1c構成的三槽生物反應槽1,和從好氧槽1c向無氧槽1b循環的厭氧-無氧-好氧法。流入汙水在沉沙池(圖中未示出)中沉降除去土沙和垃圾等大的固形物後,流入最初沉澱池(未圖示)。在最初沉澱池中沉澱除去固形物,將含有有機物、氨性氮和磷等的上清液作為流入水3被送入生物反應槽1中。在生物反應槽1中流入來自最初沉澱池的流入水3和來自返送汙泥管5的返送汙泥(活性汙泥),在其中進行攪拌混合。另一方面,經由送氣管12和送氣裝置13,將來自鼓風機11的空氣送入生物反應槽1中。進而利用循環泵8使汙泥經過汙泥循環管9在生物反應槽1中從好氧槽1c向無氧槽1b循環。其中好氧槽1a中溶解氧(DO)和硝酸氮(NO3)均不存在的狀態,主要進行磷(PO4-P)的放出反應。
在厭氧槽1a中,活性汙泥將儲藏在體內的磷水解後排放到下水中。而且活性汙泥在放出磷的同時吸附有機物儲藏在菌體內。通過這種生物反應,厭氧槽1a中磷增加,有機物減少。
從厭氧槽1a流出的下水和返送汙泥的混合水及來自好氧槽1c內的循環水流入無氧槽1b中,可以利用機械攪拌設備(圖中未示出)攪拌混合。硝酸性氮(NO3)自好氧槽1c在無氧槽1b循環,而且處於不存在溶解氧的環境,硝酸性氮被還原後以氮氣(N2)形式被放入大氣中。將其稱為脫氮反應。
事先在好氧槽1c的底部設置送氣裝置(散氣裝置13),自鼓風機11經由送氣管(空氣管)12被輸送的空氣,經送氣裝置(散氣裝置)13散氣,對好氧槽1c內的由下水和活性汙泥組成的混合液進行攪拌的同時供給氧。在送氣管(空氣管)12上設置的開關閥門14,能調節送入好氧槽中的風量。鼓風機11根據輸送事先設定的風量的控制方式,以及按照被設置在好氧槽1c上的溶解氧濃度(DO)計16的數值維持在預定數值的方式送風的控制方式運轉。好氧槽1c內混合液的汙濁物質,在因供給氧而活化的活性汙泥作用下得到處理。例如,活性汙泥吸附有機物,吸收了供給空氣中的氧將有機物氧化氧化分解,轉變成二氧化碳和水。而且磷在好氧條件下被儲藏在活性汙泥中的菌體內,在厭氧槽1a放出後、被攝取,比流入下水中的濃度減少。而且氨性氮被氧化成硝酸性氮。將其稱為硝化反應。這些有機物、磷、氨性氮等汙濁物質中的一部分,也被利用於活性汙泥的增殖。MLSS計17測量生物反應槽內的混合液濃度,用於汙泥管理。
將經過這樣生物反應後的處理水導入最終沉澱池2中。使活性汙泥在最終沉澱池2中產生重力沉降,上清液經氯消毒後經放出管10放出。利用返送泵4經由返送汙泥管5將最終沉澱池2中的一部分沉降汙泥送入生物反應槽1中,其餘的汙泥利用剩餘泵6經由剩餘汙泥管7向系統之外排出。通過對返送汙泥量的控制,和對返送汙泥量和流入下水量比率的控制,返送泵4進行運轉。通過對循環液量的控制,和循環液量與流入下水量比率的控制,循環泵8進行運轉。通過對剩餘汙泥量的控制,和剩餘汙泥量與流入下水量比率的控制,剩餘泵6進行運轉。
以上說明了以厭氧-無氧-好氧法作為對象的模擬器20的構成,以下繼續用圖1進行說明。
模擬器20由數據設定裝置30、微生物濃度計算裝置40(這裡所述的微生物濃度信息表示包括微生物濃度的、與微生物濃度實質上具有相同數值的信息。)、模型計算裝置50、數據編輯機構60、係數設定裝置65、輸入輸出裝置70和資料庫90所構成。以下就適於工廠設計用的實例進行說明。數據設定裝置30,利用鍵盤71或滑鼠72輸入模擬所需的數據,由監視器73顯示。流入條件設定機構31對流入汙水量、流入水質的濃度和水溫進行設定。這裡所述的水質是指例如有機物(易分解性和難分解性)、氨性氮、總氮、磷、懸浮物濃度、鹼度、溶解氧、硝酸性氮等。數據既可以是利用工廠輸入機構80輸入的工廠24小時實測數據,也可以是用日平均值與24小時波動圖案製成的24小時數據,還可以是經過24小時內的一定數值。土木結構設定機構32,對生物反應槽和最終沉澱池的有效寬度、有效長度和有效水深的尺寸數據進行設定,對生物反應槽的槽內分割和配管進行設定。所述的配管設定,在本實施例中例如是對循環汙泥管9、送氣管(空氣管)12和返送汙泥管5的設置狀況進行設定。運轉條件設定機構33,設定自鼓風機11向生物反應槽1的送風量、自好氧槽1c向無氧槽1b循環的汙泥量、自沉澱池2向厭氧槽1a返送的汙泥量、和剩餘汙泥量等運轉條件。
