CN102849850A - 一种反硝化除磷过程中n2o产生的减量控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种反硝化除磷过程中N2O产生的减量控制装置及方法，属于活性污泥法处理系统自动控制技术，SBR法污水生物脱氮除磷技术领域。本发明针对现有SBR工艺中采用亚硝酸钠作为电子受体进行反硝化除磷的过程中产生N2O的技术问题，装置以SBR反应器为主体，包括配水箱、蠕动泵、磁力搅拌器、加酸加碱系统、与计算机相连的在线控制系统、N2O在线检测系统。在线控制系统与进水蠕动泵、排泥系统、加酸系统、加碱系统、温控装置、搅拌器、排水阀、曝氮气系统电磁阀上的继电器，以及ORP、pH、溶解氧传感器相连；N2O在线检测系统与N2O微电极相连。整个过程都是利用电脑PLC控制系统自动完成的，通过N2O在线检测系统对氮的转化情况进行定量分析，确定出反硝化除磷过程中产生N2O的主要机理和影响因素。

Description

一种反硝化除磷过程中N2O产生的减量控制装置及方法
技术领域
要求保护的技术方案所属的技术领域为：活性污泥法处理系统自动控制技术，属于SBR法污水生物脱氮除磷技术领域，适用于反硝化除磷过程中温室气体产生的研究。
背景技术
N2O能够吸收中心波长为7.78、8.56和16.98的长波红外辐射，从而产生温室效应，其单分子增温潜势是CO2的310倍。虽然N2O在大气中的含量很低，但对全球气候的增温效应在未来将越来越显著，据报道大气中N2O的体积分数每增加一倍，将会使全球地表气温平均上升0.4℃。N2O是一种长生命周期气体，其在大气中可以稳定存在114a，因此可以向上迁移扩散至平流层并损耗那里的臭氧层。大气中90%的N2O来自于微生物的硝化反硝化作用，其中污水生物脱氮处理过程人为的强化了微生物的这一作用，对于全球N2O贡献占到了25%。
反硝化除磷是用厌氧、缺氧交替的环境代替传统的厌氧、好氧环境，从而达到“一碳两用”，最大限度的解决了目前污水处理中碳源不足的问题，能够节省30%的曝气量，同时减少50%的排泥量。目前随着污水处理中短程硝化工艺的应用，以NO2-N为电子受体进行反硝化除磷与传统NO3-N为电子受体相比，能够减少所需碳源，缩短反应时间、降低能耗更具有经济效益。然而在亚硝酸盐（NO2 -）为电子受体反硝化除磷过程中，亚硝酸盐（NO2 -）首先被还原为一氧化氮（NO），之后一氧化氮（NO）进一步被还原为氧化亚氮（N2O），最后氧化亚氮（N2O）被还原为氮气（N2），同时在这个过程中磷酸盐被聚磷菌吸收入细胞内，从而达到脱氮除磷的目的。N2O是反硝化除磷的一个中间产物，对于这一过程中不同运行条件产生N2O积累的影响因素还不为人知。这就需要科研工作者深入研究，避免N2O的产生于逸散，本发明就为该内容的研究提供了设备和方法。自动控制在污水处理中的应用
近年来随着计算机技术的飞速发展，自动控制的研究与应用在许多领域有了长足的进步，但是在污水处理中的研究还较少，大型污水处理厂的应用基本处于空白状态。本发明利用PLC编程的固定模式控制方式，通过电脑程序控制SBR进水时间、厌氧搅拌、缺氧搅拌、沉淀、排水、闲置时间等，利用PH、DO、ORP在线检测系统实时回馈信号，利用PLC程序控制PH、DO和温度使反应器内数值恒定。当反应器内检测值超过设定值时，程序会自动开启或关闭加酸、加碱泵、曝气阀、加热设备的电源，恒定设定范围。为研究反硝化除磷实验过程中产N2O的影响因素时，提供稳定的PH、DO和温度的运行条件。利用N2O微电极实时检测系统记录反应器内N2O产生量，每1s读数考察N2O的变化情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反硝化除磷过程中N2O产生的减量控制装置及方法，用于研究反硝化除磷过程中N2O产生的影响因素，从而确定最佳的工艺参数，指导污水处理厂在满足运行效果的前提下，优化工艺参数，达到最大化减少N2O产生量的目的。
