CN101306878B - Cast分段进水深度脱氮的过程控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及CAST分段进水深度脱氮的过程控制装置及方法，属于SBR及其变型工艺污水生物脱氮技术领域。本发明采用分多次进水的运行方式与实时控制系统的集成，并充分利用了原污水中的有机碳源，最大程度上节省了外投碳源量，同时科学合理的分配每一阶段硝化、反硝化的时间。增加缺氧搅拌阶段，并采用变时长好氧/缺氧的方式运行，而控制好氧曝气和缺氧搅拌的时间由实时过程控制策略来实现。本发明不仅能够提高处理效率、降低了运行成本，而且在进水污染物浓度发生较大变化时，由于采用了在线实时过程控制仍能准确地控制交替好氧/缺氧时间，使整个系统的抗冲击负荷能力大大提高。

Description

CAST分段进水深度脱氮的过程控制装置及方法

技术领域

本发明涉及CAST(循环式活性污泥法)分段进水深度脱氮的过程控制装置及方法，适用于含氮工业废水处理和城镇污水深度处理，属于SBR(序批式活性污泥法)及其变型工艺污水生物脱氮技术领域。

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，其运行过程的可控性较差，且氮的去除率很难达到80％以上。

CAST是SBR法的一种变形工艺，在SBR的基础上增设一个生物选择器，以期取得抑制丝状菌污泥膨胀发生和良好脱氮除磷效果，然而在实践中该工艺的脱氮除磷效果多不理想。

在现有的CAST工艺中，进水-反应、沉淀、排水各阶段的时间是固定不变的，例如一个典型的运行周期包括4个小时，其中2小时为进水-曝气阶段，1小时为沉淀阶段，另外1小时为排水阶段，这样的运行方式是针对原水的平均水质而确定的。而原水水质是波动变化并不是固定不变的，显然这种固定的运行方式不是一种优化的方式。例如，当进水中污染物浓度比平均浓度增高时，如果2个小时的进水时间不变，同时曝气量也不变，那么2个小时的曝气反应时间就不足；同样，当进水中污染物浓度降低时，那么2个小时的曝气反应时间就过多而浪费。而且，2个小时的曝气反应时间尽管可能满足硝化反应的需要，但由于没有足够的缺氧反硝化时间，总氮的去除效率会受到影响。因此，为了实现节能降耗，并保证工艺出水水质，需要一种可根据原水水质调节各阶段时间的优化运行方式。

发明内容

本发明目的是提供一种CAST分段进水深度脱氮的过程控制装置及方法，该方法不仅能够提高处理效率、降低了运行成本，而且在进水污染物浓度发生较大变化时，由于采用了在线实时过程控制仍能准确地控制交替好氧/缺氧时间，使整个系统的抗冲击负荷能力大大提高。

本发明采用分多次进水的运行方式与实时控制系统的集成，并充分利用了原污水中的有机碳源，最大程度上节省了外投碳源量，同时科学合理的分配每一阶段硝化、反硝化的时间。增加缺氧搅拌阶段，并采用变时长好氧/缺氧的方式运行，而控制好氧曝气和缺氧搅拌的时间由实时过程控制策略来实现。

本发明采取了如下技术方案。本发明包括有选择器1、主反应区2、连接在选择器1上的进水阀3和进水泵4、选择器内的搅拌器5、主反应区2内的滗水器6和底部所设曝气器7、连接在曝气器7上的进气阀8和空气压缩机9、连接在滗水器6上的排水阀10、用于将污泥从主反应区2回流至选择器1的回流污泥泵12和回流污泥阀11、用于排放主反应区2内剩余污泥的排泥阀13、设置在主反应区2内的潜水搅拌器14、与选择器1相连接的碳源投加计量泵17、实时控制系统15，与实时控制系统15相连接的DO(溶解氧)、ORP(氧化还原电位)、pH传感器16。所述的实时控制系统15包括连接在进水泵4、搅拌器5、滗水器6、空气压缩机9、潜水搅拌器14、碳源投加计量泵17的时间继电器、计算机以及连接在计算机上的数据采集卡。

