CN103214092A

CN103214092A - 一种生物脱氮装置

Info

Publication number: CN103214092A
Application number: CN2013101697314A
Authority: CN
Inventors: 魏源送; 王元月; 王亚炜
Original assignee: Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Current assignee: Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2033-05-09
Also published as: CN103214092B

Abstract

一种生物脱氮装置，SBR中设有液位计传感器、DO电极、pH电极、ORP电极、EC电极和氨氮电极，均连接到PLC自动控制系统；PLC自控系统设置有现场触控屏和远程计算机两种操控方式；PLC自控系统运行溶解氧-氨氮或pH-氨氮联合控制模式，SBR在反应阶段分别以连续曝气或间歇曝气运行，相应短程硝化与厌氧氨氧化两反应在SBR中同步发生或交替进行；SBR内设有搅拌桨，在底部正中设有微孔曝气盘，在SBR外部包裹保温套并通过水浴循环泵与恒温水浴槽相连；空气压缩机连接微孔曝气盘；压缩空气为氨氮在线电极清洗提供压缩空气；出水依次经过出水液位阀门、管道过滤器和总出水电动阀门。

Description

一种生物脱氮装置

技术领域

本发明属于低C/N比、高浓度氨氮废水生物脱氮技术领域，具体涉及一种新型的短程硝化-厌氧氨氧化一体式SBR脱氮技术与装置，在运行溶解氧-氨氮或pH-氨氮联合控制模式的PLC系统控制下，具有高度自动化水平，可以适用于包括污泥消化液、焦化废水、氮肥生产废水、制药废水等在内的一系列低C/N比、高浓度氨氮废水的生物脱氮处理。

背景技术

随着社会发展和居民生活水平的提高，当前我国水环境面临的主要问题已由传统的耗氧污染向富营养化方向转变，而由于氨氮既是消耗水体氧气又是造成水体富营养化的物质，所以氨氮在我国水体污染成因转变过程中扮演着重要角色。基于此，在我国“十二五”规划纲要中明确新增了氨氮约束性水体污染物减排指标，所以如何削减氨氮排放是我国环境保护面临的重要难题。

当前污水脱氮仍以常规的生物硝化/反硝化为主，虽然相比物理、化学法脱氮具有成本优势，但仍存在效率低、能耗物耗高、剩余污泥量大等缺点[Fux，C.and H.Siegrist.2004.Nitrogen removal from sludge digesterliquids by nitrification/denitrification or partial nitritation/anammox：environmental and economical considerations[J].Water Science andTechnology，50(10)：19-26]。随着对氮转化途径认识的深入，针对传统脱氮工艺存在的固有缺点而发展出了一系列新型脱氮工艺。厌氧氨氧化技术(Anaerobic Ammonium Oxidation，Anammox)产生于上世纪90年代[Mulder，A.，A.A.Vandegraaf，L.A.Robertson，et al.1995.Anaerobicammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor[J].Fems Microbiology Ecology，16(3)：177-183]，是目前最有前景的新型生物脱氮技术，其反应可以表示为：

由于Anammox反应以NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N作为底物，而一般废水中NO₂ ^--N含量很低，所以通过短程硝化来实现NO₂ ^--N累积是Anammox的必备条件。对比传统脱氮方法，短程硝化-厌氧氨氧化组合工艺能够节省约60％的曝气量，完全不需要外加碳源，污泥产量低，特别适合于处理低C/N比、高氨氮废水[Fux C，Boehler M，et al.Biological treatment ofammonium-rich wastewater by partial nitritation and subsequent anaerobicammonium oxidation(anammox)in a pilot plant[J].Journal of Biotechnology，2002，99(3)：295-306]。对于短程硝化-厌氧氨氧化一体式组合工艺，主要有CANON、OLAND、DEMON、SNAP等，对于分体式工艺主要有Sharon-Anammox工艺。

