CN100364902C - 脉冲进水sbr深度脱氮工艺及过程控制方法 - Google Patents
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Abstract
脉冲进水SBR深度脱氮工艺及过程控制方法涉及含氮废水的SBR生物处理工艺，用于工业废水深度处理。现有技术操作繁琐、自动化要求高，需投加大量碳源。本发明工艺包括进水、曝气、加原污水搅拌、投加外碳源反硝化、沉淀、排水、闲置，特征通过过程控制参数，实时控制SBR法脱氮过程的曝气量、反应时间。本发明提高生化反应的速率，减少反应时间，节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种含氮废水的SBR生物处理工艺，尤其是能够进行深度脱氮和过程实时控制的SBR工艺，适用于含氮工业废水处理和城镇污水深度处理。
背景技术
富营养化问题是当今世界各国面临的最主要的水污染问题之一，近年来尽管我国城市污水的处理率不断提高，但是由氮、磷污染引起的水体富营养化问题没有得到根本的解决，甚至有日益严重的趋势。我国的大型淡水湖泊和近岸海域均达中度或重度的富营养污染。我国在2002年新颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》中增加了总氮、总磷最高允许排放浓度，同时也对出水氨氮提出了更严格的要求，可见污水处理的主要矛盾已逐渐由有机污染物的去除转变为氮磷污染物的去除。污水中的磷通常可以通过投加混凝剂去除，但由于氮化合物(如NH4 +及NO3 -)的分子量比较小，无法通过投加药剂去除；另外，如果利用膜技术来去除氮化合物，仅反渗透膜技术是最有效的，但该方法成本过于昂贵，难以推广应用；而其它的膜处理技术，如纳滤、微滤等方法均无法有效去除污水中的氮化合物，因此氮的去除是污水深度处理的难点和重点，只有利用生物脱氮技术才能彻底去除。
生物脱氮过程主要分为两部分，即通过硝化作用将氨氮转化为硝酸盐氮，再通过反硝化作用将硝酸盐氮转化为氮气从水中逸出。传统的污水生物脱氮技术如A/O、A2/O工艺虽具有一定的脱氮效果，但由于其运行过程的可控性较差，氮的去除率很难达到80％以上。另外若要保持系统中有较高的硝化细菌浓度，必须进行污泥回流和硝化液回流，增加了运行成本和能源消耗，工艺中与传统工艺相比增加了厌氧段和缺氧段的处理构筑物，使得整个工艺的基建投资和占地面积增加。
传统SBR工艺是间歇式活性污泥污水处理法的简称，它的处理装置只有一个SBR反应池，进水、反应、沉淀、排水等步骤均在此反应池中进行，占地面积小，是一种常规的活性污泥法污水处理工艺。但这种工艺由于硝化和反硝化作用不完全，且存在着运行操作繁琐、自动化程度要求高的缺点。另外，要达到深度脱氮的目的，传统SBR工艺在反硝化过程中需投加大量碳源，增加了运行费用。
发明内容
本发明的目的是通过改变传统 SBR法的运行方式，充分利用原污水中的有机物作为反硝化碳源进行反硝化，并通过实时过程控制合理分配每一阶段硝化、反硝化的时间，能够在节省运行费用的条件下达到深度脱氮的目的，在此基础上，开发出一种高效低能耗的生物脱氮工艺及装置，即脉冲进水SBR法深度脱氮工艺及过程控制装置和方法。解决①传统生物脱氮技术存在的脱氮效果差的问题、②SBR法实时控制运行操作复杂的问题、③一次进水反硝化需投加大量碳源运行费用高的问题、④亚硝酸盐浓度累计到一定程度将对系统内微生物产生抑制作用的问题。
本发明的技术原理：
