CN102701452A

CN102701452A - 部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统及其脱氮除碳方法

Info

Publication number: CN102701452A
Application number: CN2012101784322A
Authority: CN
Inventors: 周少奇; 李伙生
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2032-06-01
Also published as: CN102701452B

Abstract

本发明公开了部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统及其脱氮除碳方法。该系统中的可编程控制器与进水泵、出水阀、排泥阀、搅拌机、鼓风机和进、出水及报警浮球开关连接，通过传感器自动控制反应器的进水、搅拌、曝气、沉淀、排泥和排水等过程，并设有恒温系统控制反应温度。该脱氮除碳方法包括如下步骤：进水后首先缺氧搅拌把反应器内的部分亚硝氮和硝氮反硝化掉，然后曝气以降解剩余有机物和进行部分亚硝化，使大部分可降解有机物得到去除并使约53%的氨氮转化为亚硝氮，为其厌氧氨氧化处理创造条件。本发明能对垃圾渗滤液实现稳定的反硝化和部分亚硝化处理，还可有效去除有机物，污泥沉降性好、活性高，全自动控制，方便可靠。

Description

部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统及其脱氮除碳方法

技术领域

本发明涉及废水生物处理技术领域，具体涉及部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统。

背景技术

垃圾填埋产生的垃圾渗滤液成份复杂，污染负荷高，处理难度大，对地表水和地下水具有极大的潜在危害性。此外，垃圾渗滤液还会随着填埋场场龄的增加，碳氮比逐渐降低，生化性越来越差，严重制约着常规生物脱氮工艺对渗滤液的脱氮效果和处理负荷。部分亚硝化与厌氧氨氧化工艺由于其节省能耗、节约碳源和产泥量低等优点使垃圾渗滤液这种高氨氮废水的经济性处理带来新希望。

目前，采用部分亚硝化工艺处理渗滤液已有相关文献报道。2007年Ganigue R. 等（Ganigue R., Lopez H., Balaguer M.D., Colprim J., 2007. Partial ammonium oxidation to nitrite of high ammonium content urban land fill leachates [J]. Water Res. 41 (15), 3317-3326）采用20 L的自控序批式反应器，在运行周期8 h，反应温度36±1℃，DO 2 mg/L，平均SRT 5 d，污泥浓度500~1000 mg/L，反应pH为6.8~7.1的条件下进行垃圾渗滤液的部分亚硝化处理，获得了较稳定的部分亚硝化效果。2009年Ganigue R. 等（Ganigue R., Gabarro J., Sanchez-Melsio A., Ruscalleda M., Lopez H., Vila X., Colprim J., Balaguer M.D., 2009. Long-term operation of a partial nitritation pilot plant treating leachate with extremely high ammonium concentration prior to an anammox process [J]. Bioresour. Technol. 100 (23), 5624-5632）采用250 L的自控序批式反应器，在运行周期24 h，反应温度36±1℃，DO 2 mg/L，SRT 6.44±2.34 d，污泥浓度666.0±240.6 mg/L，反应pH不高于8.0的条件下进行垃圾渗滤液的部分亚硝化处理，也获得了稳定的部分亚硝化效果。2010年Vilar A.等（Vilar A., Eiroa M., Kennes C., Veiga M.C., 2010. The SHARON process in the treatment of landfill leachate. Water Sci. Technol. 61 (1), 47-52）采用1.9 L的完全混合流（CSTR）反应器，在反应温度36℃，DO 2 mg/L，SRT和HRT均为 43.2 h，污泥浓度666.0±240.6 mg/L和反应pH 7.0的条件下进行垃圾渗滤液的部分亚硝化处理，出水亚硝氮与氨氮的比值约为1.72︰1。上述已报道的处理方法主要是采用高温、低SRT的控制方式，这对能耗要求很高和且给操作带来不方便之处，反应器截留的污泥量也很低，其较高负荷也是以很高的出水氮素基质浓度为代价的，这给后续的厌氧氨氧化带来很大压力，也不利于有机物的深度处理。CN1769211A描述了一种部分亚硝化结合厌氧氨氧化处理低碳氮比（约0.72）渗滤液的系统，该系统需要额外添加酸碱药剂调节pH值，且没能充分利用废水中的可降解有机物来脱氮，其工艺的经济性和可持续性未能达到更高的水平。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有工艺技术的不足，提供了一种经济性和可持续性更高的部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统。本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统，包括反应器、自控系统、恒温控制系统、曝气系统、进水系统、出水系统和排泥系统，曝气系统包括顺次连接的鼓风机、气体转子流量计和曝气管，曝气管上位于反应器底部的部分设有微孔曝气头，曝气管的末端粘结有气密堵头；所述进水系统包括贮水箱、进水泵与进水管，进水泵的进水端接贮水箱，进水泵的出水端与进水管的一端连接，进水的另一端通向反应器内；所述出水系统包括出水电磁阀和出水箱连接组成，反应器侧面的出水口与所述出水电磁阀一端连接，出水电磁阀的另一端与出水箱连接；排泥系统包括排泥电磁阀与污泥箱，污泥箱通过排泥电磁阀与反应器侧面的出泥口连接；反应器中还设有搅拌机、pH传感器、出水浮球开关；所述的自控系统包括可编程控制器，可编程控制器分别与进水泵、出水电磁阀、排泥电磁阀、搅拌机、鼓风机、pH传感器和出水浮球开关连接，控制反应器的进水、搅拌、曝气、沉淀、排泥和排水工作；恒温控制系统包括相连接的温度控制器和加热棒，用于独立地自动控制反应的温度，加热棒位于反应器中。

