CN101434438B - Cast分段进水同步脱氮除磷强化过程控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

CAST分段进水同步脱氮除磷强化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。目前应用的CAST工艺脱氮除磷效果不理想。本发明装置包括有选择器、主反应区、进水泵、搅拌器、潜水搅拌器、回流污泥泵、曝气器、空气压缩机滗水器、排水阀、排泥阀、实时控制系统，传感器。所述的实时控制系统用于控制包括连接在进水泵、搅拌器、潜水搅拌器、回流污泥泵、空气压缩机、滗水器、排水阀以及排泥阀的时间继电器、计算机以及连接在计算机上的数据采集卡。本发明通过进水缺氧搅拌、进水厌氧搅拌、曝气、沉淀、排水，闲置工序实现同步脱氮除磷。本发明装置及方法具有脱氮除磷效果好，运行成本低，可实现智能化控制等优点。

Description

CAST分段进水同步脱氮除磷强化过程控制装置及方法

技术领域

本发明属于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，具体涉及一种适用于含氮工业废水处理和城镇污水深度处理的CAST(循环式活性污泥法)分段进水同步脱氮除磷强化过程控制装置及方法。

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。由于污水中氮化合物(如NH₄ ⁺及NO₃ ^-)的分子量比较小，无法通过投加药剂去除，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。生物除磷也分为两个阶段：第一阶段为厌氧释磷，即产酸菌在厌氧或缺氧条件下，分解废水中的大分子有机物为乙酸等低分子脂肪酸(VFA)或短链脂肪酸(SCFA)等，聚磷菌则在厌氧条件下，分解体内的多聚磷酸盐和糖原等产生ATP，利用ATP吸收产酸菌产生的基质，合成聚β-羟基丁酸盐(PHB)，同时释放无机磷PO₄ ^3-；第二阶段为好氧摄磷，即在好氧条件下，聚磷菌氧化PHB，除产生能量用于自身生长合成外，还把体外的PO₄ ^3-运输到体内合成ATP和核酸，过剩的PO₄ ^3-被聚合成多聚磷酸盐储存在体内，最后高磷污泥通过剩余污泥的方式排去，从而达到除磷的目的。

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一定的脱氮除磷效果，然而在实践中该工艺为单一污泥悬浮生长系统，利用同一反应器中的混合微生物种群完成有机物氧化、硝化、反硝化和生物除磷。多种处理功能的相互影响在实际应用中限制了其处理效能，也给控制提出了非常严格的要求。目前在实际应用的CAST工艺当中，所采用的运行方式基本上都是以时序控制为主，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，这种固定时间长度的运行方式的缺点是显而易见的，因为污水的水质不是一成不变的，所以使得工艺对污染物的去除效率不稳定。

硝化细菌是一种化能自养菌；有机物降解由异养细菌完成。当这两种细菌混合培养时，由于存在对底物和DO的竞争，硝化菌的生长将受到抑制，难以成为优势种群。由于异养菌对氨的同化作用速率远大于硝化细菌对氨的氧化速率，当进水有机负荷较高时，在生物处理系统中占优势的异氧氧化菌种将会利用氨物质进行合成代谢，大量消耗溶解氧，抑制硝化作用。此外，固定的曝气时间有可能使得硝化不彻底。另一方面就是反硝化不彻底。CAST工艺中有约20％的硝态氮通过回流污泥进行反硝化，其余的硝态氮需通过同步硝化反硝化和沉淀、闲置期污泥的反硝化实现。而尽管同步硝化反硝化可采用变强度曝气实现，但其效果不理想也是众所周知的。在沉淀、闲置期中，由于有机物已充分降解，反硝化所需的碳源不足，也限制了反硝化效率的进一步提高。总氮的去除效率受到影响，由此引发下一个周期选择器内因回流混合液中有硝态氮存在时由于聚磷菌和反硝化菌对基质形成竞争，使聚磷菌释磷受到抑制而不能充分放磷，从而进一步影响聚磷菌过量吸磷的能力。而要想进一步提高除磷效率，就需要外加药剂进行化学除磷。此外，除磷与脱氮在泥龄上的需求矛盾也导致两种营养物的高去除率不能兼得，致使该工艺的应用受到了限制。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