MLSS初期值設定機構34,將設定經手工分析或MLSS計測定的生物反應槽MLSS(其中所述的汙泥濃度信息是指包括汙泥濃度的,與汙泥濃度具有實質上相同數值的信息。)。
惰性固形物濃度設定機構35,對MLSS中不參與生物反應的惰性固形物濃度進行設定(這裡所述的惰性固形物濃度信息是指包括惰性固形物濃度的,與惰性固形物濃度具有實質上相同數值的信息。)。在通常的活性汙泥工藝中,這種惰性固形物雖然主要是流入水中的無機物和微生物自分解時的生成物,但是當添加凝聚劑等化學藥品的活性汙泥工藝的情況下,因化學反應而生成的鹽類將會變成惰性固形物。微生物自分解時雖然可以說將生成大約10%的惰性不溶物,但是既可以參考這一點定義惰性不溶物濃度,也可以設定由實際數據解析和實驗得到的結果。作為一種惰性不溶物濃度設定機構35的實例,可以舉出式(2)所示的計算實例,添加了含鋁凝聚劑(例如硫酸鋁,PAC)的工藝中惰性固形物濃度的計算實例。
惰性固形物濃度(mg/L)=fAl(gAl/gSS)×fss_Al(gSS/gAl)×MLSS(mg/L)…(3)式中,fAl是與SS相當的Al含量;fss_Al是與Al相當的固形物發生量。
與SS(汙泥固形物量)相當的Al含量,既可以參照汙泥分析值,也可以利用由凝聚劑的注入率得到的工作曲線來設定。而且與Al相當的固形物發生量fss_Al,因凝聚劑的種類而異,既可以參考文獻值,也可以是實驗得到的實測值。此外,下水處理廠一般採用的凝聚劑有鋁(Al)和鐵(Fe)鹽等。式(2)的實施例中,雖然表示的是使用了含鋁(Al)凝聚劑的實例,但是採用像硫酸亞鐵和氯化鐵溶液之類含鐵凝聚劑的情況下也能同樣設定。
SVI設定機構36將設定根據手工分析測定的SVI。
由這種數據設定裝置30設定的模擬條件被儲存在資料庫90之中。而且在監視器73上以曲線等形式顯示設定的內容。
微生物濃度計算裝置40,基於資料庫90的模擬條件,利用微生物濃度計算機構41、自養菌濃度計算機構42、磷積累菌濃度計算機構43和異養菌濃度計算機構44對與生物反應有關的微生物濃度的初期值進行計算,將計算結果儲存在資料庫90中。
微生物濃度計算機構41,利用由MLSS初期值設定機構34設定的MLSS,和由惰性固形物濃度設定機構35設定的惰性固形物濃度,對MLSS中的進行生物反應的微生物濃度進行設定。微生物濃度可以由式(3)得到。
微生物濃度(mg/L)=MLSS(mg/L)-惰性固形物濃度(mg/L)…(3)自養菌濃度計算機構42,例如利用由式(3)得到的微生物濃度,藉助於式(4)計算自養菌濃度。
自養菌濃度(mg/L)=(A-SRT實績/θXA)×φ(gSS/gSS)×微生物濃度(mg/L) …(4)式中,φ與微生物相當的最大自養菌量(gSS/gSS)θXA硝化所需的A-SRT(日)而且作為自養菌硝化所需的A-SRT的θXA,既可以根據下水道設計圖和設計思想利用式(5)計算,也可以依靠實驗確定。
θXA=δ×20.6×exp(-0.0627×T)…(5)式中,T水溫δ對流入水T-N波動的補正係數以下利用圖2說明自養菌濃度計算機構42的計算流程。