采用上述装置对污水进行脱氮处理时，包括以下步骤：

1)进水  打开进水阀3和进水泵4并开启选择器1内搅拌器5，由预先设定的时间控制废水处理量，当达到预定时间后停止进水；进水的同时开启回流污泥阀11和污泥回流泵12，在预先设定的回流量下，污泥由主反应区2末端回流至选择器1；

2)进水/曝气  开始进水的同时，实时控制系统15开启进气阀8和空气压缩机9，由空气压缩机9提供的压缩空气进入曝气器7，向主反应区2混合液中供氧，进行有机物的降解和含氮化合物的硝化作用。整个过程由ORP、pH传感器16监控，并通过数据采集卡实时将所获得的数据传输到计算机实施曝气时间的实时控制，当pH值曲线上出现极小值，同时ORP曲线上出现平台，表明硝化过程结束，此时关闭进气阀3和空气压缩机9，停止曝气；

3)加原污水搅拌  在实时控制系统15的调节下打开进水阀3和进水泵4，同时边进水边开启主反应区2内潜水搅拌器14，系统进行缺氧反硝化脱氮过程，反硝化进程由ORP、pH在线传感器16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，最终达到对进水和搅拌时间的控制，当pH值曲线上出现极大值，同时ORP曲线上出现拐点，表明反硝化过程结束，此时关闭进水阀3、进水泵4及潜水搅拌器14，停止进水搅拌；

4)再曝气  在实时控制系统15的调节下开启进气阀8和空气压缩机9，对反应系统进行曝气，使步骤3中因加入原污水而带入系统的氨氮转化为硝态氮，曝气时间由实时控制系统控制，当pH值曲线上出现极小值，同时ORP曲线上出现平台，关闭进气阀8和空气压缩机9，停止曝气；

5)重复加原污水反硝化及后曝气  重复步骤3)、步骤4)两步，重复的次数随原污水水质、处理水量及出水要求变化；

6)投加外碳源反硝化  根据实时控制系统所预测的最终硝态氮产生量，计算得出外加碳源的投量，在实时控制系统15的调节下开启碳源投加计量泵17，投加的碳源至刚好满足反硝化要求，投加碳源的同时开启潜水搅拌器14，反硝化进程由ORP、pH在线传感器监控，当pH值曲线上出现极大值，同时ORP曲线上出现拐点时，反硝化结束后，关闭回流污泥阀11、回流污泥泵12及选择器内搅拌器5和主反应区搅拌器14；

7)沉淀  投加外碳源反硝化工序结束时，由实时控制系统15中的时间继电器根据预先设定的时间控制沉淀时间，此时进水阀3、进气阀8、排水阀10和排泥阀13均处于关闭状态；

8)排水  沉淀阶段结束后，停止污泥回流，在实时控制系统15调节下，无动力式滗水器6开始工作，将处理后水经排水阀10排出，排水时间由无动力式滗水器6控制；

9)闲置  在实时控制系统15调节下，整个反应系统内的所有阀门、继电器和计量泵均关闭，反应器既不进水也不排水，处于待机状态；

10)系统依次重复1)、2)、3)、4)、5)、6)、7)、8)、9)各步骤，根据原水水质或水量变化自动调节各步骤时长，整个系统交替经历好氧、缺氧、厌氧状态，分段进水和间歇出水，并在每个周期结束时经由排泥阀13定期排放剩余的活性污泥。

本发明设计的装置主要包括长方体反应池(池体分为两部分，前端为选择器1，后端为主反应区2)，放置在反应池主反应区2内的曝气器7、选择器1及主反应区2的搅拌器5和14以及DO、ORP、pH传感器16，进水阀3，进气阀8，出水阀10，回流污泥阀11，排泥阀13，进水泵4，回流污泥泵12，碳源投加计量泵17，空气压缩机9，滗水器6，实时控制系统15。本发明中所用滗水器为无动力式滗水器，由液面的收水装置和与之相连的排水装置及传动装置组成。