本发明目的在于解决现有技术中的问题，而提供一种CAST分段进水同步脱氮除磷强过程控制装置及方法。本发明不仅能够提高处理效率、降低运行成本，而且在进水污染物浓度发生较大变化时，由于采用了实时过程控制仍能准确地控制交替缺氧/好氧时间，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，并在最大程度上利用了原污水中的有机碳源，同时科学合理的分配每一阶段硝化、反硝化及释磷的时间。增加缺氧搅拌和厌氧搅拌阶段，强化了主反应区厌氧释磷作用，并采用变时长缺氧/好氧的方式运行，而控制缺氧搅拌和好氧曝气的时间由实时过程控制策略来实现。

本发明所提供的CAST分段进水同步脱氮除磷强化过程控制装置包括有选择器、主反应区、将原污水打入选择器内的进水泵、设置在选择器内的搅拌器、设置在主反应区内的潜水搅拌器、用于将污泥从主反应区回流至选择器的回流污泥泵、主反应区底部所设曝气器、连接在曝气器上的空气压缩机、设置在主反应区内的滗水器、与滗水器相连的排水阀、用于排放主反应区内剩余污泥的排泥阀、实时控制系统，与实时控制系统相连接的DO(溶解氧)、ORP(氧化还原电位)、pH传感器。所述的实时控制系统用于控制包括连接在进水泵、搅拌器、潜水搅拌器、回流污泥泵、空气压缩机、滗水器、排水阀以及排泥阀的时间继电器、计算机以及连接在计算机上的数据采集卡。

其中，所述的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。

本发明所提供的CAST分段进水同步脱氮除磷强化过程控制方法，包括以下步骤：

1)进水/缺氧搅拌：通过实时控制系统打开进水泵并开启选择器内搅拌器；进水的同时开启回流污泥泵，在预先设定的回流量下，污泥由主反应区末端回流至选择器，并且开启主反应区内潜水搅拌器，系统进行缺氧反硝化脱氮过程，反硝化进程由ORP、pH实时传感器监控，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，以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，系统进入下一道工序；

2)进水/厌氧搅拌：反硝化结束后，进水泵继续向选择器内投加原污水，此时pH值由上升转为下降，同时ORP值下降速率加快，表明系统进入厌氧产酸阶段，聚磷菌进行放磷活动，进水和厌氧搅拌时间由连接进水泵的时间继电器控制，到达预计进水时间并完成厌氧放磷关闭进水泵和潜水搅拌器，停止进水搅拌；

3)曝气：停止进水搅拌后，由实时控制系统开启空气压缩机，由空气压缩机提供的压缩空气进入曝气器，向主反应区的混合液中供氧，进行有机物的降解、含氮化合物的硝化作用以及好氧摄磷反应，整个过程由DO、ORP、pH传感器13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、DO值出现突跃，同时ORP曲线上出现平台，表明硝化过程结束，此时关闭空气压缩机，停止曝气，然后系统进入下一道工序；

4)重复加原污水反硝化及后曝气：重复步骤1)、步骤3)两步，重复的次数随原污水水质及处理水量要求变化；

5)沉淀：曝气工序结束时，由实时控制系统中的时间继电器根据预先设定的时间控制沉淀时间，此时进水泵、搅拌器、潜水搅拌器、回流污泥泵、空气压缩机、滗水器、排水阀和排泥阀均处于关闭状态；

6)排水：沉淀阶段结束后，在实时控制系统的调节下，无动力式滗水器开始工作，将处理后的水经排水阀排出，排水时间由连接在无动力式滗水器上的时间继电器控制；

7)闲置：在实时控制系统的调节下，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；

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

本发明的工作原理及过程：

(1)投加原污水，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系统内上一个周期所残留的硝态氮反硝化的要求，反硝化过程中硝态氮不断被还原为氮气，使得反应系统内的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。

(2)反硝化结束后，继续投加原污水，系统进入厌氧发酵产酸阶段，pH值由上升转为下降，同时ORP值也大幅下降，表明系统内开始放磷，保证放磷反应进行完全后停止进水泵并关闭主反应区内潜水搅拌器，避免进水过多引起的碳源浪费并节约运行成本；