然而，上述工艺的反应器多以生物转盘、完全混合式反应器(CSTR)等为主，由于其水力负荷、水力停留时间均是既定的，因而出水水质受进水水质波动的影响较大。当进水氨氮负荷降低时，原水中NH₄ ⁺-N过早地被完全消耗掉，就会导致NO₂ ^--N因缺少NH₄ ⁺-N进行厌氧氨氧化反应而出现累积，从而对Anammox菌产生抑制作用，也可能在NH₄ ⁺-N完全消耗以后致使系统的DO升高，从而也会对Anammox菌产生抑制作用。当进水氨氮负荷增大后，在原有的水力停留时间内，会有相当部分的NH₄ ⁺-N剩余而进入出水中，导致系统整体的脱氮效果变差。特别是当处理对象为工业废水时，会因氨氮负荷波动剧烈，而对现有工艺带来严重的冲击负荷，使系统的正常运行面临崩溃的危险。因此，针对现有反应器耐冲击性能差，应用范围有限的缺点，需要提出更为有效的可以应对水质、水量复杂变化情况的脱氮装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的短程硝化-厌氧氨氧化一体式SBR脱氮技术与装置，以改进公知技术中存在的缺陷。为实现上述目的，本发明提供生物脱氮装置，其包括：

储水箱(1)内设有进水泵(1.1)和推流泵，SBR为一敝口圆柱型池体，上部设有溢流管，下部设有放空管，在侧面不同高度处设出水阀门；

SBR中设有液位计传感器(5)、DO电极(6.1)、pH电极(6.2)、ORP电极(6.3)、EC电极(6.4)和氨氮电极(7)，均通过变送器(6、7)连接到PLC自动控制系统(9)；

PLC自控系统设置有现场触控屏(8)操控和远程计算机(10)，以在自动化运行过程中的现场操作以及远程监控；

SBR内设有可以调速的搅拌桨(3.1)，在底部正中设有微孔曝气盘(3.2)，在SBR外部包裹保温套(2.2)并通过水浴循环泵(2.1)与恒温水浴槽(2)相连；

空气压缩机(4)依次通过曝气减压阀(4.1)、曝气电磁阀(4.2)和曝气流量计(4.3)进入微孔曝气盘(3.2)；压缩空气依次通过空气清洗减压阀(4.4)、空气清洗电磁阀(4.5)和空气清洗流量计(4.6)为氨氮在线电极清洗提供压缩空气；

出水依次经过出水液位阀门(3.4)、管道过滤器(3.5)和总出水电动阀门(3.6)。

所述的生物脱氮装置，其中PLC控制系统由PLC控制器、多参数在线水质分析仪、氨氮在线分析仪、触屏面板、计算机之间电性连接组成。

所述的生物脱氮装置，其中多参数在线水质分析仪包括pH电极、ORP电极、溶解氧电极、电导率电极和变送器；氨氮在线分析仪包括氨氮在线电极和变送器。

所述的生物脱氮装置，其中PLC自动控制系统运行溶解氧-氨氮联合控制模式或pH-氨氮联合控制模式，控制SBR在进水、反应、搅拌、沉淀、排水和闲置共6个阶段间的自动轮转。

本发明提供的联合控制短程硝化-厌氧氨氧化一体式SBR运行的技术，分为溶解氧-氨氮联合控制和pH-氨氮联合控制，其包括：

溶解氧-氨氮联合控制是利用溶解氧在线电极和氨氮在线电极，通过溶解氧在线电极控制曝气量，进而控制SBR中NO₂ ^--N浓度水平，实现氨氮的短程硝化与厌氧氨氧化反应在同一SBR中同步进行，通过氨氮在线电极控制SBR中的氨氮留存浓度；

pH-氨氮联合控制是利用pH在线电极和氨氮在线电极，通过pH在硝化阶段的降幅ΔpH1控制曝气系统的停止，通过pH在厌氧氨氧化阶段的增幅ΔpH2控制曝气系统的开启，实现氨氮的短程硝化与厌氧氨氧化反应在同一SBR中交替进行，通过氨氮在线电极控制SBR中的氨氮留存浓度。