本发明所采用的技术方案是：提供一种反硝化除磷过程中N2O产生的减量控制装置，如图1，包括SBR反应器、配水箱，其特征在于，通过PLC电脑自控系统程序模块设定时间控制与配水箱相连的蠕动泵将配水定量注入SBR反应器、通过PLC电脑自控系统控制排泥系统开启或关闭时间进行定量排泥排泥，N2O微电极与SBR反应器相连实时检测信号回馈至N2O在线检测系统，磁力搅拌器放置于SBR反应器底部，SBR反应器内部的底部设置曝气头，其中曝气头通过曝氮气管路与流量计、电磁阀、氮气罐连接，pH与温度探头、溶解氧探头、ORP探头设置在SBR反应器的一侧，实时检测信号回馈至PLC电脑控制系统通过程序设定数值来控制加酸系统、加碱系统、加热电阻、电磁阀的开启与关闭，同时PLC电脑控制系统通过程序模块控制亚硝酸钠投加系统、排水阀的开启，排水口与排水阀相连接，SBR反应器一侧设置取样口，顶部的右侧设置排气口。
利用上述的装置进行反硝化除磷过程中产N2O的减量化控制的方法，主要包括以下步骤：
步骤1，将富含聚磷菌的活性污泥接种在SBR反应器内，保证SBR反应器内挥发性固体浓度在1500-2000mg/L之间；
步骤2，对接种后污泥淘洗3遍，去除污泥中的一些杂质及无机成分，沉淀15-30min直至污泥全部沉淀，泥水界面稳定，打开排水阀，排出上清液；
步骤3，在配水箱内加入配水，由乙酸钠和磷酸盐配置成COD:800mg/L、PO3-P:0mg/L的废水，作为反应器的原进水；
步骤4，蠕动泵将预先配置好的合成废水从配水箱中引致SBR反应器中，蠕动泵的进水时间由PLC电脑自控系统控制，在程序所设定的6min内完成进水阶段；
步骤5，磁力搅拌器开启搅拌，转速控制在150-200转/min，开启氮气罐阀门，控制流量为0.1m3/h曝氮气15min，氮气通过曝气头分散成细小气泡经反应器上部排气口排出，并通过PLC电脑自控系统控制厌氧释磷时间为2h；
步骤6，控制亚硝酸钠投加系统的PLC电脑自控系统自控程序开启，质量浓度为2g/L亚硝酸钠用蠕动泵在2min内以10ml/min流量定量投加入SBR反应器中；通过pH与温度探头，溶解氧探头实时检测系统内pH、温度和溶解氧并通过PLC在线控制系统控制加酸系统、加碱系统、加热电阻开启与关闭；
步骤7，亚硝酸钠投加系统关闭，磁力搅拌器持续搅拌，调解转速为200转/min，搅拌混匀泥水混合物；
步骤8，当N2O探头在线检测信号值低于0.1mgN2O-N/L时磁力搅拌器关闭反硝化除磷结束，15min内完成沉淀；在沉淀时间到达后，PLC电脑自控系统开启电动阀，排干排水口以上的上清液。
步骤1所述污泥为已运行300天以上富集聚磷菌的强化生物除磷系统内种泥，其中聚磷菌浓度高达90%左右。
技术原理
反硝化除磷是指在传统反硝化的基础上富集培养一类微生物，它可以利用NO3-N代替O2作为电子受体，在除磷的同时实现脱氮。反硝化除磷系统将脱氮和除磷两个过程合二为一，与传统脱氮除磷工艺相比，可节省50%的碳源、30%的耗氧量，污泥产量减少50%。如果在硝化阶段控制反应参数实现短程硝化，产生的NO2-N作为聚磷菌的电子受体，在硝化阶段又可以节省大量的电耗，反硝化除磷阶段节约碳源和反应时间，在实际污水处理中更具有应用价值。但是在以NO2-N为电子受体反硝化除磷过程中有大量的N2O的产生，如果不加控制会逸散入大气中，造成温室气体的污染。本发明在上述原理的基础上，提出了基于pH、OPR、N2O、温度参数的N2O减量控制装置，在实现自动化控制的同时对反硝化除磷的过程中N2O减量进一步优化。
本发明具有以下优点：
1、通过PLC在线控制系统能够实时控制反应器运行的各种参数，全程自动控制进水、搅拌、沉淀、排水、加酸、加碱、在线记录数据，实现真正的“自动控制”。
2、通过N2O在线检测系统分析反硝化除磷过程中不同运行条件对聚磷菌产N2O的影响，在以理解产N2O的机理的基础上确定最优的工艺参数。
