CN101555068B - 生活污水常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥的培养方法 - Google Patents

Abstract

生活污水常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥的培养方法属于污水处理领域，特征是SBR反应器采用2～10的高径比和50～67％的容积交换率，不调控水温。沉淀时间为30～50min，逐渐缩短为1～3min；或将沉淀时间设置为5～8min，逐渐缩短至1～3min。在生化反应过程中，以溶解氧浓度DO、氧化还原电位ORP和pH值作为实时控制参数，实时控制搅拌时间(反硝化、放磷)、曝气时间(有机物氧化、硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷)。本发明可提高硝化菌和聚磷菌的含量、以厌氧/好氧方式实现低COD生活污水常低温好氧颗粒污泥同时脱氮除磷，工艺简单、污泥产量低、反应效率高；污泥沉淀性能良好、反应器占地面积小；解决污水处理系统时间程序控制导致的运行效率低、氮、磷处理不稳定的问题。

Description

生活污水常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥的培养方法

技术领域

本发明涉及一种污水处理工艺及其控制装置与方法，特别是一种处理低COD/N/P实际生活污水的好氧颗粒污泥常低温同时脱氮除磷工艺及其智能控制装置和方法。

背景技术

随着我国污水处理事业的蓬勃发展，国家对污水排放要求也越来越严格，但是由氮、磷污染引起的水体富营养化问题不仅没有解决，而且有日益严重的趋势。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)、TP＜0.5mg/L。由此可见，污水处理的主要矛盾已由有机污染物的去除转变为氮、磷污染物的去除。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，即脱氮和除磷无法同时达到最佳效果，究其原因主要为：1、污水COD/N/P比值偏低，碳源不足成为反硝化脱氮和生物除磷的限制性因素；2、硝化菌、反硝化菌和聚磷菌对泥龄、环境条件等的要求不同，硝化菌和聚磷菌的数量较少且无法同时处于各自最佳的生存状态。此外，在高纬度地区秋冬季水温较低，微生物代谢活性减弱，氮、磷去除率进一步降低。因此，研发高效、低耗、常低温稳定运行的污水除磷脱氮工艺和方法成为亟待开展的课题。

传统的和现今流行的污水生物处理工艺按照微生物的存在状态可以分为悬浮生长系统和附着生长系统两大类。前者的代表是活性污泥法，其缺陷是污泥浓度低、容积负荷低、对冲击负荷敏感；反应器和二沉池占地面积庞大；容易发生污泥膨胀、剩余污泥多且处理难度大等等。后者的代表有生物膜法，其缺陷是载体或填料的投资较大；在运行工况下，单位体积内的生物量相对恒定，污泥负荷难以提高，再加上载体或填料的体积，实际反应器体积也比较大。这两大类系统都存在着基建投资高，占地面积大，运行管理费用高等必须要克服的缺点。目前研发紧凑集成、高效节能的新型工艺成为热点，其中尤以好氧颗粒污泥工艺较为突出，它属于微生物自固定化的范畴，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、不需额外增加投资、微生物相丰富、富集强化功能菌群等明显优点。因此实现好氧颗粒污泥工艺具有重要意义，将大大改进传统工艺模式。

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，但是缺少关于生物除磷、同时脱氮除磷的模糊控制的相关研究。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、脱氮和除磷等)特征不同于絮状污泥。迄今为止，国内外尚无任何关于好氧颗粒污泥反应器处理生活污水常低温同时脱氮除磷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常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥的培养方法及其模糊控制装置，从而提高硝化细菌、聚磷菌的含量、提高容积负荷、解决低COD/N/P生活污水常低温氮磷高效达标排放的问题；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导致的运行效率低、氮磷去除不稳定的问题。