(3)启动空气压缩机进行曝气，好氧去除水中的有机物，然后将水中的氨氮氧化为硝态氮，即进行硝化反应。同时，聚磷菌在好氧条件下过量吸磷。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。

(4)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曝气阶段产生的硝态氮反硝化的要求。根据pH和ORP曲线上的特征点对反硝化反应的进程加以控制，反硝化结束时，停止搅拌。

(5)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。

(6)重复投加适量原污水进行反硝化和后曝气的过程(n次)。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控制参数的特征点，对反应的每一步进程进行过程控制。

(7)反应过程结束后，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)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。

(2)由于采用了分段进水形式，在反硝化反应完毕之后，主反应区的厌氧搅拌阶段使放磷反应得到强化并进行的更加完全，为聚磷菌进一步过量吸磷提供了良好条件，所以该工艺提高了系统的同步脱氮除磷的性能。

(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的原水投加量、反应时间，实现具有智能化的控制。

(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、且上周期残留硝态氮反硝化结束后继续进水强化主反应区的厌氧释磷阶段使系统更不易发生污泥膨胀。

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.进水泵；4.搅拌器；5.潜水搅拌器；6.回流污泥泵；7.曝气器；8.空气压缩机；9.滗水器；10.排水阀；11.排泥阀；12.实时控制系统；13.DO、ORP、pH传感器。

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)、将原污水打入选择器1内的进水泵3、设置在选择器1内的搅拌器4、设置在主反应区2内的潜水搅拌器5、用于将污泥从主反应区2回流至选择器1的回流污泥泵6、主反应区2底部所设曝气器7、连接在曝气器7上的空气压缩机8、设置在主反应区2内的滗水器9以及与之相连的排水阀10、用于排放主反应区2内剩余污泥的排泥阀11、实时控制系统12，与实时控制系统12相连接的DO、ORP、pH传感器13。所述的实时控制系统12用于控制包括连接在进水泵3、搅拌器4、潜水搅拌器5、回流污泥泵6、空气压缩机8、滗水器9、排水阀10以及排泥阀11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/缺氧搅拌本发明所提供的CAST分段进水同步脱氮除磷强化技术的运行操作工序如图1所示，首先通过通过实时控制系统12打开进水泵3并开启选择器1内搅拌器4；进水的同时开启回流污泥泵6，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，并且开启主反应区2内潜水搅拌器5，系统进行缺氧反硝化脱氮过程，反硝化进程由ORP、pH实时传感器13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，以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，进入第II道工序。

II进水/厌氧搅拌反硝化结束后，进水泵3继续向选择器1内投加原污水，此时pH值由上升转为下降，同时ORP值下降速率加快，表明系统进入厌氧产酸阶段，聚磷菌进行放磷活动，进水及厌氧搅拌时间由时间继电器控制，完成预计进水/厌氧搅拌后关闭进水泵3及潜水搅拌器5，停止进水搅拌，进入第III道工序。

III曝气启动空气压缩机8，调节至适量的曝气量对反应系统进行曝气，由空气压缩机8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12实施控制，主要根据反应池内所安置的DO、ORP、pH传感器13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12得到表征硝化完成的信号后，关闭空气压缩机8，停止曝气，然后系统进入第IV道工序。

IV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I、III。

V沉淀曝气硝化工序结束时，由实时控制系统12中的时间继电器根据预先设定的时间控制沉淀时间，此时进水泵3、搅拌器4、潜水搅拌器5、回流污泥泵6、空气压缩机8、滗水器9、排水阀10和排泥阀11均处于关闭状态。

VI排水沉淀阶段结束后，排水工序启动(第VI道工序)。在实时控制系统12调节下，无动力式滗水器9开始工作，将处理后水经排水阀10排出，排水时间由连接在无动力式滗水器9上的时间继电器控制。

VII闲置排水结束到下一个周期开始定义为闲置期(第VII道工序)。根据需要，设定闲置时间，在实时控制系统12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，反应池既不进水也不排水，处于待机状态。