脉冲进水SBR法深度脱氮工艺过程控制原理，其特征在于：在脉冲进水SBR法反应器中好氧硝化-缺氧反硝化过程pH、DO、ORP会出现相应的变化点来指示反应的进程，具体原理如下：
(1)当原污水进入SBR反应器，启动鼓风机进行曝气，好氧去除水中有机物，然后将水中氨氮氧化为硝态氮，即进行硝化反应。曝气过程中产生的气泡使得污水和活性污泥充分接触，起到了搅拌混合的作用。反应器内的活性污泥利用鼓风机鼓入的氧气氧化水中有机物及氨氮，因此当有机物降解完全、硝化反应结束时，水中溶解氧将不再被活性污泥微生物利用，因此DO值会出现跃升，水中氧化态物质也不再增加。同时硝化反应是一个产酸的反应，在硝化过程中pH值会一直下降，当硝化反应结束时产酸停止，由于CO2被大量吹脱，pH值会由下降变为上升，出现特征点1，如图1所示。根据以上特征点，我们可以精确了解系统中的反应进程，当硝化反应结束时，停止曝气，避免了过度曝气而浪费的能源。
(2)投加适量原污水，使其中含有的可被反硝化菌利用的有机碳源的量刚好满足反硝化的要求。反硝化过程硝态氮不断被还原为氮气，使得反应系统内氧化态物质不断减少，因此ORP值不断下降，当反硝化完全结束后，由于进入了厌氧状态，ORP下降速率加快，ORP曲线出现拐点。同时反硝化过程由于不断产生碱度，所以pH值会持续上升，当反硝化结束时，由于进入厌氧发酵产酸阶段，所以pH值会由上升变为下降，出现特征点2，如图2所示。根据以上特征点，我们
可以精确判断反硝化反应的进程，反硝化结束时，停止搅拌。
本发明提供的脉冲进水SBR深度脱氮过程控制装置，其特征在于：
由SBR反应器1连接进水管2、出水管3、碳源投加管4、曝气管10；进水管2和进水泵5之间设置进水阀门7；碳源投加管4和碳源投加泵6之间设置碳源投加管阀门9；出水管设置出水阀门8，曝气管10设置进气阀门11，曝气管进口处与鼓风机12相连；
在SBR反应池内置有搅拌器13、溶解氧浓度DO传感器14、氧化还原电位ORP传感器15和pH传感器16，上述传感器经导线分别与DO测定仪17、ORP测定仪18和pH测量计19连接后与计算机20的数据信号输入接口21连接，计算机的数据信号输出接口22经导线连接过程控制器23，过程控制器的进水继电器24、出水继电器25、曝气继电器26、碳源投加泵继电器27、搅拌机继电器28经接口分别与进水阀门7、出水阀门8、曝气管进气阀门11、碳源投加泵6和搅拌器13相连接。
本发明提供的一种脉冲进水SBR深度脱氮工艺及过程控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
I进水根据进水量确定进水时间，并通过控制器对计时器进行设定，系统启动后，启动进水泵将待处理的废水注入SBR反应器，当达到预先设定的时间后，关闭进水泵和进水阀门，进入第II道工序；
II曝气打开进气阀门，启动鼓风机，对反应系统进行曝气，同时读取在线参数；由控制器通过溶解氧浓度DO传感器、氧化还原电位ORP传感器和pH传感器采集溶解氧浓度(DO)、氧化还原电位(ORP)和pH值的信号，作为SBR法脱氮过程的过程实时控制参数；
将数字信号输入过程实时控制器，滤波处理，计算，得到过程实时控制变量，并根据控制策略对得到的控制变量进行比较；当满足以下条件时，好氧硝化过程结束，执行机构关闭鼓风机及进气阀，停止曝气；好氧硝化过程结束条件为下列三个条件其中任意一条，即可停止曝气进行搅拌，①pH一阶导数由负变正，且曝气时间t＞2h②ORP的一阶导数小于0.5my/min，且曝气时间t＞3.5h③DO大于5.5mg/L，且曝气时间t＞4h；