本发明的技术方案如下：

将A²/O工艺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2～10，容积交换率为50％～67％；

往生活污水中投加乙酸钠与丙酸钠的混合物或葡萄糖，调整COD∶N∶P的质量比为360∶60∶6；

SBR反应器的运行方式为：进水——搅拌——曝气——沉淀——排水；周期时间为8～12h；

进水：将进水阀门打开，将投加了乙酸钠与丙酸钠的混合物或葡萄糖的废水从SBR反应器上部泵入，待水位达到预定值时，自动停止进水；

搅拌：SBR反应器装有搅拌器，进水结束后开始搅拌，进行反硝化、厌氧放磷，模糊控制搅拌时间；

曝气：SBR反应器装有曝气器，搅拌结束后，开启空气压缩机和进气阀门，将压缩空气输入，空气流量为0.02～0.20m³/h，进行有机物的降解、硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷，氮磷去除停止时，模糊控制曝气时间，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，最终为1～3min；2)初始沉淀时间设置为5～8min，最终逐渐缩短为1～3min；

排水：沉淀之后，打开排水阀门，将处理水排到SBR反应器外；稳定运行40～50天后，在SBR反应器内获得常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥，可稳定运行250～300天，直至人为停止运行；

搅拌时间的模糊控制规则是：首先根据模糊控制规则探查反硝化结束时间，即当氧化还原电位ORP的偏差达到负中或负大，并且ORP的一阶导数达到负中或负大，同时pH的一阶导数达到负零或负小，此时反硝化结束；反硝化结束后且ORP的一阶导数在-5～0mV/min波动，此时放磷结束，停止搅拌；

曝气时间的模糊控制规则是，当pH值的一阶导数由负数转变为正数时，且曝气时间＞4h，好氧颗粒污泥同时硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷结束，停止曝气；

曝气时间的另一个可选模糊控制规则是，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。

本发明的获得的常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥为棕黄色球形或椭球形颗粒，直径0.3～1.5mm，结构密实，内有空隙，微生物以球菌或短杆菌为主，丝状菌很少，有大量的钟虫、浮游累枝虫和纤毛虫附着好氧颗粒污泥生长。荧光原位杂交结果表明本试验中好氧颗粒污泥的氨氧化菌位于颗粒的最外层，占总菌12％左右，聚磷菌位于颗粒的内层，占总菌的40％左右，两者的数量均远高于絮状污泥。同时脱氮除磷效果依靠外层的氨氧化菌，内层的聚磷菌、反硝化聚磷菌以及反硝化菌共同作用完成，其中聚磷菌由于数量大以及异养的特点使磷的去除较快，磷的去除是由好氧吸磷和反硝化吸磷过程同时进行而完成的；而硝化菌的数量相对较少，因此硝化为限速步骤。

由于本发明采用相对较大高径比，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反应器内快速培养获得常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥并稳定维持。

在SBR反应器内设置pH值、溶解氧浓度DO传感器和氧化还原电位ORP传感器，上述传感器经导线与pH测定仪、DO测定仪和ORP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、电动搅拌机继电器和曝气继电器经接口分别与进水阀门、出水阀门、电动搅拌机和曝气器进气阀门电连接。

SBR污水处理系统中，由pH传感器、溶解氧浓度DO传感器和氧化还原电位ORP传感器在线监控，采集pH值、溶解氧浓度DO和氧化还原电位ORP的信号；将采集的pH值、DO和ORP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五个步骤的进水时间、搅拌时间、曝气时间、沉淀时间、排水时间。

搅拌时间的模糊控制规则是：首先根据模糊控制规则探查反硝化结束时间，在此基础上，当ORP的一阶导数在-5～0mV/min波动时，判断厌氧放磷结束，停止搅拌。

对反硝化时间的判断而言，只有当ORP的偏差达到NM(负中)或NB(负大)，并且ORP的一阶导数达到NM(负中)或NB(负大)，同时pH的一阶导数达到NO(负零)或NS(负小)，此时反硝化结束。这种控制规则既避免了刚开始反硝化的时候，ORP的一阶导数达到NM(负中)或NB(负大)，且pH的一阶导数达到NB(负大)，容易误判为应该结束反硝化，这主要是通过将ORP的偏差控制在NM(负中)或NB(负大)达到的。为避免误判应该结束反硝化，采用了三输入的模糊控制系统，要求此时ORP的一阶导数必须达到NM(负中)或NB(负大)，避免误判。这也就是同时应用ORP和pH曲线的转折点共同模糊判断反硝化时间。

