CN101531983A - 一种处理生活污水亚硝化好氧颗粒污泥的培养方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种处理生活污水亚硝化好氧颗粒污泥的培养方法，特征是SBR反应器采用1.8～10的高径比和50～67％的容积交换率。沉淀时间为30～50min，逐渐缩短为3min；或沉淀时间设置为5～8min。在生化反应过程中，以溶解氧浓度DO和pH值作为实时控制参数，根据模糊控制规则实施曝气时间的控制，控制硝化停止在亚硝化阶段。本发明可提高氨氧化细菌含量、提高容积负荷、缩短硝化反应时间；大幅提高污泥的沉降性能、缩短沉淀时间、缩小反应器占地面积；解决现有污水处理系统时间程序控制导致的运行效率低、亚硝化不稳定的问题。该发明制备的亚硝化好氧颗粒污泥适合处理低COD高氨氮废水，是市场前景广阔的废水生物处理技术。

Description

一种处理生活污水亚硝化好氧颗粒污泥的培养方法

技术领域

本发明涉及一种处理生活污水亚硝化好氧颗粒污泥的培养方法及其模糊控制装置和方法，属于污水生物处理技术领域。

背景技术

随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高，氮素污染加剧，不仅造成水体富营养化而且还严重扰乱了水生生态系统。我国在2002年最新颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中要求所有城镇污水处理厂出水排入稀释能力较小的河流作为城镇景观用水和一般回用水等用途时，执行一级标准的A标准，即TN<15mg/L、NH₄-N<5mg/L(水温低于12℃时<8mg/L)。目前，我国几乎所有的城镇污水处理厂都面临着同一个难题，即污水C/N比值偏低，碳源不足成为有效脱氮的最重要的限制性因素。亚硝酸型生物脱氮技术为低C/N比废水脱氮提供了可能。与传统脱氮相比，亚硝酸型生物脱氮将硝化过程控制在亚硝化阶段，由于缩短了脱氮途径，能够减少25％左右的需氧量、降低40％左右的碳源投加量、减少污泥产量约50％、反应器体积缩小和提高反应效率提高等明显优点。影响亚硝化的因素主要有：温度、游离氨浓度、溶解氧浓度、泥龄和pH值等。利用控制温度和pH来实现亚硝化应用范围局限，应用低溶解氧来实现亚硝化又容易导致污泥膨胀，因此亚硝化工艺普遍存在着启动时间较长、出水波动、运行不稳定等问题。实现亚硝化的关键在于将硝化反应进程控制在氨氧化结束，防止亚硝酸氮进一步氧化为硝酸氮。

氨氧化细菌是一种生长速率及其缓慢的自养细菌，且其对环境条件要求苛刻，因此难以在反应器内维持大量的氨氧化细菌从而实现稳定高效的亚硝化。好氧颗粒污泥属于微生物自凝聚的范畴，可以克服活性污泥法和生物膜法的一些主要缺点，具有占地面积小、高生物量、高容积负荷、良好的污泥沉淀性能、低污泥产率、不需要沉淀池和富集强化功能菌群等明显优点。因此培养获得亚硝化好氧颗粒污泥，可以大大提高氨氧化细菌数量、提高系统的容积负荷、去除效率和稳定性。

几乎所有的好氧颗粒污泥均在SBR反应器中获得。好氧颗粒污泥SBR工艺同时具备好氧颗粒污泥和SBR两者的特点，但是已有的好氧颗粒污泥SBR工艺采用的是传统的时间程序控制方法，由于原水存在时变性、非线性、复杂性和不确定性等特点，不能根据水质的变化及时调整曝气、搅拌等工艺操作，造成出水不达标、能源浪费、效率低下。因此，污水处理工艺的智能化和自动控制迫在眉睫。