通过上述两种联合控制，SBR在反应阶段分别以连续曝气或间歇曝气两种方式运行，短程硝化与厌氧氨氧化两个反应在SBR中同步发生或交替进行。

本发明的生物脱氮技术与装置，与现有短程硝化-厌氧氨氧化组合脱氮工艺相比，其优势在于：

(1)采用DO、pH、氨氮等多种在线电极，实时监测SBR中的工艺参数，通过PLC系统控制整体运行，自动化程度高，运行维护简便；

(2)综合了过程控制与终点控制，灵活应对进水氨氮负荷波动情况，耐氨氮冲击负荷，保证出水水质稳定；

(3)采用NH₄ ⁺-N电极严格控制一定的氨氮留存浓度，能够避免NO₂ ^--N累积，从而能够有效控制Anammox菌受抑制现象发生，有利于长期运行的稳定。

附图说明

图1是本发明的短程硝化-厌氧氨氧化一体式SBR脱氮装置的结构示意图。

图2是本发明的溶解氧-氨氮联合控制模式下，短程硝化-厌氧氨氧化一体式SBR装置的单个周期内pH、DO、EC和氨氮在线电极监测结果。

图3是本发明的溶解氧-氨氮联合控制模式下，短程硝化-厌氧氨氧化一体式SBR装置的单个周期内NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、NO₂ ^--N和TN变化情况。

图4是本发明的pH-氨氮联合控制模式下，短程硝化-厌氧氨氧化一体式SBR装置的pH波动控制幅度值。

图5是本发明的pH-氨氮联合控制模式下，短程硝化-厌氧氨氧化一体式SBR装置的单个周期内pH、DO、EC和氨氮在线电极监测结果。

图6是本发明的pH-氨氮联合控制模式下，短程硝化-厌氧氨氧化一体式SBR装置的单个周期内NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、NO₂ ^--N和TN变化情况。

附图中主要组件符号标记说明：

1-储水箱，1.1-进水泵，2-恒温水浴槽，2.1-水浴循环泵，2.2-SBR保温套，3-SBR主体反应器，3.1-搅拌桨，3.2-微孔曝气盘，3.3-曝气盘清洗药剂加入口，3.4-出水阀门，3.5-管道过滤器，3.6-总出水电动阀门，4-空气压缩机，4.1-曝气减压阀，4.2-曝气电磁阀，4.3-曝气流量计，4.4-空气清洗减压阀，4.5-空气清洗电磁阀，4.6-空气清洗流量计，5-液位计，6-WTW多参数在线水质分析仪变送器，6.1-DO在线电极，6.2-pH在线电极，6.3-ORP在线电极，6.4-EC在线电极，7-恩德斯豪斯氨氮在线电极变送器，7.1-氨氮在线电极，8-PLC系统触控面板，9-PLC系统控制柜，10-远程操控计算机。

具体实施方式

本发明提出一套利用PLC控制系统的短程硝化-厌氧氨氧化一体式SBR脱氮技术与装置，PLC系统运行溶解氧-氨氮或pH-氨氮两种不同的联合控制模式，最终实现在原水氨氮负荷剧烈波动情况下，仍能够实现高效、低耗生物脱氮的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

短程硝化-厌氧氨氧化一体式SBR脱氮装置，其特征在于：设有储水箱、SBR主体反应器、PLC控制系统，附属设备有水浴保温设备和曝气设备。

储水箱通过受PLC控制的进水泵与SBR主反应器相连通；SBR内设有液位计，液位计将实时液位数据传输到PLC系统，通过PLC逻辑判断后，反馈控制进水泵的停止；SBR设有通过PLC系统控制启停的搅拌桨；SBR内部设有DO、pH、ORP、EC和氨氮在线电极，获得数据实时传入PLC控制系统，用于存储以及监测SBR运行状况；在SBR底部设有微孔曝气盘，空气压缩机依次通过气体减压阀、气体流量计与微孔曝气盘相连通；SBR外部缠绕水浴软管，并在软管外侧包裹保温棉，软管与恒温水浴槽相连通，通过PLC系统控制水浴循环泵的启停，进而控制SBR的反应温度；SBR高度上设有多个排水液位阀门，通过一根排水竖管相连，根据SBR内液位高度不同，选择打开相应的排水阀门，在总排水管上安装管道过滤器及电控阀门，进而通过PLC系统控制电控阀门的开闭来控制SBR排水。