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＞4h，推断好氧颗粒污泥在好氧条件下同时硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷结束，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)和PM(正中)时，无论DO的一阶导数如何，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)才认为好氧颗粒污泥同时硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷结束，应该停止曝气。

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，处理COD/N/P较低的低浓度生活污水，成功培养获得常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥。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、基建投资过高的问题。

2、常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥的成功培养，大幅提高了氨氧化菌、聚磷菌的比例；好氧颗粒污泥特殊的层状结构，氨氧化细菌分布在颗粒的最外侧，聚磷菌在氨氧化内侧向颗粒内部生长。在低COD/N/P、常温和低温条件下，厌氧放磷后，好氧条件下完成硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷，实现好氧颗粒污泥厌氧/好氧同时脱氮除磷，氮磷达标排放，简化了工艺流程、减少了碳源投加量、降低了污泥产量、提高了反应效率。

4、采用实时控制装置和方法，能够根据原水水质水量的变化实时控制搅拌时间(反硝化和放磷)和曝气时间(有机物降解、硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷)，实现具有智能化的控制，保证出水水质的前提下使系统稳定、优化、节能。

附图说明

图1为本发明实施例1中使用的SBR反应器及其实时控制装置示意图

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、电动搅拌机；12、间歇反应器；13、pH传感器；14、DO传感器；15、ORP传感器；16、pH测定仪；17、DO测定仪；18、ORP测定仪；19、数据信号输入接口；20、计算机；21、数据信号输出接口；22、执行机构；23、进水继电器；24、出水继电器；25、曝气继电器；26、电动搅拌机继电器；27、信号输出接口；28、液位计

图2为实施例1同时脱氮除磷好氧颗粒污泥反应器进水氨氮(NH₄ ⁺-N)浓度和COD浓度，出水氨氮(NH₄ ⁺-N)浓度和总无机氮(TIN)浓度的长期变化图

图3为实施例1同时脱氮除磷好氧颗粒污泥反应器进出水可溶性正磷酸盐(PO₄ ^3--P)浓度的长期变化图

图4为厌氧段E_ORP和CE_ORP模糊集的隶属函数

图5为厌氧段CE_pH的隶属函数图

图6为厌氧段C2E_pH的隶属函数图

图7为好氧段E_DO和CE_DO的隶属函数图

图8为好氧段CE_pH的隶属函数图

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、处理生活污水常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥的培养

如图1所示，培养常低温同时脱氮除磷的SBR反应器为圆筒形，直径18cm，有效高度55cm，高径比为3，总有效容积12L，有机玻璃制，排水管6位于反应器下1/2处，容积交换率50％。不控制污水水温。将某市A²/O工艺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，水质平均值：COD为191.37mg/L、氨氮(NH₄ ⁺-N)为58.32mg/L、正磷酸盐(PO₄ ^3--P)为4.14mg/L、pH值为7.42、碱度(以CaCO₃计)为380mg/L。反应器运行至第42天时，向原水投加COD(丙酸钠和醋酸钠，两者的摩尔比为10∶1)和正磷酸盐，使COD∶N∶P在360∶60∶6左右。SBR反应器的运行方式为：进水——搅拌——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28控制泵送的流量，进水时间2min；进水结束之后，开启电动搅拌机11搅拌，进行反硝化和放磷，模糊控制搅拌时间；搅拌结束之后，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0.16m³/h，进行有机物的降解、有机氮氨化、氨氮的硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷，当生化反应结束时，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，初始沉淀时间设置为5min；沉淀之后，打开排水阀门5，将处理水排到反应器外。第1天至第10天沉淀时间为5～1min梯度递减，第11天至第20天保持在1min、2min交替变化；在第20天已经培养获得了好氧颗粒污泥，SVI_30min由127mL/g变为SVI_5min为30～40mL/g；第21天至第254天沉淀时间保持在2～3min。本发明实施例1的获得的常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥为棕黄色球形或椭球形颗粒，粒径的范围集中在0.3～0.8mm之间，结构密实，内有空隙，微生物以短杆菌为主，丝状菌很少，有大量的浮游累枝虫附着颗粒污泥生长。