进一步的，上述的部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统中还包括报警系统，报警系统包括相连接的报警浮球开关和报警器，报警浮球开关位于反应器的内侧壁且位于出水浮球开关上方，报警浮球开关和报警器均与可编程控制器连接。

进一步的，上述的部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统中反应器侧面的出水口位于出泥口上方。

进一步的，上述的部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统中反应器的底端设有清空阀。

本发明还提供了利用上述的部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统的脱氮除碳方法，包含以下几个步骤：

（1）进水与搅拌：初次启动反应器时，可编程控制器启动进水泵把垃圾渗滤液泵入反应器内，进水完毕，进行缺氧搅拌1.5~2.5小时，利用原水中的可降解有机物将反应器内25%~30%的亚硝氮和23%~28%的硝氮反硝化掉，降解的有机物部分合成为微生物菌体或部分转化为CO₂或部分形成其它水溶性微生物产物，亚硝氮和硝氮则转化为氮气而脱除，达到同时脱除氧化态无机氮与部分可降解有机物的目的；

（2）曝气：缺氧搅拌结束开始曝气，活性污泥通过氧传质与污水的氨氮与有机污染物反应，进行大部分可降解有机物的异养好氧降解，还进行自养部分亚硝化反应，将反应器中50%~60%的氨氮转化亚硝氮，伴随有1%~2%的氨氮转化为硝氮；

（3）排泥、沉淀与排水：当曝气使反应pH值降低至设定范围8.15~8.35后，可编程控制器控制排泥电磁阀工作以排出泥水混合液，然后反应器停止工作进入沉淀阶段，沉淀结束后立即进行排水，排水结束后通过可编程控制器自动启动下一周期的循环。

上述脱氮除碳方法中，该脱氮除碳方法步骤由可编程控制器的步进指令控制下依次运行，并设为停电保持，不被停电打乱控制流程。

上述脱氮除碳方法中，通过恒温控制系统控制反应器内反应温度为26±1℃，pH值为8.2~8.5，溶解氧在0.3~1.5 mg/L，污泥停留时间为60~90 d，水力停留时间为1.2~3.0 d；无需添加任何酸碱调节剂。

上述脱氮除碳方法中，所述曝气采用的比体积曝气率为15~30 L/L∙ h，污泥体积指数为40~60ml/g，污泥浓度为5000~8500 mg/L。

上述脱氮除碳方法中，垃圾渗滤液的进水COD为1800~8500 mg/L，BOD₅为200~800 mg/L，氨氮为980~1800 mg/L，pH为8.40~8.80，碱度为5000~9000 mg CaCO₃/L。

上述脱氮除碳方法中，当曝气使反应pH值降低至设定范围8.20~8.50后，可编程控制器控制排泥电磁阀工作以排出泥水混合液500~1000 mL，然后反应器停止工作进入沉淀阶段。

本发明设计出全自动的部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统，反应器在该系统中各子系统的控制下形成一种自动闭环控制的序批式悬浮污泥反应器。在运行中采用较长的SRT、适中的HRT和常温的反应温度，采用搅拌与曝气相结合的方式，充分利用原水的可降解有机物进行反硝化脱氮，既提高了有机物的处理效果又使出水的氮素基质比例保持稳定，无需投加酸碱调整pH值，污泥活性高，沉降性好，操作稳定，方便可靠，且运行成本低。