3、实现了反硝化除磷过程中N2O的“零排放”，对于氮的去除不仅从“量”上而且从“质”上都达到了完全去除。
4、本系统可以恒定多种运行参数，可以考察单一条件对反硝化除磷过程中N2O排放的影响。
5、本发明国内外首次开发并研究了反硝化除磷过程中产N2O减量化控制的装置与方法。
附图说明
图1：一种反硝化除磷过程中N2O产生的减量控制装置结构示意图；
图1中，1-配水箱；2-蠕动泵；3-排泥系统；4-SBR反应器；5-N2O在线检测系统；6-磁力搅拌器；7-曝气头；8-温度和pH探头；9-溶解氧探头；10-ORP探头；11-加酸系统；12-加碱系统；13-亚硝酸钠投加系统；14-PLC电脑自动控制系统；15-加热电阻；16-N2O微电极；17-排水阀；18-取样口；19-电动阀；20-氮气罐；21-电磁阀；22-流量计；23-排气口。
图2：反硝化除磷过程中N2O产生的减量控制策略示意图。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明做进一步说明：如图1所示，反硝化除磷过程中N2O产生的减量控制装置设有SBR反应器4、配水箱1、通过PLC电脑自控系统14程序模块设定时间控制与配水箱相连的蠕动泵2将配水定量注入SBR反应器4、通过PLC电脑自控系统14控制排泥系统3开启或关闭时间进行定量排泥排泥，N2O微电极16与SBR反应器4相连实时检测信号回馈至N2O在线检测系统5，磁力搅拌器6放置于反应器4底部，SBR反应器4内部的底部设置曝气头7，其中曝气头7通过曝氮气管路与流量计22、电磁阀21、氮气罐20连接，pH与温度探头8、溶解氧探头9、ORP探头10设置在主反应器4的一侧，实时检测信号回馈至PLC电脑控制系统14通过程序设定数值来控制加酸系统11、加碱系统12、加热电阻15、电磁阀21的开启与关闭，同时PLC电脑控制系统14通过程序模块控制亚硝酸钠投加系统13、排水阀19的开启，排水口17与排水阀19相连接，主反应器4一侧设置取样口18，顶部右侧设置排气口23。
实施例1
1、考察pH对反硝化除磷过程中N2O产生情况的影响研究
试验方法：取富含90%左右聚磷菌的活性污泥加入SBR反应器中，淘洗后使固体浓度在1500-2000mg/L之间，通过PLC控制系统控制进水时间为6min加入乙酸与磷酸盐的配水，磁力搅拌器开始搅拌，开启氮气罐阀门，控制流量为0.1L/h曝氮气15min，厌氧释磷反应2h，厌氧释磷反应结束后亚硝酸钠投加系统开启，质量浓度为2g/L亚硝酸钠用蠕动泵在2min内以10ml/min流量定量投加入SBR反应器中，通过pH与温度探头,溶解氧探头实时检测系统内pH、温度和溶解氧并通过PLC在线控制系统控制加酸系统、加碱系统、加热电阻维持系统温度在25℃，pH值分别为6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5，当N2O探头在线检测信号值低于0.1mgN2O-N/L时关闭磁力搅拌器反硝化除磷结束，沉淀15min；在沉淀时间到达后，PLC电脑自控系统开启电动阀排水，排干排水口以上的上清液，按照上述步骤在该装置内考察不同pH对反硝化除磷过程中N2O产生情况的影响，在pH设定在6.5-8.5之间时不仅总氮去除率100%，溶解在水中的N2O去除率也达到了100%，同时除磷效率也可达到90%以上。
实施案例2
2、考察温度对反硝化除磷过程中N2O产生情况的影响研究