●利用上述装置，通过运行溶解氧-氨氮联合控制模式的PLC系统，控制实现短程硝化-厌氧氨氧化一体式脱氮的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)上一轮周期结束后，搅拌桨处于开启状态。新一轮周期开始后，PLC控制进水泵开启，SBR中液位逐渐升高，当液位计探测到目标高液位后，，PLC系统控制进水泵停止。

(2)进水泵停止后，曝气系统启动，通过流量计控制SBR内DO浓度，保证SBR中NO₂ ^--N浓度在10.00mg·L^-1以下。随着短程硝化与厌氧氨氧化两个过程的同时进行，实时监测SBR中的氨氮浓度变化的氨氮在线电极读数持续降低。

(3)控制氨氮的留存浓度为30.00mg·L^-1，当氨氮在线电极读数降到30.00mg·L^-1时，PLC控制曝气系统停止，系统内DO浓度会迅速降至0.00mg·L^-1，SBR进入搅拌阶段。必要时，可在沉淀阶段结束之前，增加大流量的空气吹脱措施，保证污泥具有良好的沉降性。

(4)当搅拌阶段时长结束后，PLC控制搅拌桨停止工作，SBR进入沉淀阶段，污泥沉淀在SBR底部，实现泥水分离。

(5)沉淀时长结束后，PLC控制开启排水电动阀门，SBR进入排水阶段。液位快速降低，当达到目标低液位后，PLC控制排水电动阀门关闭。同时，搅拌桨启动，SBR进入闲置阶段。根据待处理水量情况，设定闲置时长，等下一轮周期的开始。

●利用上述装置，通过运行pH-氨氮联合控制模式的PLC系统，控制实现短程硝化-厌氧氨氧化一体式脱氮的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)上一轮周期结束后，搅拌桨处于开启状态。新一轮周期开始后，PLC控制进水泵开启，SBR中液位逐渐升高，当液位计探测到目标高液位后，PLC系统控制进水泵停止。

(2)进水泵停止后，曝气系统启动，通过流量计控制SBR溶解氧浓度。在曝气阶段，NH₄ ⁺-N发生短程硝化反应，导致pH不断降低，当pH降幅达到设定的ΔpH1后，PLC控制曝气系统停止，DO浓度迅速降至0.00mg·L^-1，接下来单独进行厌氧氨氧化反应。厌氧氨氧化反应因消耗H⁺而导致pH回升，当pH增幅达到设定的ΔpH2，PLC控制曝气系统重新开启，为SBR重新曝气充氧，如此循环下去。期间，随着短程硝化与厌氧氨氧化两个反应过程的交替进行，SBR中氨氮不断被消耗，氨氮在线电极读数持续降低。

(3)控制氨氮的留存浓度为30.00mg·L^-1，当氨氮在线电极读数降到30.00mg·L^-1时，PLC控制曝气系统停止，SBR进入搅拌阶段。必要时，可在沉淀阶段结束之前，增加大流量空气吹脱措施，保证污泥具有良好的沉降性。

(5)沉淀时长结束后，PLC控制开启排水电动阀门，SBR进入排水阶段。液位快速降低，当达到目标低水位后，PLC控制排水电动阀门关闭。同时，搅拌桨开启，SBR进入闲置阶段，根据待处理水量情况，设定闲置时长，等待下一轮周期的开始。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，短程硝化-厌氧氨氧化一体式SBR脱氮装置，主要由储水箱、SBR主体反应器、PLC控制系统组成，附属设备有水浴保温措施。储水箱容积160L，尺寸为60cm×70cm(Ф×H)，SBR主反应器总容积125L，尺寸为40cm×100cm(Ф×H)，在SBR高度上每隔16cm设有出水阀。