然后系统将读取控制器内预先设定的脉冲次数(至少2次)，当达到脉冲次数后，系统将跳出循环，进入到第IV道工序；当没有达到设定的脉冲次数时，系统将进入第III道工序；
III加原污水搅拌根据进水量确定第二次进水的时间，并通过控制器对计时器进行设定，在过程实时控制系统的调节下打开进水泵和进水阀门，投加原水并开启搅拌器，达到预先设定的时间后，关闭进水阀门和进水泵；
系统在搅拌过程中进入缺氧反硝化脱氮过程，反硝化进程由ORP、pH在线传感器监控，并通过数据采集卡实时将所获得的数据信息传输到计算机进行处理，最终达到对搅拌时间的控制，当过程实时控制器得到表征反硝化完成的信号后，关闭搅拌器，系统将返回第II道工序；
上述表征缺氧反硝化结束的条件为两个条件其中任意一条，①pH一阶导数由正变负，且搅拌时间t＞0.5h②ORP的一阶导数由-25mv/min突然变为小于30mv/min，且搅拌时间t＞1h；
IV投加外碳源反硝化根据经验确定需要投加碳源的量，设定碳源投加泵的开启时间，开启碳源投加管上的阀门和碳源投加泵，达到设定的时间后关闭碳源投加泵和碳源投加管上的阀门，投加碳源的同时开启搅拌器，反硝化进程由ORP、pH在线传感器监控，与前面步骤类似，反硝化结束后，关闭搅拌器，进入第V道工序；
V沉淀根据经验确定沉淀的时间，并由过程实时控制系统中的时间控制器进行计时，当达到预先设定的沉淀时间后，进入第VI道排水工序；
VI排水确定排水的时间，出水阀门打开，将处理后水经出水管排到反应器外；排水结束后，关闭出水管上的阀门；
VII闲置排水结束到下一个周期开始定义为闲置期；根据经验设定闲置时间和排泥泵的运行时间，在过程实时控制系统调节下，开启排泥泵，当达到预先设定的排泥时间后，关闭排泥泵；当达到预先设定的闲置时间后，系统读取预先设定的整个反应的循环次数设定值，若未达到预先设定的循环次数，则系统由过程实时控制系统自动循环从工序I开始；当达到预先设定的整个反应的循环次数后，系统停止运行。
这种脉冲进水SBR法深度脱氮工艺实时控制方法，其特征在于：
在SBR反应器中，由溶解氧浓度DO传感器、氧化还原电位ORP传感器和pH传感器在线监控，采集溶解氧浓度(DO)、氧化还原电位(ORP)和pH值的信号，作为SBR法脱氮过程的过程实时控制参数，硝化过程中实时控制曝气量、硝化反应时间；反硝化过程中实时控制搅拌时间。
硝化反硝化过程中DO的变化范围是0～9mg/L，ORP的变化范围为-350～+350，pH的范围为4～12。考虑到信号的准确性，设置DO的范围为0～10mg/L、ORP的范围为-400～+400、pH的范围为0～14，分别对应4～20mA电流信号，将采集的DO、ORP和pH值电流信号经变送器输入模拟数字转换器A/D，转换成数字信号，在上位机上显示在线参数的具体数值；硝化(好氧)过程中采集、转换DO、ORP和pH值三种信号；反硝化(缺/厌氧)过程采集、转换ORP和pH值二种信号。
将数字信号输入过程实时控制器，首先经过滤波处理，采用移动平均的办法去除在线参数曲线上干扰，然后进行求导计算，得到过程实时控制变量，并根据控制策略对得到的控制变量进行比较。当满足要求时，将输出信号经数字模拟转换器D/A转换成电流信号，传达至控制执行机构，直接对SBR污水处理反应过程的各个步骤进行控制。同时对曝气量、硝化反应时间、碳源投加泵、搅拌装置的开关进行在线控制调节。
本发明的有益效果：
