CN101948176B

CN101948176B - 基于hpr在线监测控制sbr曝气历时实现短程硝化反硝化的方法

Info

Publication number: CN101948176B
Application number: CN2010102966704A
Authority: CN
Inventors: 张代钧; 张欣; 卢培利; 肖芃颖
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: CN101948176A

Abstract

本发明公开了一种基于HPR在线监测控制SBR曝气历时实现短程硝化反硝化的方法：自动滴定测量仪与SBR连接，实时监测反应器内的HPR，同时，计算机比较当前时刻与Δt时间前的HPR，并随着HPR的实时测量不断向前推进，直到满足Δt判断法的条件时，计算机发出指令，控制曝气装置停止曝气；Δt判断法即设定一个固定值m，当HPR（t-Δt）－HPR（t）≥m时，满足曝气应该停止的条件，便在t时刻停止曝气；在SBR每个周期都实时控制曝气历时，及时停止曝气，经过若干周期运行后，SBR废水处理系统便实现了短程硝化反硝化生物脱氮。本发明为实现短程硝化反硝化生物脱氮提供了一种新方法，同时还可用于硝化反硝化生物脱氮过程的动力学研究。

Description

基于HPR在线监测控制SBR曝气历时实现短程硝化反硝化的方法

技术领域

本发明涉及城市污水处理厂过程监测与控制的污水处理技术领域，具体是涉及一种基于氢离子变化速率（HPR）在线监测控制SBR曝气历时实现短程硝化反硝化的方法，用于实现短程生物脱氮工艺。

背景技术

污水生物处理短程硝化反硝化与其它方法相比被公认为是一种经济、有效和最有发展前途的脱氮方法。传统生物脱氮方法首先在硝化过程中在两类微生物氨氧化菌（AOBs）和亚硝酸盐氧化菌（NOBs）的作用下、利用氧作为电子受体、将氨氮依次氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，然后在反硝化过程中利用有机碳源作为电子共体将硝酸盐还原成氮气从废水中去除，亚硝酸盐中间产物的形成和转化是完全硝化和反硝化过程中必须经历环节。将硝化过程终止在亚硝酸盐阶段随后进行反硝化，实现短程硝化反硝化。与全程脱氮相比，短程脱氮具有以下优点：硝化阶段可减少25％的需氧量，降低能耗；反硝化阶段可减少40％的有机碳源，降低运行费用；反应时间缩短，反应器容积可减少30－40％左右；污泥产量降低等。因此，在城市污水或工业废水处理中实现短程脱氮，将使生物脱氮的处理效率显著提高，降低处理成本。

短程脱氮的关键步骤是实现稳定的氨氧化（即亚硝化），要在保持氨氧化菌（AOBs）正常生长和代谢的前提下，有效抑制亚硝酸盐氧化菌（NOBs）的生长，或者将其从活性污泥中淘洗去除。近年文献报道的途径主要有：（1）采用污泥停留时间小于NOBs临界倍增时间的连续运行反应器将NOBs从反应器中淘洗去除；（2）控制溶解氧在低浓度水平，AOBs利用其比NOBs更高的氧亲合性竞争胜过NOBs (Blackburne et al, 2008a) ；（3）控制pH值在较高水平，或采用高浓度游离氨基质抑制NOBs的生长与代谢( Ciudad et al, 2007；Vadivelu et al, 2007)；（4）控制曝气历时 (Peng et al, 2004; Blackburne et al, 2008b)，在氨氧化过程完成前或结束时停止曝气，阻止NOBs的生长与代谢。在较高温度和适宜pH值下应用SBR处理高氨废水(Volcke et al, 2007; Kim et al, 2008; Pambrun et al, 2008)，是当前实现短程脱氮的主流。Peng（2004）、Pambrun（2008）利用对SBR曝气历时长度控制，在高温（30℃-40℃）和高氨废水中成功实现了亚硝化。Yang等（2007）应用基于pH、ORP、DO的实时控制，在11.9-26.5℃下启动短程硝化反硝化，并稳定运行了180d，平均亚硝酸盐积累率超过95％。Gao等（2009）发现，ORP和pH剖面曲线可以明显识别出短程硝化和全程硝化，过量曝气时短程硝化有向全程硝化转变的趋势；通过采用实时控制防止过度曝气，获得了稳定的短程硝化反硝化，亚硝化积累率高于96％。Ma等（2009）通过控制好氧区DO处于低水平（0.4-0.7mg/L）用生活污水在连续流前置反硝化工艺中实现了短程硝化反硝化，但亚硝酸盐累积破坏了污泥沉淀性能，且出水亚硝酸浓度过高。但Guo等（2009）采用DO和pH特征点（拐点）控制SBR的好氧段长度，在低DO（0.4-0.8mg/L）和高DO（3mg/L）下均实现了长期稳定的短程硝化反硝化，在低DO下并未发生污泥膨胀的问题。当前，关于低/中温和低氨废水实现短程硝化反硝化研究的焦点是基于pH、DO和ORP等在线监测控制曝气历时。