模糊控制(Fuzzy Control)是智能控制的重要组成部分与支柱。自Zadeh提出模糊集合理论和Mamdani(1975)发表了第一篇关于模糊控制的论文以来，模糊控制在工程中的应用日益广泛与深入。由于污水水质、水量变化很大，在污水处理中的研究与应用仍处于探索状态，主要集中在絮状污泥为主体的SBR法上，例如《SBR法去除有机物和脱氮除磷在线模糊控制的基础研究》(哈尔滨工业大学博士学位论文，作者高景峰，2001年)和专利CN1387099A。由于好氧颗粒污泥兼具絮状污泥和生物膜的共同特点，其生化反应(去除有机物、硝化、反硝化等)特征不同于絮状污泥。迄今为止，国内外尚无任何关于处理生活污水亚硝化好氧颗粒污泥的培养及其模糊控制的相关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种处理生活污水亚硝化好氧颗粒污泥的培养方法及其模糊控制装置和方法，从而提高氨氧化细菌含量、抑制亚硝酸氮氧化菌的生长、提高容积负荷、缩短硝化反应时间、降低成本；大幅提高污泥的沉降性能、缩短沉淀时间、缩小占地面积；解决现有污水处理系统时间程序控制、运行效率低、亚硝化不稳定等问题。

本发明的技术方案如下：

将城市污水处理厂排放的剩余活性污泥作为种泥装入SBR反应器中，SBR反应器的特征为：圆筒形，高径比为1.8～10，容积交换率为50％～67％；

采用温控器和加热设备维持水温在20～25℃；SBR反应器的运行方式为：进水——曝气——沉淀——排水；周期时间为6～8h；

SBR反应器的运行工序如下：将进水阀门打开，将废水从反应器上部泵入，待达到预定水位时，自动停止进水；

反应器底部装有曝气器，进水结束后，开启空气压缩机和进气阀门，输入压缩空气，空气流量为0.02～0.10m³/h，进行有机物的降解、有机氮氨化和氨氮的硝化，模糊控制曝气时间，当亚硝化结束时，关闭空气压缩机和进气阀门；

曝气结束后，进水阀门、进气阀门、排水阀门均关闭，开始静止沉淀，沉淀时间的设置方案为以下两种方案之一：1)初始沉淀时间为30～50min，依据污泥沉淀性能的改善，逐渐缩短，最终设置为3min；2)初始沉淀时间设置为5～8min，依据污泥沉淀性能的改善，逐渐缩短，最终设置为3min；沉淀之后，打开排水阀门，将处理水排到反应器外；稳定运行15～20天后，在反应器内获得亚硝化好氧颗粒污泥；

所述曝气时间的模糊控制规则是，当pH的一阶导数由负数转变为正数时，且曝气时间>3h，停止曝气；

或者曝气时间的模糊控制规则是，当溶解氧浓度DO的偏差为正小或正中时，均维持原有的曝气量，当DO的偏差达到正大，且DO的一阶导数达到正中或正大时，停止曝气。

本发明在SBR反应器内获得亚硝化好氧颗粒污泥，可稳定运行230～300天，直至人为停止运行。

本发明获得的亚硝化好氧颗粒污泥为棕黄色或灰红色球形或椭球形颗粒，直径0.3～2.0mm，结构密实，内有空隙，微生物以球菌、短杆菌为主，丝状菌很少，有大量的浮游累枝虫附着好氧颗粒污泥生长。

由于本发明采用相对较大的高径比，逐步降低沉淀时间的操作方式，克服了现有SBR反应器由于高径比过低而不能培养好氧颗粒污泥的问题，处理低浓度实际生活污水，仍能在SBR反应器和间歇式气提内循环反应器(SBAR)内快速培养获得亚硝化好氧颗粒污泥并稳定维持。

在SBR反应器内设置pH值和溶解氧浓度DO传感器，上述传感器经导线与pH测定仪和DO测定仪连接后与计算机的数据信号输入接口连接，计算机的数据信号输出接口，经导线连接执行机构，执行机构的进水继电器、出水继电器和曝气继电器经接口分别与进水阀门、出水阀门、曝气器进气阀门电连接。