在本发明工艺中，随着硝化反应的进行，反应混合液中氨氮的浓度越来越少，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的浓度逐渐升高，造成反应体系内硝态氮的积累。而硝态氮的积累对硝化菌有抑制作用，从而使硝化反应的速率降低。本发明在反应过程中及时投加原水进行反硝化，去除了积累的硝态氮，大大提高了整个生化反应的速率，减少了反应时间，节约了运行成本。同时由于反硝化过程会产生大量碱度，为下面的硝化反应创造了有利的条件，大大节约了由于外加碱度而增加的费用。
本发明设计的脉冲进水SBR深度脱氮工艺和装置与现有技术相比，具有下列优点：
(1)脱氮效果好，出水氨氮小于1mg/L、总氮小于5mg/L，2002年国家颁布的排污标准中，对城镇污水最严格的排放标准为出水氨氮小于5mg/L、总氮小于15mg/L，本发明的出水氨氮和总氮远低于国家颁布的排污标准，这是其他工艺所不能比拟的，也是本工艺最突出的优点。
(2)本工艺与传统SBR法相比，由于充分的利用了原污水中的有机碳源，从而节省了外投碳源的费用，同时由于污水中的有机物被作为反硝化碳源，这就节约了氧化这些有机物所需要的氧气，既节约了鼓风机的能耗，也减轻了有机物对硝化过程的影响。
(3)采用过程实时控制策略控制生物脱氮过程中的好氧曝气和缺氧搅拌时间，从根本上解决了曝气或搅拌时间不足所引起的硝化或反硝化不完全和曝气或搅拌时间过长所带来的运行成本的提高和能源的浪费。并且能够根据原水水质水量的变化实时控制各个生化反应所需投加的药剂量、反应时间，实现具有智能化的控制，保证出水水质的前提下优化节能。
(4)主体装置采用的是SBR工艺，使有机物和含氮化合物在一个反应池内得到去除，减少了缺氧池和沉淀池等处理构筑物，从而降低了基建投资和整个工艺的占地面积。
(5)整个工艺由过程实时控制系统完成，具有管理操作方便，费用低、耐冲击负荷强和不易发生污泥膨胀。
本发明可广泛应用于中小城镇城市污水或有机物、氮素含量变化较大的工业废水的处理，特别适用于已采用SBR工艺的污水处理厂或准备采用SBR工艺的污水处理厂。
附图说明
图1是SBR法硝化过程中典型的DO、pH变化规律
图2是SBR法反硝化过程中典型的ORP、pH变化规律
图3是本发明脉冲进水SBR法深度脱氮工艺运行操作的工序示意图；
图4是本发明脉冲进水SBR法深度脱氮实时过程控制装置结构示意图；
图5是脉冲进水SBR法深度脱氮过程实时控制流程图
图4中，1-SBR反应器、2-进水管、3-出水管、4-碳源投加管、5-进水泵、6-碳源投加泵、7-进水阀门、8-出水阀门、9-碳源投加管阀门、10-曝气管、11-进气阀门、12-鼓风机、13-搅拌器、14-DO传感器、15-ORP传感器、16-pH传感器、17-DO测量计、18-ORP测定仪、19-pH测定仪、20-计算机、21-信号输入接口、22-信号输出接口、23-过程控制器、24-进水继电器、25-出水继电器、26-曝气继电器、27-碳源投加泵继电器、28-搅拌器继电器、29-显示器。
具体实施方式
结合实施例，如图3，图5所示，本发明工艺的运行操作工序：
以某大学家属区排放的实际生活污水作为实验对象(pH＝6.5～7.8，COD＝260～350mg/L，TN＝75～80mg/L)。所选择的SBR反应器有效容积15L，分三次进水，每次进水约为4L，反应器内混合液的COD浓度维持在200～300mg/L，NH4 +-N浓度在55～60mg/L，反应器内初始的污泥浓度在3.5～4.0g/L，曝气量恒定在0.6m3/h，泥龄维持在15d左右，反应温度25℃。外加碳源采用浓度为95％乙醇。具体过程如下：