图2为实施例1同时脱氮除磷好氧颗粒污泥反应器进水氨氮(NH₄ ⁺-N)、COD，出水氨氮(NH₄ ⁺-N)总无机氮(TIN)长期变化图。图3为实施例1同时脱氮除磷好氧颗粒污泥反应器进出水正磷酸盐(PO₄ ^3--P)长期变化图。实施例1启动的第1天至第20天(图2中第I阶段)，出水NH₄ ⁺-N可达0mg/L，出水TIN(＞30mg/L)和PO₄ ^3--P(2～4mg/L)的去除不够理想，缩短沉淀时间培养AGS造成了污泥大量洗除，大量细菌被排出反应器外，导致出水NH₄ ⁺-N明显高于启动初期(最高达31.60mg/L)。好氧颗粒污泥形成以后，适当延长沉淀时间，稳定维持颗粒状态并且提高污泥浓度，NH₄ ⁺-N的去除率很快得到了恢复，而TIN和PO₄ ^3--P的去除效果仍然很差(图2中第II阶段：第30天至第42天)。

从第42天起，调整原水COD∶N∶P为360∶60∶6，由于好氧颗粒污泥的结构特点，为在好氧状态下实现同时硝化反硝化、好氧吸磷、好氧颗粒污泥内部反硝化除磷提供了条件，使得实施例1很快达到较高的同时脱氮除磷效果，实施例1在第42天至第161天(图2中第III阶段)四个月内的常温条件下，始终维持着稳定好氧颗粒污泥形态和稳定的同时脱氮除磷效果，NH₄ ⁺-N、TIN和PO₄ ^3--P平均去除率为98.42％、74.25％和94.79％；出水平均值分别为0.83mg/L、13.72mg/L和0.30mg/L，均达到城镇污水处理厂出水一级标准。

第162天至第254天进入秋冬季，随着气温下降，反应器内的水温由原来的20～25℃左右降至17℃以下，实施例1的除磷效果没有明显变化，PO₄ ^3--P平均去除率为99.27％，多数情况下出水通常为0mg/L；而脱氮作用则受到很大影响，出水NH₄ ⁺-N最高可达28.64mg/L，TIN最高可达到33.94mg/L，但是在低水温条件下实施例1经历了第162天至第197天(图2中第IV阶段)共35天逐渐恢复了较好的同时脱氮除磷效果。

第198至第254天(图2中第V阶段)，水温下降至9～13℃时，实施例1的NH₄ ⁺-N、TIN和PO₄ ^3--P平均去除率仍然能保持96.33％、79.49％和99.68％；出水平均值分别为2.50mg/L、13.81mg/L和0.02mg/L。实施例1出水各项指标均达到城镇污水处理厂出水一级标准。

实施例1中的好氧颗粒污泥中只能以溶解氧作为电子受体的聚磷菌占总聚磷菌的14.2％；能以溶解氧和硝酸氮作为电子受体的聚磷菌占总聚磷菌的74.3％；能以溶解氧、硝酸氮和亚硝酸氮作为电子受体的聚磷菌占总聚磷菌的11.5％。

实施例1常低温同步脱氮除磷好氧颗粒污泥的荧光原位杂交定量分析结果是：氨氧化细菌占总菌群数的12.32％(标准偏差为1.89％，样本数为7)，主要分布在好氧颗粒污泥的最外侧，在一些大孔隙的周围也有，氨氧化菌深入颗粒内部的距离从几十微米至300微米不等，这与氨氧化菌为专性好氧菌的特点相关；聚磷菌占总菌群数的42.56％(标准偏差为6.94％，样本数为7)，聚磷菌主要在氨氧化菌的内侧向颗粒内部生长，基本布满颗粒内部，这与聚磷菌为兼性异养菌的特点相关。其中聚磷菌由于数量大以及异养的特点去除磷的速率较快，同时完成好氧吸磷和反硝化吸磷过程；而硝化菌相对数量少，因此硝化为限速步骤。实施例1中常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥中的氨氧化菌和聚磷菌的数量远高于絮状污泥，并且这两种菌呈现各自明显的层状分布特征。SBR反应器厌氧放磷结束后，在好氧阶段好氧颗粒污泥形成外部好氧，内部缺氧、厌氧的微环境；好氧颗粒污泥外层的氨氧化菌和亚硝酸氮氧化菌完成硝化，好氧颗粒污泥内层的反硝化菌完成反硝化、靠外的聚磷菌完成好氧吸磷、靠内的聚磷菌完成反硝化吸磷，从而实现同时脱氮除磷。好氧颗粒污泥中的氨氧化菌和聚磷菌的数量远高于絮状污泥，保证在常温和低温的条件下均可以实现稳定的同时脱氮除磷效果。