更具体的，与现有技术相比，本发明具有以下特点和效果：

（1）本发明的闭环控制系统中，反应器出水效果更为稳定，出水亚硝氮/氨氮的摩尔比可精确地控制在1.10~1.40，出水BOD₅可达50mg/L以下，适合作为后续的厌氧氨氧化反应器的进水。且反应器运行安全可靠，操作方便。

（2）本发明的脱氮除碳过程中，进水后首先缺氧搅拌把反应器内的部分亚硝氮和硝氮反硝化掉，然后曝气以降解剩余有机物和进行部分亚硝化，使大部分可降解有机物得到去除并使大部分（如53%）氨氮转化为亚硝氮，为其厌氧氨氧化处理创造条件。

（2）充分利用原水中的可降解有机物进行反硝化脱氮除碳，反硝化产生碱度，使pH升高，亚硝化消耗碱度，使pH降低，相互调节，无需投加酸碱调节药剂，节约了能源和药剂成本，并提高了有机物和氮素的去除效果。

（3）污泥沉降性好，具有较高的生物浓度和生物活性。

本发明对各种特点（高氨氮低有机物浓度或高氨氮高有机物浓度）的垃圾渗滤液的处理均具有重要的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明的部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统的示意图。

图1中：贮水箱1；进水泵2；进水管3；部分亚硝化序批式反应器4；鼓风机5；气体转子流量计6；曝气管7；曝气头8；搅拌机9；恒温控制系统10；可编程控制器PLC11；pH传感器12；出水浮球开关13；报警浮球开关14；出水电磁阀15；取样口16；出水箱17；清空阀18；报警器19和污泥箱20。

具体实施方式

以下结合说明书附图和实施例来对本发明作进一步说明，但本发明所要求保护的范围并不局限于具体实施方式中所描述的范围。

实施例 1 ：

如图1所示，部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统，包括自控、恒温、报警、搅拌、曝气、进水、出水和排泥等系统。图中带箭头的实线为实体管道连线，而虚线为与可编程控制器11连接的信号控制连线。自控系统主要由可编程控制器11构成，它与其他系统相连接，从而达到对反应器各操作环节的自动控制。具体为：可编程控制器11分别与进水泵2、出水电磁阀15、排泥电磁阀16、搅拌机9、鼓风机5、pH传感器12、出水浮球开关13、报警浮球开关14和报警器19连接，自动控制反应器的进水、搅拌、曝气、沉淀、排泥和排水等操作过程。恒温控制系统10由温度控制器和加热棒组成，能自动控制反应温度。控制反应器进出水的系统及其过程为：贮水箱1通过进水泵2与进水管3连接，进水时通过泵的提升作用将垃圾渗滤液吸入到进水管，并从进水管出水口进入反应器4内进行处理；进水泵电源线还与可编程控制器11的输出端连接；出水浮球开关13和报警浮球开关14分别与可编程控制器11的输入端连接；出水电磁阀15和报警器19的电源线分别与可编程控制器11的输出端连接；出水电磁阀15的出水口与出水箱17连接。其中的排泥系统具体为：排泥电磁阀16的电源线与可编程控制器11的输出端连接，排泥电磁阀16的排泥口与污泥箱20连接。其中的搅拌系统具体为：搅拌机9的电源线与可编程控制器11的输出端连接，通过可编程控制器11发出信号来控制搅拌机的运行与停止。其中的控制曝气的系统及其过程具体为：鼓风机5出风口通过气体转子流量计6和曝气管7与曝气头8连接；鼓风机5的电源线还与可编程控制器11的输出端连接；曝气管7的末端粘结有气密堵头；曝气时空气从鼓风机5吸入，经过气体转子流量计6，再经过曝气管7的分流作用，由曝气头8扩散出微气泡进行曝气传氧作用。其中的pH传感器12与可编程控制器11连接，通过pH传感器12接收来自反应器内的反应pH值的信号来控制反应器的末段工作状态，此点使该反应器具有完备的闭环控制系统的特征。

该反应器4主体由透明的有机玻璃制成，呈敞口的方形，总有效容积约为72L，其底部至出水电磁阀15进水口的高度的有效容积40 L；底部布设曝气管7，其上安装有6个曝气头8；搅拌机9通过有机玻璃板固定在反应器的正上方；加热棒通过吸盘牢固粘结在反应器池壁上，加热棒与防水温度探头与数显温度控制器相连；可编程控制器11采用三菱FX2N 系列，可编程控制器11及其相关的电路元件全部安装于安全控制电箱中。