I进水 应用本发明所提供的脉冲进水SBR生物脱氮工艺装置，首先打开进水阀门，启动进水泵将待处理的废水注入SBR反应器，通过过程实时控制系统设定进水时间为10分钟，进水泵的流量为0.4L/min，进水10分钟后约进水4L，关闭进水泵和进水阀门，进入第II道工序。
II曝气 打开进气阀门，启动鼓风机，曝气量恒定在0.6m3/h，对反应系统进行曝气，由鼓风机提供的压缩空气由进气管进入曝气器，以微小气泡的形式向活性污泥混合液高效供氧，并且使污水和活性污泥充分接触，整个过程由过程实时控制系统实施控制，主要根据反应池内所安置的DO、ORP和pH传感器在反应过程中所表现出的特征点1来间接获取反应进程的信息，并再通过数据采集卡实时将所获得的数据信息传输到计算机进行滤波和求导处理，并根据控制策略最终达到对曝气时间的控制，当过程实时控制器得到表征硝化完成的信号后，关闭鼓风机及进气阀，停止曝气。然后系统将读取控制器内预先设定脉冲次数，根据事先设定的脉冲次数是3次，目前仅为第2次，没有达到设定的脉冲次数时，系统将进入第III道工序。
III加原污水搅拌 在过程实时控制系统的调节下打开进水泵和进水阀门，投加原水并开启搅拌器，设定第二次进水时间为9.5分钟，第二次的加入污水的量约为3.8L，当进水时间达到9.5分钟后关闭进水阀门和进水泵，系统在搅拌过程中进入缺氧反硝化脱氮过程，反硝化进程由ORP、pH在线传感器监控，并通过数据采集卡实时将所获得的数据信息传输到计算机进行处理，最终达到对搅拌时间的控制，当过程实时控制器得到表征反硝化完成的信号后，关闭搅拌器，系统将返回第II道工序。重复投加原污水进行反硝化和后曝气的过程。直至脉冲次数达到3次，进入第IV道工序。
IV投加外碳源反硝化 设定乙醇的投量为0.5ml，开启碳源投加管上的阀门和乙醇投加泵，投加的乙醇0.5ml后关闭碳源投加泵和碳源投加管上的阀门，投加碳源的同时开启搅拌器，反硝化进程由ORP、pH在线传感器监控，与前面步骤类似，反硝化结束后，关闭搅拌器，进入第V道工序。
V沉淀 由过程实时控制系统中的时间控制器根据预先设定的沉淀时间为1小时，此时进水阀门、进气阀门、排水阀门和排泥阀门均关闭。
VI排水 在过程实时控制系统调节下，无动力式滗水器开始工作，将处理后水经出水管排到反应器外。排水结束后，关闭出水管上的阀门。
VII闲置 根据需要，设定闲置时间为2小时，排泥时间为5分钟，在过程实时控制系统调节下，开启排泥泵，当达到预先设定的排泥时间后，关闭排泥泵。当达到预先设定的闲置时间2小时后，系统读取预先设定的整个反应的循环次数设定值，此次操作设定循环次数为1次，所以系统停止运行。
本发明的实时控制装置实施例参见图4，由SBR反应器1连接进水管2、出水管3、碳源投加管4、曝气管10；进水管2和进水泵5之间设置进水阀门7；碳源投加管4和碳源投加泵6之间设置碳源投加管阀门9；出水管设置出水阀门8，曝气管10设置进气阀门11，曝气管进口处与鼓风机12相连；
在SBR反应池内置有搅拌器13、溶解氧浓度DO传感器14、氧化还原电位ORP传感器15和pH传感器16，上述传感器经导线分别与DO测定仪17、ORP测定仪18和pH测量计19连接后与计算机20的数据信号输入接口21连接，计算机的数据信号输出接口22经导线连接过程控制器23，过程控制器的进水继电器24、出水继电器25、曝气继电器26、碳源投加泵继电器27、搅拌机继电器28经接口分别与进水阀门7、出水阀门8、曝气管进气阀门11、碳源投加泵6和搅拌器13相连接。