2、实施例1常低温同时脱氮除磷SBR反应器的实时控制装置

由SBR反应器12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13、溶解氧浓度DO传感器14、氧化还原电位ORP传感器15，上述传感器经导线与pH测定仪16、DO测定仪17、ORP测定仪18连接后与计算机的数据信号输入接口19连接，经计算机20模糊计算处理后，数据信号经计算机的数据信号输出接口21，由导线连接执行机构22，执行机构22的进水继电器23、出水继电器24、曝气继电器25、电动搅拌机26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、电动搅拌机11电连接。

3、实施例1常低温同时脱氮除磷SBR反应器的实时控制方法：

(1)厌氧段搅拌时间的模糊控制

搅拌时间的模糊控制原则是：首先根据模糊控制规则探查反硝化结束时间，在此基础上，模糊判断厌氧放磷的结束时间，然后停止搅拌。

选择ORP的偏差(用E_ORP表示)，ORP的一阶导数dORP/dt(用CE_ORP表示)；pH的一阶导数dpH/dt(用CE_pH表示)；以及pH的二阶导数d²pH/dt²(用C2E_pH表示)作为模糊控制的输入变量。E_ORP是指以反硝化开始的ORP值为标准值ORP_S，在线检测的ORP_OFF与ORP_S的差作为ORP的偏差。输出变量有一个：搅拌，用U_M表示。

1)反硝化结束时间的模糊判断

由模糊控制的原理可知，模糊控制器的输入是确定量，而模糊控制算法本身要求模糊变量。这就需要将精确的输入变量经模糊化处理变为模糊变量。

由于E_ORP均为负，所以将E_ORP非均匀量化为[-6，-0]之间的离散的整型变量X_ORP，见表1。

表1  将偏差E_ORP化为离散的整型变量X_ORP

由于CE_ORP均为负，所以将CE_ORP非均匀量化为[-6，-0]之间的离散的整型变量CX_ORP，见表2。

表2  将CE_ORP化为离散的整型变量CX_ORP

将CE_pH非均匀量化为[-4，+4]之间的离散的整型变量CX_pH，见表3。

表3  将CE_pH化为离散的整型变量CX_pH

将C2E_pH非均匀量化为[-2，+2]之间的离散的整型变量C2X_pH，，见表4。

表4   将C2E_pH化为离散的整型变量C2X_pH

E_ORP，CE_ORP，CE_pH，C2E_pH在表1至表4中的实际论域都是通过大量的试验确定的，它与传感器的精度，测定速度和采样时间等都有关。E_ORP和CE_ORP的模糊集分别为{NB，NM，NS，NO}；{NB，NM，NS，NO}；CE_pH的模糊集为{NB，NS，NO，PO，PS，PB}；C2E_pH的模糊集为{N，O，P}。

模糊变量必须用隶属函数来表示。隶属函数的具体形式取决于被控制系统本身的特性。本模糊控制系统各模糊集的隶属函数如图4～6。由各输入变量的隶属函数可以得到各输入变量的隶属函数表，见表5～7。

表5  E_ORP和CE_ORP的隶属函数赋值表

表6  CE_pH的隶属函数赋值表

表7  C2E_pH的隶属函数赋值表

对控制变量U_M而言只有两种选择：搅拌停止或继续搅拌。对这样的控制变量无需进行去模糊化。

在大量试验的基础上，总结出不依赖于数学模型的接近最优控制的控制规律，建立以模糊语言表示的模糊判断推理的合成规则和模糊控制规则。根据操作过程中可能遇到的各种情况和系统的运行数据，将相应的判断策略归纳为表8。