SBR污水处理系统中，由pH传感器和溶解氧浓度DO传感器在线监控，采集pH值和溶解氧浓度DO的信号；将采集的pH值和DO信号经变送器输入模拟数字转换元件A/D，转换成数字信号；将数字信号输入计算机，经过控制变量偏差的计算、模糊化计算、与事先输入的模糊控制规则比较，采用Mamdani模糊推算法进行模糊控制推理、经非模糊化计算后，得到模糊控制变量；再将模糊控制变量经数字模拟转换元件D/A转换成控制信号；控制信号控制执行机构，实现模糊控制反应器四个步骤的进水时间、曝气时间、沉淀时间、排水时间。

因生活污水碱度充足，曝气时间的模糊控制规则是，当pH的一阶导数由负数转变为正数时，且曝气时间>3h，推断亚硝化(氨氧化)结束，停止曝气。

曝气时间的另一个可选模糊控制规则是，当DO的偏差为PS(正小)或PM(正中)时，无论DO的导数如何，均维持原有的曝气量，避免因曝气时间不够而使出水达不到排放标准。只有当DO的偏差达到PB(正大)，且DO的一阶导数达到PM(正中)或PB(正大)时才认为亚硝化(氨氧化)结束，停止曝气。

本发明能够经济、快速、稳定地获得亚硝化好氧颗粒污泥，是一项有广阔市场应用前景的发明。

本发明益处：

1、本发明克服了现有SBR反应器高径比过低不利于培养好氧颗粒污泥的问题，采用两种调控沉淀时间的方式，在低浓度生活污水的条件下，成功培养出亚硝化好氧颗粒污泥。解决了现有活性污泥法污泥沉降性能较差、沉淀时间过长、效率低下、反应器占地面积大、投资成本过高的问题。

2、亚硝化好氧颗粒污泥的成功培养，提高了氨氧化细菌的比例，缩短了硝化反应时间、与传统硝化相比能够减少25％左右的需氧量，为低C/N生活污水高效脱氮提供了可能，可以进一步降低40％左右的碳源投加量、减少污泥产量约50％、反应器体积缩小30～40％左右和提高反应效率。

3、模糊控制调控氨氧化进程，亚硝化结束时及时结束反应，逐渐淘汰亚硝酸氮氧化细菌，富集氨氧化菌。能够稳定、持久地维持亚硝化类型，避免全程硝化的出现，充分发挥亚硝化的各项优势。

4、采用实时控制装置和方法控制氨氧化过程，能够根据原水水质水量的变化实时控制曝气时间，实现具有智能化的控制，保证出水水质的前提下稳定、优化、节能。

附图说明

图1为本发明实施例1中使用的SBR反应器及其模糊控制装置示意图

图1中：1、原水箱；2、进水泵；3、进水阀门；4、进水管；5、出水阀门；6、出水管；7、排泥管；8、空气压缩机；9、曝气阀门；10、曝气头；11、SBR反应器；12、pH传感器；13、DO传感器；14、温度传感器；15、pH测定仪；16、DO测定仪；17、温度测定仪；18、数据信号输入接口；19、计算机；20、数据信号输出接口；21、执行机构；22、进水继电器；23、出水继电器；24、曝气继电器；25、温度继电器；26、信号输出接口；27、液位计；28、加热设备

图2为E_DO和CE_DO的隶属函数图

图3为CE_pH的隶属函数图

图4为本发明实施例2中使用的SBAR反应器及其模糊控制装置示意图

图4中：1、原水箱；2、进水泵；3、进水阀门；4、进水管；5、出水阀门；6、出水管；7、排泥管；8、空气压缩机；9、曝气阀门；10、曝气头；11、SBAR反应器；12、pH传感器；13、DO传感器；14、温度传感器；15、pH测定仪；16、DO测定仪；17、温度测定仪；18、数据信号输入接口；19、计算机；20、数据信号输出接口；21、执行机构；22、进水继电器；23、出水继电器；24、曝气继电器；25、温度继电器；26、信号输出接口；27、液位计；28、内筒；29、加热设备