试验方法：取富含90%左右聚磷菌的活性污泥加入SBR反应器中，淘洗后使固体浓度在1500-2000mg/L之间，通过PLC控制系统控制进水时间为6min加入乙酸与磷酸盐的配水，磁力搅拌器开始搅拌，开启氮气罐阀门，控制流量为0.1L/h曝氮气15min。厌氧释磷反应2h，厌氧释磷反应结束后亚硝酸钠投加系统开启，质量浓度为2g/L亚硝酸钠用蠕动泵在2min内以10ml/min流量定量投加入SBR反应器中，通过pH与温度探头,溶解氧探头实时检测系统内pH、温度和溶解氧并通过PLC在线控制系统控制加酸系统、加碱系统、加热电阻维持系统pH值恒定为7.5，温度分别为5、10、15、20、25、30℃，当N2O探头在线检测信号值低于0.1mgN2O-N/L时关闭磁力搅拌器反硝化除磷结束，沉淀15min；在沉淀时间到达后，PLC电脑自控系统开启电动阀排水，排干排水口以上的上清液，按照上述步骤在该装置内考察不同温度对反硝化除磷过程中N2O产生情况的影响，在温度设定在5-30℃之间时总氮去除率达到100%，溶解在水中的N2O去除率也达到了100%，同时除磷效率也可达到91%以上。

Claims (3)

1.一种反硝化除磷过程中N2O产生的减量控制装置，包括SBR反应器（4）、配水箱（1），其特征在于，通过PLC电脑自控系统（14）程序模块设定时间控制与配水箱相连的蠕动泵（2）将配水定量注入SBR反应器（4）、通过PLC电脑自控系统（14）控制排泥系统（3）开启或关闭时间进行定量排泥排泥，N2O微电极（16）与SBR反应器（4）相连实时检测信号回馈至N2O在线检测系统（5），磁力搅拌器（6）放置于SBR反应器（4）底部，SBR反应器（4）内部的底部设置曝气头（7），其中曝气头（7）通过曝氮气管路与流量计（22）、电磁阀（21）、氮气罐（20）连接，pH与温度探头（8）、溶解氧探头（9）、ORP探头（10）设置在SBR反应器（4）的一侧，实时检测信号回馈至PLC电脑控制系统（14）通过程序设定数值来控制加酸系统（11）、加碱系统（12）、加热电阻（15）、电磁阀（21）的开启与关闭，同时PLC电脑控制系统（14）通过程序模块控制亚硝酸钠投加系统（13）、排水阀（19）的开启，排水口（17）与排水阀（19）相连接，SBR反应器（4）一侧设置取样口（18），顶部的右侧设置排气口（23）。
2.一种利用权利要求1所述的装置进行反硝化除磷过程中N2O产生的减量控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将富含聚磷菌的活性污泥接种在SBR反应器（4）内，保证SBR反应器（4）内挥发性固体浓度在1500-2000mg/L之间；
步骤2，对接种后污泥淘洗3遍，去除污泥中的一些杂质及无机成分，沉淀15-30min直至污泥全部沉淀，泥水界面稳定，打开排水阀（17），排出上清液；
步骤3，在配水箱内加入配水，由乙酸钠和磷酸盐配置成COD:800mg/L、PO4 3-P:40mg/L的废水，作为反应器的原进水；
步骤4，蠕动泵将预先配置好的合成废水从配水箱中引致SBR反应器中，蠕动泵的进水时间由PLC电脑自控系统控制，在程序所设定的6min内完成进水阶段；
步骤5，磁力搅拌器开启搅拌，转速控制在150-200转/min，开启氮气罐阀门，控制流量为0.1m3/h曝氮气15min，氮气通过曝气头分散成细小气泡经反应器上部排气口排出，并通过PLC电脑自控系统控制厌氧释磷时间为2h；
步骤6，控制亚硝酸钠投加系统的PLC电脑自控系统自控程序开启，质量浓度为2g/L亚硝酸钠用蠕动泵在2min内以10ml/min流量定量投加入SBR反应器中；通过pH与温度探头，溶解氧探头实时检测系统内pH、温度和溶解氧并通过PLC在线控制系统控制加酸系统、加碱系统、加热电阻开启与关闭；
步骤7，亚硝酸钠投加系统关闭，磁力搅拌器持续搅拌，调解转速为200转/min，搅拌混匀泥水混合物；
步骤8，当N2O探头在线检测信号值低于0.1mgN2O-N/L时磁力搅拌器关闭反硝化除磷结束，15min内完成沉淀；在沉淀时间到达后，PLC电脑自控系统开启电动阀，排干排水口以上的上清液。
3.根据权利要求2所述的反硝化除磷过程中N2O产生的减量控制的方法，其特征在于，步骤1所述污泥为已运行300天以上富集聚磷菌的强化生物除磷系统内种泥，其中聚磷菌浓度高达90%左右。
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