DO和pH在线测量技术成熟，在废水处理工程中被广泛应用。近年来，有关氧利用速率（Oxygen Uptake Rate, OUR）测量（呼吸测量）和质子产生速率（Hydrogen ion Production Rate, HPR）测量（滴定测量）的研究与开发日益受到青睐，开展了许多关于OUR、 HPR单独或联合测量应用于废水生物处理的硝化过程监测（Gapes et al, 2003）、EBPR过程监测（Guisasola et al, 2006, 2007）以及过程模拟（Pratt et al, 2004; Jubany et al, 2005; Sina and Vanrolleghem, 2007）等研究工作。OUR和HPR作为过程监测变量，与pH和DO不同的是能够反映过程动力学信息。截至目前，尚未见以HPR作为实时监测信号控制曝气历时实现短程硝化反硝化的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用HPR在线监测控制SBR曝气历时实现短程硝化反硝化的方法。

本发明目的是这样实现的：

一种基于HPR在线监测控制SBR曝气历时实现短程硝化反硝化的方法，按以下步骤进行：

（1）运行SBR废水处理系统，在SBR中接种活性污泥，以实现废水的COD去除和脱氮除磷，此时的脱氮方法为全程硝化反硝化；

（2）应用自动滴定测量仪在线监测HPR，将自动滴定测量仪连接到SBR上，实时监测反应器内的HPR，与此同时，计算机比较当前时刻的HPR与Δt时间前的HPR，并随着HPR的实时测量不断向前推进，直到满足Δt判断法的条件时，计算机发出指令，控制曝气装置停止曝气；所述Δt判断法即设定一个固定值m，当HPR（t-Δt）－HPR（t）≥m时，满足曝气应该停止的条件，便在t时刻停止曝气，Δt通常取数分钟至数十分钟之间，m可通过具体的批式实验校核得到，其与活性污泥的种群组成、活性、浓度以及废水性质等密切相关，通常取几到几百μmol.L^-1.min^-1。

步骤（2）中自动滴定测量仪为专利申请号200910104312.9所公开的废水生物处理中质子变化速率的在线滴定测量装置，其是这样测得HPR的：分别测量测量室进、出口溶液的pH值，并传输给计算机进行数据处理，每隔1～10秒，该计算机以进口溶液的pH值pH1为参考值，计算得到出口溶液的pH值pH2与pH1的差值，当该计算差值为正并大于事前设定值△pH时，计算机以该差值的比例，或差值的比例、积分和微分的线性组合为控制信号，控制微量泵向测量室中投加酸液，当差值为负并小于－△pH时，计算机自动控制微量泵向测量室中投加碱液，酸碱每投加一次，计算机记录一次酸投加量或碱投加量，所述事前设定△pH为0.01～0.05；每隔10～120秒，计算机计算该时间段内酸累计投加量S1和碱累计投加量S2，将该时间段内的︱S1-S2︱进行线性拟合，其斜率△︱S1-S2︱/△t为HPR。

（3）基于（2）所提出的方法，在SBR每个周期都实时控制曝气历时，及时停止曝气，经过若干周期运行后，SBR废水处理系统便实现了短程硝化反硝化生物脱氮。

有益效果：

（1）以HPR作为在线监测信号，对氨氧化结束点的判断比pH等信号更加灵敏，更易于控制策略的实施。

（2）HPR还可用于氨氧化过程的动力学研究，可在线估计氨氮过程浓度等。

（3）在以pH或DO作为监测信号时，pH或DO电极在反应器内的位置会影响到读数的代表性，当反应器内混合不均等问题出现时，pH读数的代表性就很差，容易造成控制误差。但用本发明提供的HPR作为控制方法时能从很大程度上避免这类问题的发生。

附图说明

图1为SBR实验运行装置示意图；

图2为实施控制策略前SBR曝气阶段HPR和pH响应曲线图。

具体实施方式

实施例 1

实施例1

（1）首先把自动滴定测量仪5与SBR相连，形成带监测系统的SBR实验运行装置系统，如图1。其中SBR 以同心圆的形式分为内外两室，内室1为反应器，装有曝气装置2和搅拌装置3，外面圆环形的腔室4除在底部和顶部各有一进水口和出水口外，其余密闭，用潜水泵不断把装置外恒温水浴锅中的水经底部进水口泵入腔室，经顶部出水口流回恒温水浴锅，形成闭路循环，以保持恒温；自动滴定测量仪5为专利申请号200910104312.9所公开的废水生物处理中质子变化速率的在线滴定测量装置。

（2）试验采用的SBR总有效体积8L，采用鼓风微孔曝气方式，用空气流量计调节曝气量，采用机械搅拌装置进行搅拌。温度稳定至20℃，DO浓度低于2mg/L，每个周期按照快速进水（废水）、缺氧搅拌30min、曝气、排泥、沉淀、出水、闲置的工况运行。