本发明的工作原理及过程：

(1)根据设计的水量第一批原污水进入CAST反应器，启动空气压缩机进行曝气，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。活性污泥氧化水中有机物及氨氮是好氧过程，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，ORP值出现平台。同时硝化反应是一个产酸的反应，因此当硝化反应结束时，pH值会由下降变为上升。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，出现转折点。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。

(3)再进行曝气，使投加原污水而带入系统的氨氮全部转化为硝态氮，反应进程仍然依据DO、ORP、pH值的变化点来进行控制。

(4)重复投加适量原污水进行反硝化和后曝气的过程(n次)，最后精确投加适量外碳源，将水中剩余少量硝态氮经反硝化过程还原为氮气，达到深度脱氮的目的。反应的全部过程均在线检测DO、ORP、pH值，根据实时控制系统的控制策略来识别在线参数的特征点，对反应的每一步进程进行过程控制。

(5)反应过程结束后，下面的过程与传统CAST法类似，依次进入沉淀、排水、闲置阶段，并以一定的周期依次重复以上步骤，并根据污泥龄定期排放污泥。

本发明具有下列优点：

(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，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CAST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，既节约了空气压缩机的能耗，也减轻了有机物对硝化过程的影响。

(3)采用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CAST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CAST工艺的污水处理厂或准备采用CAST工艺的污水处理厂。

附图说明

图1是本发明操作的工序示意图

图2是本发明装置结构示意图

图3是本发明实时控制策略示意图

图中：1.选择器；2.主反应区；3.进水阀；4.进水泵；5.搅拌器；6.滗水器；7.曝气器；8.进气阀；9.空气压缩机；10.排水阀；11.回流污泥阀；12.回流污泥泵；13.排泥阀；14.潜水搅拌器；15.实时控制系统；16.DO、ORP、pH传感器；17.碳源投加计量泵。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详细说明本发明：

本发明提供的装置如图2所示：包括选择器1、主反应区2、连接在选择器1的进水阀3和进水泵4、选择器内搅拌器5、主反应区2内的滗水器6和底部所设曝气器7、连接在曝气器7上的进气阀8和空气压缩机9、连接在滗水器6上的排水阀10、打开回流污泥阀11将污泥由主反应区2回流至选择器1的回流污泥泵12以及排放剩余污泥的排泥阀13，其特征在于，还在主反应区2设有主反应区内搅拌器14、实时控制系统15，连接实时控制系统15的DO、ORP、pH传感器16；碳源投加计量泵17；所述的实时控制系统15包括连接在进水泵4、搅拌器5、滗水器6、空气压缩机9、潜水搅拌器14、碳源投加计量泵17的时间继电器、计算机以及连接在计算机上的数据采集卡。

本实施例中的CAST分段进水深度脱氮的过程控制步骤如图1、图3所示，包括以下工序：

I进水  本发明所提供的CAST分段进水生物脱氮工艺的运行操作工序如图1所示，首先打开进水阀3及回流污泥阀11，启动进水泵4及回流污泥泵12将待处理的废水注入CAST反应器的选择器1并将主反应区2混合液回流至选择器1，开启选择器1内搅拌器5使污泥与原污水充分混合可以采用液位计控制水位，当达到指定液位时，液位计将信号传送至实时控制系统，停止进水泵4。也可以通过实时控制系统15设定进水时间，满足时间条件后关闭进水泵4和进水阀3，进入第II道工序。

II进水/曝气  进水同时，打开进气阀8，启动空气压缩机9，调节至适量的曝气量对反应系统进行曝气，由空气压缩机9提供的压缩空气由进气管进入曝气器7，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，整个过程由实时控制系统15实施控制，主要根据反应池内所安置的DO、ORP、pH传感器16在反应过程中所表现出的特征点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处理，最终达到对曝气时间的控制，当实时控制系统15得到表征硝化完成的信号后，关闭空气压缩机9及进气阀8，停止曝气然后系统进入第III道工序。

III加原污水搅拌  在实时控制系统15的调节下打开进水泵4和进水阀3，同时边进水边开启主反应区2内潜水搅拌器14，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DO、ORP、pH在线传感器16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，最终达到对进水和搅拌时间的控制，当实时控制系统15得到表征反硝化完成的信号后，关闭进水阀3、进水泵4及潜水搅拌器14，系统进入第IV道工序。