表8  反硝化时间的模糊判断规则

①0表示反硝化未结束；

②1表示反硝化已经结束。

2)搅拌时间的模糊控制

在根据模糊控制规则探查反硝化结束时间后，在此基础上，当ORP的一阶导数在-5～0mV/min波动时，即：当CE_ORP为NO时，意味着厌氧放磷结束，停止搅拌。

(2)DO作为好氧颗粒污泥同时脱氮除磷曝气时间的实时控制参数

厌氧/好氧常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥工艺的限速步骤为好氧硝化，在好氧条件下好氧吸磷、反硝化吸磷首先完成，硝化和反硝化仍在进行，反硝化受限于硝化的进行，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。

DO的偏差及其一阶导数均为正，可以简化对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9、10、11将输入变量模糊化。输入变量的各模糊集的隶属函数如图7。在此仅对模糊规则的建立进行说明，模糊规则控制如表12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，避免因曝气时间不够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，认为好氧颗粒污泥硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷已经终止，应该停止曝气。

表9  将偏差E_DO化为离散的整型变量X_DO

表10  将CE_DO化为离散的整型变量CX_DO

表11  E_DO和CE_DO的隶属函数赋值表

表12  应用DO进行好氧颗粒污泥同时脱氮除磷曝气终点判断的模糊控制规则

(3)pH值作为好氧颗粒污泥同时脱氮除磷曝气时间的实时控制参数

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1min。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13所示。CE_pH的模糊集为{N，O，P}；CE_pH的隶属函数的图形见图8。由此可得CE_pH的隶属函数见表14。应用CE_pH进行硝化过程终点的模糊控制规则见表15。

表13  将CE_pH化为离散的整型变量CX_pH

表14  CE_pH的隶属函数赋值表

表15  应用pH进行好氧颗粒污泥同时脱氮除磷曝气终点判断的模糊控制规则

实施例2

1、处理生活污水常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥的培养

实施例2培养常低温同时脱氮除磷的SBR反应器与实施例1相同，SBR为圆筒形，直径18cm，有效高度55cm，高径比为3，总有效容积12L，有机玻璃制，排水管6位于反应器下1/2处，容积交换率50％。不控制污水水温。将某市A²/O工艺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，水质平均值：COD_Cr为191.37mg/L、氨氮(NH₄ ⁺-N)为58.32mg/L、正磷酸盐(PO₄ ^3--P)为4.14mg/L、pH值为7.42、碱度(以CaCO₃计)为380mg/L。反应器运行至第42天时，向原水投加COD(葡萄糖)和正磷酸盐，使COD∶N∶P在360∶60∶6左右。SBR的运行方式为：进水——搅拌——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28控制泵送的流量，进水时间2min；进水结束之后，开启电动搅拌机11搅拌，进行反硝化和放磷，模糊控制搅拌时间；搅拌结束之后，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，初始空气流量为0.16m³/h，进行有机物的降解、有机氮氨化、氨氮的硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷，当生化反应结束时，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，初始沉淀时间设置为5min；沉淀之后，打开排水阀门5，将处理水排到反应器外。第1天至第10天沉淀时间为5～1min梯度递减，第11天至第20天保持在1min、2min交替变化；在第20天已经培养获得了好氧颗粒污泥，SVI_30min由127mL/g变为SVI_5min为35～43mL/g；第21天至第254天沉淀时间保持在2～3min。本发明实施例2的获得的常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥为棕黄色球形或椭球形颗粒，粒径的范围集中在0.3-1.0mm之间，结构密实，内有空隙，微生物以球菌为主，丝状菌很少，有大量的浮游累枝虫附着好氧颗粒污泥生长。

实施例2启动的第1天至第20天，出水NH₄ ⁺-N可达0mg/L，出水TIN(＞30mg/L)和PO₄ ^3--P(2-4mg/L)的去除不够理想，缩短沉淀时间培养AGS造成了污泥大量洗除，大量细菌被排出反应器外，导致出水NH₄ ⁺-N明显高于启动初期(最高达55.81mg/L)。好氧颗粒污泥形成以后，适当延长沉淀时间，稳定维持颗粒状态并且提高污泥浓度，NH₄ ⁺-N的去除率很快得到了恢复，而TIN和PO₄ ^3--P的去除效果仍然很差。