圖2是自養菌濃度計算機構42的計算流程的一個實例。步驟S1中,利用由流入條件設定機構31設定的水溫和式(5),計算硝化所需的A-SRT。步驟S2中,基於由MLSS初期值設定機構34得到的MLSS,由土木結構設定機構32得到的反應槽容積、和由運轉條件設定機構33得到的剩餘汙泥量來計算A-SRT的實際值。步驟S3中,利用由式(3)得到的微生物濃度、在步驟S1中得到的硝化所需的A-SRT和步驟S2中得到的A-SRT實際值,藉助於式(4)計算自養菌濃度。
以下返回圖1說明磷積累菌濃度計算機構43。
磷積累菌濃度計算機構43,由MLSS所含的磷濃度、例如式(2)得到的惰性固形物濃度、和例如式(3)得到的微生物濃度,計算出磷積累菌濃度設定值。式(6)示出了一個實例。
磷積累菌濃度(mg/L)=(Sp(mgP/L)-Bp(mgP/L)-Ip(mgP/L))/fpp(gP/gSS) …(6)式中,fpp與磷積累菌相當的多磷酸含量(gP/gSS),而且在式(6)中,Sp、Bp和Ip能夠分別由式(7)、(8)和(9)定義。
Sp(mgP/L)=MLSS(mg/L)×fsp(gP/gSS) …(7)Bp(mgP/L)=微生物濃度(mg/L)×fxp(gP/gSS)…(8)Ip(mgP/L)=惰性固形物濃度(mg/L)×fip(gP/gSS)…(9)式中,Fsp與MLSS相當的P含量fxp與微生物相當的P含量fip與惰性固形物相當的P含量fsp、fxp、fip和fpp既可以參照文獻值,也可以採用實驗得到的實驗值。當然這些數值會因活性汙泥工藝不同而異。
以下利用圖32說明磷積累菌濃度計算機構43的計算流程。
圖3是磷積累菌濃度計算機構43計算流程的一個實例。步驟S11中,由MLSS初期值設定機構34得到的MLSS,利用式(7)計算MLSS所含的磷濃度。步驟S12中,由式(3)得到的微生物濃度,利用式(8)計算微生物所含的磷濃度。步驟S13中,由式(2)得到的惰性固形物濃度,利用式(9)計算惰性固形物所含的磷濃度。步驟S14中,由步驟S11得到的MLSS中所含的磷濃度、步驟S12中得到的微生物中所含的磷濃度、和步驟S113得到的惰性固形物中所含的磷濃度,利用式(6)計算磷積累菌濃度。
以下返回圖1,說明異養菌濃度計算機構44。
圖1的異養菌濃度計算機構44,例如利用由式(3)得到的微生物濃度、由式(4)得到的自養菌濃度和由式(6)得到的磷積累菌濃度計算出異養菌濃度。式(10)表示一個實例。
異養菌濃度(mg/L)=微生物濃度(mg/L)
-自養菌濃度(mg/L)-磷積累菌濃度(mg/L)…(10)因此由微生物濃度計算裝置40算出的模擬條件被儲存在資料庫中。而且用監視器73以曲線形式顯示出計算的內容。
模擬計算裝置50,基於資料庫90的模擬條件,利用生物模型計算機構51、輸送模型計算機構52和溶解氧模型計算機構53,計算出生物反應槽、最終沉澱池、返送汙泥、和剩餘汙泥的水質,汙泥濃度及流量,其結果將儲存在資料庫90中。
生物模型計算機構51,藉助於生物反應模型計算變化的水質、和MLSS。對於這些生物反應模型而言,既可以採用國際水協會發表的ASM-No.2、ASM-No.2d等公知模型,也可以採用利用化學反應式製成的模型和實驗求出的模型。這裡用式(11)表示ASM-No.2的異養菌增殖的反應速度。
數1=HSO2KO2+SOSFKF+SFSFSF+SASNH4KNH4+SNHSPO4KPO4+SPOSALKKALK+SALXH...(11)]]>式中,SO2溶解氧(g O2/m3);Sp易分解的有機物(g COD/m3);SA發酵產物(乙酸)(g COD/m3);SNH4氨態氮(g N/m3);SNO3硝酸態氮(g N/m3);SPO4溶解性磷酸(g P/m3);SALK鹼度(g COD/m3);X11異養菌(g COD/m3);μH最大增殖速度(l/d);KO2SO2的飽和係數(g O2/m3);KFSF的飽和係數(g COD/m3);KNH4SNH4的飽和係數(g N/m3);KPO4SPO4的飽和係數(g P/m3);KALKSALK的飽和係數(g COD/m3)。