IV再曝气  启动空气压缩机9，开启进气阀8，对反应系统进行曝气，使工序III中因加入原污水而带入系统的氨氮转化为硝态氮，与工序II相同，曝气时间由实时控制系统15控制，操作步骤同工序II，硝化完成后进入第V道工序。

V重复加原污水反硝化及后曝气重复投加适量原污水进行反硝化和后曝气的过程，重复的次数随原污水水质、处理水量及出水要求变化，操作步骤同III、IV。

VI投加外碳源反硝化根据实时控制系统15所预测的最终硝态氮产生量，计算得出外加碳源的投量，开启碳源投加计量泵17，投加的碳源至刚好满足反硝化要求，投加碳源的同时开启潜水搅拌器14，反硝化进程由DO、ORP、pH在线传感器16监控，与前面步骤类似，反硝化结束后，关闭回流污泥阀11、回流污泥泵12及选择器1、主反应区2的搅拌器5和14，进入第VII道工序。

VII沉淀  当搅拌工序结束时，如图1所示，静止沉淀阶段开始(第VII道工序)，由实时控制系统15的时间控制器根据预先设定的时间控制沉淀时间，此时进水阀3、进气阀8、排水阀10和排泥阀13均处于关闭状态。

VIII排水  沉淀工序结束后，排水工序启动(第VIII道工序)。在实时控制系统15调节下，无动力式滗水器6开始工作，将处理后水经出水管排到反应器外，排水时间由无动力式滗水器6控制。

IX闲置  排水结束到下一个周期开始定义为闲置期(第IX道工序)。根据需要，设定闲置时间，在实时控制系统15调节下，整个反应系统内的所有阀门、继电器和计量泵均关闭，反应池即不进水也不排水，处于待机状态。

X  整个系统由实时控制系统15控制顺次重复进水、曝气、搅拌、沉淀、排水和闲置6个工序，使整个系统始终处于好氧、缺氧、厌氧交替的状态，分段进水和出水，并在每个周期结束时经由排泥管和排泥阀定期排放剩余的活性污泥。

本发明可广泛应用于中小城镇城市污水的处理，特别适用于已采用CAST工艺的污水处理厂或准备采用CAST工艺的污水处理厂。首先应具备DO、ORP和pH值在线检测设备，待系统稳定运行之后，观测DO、ORP和pH值在去除有机物、硝化与反硝化生化反应过程中的变化规律，根据参数变化的特征规律，将实时控制的软件、硬件系统与DO、ORP、pH值在线检测相结合，并根据实际运行情况调整某些参数和控制规则，例如回流比、沉淀时间等，以取得理想的出水水质。

实施例：

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＝60～85mg/L)。所选择的CAST反应器有效容积18L，反应器内初始MLSS在3.5～4.0g/L，曝气量恒定在0.1m³/h，泥龄维持在15d左右，反应温度23℃。利用CAST分段进水深度脱氮工艺及过程控制装置，处理水量8L，分段次数为2次，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CAST分段进水深度脱氮的过程控制方法，其特征在于，该方法使用CAST分段进水深度脱氮的过程控制装置进行深度脱氮，该过程控制装置包括有选择器(1)、主反应区(2)、连接在选择器(1)上的进水阀(3)和进水泵(4)、选择器(1)内的搅拌器(5)、设置在主反应区(2)内的滗水器(6)和设置在主反应区(2)底部的曝气器(7)、连接在曝气器(7)上的进气阀(8)和空气压缩机(9)、连接在滗水器(6)上的排水阀(10)、用于将污泥从主反应区(2)回流至选择器(1)的回流污泥泵(12)和回流污泥阀(11)、用于排放主反应区(2)内剩余污泥的排泥阀(13)；还包括有设置在主反应区(2)内的潜水搅拌器(14)、用于投加碳源至主反应区(2)的碳源投加计量泵(17)、实时控制系统(15)和其输出端与实时控制系统(15)相连的DO、ORP、pH传感器(16)；其中：所述的实时控制系统(15)包括连接在进水泵(4)、搅拌器(5)、滗水器(6)、空气压缩机(9)、潜水搅拌器(14)、碳源投加计量泵(17)上的时间继电器、计算机以及连接在计算机上的数据采集卡；