从第42天起，调整原水COD∶N∶P为360∶60∶6，由于好氧颗粒污泥的结构特点，为在好氧状态下实现同时硝化反硝化、好氧吸磷、好氧颗粒污泥内部反硝化除磷提供了条件，使得实施例2很快达到较高的同时脱氮除磷效果，实施例1在第42天至第161天四个月内的常温条件下，始终维持着稳定好氧颗粒污泥形态和稳定的同时脱氮除磷效果，NH₄ ⁺-N、TIN和PO₄ ^3--P平均去除率为99.45％、75.96％和95.60％；出水平均值分别为0.30mg/L、14.93mg/L和0.24mg/L，均达到城镇污水处理厂出水一级标准。

第162天至第254天进入秋冬季，随着气温下降，反应器内的水温由原来的20～25℃左右降至17℃以下，实施例2的除磷效果没有明显变化，PO₄ ^3--P平均去除率为97.31％，多数情况下出水通常为0mg/L；而脱氮作用则受到很大影响，出水NH₄ ⁺-N最高可达34.25mg/L，TIN最高可达41.99mg/L左右，但是在低水温条件下实施例1经历了第162天至第211天共49天逐渐恢复了较好的同时脱氮除磷效果。

第212至第254天，水温下降至9-13℃时，实施例2的NH₄ ⁺-N、TIN和PO₄ ^3--P平均去除率仍然能保持98.35％、76.44％和98.44％；出水平均值分别为4.12mg/L、16.06mg/L和0.09mg/L。实施例2出水各项指标均达到城镇污水处理厂出水一级标准。

实施例2常低温同步脱氮除磷好氧颗粒污泥的荧光原位杂交定量分析结果是：氨氧化细菌占总菌群数的14.10％(标准偏差为2.05％，样本数为6)，聚磷菌占总菌群数的38.90％(标准偏差为4.21％，样本数为6)。氨氧化菌和聚磷菌的数量远高于絮状污泥。

2、实施例2常低温同时脱氮除磷SBR反应器的实时控制装置与实施例1相同。

3、实施例2常低温同时脱氮除磷SBR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常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥的培养方法，其特征在于，包括以下步骤：

将A²/O工艺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2～10，容积交换率为50％～67％；

往生活污水中投加乙酸钠与丙酸钠的混合物或葡萄糖，调整COD∶N∶P的质量比为360∶60∶6；

SBR反应器的运行方式为：进水——搅拌——曝气——沉淀——排水；周期时间为8～12h；

进水：将进水阀门打开，将投加了乙酸钠与丙酸钠的混合物或葡萄糖的废水从SBR反应器上部泵入，待水位达到预定值时，自动停止进水；

搅拌：SBR反应器装有搅拌器，进水结束后开始搅拌，进行反硝化、厌氧放磷，模糊控制搅拌时间；

曝气：SBR反应器装有曝气器，搅拌结束后，开启空气压缩机和进气阀门，将压缩空气输入，空气流量为0.02～0.20m³/h，进行有机物的降解、硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷，氮磷去除停止时，模糊控制曝气时间，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，最终为1～3min；2)初始沉淀时间设置为5～8min，最终逐渐缩短为1～3min；

排水：沉淀之后，打开排水阀门，将处理水排到SBR反应器外；稳定运行40～50天后，在SBR反应器内获得常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥，可稳定运行250～300天，直至人为停止运行；

搅拌时间的模糊控制规则是：首先根据模糊控制规则探查反硝化结束时间，即当氧化还原电位ORP的偏差达到负中或负大，并且ORP的一阶导数达到负中或负大，同时pH的一阶导数达到负零或负小，此时反硝化结束；反硝化结束后且ORP的一阶导数在-5～0mV/min波动，此时放磷结束，停止搅拌；

曝气时间的模糊控制规则是，当pH值的一阶导数由负数转变为正数时，且曝气时间＞4h，好氧颗粒污泥同时硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷结束，停止曝气；

曝气时间的另一个可选模糊控制规则是，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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