具体实施方式：

下面结合实施例进一步详细地说明本发明。

实施例1

1、处理生活污水亚硝化好氧颗粒污泥的培养

如图1所示，培养亚硝化好氧颗粒污泥的SBR反应器为圆筒形，直径9cm，有效高度90cm，高径比为10，总有效容积6L，有机玻璃制，排水管6位于反应器下1/3处，容积交换率67％。用温度传感器14、温度测定仪17、执行机构21和加热设备28调控水温在25±1℃。将某市城市污水处理厂二次沉淀池排放的剩余污泥作为种泥装入SBR反应器中；原水为某生活小区排放的实际生活污水，COD为200～350mg/L、NH₄ ⁺-N为50～85mg/L、pH值为7.4～7.8、碱度(以CaCO₃计)平均值为380mg/L。SBR的运行方式为：进水，曝气，沉淀，排水。通过进水泵2将污水从原水箱1泵入反应器的顶部，通过液位计27控制泵送的流量，进水时间2min；进水结束之后，开启空气压缩机8和进气阀门9，空气由空气压缩机8通过反应器底部中央安装的微孔曝气头10进入反应器，空气流量为0.10m³/h，进行有机物的降解、有机氮氨化和氨氮的硝化，当亚硝化结束时，利用模糊控制器实施模糊控制关闭空气压缩机8和进气阀门9；曝气结束后，进水阀门3、进气阀门9、排水阀门5均关闭，开始静止沉淀，沉淀时间设置为5min；沉淀之后，打开排水阀门5，将处理水排到反应器外。运行7天后，在反应器内出现亚硝化好氧颗粒污泥，污泥粒径在222.28～555.71μm之间的污泥占52.34％；运行15天之后，出水亚硝酸氮/(亚硝酸氮+硝酸氮)的百分比为97.8％，氨氮降解速率较形成亚硝化颗粒污泥之前提高了2.6倍。此后稳定维持在此值左右；运行32天时，粒径在0.3～0.6mm及0.6～0.8mm之间的颗粒的重量百分比分别为41.30％及18.44％；此后亚硝化好氧颗粒污泥不断长大，在第143天，粒径在1.5mm～2.0mm之间颗粒的重量百分比已经达到41.85％，反应器稳定运行230天，直至人为结束实验。

本发明实施例1获得的亚硝化好氧颗粒污泥为灰红色球形或椭球形颗粒，直径0.3～2.0mm，结构密实，内有空隙，微生物以球菌、短杆菌为主，丝状菌很少，有大量的浮游累枝虫附着好氧颗粒污泥生长。

2、实施例1亚硝化好氧颗粒污泥SBR反应器的实时控制装置

由SBR反应器11连接进水管4、出水管6和排泥管7，其特征在于：在SBR反应器内设置pH值传感器12、溶解氧浓度DO传感器13、温度传感器14，上述传感器经导线与pH测定仪15、DO测定仪16、温度测定仪17连接后与计算机的数据信号输入接口18连接，经计算机19模糊计算处理后，数据信号经计算机的数据信号输出接口20，由导线连接执行机构21，执行机构21的进水继电器22、出水继电器23、曝气继电器24、温度继电器25经接口分别与进水泵2、进水阀门3、液位计28、出水阀门5、空气压缩机8、曝气阀门9、加热设备27电连接。

3、实施例1亚硝化好氧颗粒污泥SBR反应器的实时控制方法：

(1)DO作为好氧颗粒污泥亚硝化反应时间的控制参数

由于SBR法间歇运行的特点，当硝化结束时，DO迅速大幅度升高或上升的速率加快，之后DO可以上升至接近饱和值处。这一变化特点可用模糊语言变量加以描述，以此作为停止曝气的信号，故引入了用DO偏差的大小(用E_DO表示)和DO的一阶导数(用CE_DO表示)为模糊控制器的两个输入变量。