使用上述过程控制装置进行深度脱氮的方法包括以下步骤：

1)进水：打开进水阀(3)和进水泵(4)并开启选择器(1)内的搅拌器(5)，由预先设定的时间控制废水处理量，当达到预定时间后实时控制系统(15)控制进水泵(4)停止进水；进水的同时开启回流污泥阀(11)和污泥回流泵(12)，在预先设定的回流量下，污泥由主反应区(2)末端回流至选择器(1)；

2)进水/曝气：开始进水的同时，实时控制系统(15)开启进气阀(8)和空气压缩机(9)，由空气压缩机(9)提供的压缩空气进入曝气器(7)，向主反应区(2)混合液中供氧，进行有机物的降解和含氮化合物的硝化作用；整个过程由DO、ORP、pH传感器(16)监控，并通过数据采集卡实时将所获得的数据传输到计算机实施曝气时间的实时控制，当pH值曲线上出现极小值，同时ORP曲线上出现平台时，表明硝化过程结束，此时关闭进气阀(8)和空气压缩机(9)，停止曝气；

3)加原污水搅拌：在实时控制系统(15)的控制下打开进水阀(3)和进水泵(4)，同时边进水边开启主反应区(2)内潜水搅拌器(14)，系统进行缺氧反硝化脱氮过程，反硝化进程由DO、ORP、pH传感器(16)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，最终达到对进水和搅拌时间的控制，当pH值曲线上出现极大值，同时ORP曲线上出现拐点时，表明反硝化过程结束，此时关闭进水阀(3)、进水泵(4)及潜水搅拌器(14)，停止进水搅拌；

4)再曝气：在实时控制系统(15)的调节下开启进气阀(8)和空气压缩机(9)，对反应系统进行曝气，使步骤3)中因加入原污水而带入系统的氨氮转化为硝态氮，曝气时间由实时控制系统控制，当pH值曲线上出现极小值，同时ORP曲线上出现平台时，关闭进气阀(8)和空气压缩机(9)，停止曝气；

5)重复加原污水反硝化及后曝气：重复步骤3)、步骤4)，重复的次数随原污水水质、处理水量及出水要求变化；

6)投加外碳源反硝化：根据实时控制系统所预测的最终硝态氮产生量，计算得出外加碳源的投量，在实时控制系统(15)的控制下开启碳源投加计量泵(17)，投加的碳源至刚好满足反硝化要求，投加碳源的同时开启潜水搅拌器(14)，反硝化进程由DO、ORP、pH传感器(16)监控，当pH值曲线上出现极大值，同时ORP曲线上出现拐点时，反硝化结束后，关闭回流污泥阀(11)、回流污泥泵(12)及选择器(1)内的搅拌器(5)和主反应区(2)内的潜水搅拌器(14)；

7)沉淀：投加外碳源反硝化工序结束时，由实时控制系统(15)中的时间继电器根据预先设定的时间控制沉淀时间，此时进水阀(3)、进气阀(8)、排水阀(10)和排泥阀(13)均处于关闭状态；

8)排水：沉淀阶段结束后，停止污泥回流，在实时控制系统(15)调节下，无动力式滗水器(6)开始工作，将处理后水经排水阀(10)排出，排水时间由无动力式滗水器(6)控制；

9)闲置：在实时控制系统(15)调节下，整个反应系统内的所有阀门、继电器和计量泵均关闭，反应器既不进水也不排水，处于待机状态；

10)系统依次重复步骤1)～步骤9)，根据原水水质或水量变化自动调节各步骤的时长，整个系统交替经历好氧、缺氧、厌氧状态，分段进水和间歇出水，并在每个周期结束时经由排泥阀(13)定期排放剩余的活性污泥。

Images