应用本发明的部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统进行的脱氮除碳处理，采用的垃圾渗滤液水质如下： COD为1800~8500 mg/L，BOD₅为200~800 mg/L，氨氮为980~1800 mg/L，pH为8.40~8.80，碱度为5000~9000 mg CaCO₃/L。其详细的过程如下：

（1）进水：初次启动时按下安全控制电箱的启动按钮启动反应器（初次起动系统后不必再按启动按钮），此时进水泵接通电源立即开始向反应器注入垃圾渗滤液。进水时间为2 min。

（2）搅拌：进水完毕，PLC11发出信号以立即停止进水泵2（若时间控制失灵后，进水水位上升至报警浮球开关14的设定位置后立即停止进水泵2和通过报警器19发出声音进行报警，并停止其它任何动作直至解决故障并重新按下启动按钮才正常工作），并立即通过输出端向搅拌机9发出启动信号，搅拌机9开始工作，进行缺氧搅拌。缺氧搅拌阶段中，利用原水的可降解有机物将反应器内废水中约25%~30%的亚硝氮和约23%~28%的硝氮反硝化掉，降解的有机物部分合成为微生物菌体或部分转化为CO₂或部分形成其它水溶性微生物产物，亚硝氮和硝氮则转化为氮气而脱除，这样就达到同时脱除氧化态无机氮与部分可降解有机物的目的。所需的搅拌时间为1.5~2.5小时。

（3）曝气和排泥：搅拌机9停止后，PLC11立即通过输出端向鼓风机5发出信号，接通鼓风机5电源使其进行曝气。曝气阶段，活性污泥与污水充分混合，通过氧传质与污水的氨氮与有机污染物反应，进行大部分可降解有机物的异养好氧降解，还进行自养的部分亚硝化反应，直至将反应器中约50%~60%的氨氮转化亚硝氮，此时亚硝氮/氨氮的摩尔比所对应的pH范围为8.15~8.35，pH传感器12接收的pH信号传送至PLC11并由它作出比较和判断，当反应的pH值达到设定值后，PLC11向排泥电磁阀16发出信号使其动作以排出泥水混合液来控制SRT。排出所需量的泥水混合液后，PLC11控制鼓风机5停止后便进入沉淀阶段。

（4）沉淀：在沉淀阶段，PLC11不进行任何信号输出，使各输出设备停止，反应器内的活性污泥与污水进行固液分离。沉淀时间持续45 min。

（5）排水：沉淀结束后，PLC11通过输出端向出水电磁阀15发出工作信号，出水电磁阀15接通电源以开始排水，出水流入出水箱17中。当水位下降到出水浮球开关13设定的位置后，出水浮球开关13接通，向PLC输入端发出信号，PLC11立即恢复到进水的初始状态，开始下一周期的循环。排水过程约5 min。

该实施例中反应器的运行参数控制如下：反应器内反应温度通过恒温控制器设定为26±1℃；通过气体转子流量计控制其比体积曝气率为20 L/L∙ h，使反应器内部的DO浓度在0.3~1.5 mg/L之间； SRT控制为80 d；污泥的SVI为45 ml/g，污泥浓度为7510 mg/L。

实施效果：

垃圾渗滤液经过部分亚硝化反应器处理达到稳态后，其连续运行35 d的出水质如下表1所示：由表1可见，垃圾渗滤液经过部分亚硝化反应器脱氮除碳后，COD（不包括亚硝氮的贡献）、BOD₅和TN的平均去除率分别为36%、86%和65%。平均出水亚硝氮和氨氮的基质比例为1.26︰1，出平均出水硝氮浓度为6.61 mg/L。

反应器中活性污泥的平均SVI为45 ml/g，平均总污泥浓度为7510 mg/L，平均挥发性污泥浓度为5625 mg/L。由此可知，本发明通过实时信号来控制反应器，避免了过量曝气或曝气不足，能稳定地为出水提供合适的基质比例，为后续的厌氧氨氧化处理创造良好条件，并且活性污泥沉降性好，生物量高，活性好，脱氮除碳效果明显。本发明还节约动力消耗，节省碳源和其它药剂，减小排泥频率，操作方便，运行安全可靠，对于高浓度的垃圾渗滤液的处理具有重要的参考应用价值。