E_DO及CE_DO均为正，可以简化E_DO、CE_DO和控制量U_A的模糊集和论域的定义：E_DO、CE_DO的模糊集均为：{PS，PM，PB}；E_DO、CE_DO的论域均为：{1，2，3，4，5，6}对控制量U_A(即曝气量)而言，只有两种选择：一种是维持原来的曝气量不变，继续等待；另一种是立即停止曝气，不存在改变曝气量大小的问题。对输入变量E_DO和CE_DO进行模糊化处理，此时DO的设定值DOs取2.5mg/L。按表1、2、3将输入变量模糊化。输入变量的各模糊集的隶属函数如图2。在此仅对模糊规则的建立进行说明，模糊控制规则如表4所示。当E_DO为PS和PM时，无论CE_DO如何，均维持原有的曝气量，避免因曝气时间不足而使出水达不到排放标准。只有当E_DO达到PB，且CE_DO达到PM或PB才认为好氧颗粒污泥亚硝化已经终止，应该停止曝气。在实施例1具体实施时，停止曝气的模糊控制规则即：DO的设定值为2.5mg/L，DO的偏差达到4.0mg/L之上时，且DO的一阶导数达到0.035mg/L/min之上时，认为好氧颗粒污泥亚硝化已经终止，应该停止曝气。

表1 将偏差E_DO化为离散的整型变量X_DO

 

XDO	+1	+2	+3	+4	+5	+6
							EDO(mg/L)	2.5～2.7	2.7～3.0	3.0～3.5	3.5～4.0	4.0～5.0	5.0～+∞

表2 将CE_DO化为离散的整型变量CX_DO

 

CXDO	+1	+2	+3	+4	+5	+6
							CEDO(mg/L/min)	-0.002～0.01	0.01～0.02	0.02～0.035	0.035～0.05	0.05～0.06	0.06～+∞

表3 E_DO和CE_DO的隶属函数赋值表

表4 应用DO进行好氧颗粒污泥亚硝化反应终点判断的模糊控制规则

(2)pH值作为好氧颗粒污泥亚硝化反应时间的控制参数

生活污水碱度充足但不过量时，忽略参数的上下波动，选择pH的一阶导数dpH/dt作为模糊控制器的输入变量，用CE_pH表示，选择曝气量作为输出变量，用U_A表示。输入变量采样周期为1分钟。而对输出变量U_A而言，只有两种选择：一种是维持原来的曝气量不变，继续等待，用0表示；另一种是立即停止曝气，不存在改变曝气量大小的问题，用1表示。

将CE_pH非均匀量化为[-2，+2]之间的离散的整型变量CX_pH，如表5所示。CE_pH的模糊集为{N，O，P}；CE_pH的隶属函数的图形见图3。由此可得CE_pH的隶属函数见表6。应用CE_pH进行亚硝化过程终点的模糊控制规则见表7。

表5 将CE_pH化为离散的整型变量CX_pH

 

CXpH	-2	-1	0	+1	+2
						CEpH(min-1)	-∞～-0.002	-0.002～-0.001	-0.001～0.001	0.001～0.002	0.002～+∞