VIII整个系统由实时控制系统12控制顺次重复进水/搅拌、曝气、沉淀、排水和闲置5个工序，使整个系统始终处于厌氧、缺氧、好氧交替的状态，分段进水和间歇出水，并在每个周期结束时打开排泥阀11经由排泥管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值实时检测设备，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、放磷、吸磷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、进水/厌氧搅拌及沉淀时间等，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，TP＝3.5～10.5mg/L)。所选择的CAST反应器有效容积72L，反应器内初始MLSS在3.5～4.0g/L，曝气量恒定在0.8m³/h，泥龄维持在10d左右，反应温度23℃。利用CAST分段进水强化脱氮除磷技术及其过程控制装置，处理水量24L，分段次数为3次，最终出水中COD小于50mg/L、总氮小于10mg/L，总磷小于0.5mg/L，低于国家一级排放标准所要求的浓度。

Claims (4)

1.一种CAST分段进水同步脱氮除磷强化过程控制装置，包括有选择器(1)、主反应区(2)、将原污水打入选择器(1)内的进水泵(3)、设置在选择器(1)内的搅拌器(4)、用于将污泥从主反应区(2)回流至选择器(1)的回流污泥泵(6)、主反应区(2)底部所设曝气器(7)、连接在曝气器(7)上的空气压缩机(8)、设置在主反应区(2)内的滗水器(9)、与滗水器(9)相连的排水阀(10)、用于排放主反应区(2)内剩余污泥的排泥阀(11)和与计算机相联接的DO、ORP、pH传感器(13)，其特征在于，包括有设置在主反应区(2)内的潜水搅拌器(5)，还包括实时控制系统(12)，实时控制系统(12)与进水泵(3)、搅拌器(4)、潜水搅拌器(5)、回流污泥泵(6)、空气压缩机(8)、滗水器(9)、排水阀(10)和排泥阀(11)上的时间继电器连接，实时控制系统(12)还与DO、ORP、pH传感器(13)和计算机连接。

2.根据权利要求1所述的过程控制装置，其特征在于，所述的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和传动装置组成。

3.一种CAST分段进水同步脱氮除磷强化过程控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)进水/缺氧搅拌通过实时控制系统(12)打开进水泵(3)并开启选择器(1)内的搅拌器(4)；进水的同时开启回流污泥泵(6)，在预先设定的回流量下，污泥由主反应区(2)的末端回流至选择器(1)，并且开启主反应区(2)内的潜水搅拌器(5)，系统进行缺氧反硝化脱氮过程，反硝化进程由ORP、pH实时传感器(13)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，当pH值曲线上出现极大值，同时ORP曲线上出现拐点时，系统进入下一道工序；

2)进水/厌氧搅拌反硝化结束后，进水泵(3)继续向选择器(1)投加原污水，进水和厌氧搅拌时间由连接进水泵(3)的时间继电器控制，到达预计进水时间，并完成厌氧放磷，关闭进水泵(3)和潜水搅拌器(5)，停止进水搅拌；

3)曝气停止进水搅拌后，由实时控制系统(12)开启空气压缩机(8)，由空气压缩机(8)提供的压缩空气通过曝气器(7)向主反应区(2)供氧，整个过程由DO、ORP、pH传感器(13)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、DO值出现突跃，同时ORP曲线上出现平台时，关闭空气压缩机(8)，停止曝气，系统进入下一道工序；

4)重复加原污水反硝化及后曝气重复步骤1)、步骤3)两步，重复的次数随原污水水质和处理水量要求变化；

5)沉淀曝气工序结束时，由实时控制系统(12)中的时间继电器根据预先设定的时间控制沉淀时间，此时进水泵(3)、搅拌器(4)、潜水搅拌器(5)、回流污泥泵(6)、空气压缩机(8)、滗水器(9)、排水阀(10)和排泥阀(11)均处于关闭状态；

6)排水沉淀阶段结束后，在实时控制系统(12)的调节下，滗水器(9)开始工作，将处理后的水经排水阀(10)排出，排水时间由连接在滗水器(9)上的时间继电器控制；

7)闲置在实时控制系统(12)的调节下，整个反应系统内的所有阀门、继电器和计量泵均关闭，处于待机状态；

8)系统依次重复1)、2)、3)、4)、5)、6)、7)各步骤，根据原水水质或水量变化自动调节各步骤时长。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的滗水器(9)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和传动装置组成。

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