表 1 部分亚硝化处理前后的水质情况

Claims

1.一种部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统，其特征在于包括反应器（4）、自控系统、恒温控制系统（10）、曝气系统、进水系统、出水系统和排泥系统，曝气系统包括顺次连接的鼓风机（5）、气体转子流量计（6）和曝气管（7），曝气管（7）上位于反应器（4）底部的部分设有微孔曝气头（8），曝气管（7）的末端粘结有气密堵头；所述进水系统包括贮水箱（1）、进水泵（2）与进水管（3），进水泵（2）的进水端接贮水箱（1），进水泵（2）的出水端与进水管（3）的一端连接，进水管（3）的另一端通向反应器（4）内；所述出水系统包括出水电磁阀（15）和出水箱（17）连接组成，反应器（4）侧面的出水口与所述出水电磁阀（15）一端连接，出水电磁阀（15）的另一端与出水箱（17）连接；排泥系统包括排泥电磁阀（16）与污泥箱（20），污泥箱（20）通过排泥电磁阀（16）与反应器（4）侧面的出泥口连接；反应器（4）中还设有搅拌机、pH传感器（12）、出水浮球开关（13）；所述的自控系统包括可编程控制器（11），可编程控制器（11）分别与进水泵（2）、出水电磁阀（15）、排泥电磁阀（16）、搅拌机（9）、鼓风机（5）、pH传感器（12）和出水浮球开关（13）连接，控制反应器（4）的进水、搅拌、曝气、沉淀、排泥和排水工作；恒温控制系统（10）包括相连接的温度控制器和加热棒，用于独立地自动控制反应的温度，加热棒位于反应器（4）中。

2.根据权利要求1所述的部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统，其特征在于还包括报警系统，报警系统包括相连接的报警浮球开关（14）和报警器（19），报警浮球开关（14）位于反应器（4）的内侧壁且位于出水浮球开关（13）上方，报警浮球开关（14）和报警器（19）均与可编程控制器（11）连接。

3.根据权利要求1所述的部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统，其特征在于反应器（4）侧面的出水口位于出泥口上方。

4.根据权利要求1所述的部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统，其特征在于反应器（4）的底端设有清空阀（18）。

5.一种利用权利要求1所述的部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统的脱氮除碳方法，其特征在于包含以下几个步骤：

（1）进水与搅拌：初次启动反应器时，可编程控制器（11）启动进水泵把垃圾渗滤液泵入反应器内，进水完毕，进行缺氧搅拌1.5~2.5小时，利用原水中的可降解有机物将反应器内25%~30%的亚硝氮和23%~28%的硝氮反硝化掉，降解的有机物部分合成为微生物菌体或部分转化为CO₂或部分形成其它水溶性微生物产物，亚硝氮和硝氮则转化为氮气而脱除，达到同时脱除氧化态无机氮与部分可降解有机物的目的；

（3）排泥、沉淀与排水：当曝气使反应pH值降低至设定范围8.15~8.35后，可编程控制器控制排泥电磁阀工作以排出泥水混合液，然后反应器停止工作进入沉淀阶段，沉淀结束后立即进行排水，排水结束后通过可编程控制器（11）自动启动下一周期的循环。

6.根据权利要求5所述的脱氮除碳方法，其特征在于该脱氮除碳方法步骤由可编程控制器的步进指令控制下依次运行，并设为停电保持，不被停电打乱控制流程。

7.根据权利要求5所述的脱氮除碳方法，其特征在于通过恒温控制系统（10）控制反应器内反应温度为26±1℃，pH值为8.2~8.5，溶解氧在0.3~1.5 mg/L，污泥停留时间为60~90 d，水力停留时间为1.2~3.0 d；无需添加任何酸碱调节剂。

8.根据权利要求5所述的脱氮除碳方法，其特征在于所述曝气采用的比体积曝气率为15~30 L/L∙ h，污泥体积指数为40~60ml/g，污泥浓度为5000~8500 mg/L。

9.根据权利要求5所述的脱氮除碳方法，其特征在于垃圾渗滤液的进水COD为1800~8500 mg/L，BOD₅为200~800 mg/L，氨氮为980~1800 mg/L，pH为8.40~8.80，碱度为5000~9000 mg CaCO₃/L。

10.根据权利要求5所述的垃圾渗滤液的脱氮除碳方法，其特征在于当曝气使反应pH值降低至设定范围8.20~8.50后，可编程控制器控制排泥电磁阀工作以排出泥水混合液500~1000 mL，然后反应器停止工作进入沉淀阶段。