正如發明要解決的課題中所述的那樣,在國際水協會的活性汙泥模型中,為了用g COD/m3表示微生物濃度,例如式(10)中得到的異養菌濃度(mg/L)不能直接用作式(11)中的Xh。
以下利用圖4說明本發明的生物模型計算機構51的一個實施例。圖4表示將本發明的微生物濃度(mg/L)用於ASM-No.2的實施例。步驟S21中,將由式(4)得到的自養菌濃度(mg/L)、式(6)得到的磷積累菌濃度(mg/L)和式(10)得到的異養菌濃度(mg/L)變換成g COD/m3。式(12)表示將mg/L單位變換成g COD/m3的一個實例。
SM(g COD/m3)=S(mg/L)×θ(g COD/m3)…(12)式中,SM、S是微生物濃度,θ是單位變換值。
其中單位變換值θ,因微生物而異,既可以參照文獻值,也可以採用各自的實驗數據。
在步驟S22中,將從步驟S21得到的異養菌濃度(g COD/m3)、自養菌濃度(g COD/m3)和磷積累菌濃度(g COD/m3)用於ASM-No2中,計算水質及微生物濃度、慢分解性固形物濃度(單位g COD/m3)的變化。所述的慢分解性固形物是在微生物自分解時生成的固形物。
步驟S23中,將由步驟S22得到的反應後的異養菌濃度(g COD/m3)、以及反應後自養菌濃度、反應後磷積累菌濃度和反應後慢分解性固形物濃度的單位,從g COD/m3變換成mg/L。式(13)表示將g COD/m3單位變換成mg/L的一個實例。
S(mg/L)=SM(g COD/m3)/θ(g COD/m3)…(13)步驟S24中,利用由式(13)得到的、反應後異養菌濃度(mg/L)、反應後自養菌濃度(mg/L)、反應後磷積累菌濃度(mg/L)和反應後慢分解性固形物濃度(mg/L),利用式(14)計算反應後的MLSS。
反應後的MLSS(mg/L)=反應後異養菌濃度(mg/L)+反應後自養菌濃度(mg/L)+反應後磷積累菌濃度(mg/L)+反應後慢分解性固形物濃度(mg/L)+反應前惰性固形物濃度(mg/L)…(14)因此,能夠用生物模型計算機構51計算MLSS的濃度變化。而且生物模型計算機構51不僅適用於生物反應槽,而且同樣也能適用於最終沉澱池,這種情況下還能夠計算最終沉澱池中汙泥的濃度變化。
這裡再回到圖1說明輸送模型計算機構52。
圖1的輸送模型計算機構52,基於流入汙水量、返送汙泥量、剩餘汙泥量和循環汙泥量的流體,計算變化的水質、以及汙泥濃度。而且在最終沉澱池中,利用由微生物濃度計算裝置(SVI設定機構)40得到的SVI,表示汙泥沉降速度,計算沉降汙泥的汙泥濃度的變化。
溶解氧模型計算機構53,例如利用綜合氧移動容量係數的概念,能夠計算由送風量供給好氧槽1c的溶解氧。
這些模型計算裝置50的計算結果被存儲在資料庫90之中。
係數設定裝置65,例如利用鍵盤71或滑鼠72輸入微生物濃度計算裝置40所需的係數數據,和生物模型計算機構51所需的係數數據,可以用監視器顯示。上述微生物濃度計算裝置40所需的係數數據,例如是式(2)的fss_Al、式(6)的fpp等,上述生物模型計算機構51所需的係數數據,例如是式(11)的μH、KO2和KNH4等。
數據編輯機構60,以條線圖、趨勢曲線、計算結果一覽表、除去率和物;物料平衡形式輸出被儲存在資料庫90中的數據。