（3）应用自动滴定测量仪5测量的HPR和pH值监测结果见图2，因尚未实施曝气历时控制，故图2中数据是全程硝化过程的测量结果。pH值在约130min呈现由下降转为上升的转折点，该点被称为“氨谷”，即指示着氨氧化结束，常被用于生物短程脱氮曝气时段的控制（Ma et al, 2009）；几乎与此同时，HPR开始从较高平台陡降，说明HPR陡降点亦指示着氨氧化结束。从pH同HPR的对比中可以看出，两者均能作为氨氧化结束的指示信号。氨氧化的结束点在pH曲线上表现为pH值由下降或稳定转为上升的极值点，在HPR曲线上表现为HPR由一个平台（约15μmol.L^-1.min^-1）向另一个平台（0）陡降的突跃，因平台的判断较之点的判断更加容易，显然，后者作为控制变量较前者更加灵敏，从这个层面讲，用HPR进行控制优于用pH进行控制。HPR从一个较高水平快速下降到一个较低水平，意味着氨氧化（产生质子）的速率快速下降，混合液中NH4+-N快速下降到较低水平。从理论上讲，即使在NH4+-N浓度较低时，氨氧化反应仍将继续，同时其产物亚硝酸盐氧化速率将加速上升；所以，只有在HPR发生陡降时就停止曝气，才能有效实现短程硝化。

（4）结合图2分析Δt判断法的可行性。Δt判断法，即设定一个固定值m，当HPR（t-Δt）－HPR（t）≥m时，认为氨氧化结束，需要立即停止曝气。如优化的Δt取5min, m取5μmol.L^-1.min^-1，当HPR（t-5）- HPR（t）≥5μmol.L^-1.min^-1时，便可在t时刻停止曝气。计算机的程序中运算的数据为：HPR（0）- HPR（5）=0, HPR（1）- HPR（6）=0,……HPR（50）- HPR（55）=-5μmol.L^-1.min^-1, HPR（51）- HPR（56）=-5μmol.L^-1.min^-1,……HPR（120）- HPR（125）=2μmol.L^-1.min^-1, HPR（121）- HPR（126）=2.5μmol.L^-1.min^-1, HPR（122）- HPR（127）=3μmol.L^-1.min^-1……直到HPR（126）- HPR（131）=6μmol.L^-1.min^-1时，m大于了设定值5μmol.L^-1.min^-1，说明在131min处应该停止曝气了，而此时也正是图2中pH值发生转折的时刻。

（5）依据（4）的分析，制定了曝气历时控制策略，即在HPR测量的同时计算机程序进行着Δt判断，当满足HPR（t-Δt）－HPR（t）≥m的条件时，自动滴定测量仪5的计算机便发出指令，停止曝气，以此控制SBR好氧阶段曝气历时。经过60多天的运行SBR内亚硝酸盐积累率（NAR）达到88%并稳定下来，出水NH4+-N在4mg/L以下，去除率大于90%；出水COD在6mg/L以下，去除率在95%以上。至此，在SBR内实现了稳定的短程硝化反硝化。

Claims

1.一种基于氢离子变化速率HPR在线监测控制SBR曝气历时实现短程硝化反硝化的方法，按以下步骤进行：

（2）应用自动滴定测量仪在线监测HPR，将自动滴定测量仪连接到SBR上，实时监测反应器内的HPR，与此同时，计算机比较当前时刻的HPR与Δt时间前的HPR，并随着HPR的实时测量不断向前推进，直到满足Δt判断法的条件时，计算机发出指令，控制曝气装置停止曝气；所述Δt判断法即设定一个固定值m，当HPR（t-Δt）－HPR（t）≥m时，满足曝气应该停止的条件，便在t时刻停止曝气；

（3）基于（2）所提出的方法，在SBR每个周期都实时控制曝气历时，及时停止曝气，经过运行后，SBR废水处理系统便实现了短程硝化反硝化生物脱氮；所述步骤（2）是这样测得HPR的：分别测量测量室进、出口溶液的pH值，并传输给计算机进行数据处理，每隔1～10秒，该计算机以进口溶液的pH值pH1为参考值，计算得到出口溶液的pH值pH2与pH1的差值，当该差值为正并大于事前设定△pH时，计算机以该差值的比例，或差值的比例、积分和微分的线性组合为控制信号，控制微量泵向测量室中投加酸液，当差值为负并小于－△pH时，计算机自动控制微量泵向测量室中投加碱液，酸碱每投加一次，计算机记录一次酸投加量或碱投加量，所述事前设定△pH为0.01～0.05；每隔10～120秒，计算机计算该时间段内酸累计投加量S1和碱累计投加量S2，将该时间段内的︱S1-S2︱进行线性拟合，其斜率△︱S1-S2︱/△t为HPR。

2.根据权利要求1所述基于氢离子变化速率HPR在线监测控制SBR曝气历时实现短程硝化反硝化的方法，其特征在于：所述SBR内温度为中低温，DO浓度低于2mg/L。