利用脉冲进水SBR法深度脱氮工艺及过程控制装置，最终出水中COD小于50mg/L、总氮小于5mg/L，远低于国家一级排放标准所要求的总氮浓度。
Claims (1)
1.一种脉冲进水SBR深度脱氮过程工艺及过程控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
I进水 根据进水量确定进水时间，并通过控制器对计时器进行设定，系统启动后，启动进水泵将待处理的废水注入SBR反应器，当达到预先设定的时间后，关闭进水泵和进水阀门，进入第II道工序；
II曝气 打开进气阀门，启动鼓风机，对反应系统进行曝气，同时读取在线参数；由控制器通过溶解氧浓度DO传感器、氧化还原电位ORP传感器和pH传感器采集溶解氧浓度DO、氧化还原电位ORP和pH值的信号，作为SBR法脱氮过程的过程实时控制参数；
将数字信号输入过程实时控制器，滤波处理，计算，得到过程实时控制变量，并根据控制策略对得到的控制变量进行比较；当满足以下条件时，好氧硝化过程结束，执行机构关闭鼓风机及进气阀，停止曝气；好氧硝化过程结束条件为下列三个条件其中任意一条，即可停止曝气进行搅拌，①pH一阶导数由负变正，且曝气时间t＞2h②ORP的一阶导数小于0.5mv/min，且曝气时间t＞3.5h③DO大于5.5mg/L，且曝气时间t＞4h；
然后系统将读取控制器内预先设定的至少2次脉冲次数，当达到脉冲次数后，系统将跳出循环，进入到第IV道工序；当没有达到设定的脉冲次数时，系统将进入第III道工序；
III加原污水搅拌根据进水量确定第二次进水的时间，并通过控制器对计时器进行设定，在过程实时控制系统的调节下打开进水泵和进水阀门，投加原水并开启搅拌器，达到预先设定的时间后，关闭进水阀门和进水泵；
系统在搅拌过程中进入缺氧反硝化脱氮过程，反硝化进程由ORP、pH在线传感器监控，并通过数据采集卡实时将所获得的数据信息传输到计算机进行处理，最终达到对搅拌时间的控制，当过程实时控制器得到表征反硝化完成的信号后，关闭搅拌器，系统将返回第II道工序；
上述表征缺氧反硝化结束的条件为两个条件其中任意一条，①pH一阶导数由正变负，且搅拌时间t＞0.5h②ORP的一阶导数由-25mv/min突然变为小于30mv/min，且搅拌时间t＞1h；
IV投加外碳源反硝化 确定需要投加碳源的量，设定碳源投加泵的开启时间，开启碳源投加管上的阀门和碳源投加泵，达到设定的时间后关闭碳源投加泵和碳源投加管上的阀门，投加碳源的同时开启搅拌器，反硝化进程由ORP、pH在线传感器监控，与前面步骤类似，反硝化结束后，关闭搅拌器，进入第V道工序；
V沉淀 确定沉淀的时间，并由过程实时控制系统中的时间控制器进行计时，当达到预先设定的沉淀时间后，进入第VI道排水工序；
VI排水确定排水的时间，出水阀门打开，将处理后水经出水管排到反应器外；排水结束后，关闭出水管上的阀门；
VII闲置 排水结束到下一个周期开始定义为闲置期；根据经验设定闲置时间和排泥泵的运行时间，在过程实时控制系统调节下，开启排泥泵，当达到预先设定的排泥时间后，关闭排泥泵；当达到预先设定的闲置时间后，系统读取预先设定的整个反应的循环次数设定值，若未达到预先设定的循环次数，则系统由过程实时控制系统自动循环从工序I开始；当达到预先设定的整个反应的循环次数后，系统停止运行。
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