表6 CE_pH的隶属函数赋值表

表7 应用CE_pH进行好氧颗粒污泥亚硝化终点判断的模糊控制规则

实施例2

1、处理生活污水亚硝化好氧颗粒污泥的培养

如图4所示，培养亚硝化好氧颗粒污泥的SBAR反应器为圆筒形，外筒直径9cm，内筒直径5cm，底隙区高度15cm，有效高度90cm，高径比为10，总有效容积6L，有机玻璃制，排水管6位于反应器下1/3处，容积交换率67％。用温度传感器14、温度测定仪17、执行机构21和加热设备29调控水温在25±1℃。将某市城市污水处理厂二次沉淀池排放的剩余污泥作为种泥装入SBAR反应器中；原水为某生活小区排放的实际生活污水，COD为200～350mg/L、NH₄ ⁺-N为50～85mg/L、pH值为7.4～7.8、碱度(以CaCO₃计)平均值为380mg/L。SBR的运行方式为：进水，曝气，沉淀，排水。通过进水泵2将污水从原水箱1中泵入反应器的顶部，通过液位计27控制泵送的流量，进水时间2min；进水结束之后，开启空气压缩机8和进气阀门9，空气由空气压缩机8通过反应器底部中央安装的微孔曝气头10进入反应器，空气流量为0.10m³/h，进行有机物的降解、有机氮氨化和氨氮的硝化，当亚硝化结束时，利用模糊控制器实施模糊控制关闭空气压缩机8和进气阀门9；曝气结束后，进水阀门3、进气阀门9、出水阀门5均关闭，开始静止沉淀，沉淀时间设置为8min；沉淀之后，打开排水阀门5，将处理水排到反应器外。运行5天后，在反应器内出现少量亚硝化好氧颗粒污泥；运行15天时，大于0.3mm的颗粒污泥所占体积百分比为69％；运行25天之后，出水亚硝酸氮/(亚硝酸氮+硝酸氮)的百分比为85.6％，氨氮降解速率较形成亚硝化好氧颗粒污泥之前提高了2.4倍，此后稳定维持在此值左右；运行32天时，粒径范围为0.0～0.3mm、0.3～0.6mm及0.6～1.0mm的重量百分比分别为44.55％、52.07％和3.38％，粒径更集中于0.5mm左右；此后亚硝化颗粒污泥不断长大，在第150天，粒径0.5mm～0.8mm之间颗粒的重量百分比已经达到62.75％，反应器稳定运行300天，直至人为结束实验。

本发明实施例2的获得的亚硝化好氧颗粒污泥为灰红色球形或椭球形颗粒，直径0.3～0.8mm，结构密实，内有空隙，微生物以球菌、短杆菌为主，丝状菌很少，有大量的浮游累枝虫附着颗粒污泥生长。

2、实施例2亚硝化好氧颗粒污泥SBAR反应器的实时控制装置与实施例1相同。

3、实施例2亚硝化好氧颗粒污泥SBAR反应器的实时控制方法与实施例1相同。

Claims (1)

1、一种处理生活污水亚硝化好氧颗粒污泥的培养方法，其特征在于，包括以下步骤：

将城市污水处理厂排放的剩余活性污泥作为种泥装入SBR反应器中，SBR反应器的特征为：圆筒形，高径比为1.8～10，容积交换率为50％～67％；

维持水温在20～25℃；SBR反应器的运行方式为：进水——曝气——沉淀——排水；周期时间为6～8h；

进水：将进水阀门打开，将废水从SBR反应器上部泵入，待达到预定水位时，自动停止进水；

曝气：SBR反应器底部曝气器，进水结束后，开启空气压缩机和进气阀门，输入压缩空气，空气流量为0.02～0.10m³/h，进行有机物的降解、有机氮氨化和氨氮的硝化，模糊控制曝气时间，当亚硝化结束时，关闭空气压缩机和进气阀门；

沉淀：曝气结束后，进水阀门、进气阀门、排水阀门均关闭，开始静止沉淀，沉淀时间的设置方案为以下两种方案之一：1)初始沉淀时间为30～50min，依据污泥沉淀性能的改善，逐渐缩短，最终设置为3min；2)初始沉淀时间设置为5～8min，依据污泥沉淀性能的改善，逐渐缩短，最终设置为3min；

排水：沉淀之后，打开排水阀门，将处理水排到反应器外；稳定运行15～20天后，在反应器内获得亚硝化好氧颗粒污泥；

所述曝气时间的模糊控制规则是，当pH的一阶导数由负数转变为正数时，且曝气时间>3h，停止曝气；

或者曝气时间的模糊控制规则是，当溶解氧浓度DO的偏差为正小或正中时，均维持原有的曝气量，当DO的偏差达到正大，且DO的一阶导数达到正中或正大时，停止曝气。

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