以下圖5所示是本發明的一個模擬動作實施例的流程圖。步驟S31中,利用流入條件設定機構31設定流入水量、流入水質(有機物、氨性氮、磷、SS、鹼度等)的濃度和水溫。步驟S32中,利用土木結構設定機構32對生物反應槽和最終沉澱池的尺寸、生物反應槽的槽分割、配管進行設定。在步驟S33中,利用運轉條件設定機構33對鼓風機11的控制條件(送風量、DO目標)、返送泵4的控制條件(返送汙泥量、返送率的目標值、計時器的控制)、剩餘泵6的控制條件(剩餘汙泥量、剩餘率的目標值、計時器的控制)、和循環泵8的控制條件(循環汙泥量、循環率的目標值)進行設定。在步驟S34中,利用MLSS初期值設定機構34設定MLSS的初期數值。步驟S35中,利用式(2)設定惰性固形物濃度。在步驟S36中,利用SVI設定機構36設定SVI。在步驟S37中,利用式(3)設定微生物濃度的初期數值。在步驟S38中,利用式(4)計算自養菌濃度的初期數值。在步驟S39中,利用式(6)計算磷積累菌濃度的初期數值。在步驟S40中,利用式(10)計算異養菌濃度的初期數值。在步驟S41中利用式(12),將步驟S37、38、39設定的自養菌濃度、磷積累菌濃度和異養菌濃度的單位,由mg/L換算成g COD/m3。
在步驟S42中基於以上條件進行模擬,計算有機物、氮、磷、微生物、慢分解性固形物的濃度。在步驟S43中,利用式(13)將自養菌濃度、磷積累菌濃度、異養菌濃度和慢分解性固形物的單位,由g COD/m3換算成mg/L。在步驟S44中,利用式(14)計算MLSS、返送汙泥濃度和剩餘汙泥濃度的變化。
圖6表示圖5所示實施例的步驟S34、S35和S36的設定畫面實例。
圖7表示係數設定裝置65的實施例。圖7表示設定式(6)的磷積累菌濃度的計算所需的係數數據的畫面實例。在圖5的實施例步驟S39中,利用實施例圖7的係數,按照式(6)計算磷積累菌濃度。
圖8表示利用由微生物濃度計算裝置(SVI設定機構)40輸入的SVI表示最終沉澱池中汙泥沉降速度的實施例。SVI越小汙泥的沉降速度越快,反之SVI越大汙泥的沉降速度越小。因此,利用SVI表示汙泥沉降速度的情況下,能夠表示最終沉澱池的沉降汙泥的汙泥濃度,計算返送汙泥濃度和剩餘汙泥濃度。
圖9是表示由圖5的實施例步驟S44計算的返送汙泥濃度的24小時趨勢曲線的實施例。因此,能夠計算經常變動的汙泥濃度(包括微生物和惰性固形物)。
圖10是表示數據編輯機構60的一個實施例。圖10中表示,利用圖5的實施例中得出的反應槽餾出MLSS、返送汙泥濃度和剩餘汙泥濃度,計算單位時間的汙泥質量的實例。單位時間的汙泥質量可以用式(15)得到。
汙泥質量(kg/h)=汙泥濃度(mg/L)×流量(m3/h) …(15)其中,式(15)的實施例雖然表示了每小時所相當的汙泥量,但是也可以同樣計算每日相當的汙泥量。如圖10的實施例所示,在生物反應槽和最終沉澱池中,利用各汙泥的收支情況能夠計算SRT和A-SRT,利用SRT和A-SRT的管理成為可能。其中SRT可以用式(16)得到。
SRT(日)=(MLSS(mg/L)×反應槽容積(m3))÷(剩餘汙泥濃度(mg/L)×剩餘量(m3/h)×24(h/日))…(16)圖11表示本發明維持管理的實施例。圖11中,表示減去剩餘汙泥量進行模擬的結果的實施例。一旦剩餘汙泥量減少,MLSS就會隨著時間的推移而增加,放流水T-N伴隨著MLSS的增加而減少。圖11中表示,經過t時間後,當MLSS達到2300mg/L時,放流水T-N能夠滿足10mg/L的實例。本發明的維持管理,例如基於圖11的結果對剩餘汙泥量進行操作,使反應槽內的MLSS維持在2300mg/L水平上。因此,能夠提示流入水量、流入水質、運轉條件和水溫的波動時間、以及如圖11所示能夠滿足處理水質的MLSS,因而能夠反映處理過程的維持管理。
在以上模擬運行中通過改變過程的土木結構和計測器設備、汙泥狀況和運行條件,能夠把握過程內的水質和汙泥的變動。其結果,由於過程全體將發揮最佳除去性能,所以容易把握應當加以改善的任何土木結構和運行條件。
綜上所述,不僅能計算處理水質,而且還能計算反應後的MLSS、返送汙泥濃度和剩餘汙泥濃度。而且利用返送汙泥濃度和剩餘汙泥濃度,還可以計算與單位時間的返送汙泥質量和剩餘汙泥質量。此外,利用MLSS、反應槽容積和單位時間的剩餘汙泥量,能夠計算出SRT和A-SRT。而且能夠提示流入水量、流入水質、季節、運轉條件變動時間、能夠滿足處理水質的MLSS,能夠支援過程的維持管理。
因此,在土木、機械、計測化、汙泥狀況的整合得到提示的情況下,由於能使汙泥濃度條件和運轉最佳化,所以將流入條件、曝氣、返送和剩餘等運轉條件加以組合進行模擬,能夠容易提高有機物、氮、磷的除去性能。
權利要求
1.一種水質信息計算處理裝置,在對下水處理過程進行模擬的水質信息計算處理裝置中,其特徵在於具有輸入反應槽內的汙泥濃度信息的機構,和根據所述的汙泥濃度信息,計算微生物濃度信息和惰性固形物濃度信息的機構。
2.按照權利要求1所述的水質信息計算處理裝置,其特徵在於具有基於汙泥濃度信息與惰性固形物濃度信息之間的相對差來計算微生物濃度信息的機構。
3.按照權利要求1所述的水質信息計算處理裝置,其特徵在於具有利用好氧性固形物滯留時間計算自養菌濃度的機構。
4.按照權利要求1所述的水質信息計算處理裝置,其特徵在於具有利用汙泥中磷濃度、惰性固形物中磷濃度和微生物中磷濃度,計算磷積累菌濃度的機構。
5.按照權利要求1所述的水質信息計算處理裝置,其特徵在於具有從微生物濃度中減去自養菌濃度和磷積累菌濃度以計算異養菌濃度的機構。
6.按照權利要求1所述的水質信息計算處理裝置,其特徵在於具有計算生物反應的生物模型計算機構、計算流體的輸送模型計算機構、和計算曝氣裝置的溶解氧供給能力的溶解氧模型計算機構。
7.按照權利要求6所述的水質信息計算處理裝置,其特徵在於所述的生物模型計算機構,具有計算汙泥濃度信息的時間變化的機構。
8.按照權利要求6或7所述的水質信息計算處理裝置,其特徵在於具有設定最終沉澱池的汙泥沉降指標的SVI設定機構,所述的輸送模型計算機構具有利用由所述的SVI設定機構所設定的汙泥沉降指標顯示最終沉澱池的汙泥沉降速度的機構,以及計算返送汙泥濃度和剩餘汙泥濃度的機構。
9.按照權利要求8所述的水質信息計算處理裝置,其特徵在於具有利用由所述的生物模型計算機構所計算的汙泥濃度信息、和由所述的輸送模型計算機構所計算的所述返送汙泥濃度和所述剩餘汙泥濃度,計算反應槽汙泥質量、返送汙泥質量和剩餘汙泥質量的機構和計算固形物滯留時間的機構。
10.一種模擬方法,在利用水質信息計算處理裝置模擬下水處理過程的模擬方法中,其特徵在於,所述的水質信息計算處理裝置變換自養菌濃度、磷積累菌濃度和異養菌濃度的單位,進行所述的模擬,變換由所述的模擬算出的自養菌濃度、異養菌濃度、磷積累菌濃度、以及作為在微生物自分解時生成的固形物濃度的慢分解性固形物濃度的單位,把惰性固形物濃度、所述算出的自養菌濃度、異養菌濃度、磷積累菌濃度、和慢分解性固形物濃度加在一起,計算出汙泥濃度。
全文摘要
一種水質信息計算處理裝置,具有反應槽內汙泥濃度的設定機構,汙泥濃度信息中惰性固形物濃度的設定機構,由汙泥濃度信息和上述惰性固形物濃度計算微生物濃度的機構,計算汙泥濃度信息中的自養菌濃度的機構,計算汙泥濃度信息中的磷積累菌濃度的機構,計算汙泥濃度信息中的異養菌濃度的機構,處理過程中運轉條件設定機構,輸入最終沉澱池中汙泥沉降指標的SVI設定機構。根據本發明,能夠對滿足目標處理水條件的適當生物反應槽的土木結構、曝氣條件、計測器裝備、運轉條件等進行支援。
文檔編號G06F19/00GK1576245SQ20041007126
公開日2005年2月9日 申請日期2004年7月16日 優先權日2003年7月18日
發明者木村文智, 原直樹 申請人:株式會社日立製作所

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