PLC控制器为德国西门子公司S7-300系列PLC控制器，同时设置了计算机远程操控和现场触控面板操控两种方式，便于装置的自动化运行过程中远程监控以及现场调试。多参数在线电极系统为德国WTW品牌，氨氮在线电极为德国恩德斯豪斯(Endress+Hauser)品牌。

在本实施例中，进水采用某大型污水处理厂的消化污泥脱水滤液，主要水质指标如表1所示。采用投加NH₄Cl和NaHCO₃方式提高进水的氨氮和碱度水平。

表1消化污泥脱水滤液水质(单位：mg·L^-1，除pH以外)

pH	COD	NH₄ ⁺-N	NO₃ ^--N	NO₂ ^--N	碱度
						7.90±0.20	130.20±41.00	154.00±12.20	2.80±2.50	3.20±5.20	1030.40±173.30

1、溶解氧-氨氮联合控制的短程硝化-厌氧氨氧化一体式SBR脱氮

在进水中投加NH₄Cl和NaHCO₃，将进水氨氮浓度提高至700.00mg·L^-1。PLC控制系统运行溶解氧-氨氮联合控制模式。开始新一轮周期后，首先搅拌桨启动，接着进水泵开启，短时间内完成SBR的进水。随后曝气系统开启，调节曝气流量，控制SBR中DO浓度为0.20～0.30mg·L^-1，在氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌的联合作用下，氨氮浓度逐渐降低，pH逐渐降低，NO₂ ^--N始终维持在8.00mg·L^-1以下。当氨氮浓度逐渐降低到30.00mg·L^-1的留存浓度值后，曝气系统停止工作，SBR进入缺氧搅拌阶段，DO迅速降低至0.00mg·L^-1。生成NO₂ ^--N的与剩余的NH₄ ⁺-N继续发生厌氧氨氧化反应，使出水中几乎不含NO₂ ^--N，产生的N₂在搅拌作用下充分逸散出去，污泥的沉降效果并未因有气体生成而变差。搅拌阶段完成后，SBR进入沉淀阶段，污泥迅速沉到SBR底部，上部液体澄清。随后排水泵开启，将20L水排出SBR。排水完毕后搅拌桨开启，SBR进入闲置阶段。闲置阶段结束后，进水泵重新开启，SBR开始新一轮周期。图2给出了SBR单个周期内pH、DO、ORP、EC和氨氮共四种在线电极的输出结果。图3给出了单个周期内的NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、NO₂ ^--N和TN的变化情况。在溶解氧-氨氮联合控制模式下，SBR的水力停留时间为1.59d，进水氨氮负荷为0.44kgNH₄ ⁺-N·m^-3·d^-1，氨氮去除率为96.50％，总氮去除率高达93.10％，表现出了较高的脱氮效果，同时NO₂ ^--N稳定在8.00mg·L^-1以下，从而避免了其对厌氧氨氧化菌产生抑制作用。

2、pH-氨氮联合控制的短程硝化-厌氧氨氧化一体式SBR脱氮

在进水中投加NH₄Cl和NaHCO₃，将进水氨氮浓度提高至250.00mg·L^-1。PLC控制系统运行pH-氨氮联合控制模式。

开始新一轮周期后，首先搅拌桨启动，接着进水泵开启，短时间内完成SBR的进水。随后曝气系统开启，调节曝气流量，控制SBR中DO浓度为0.10～0.20mg·L^-1。曝气系统开始后，在氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌的联合作用下，氨氮浓度逐渐降低，但同时pH也逐渐降低。利用pH的波动来控制曝气系统启停如图4所示，pH的下降幅度与系统内的NO₂ ^--N累积情况成正比，设定在曝气阶段的pH降幅为ΔpH1，在曝气系统结束时刻的NO₂ ^--N浓度平均只有4.14mg·L^-1。当ΔpH1达到后，曝气系统停止，DO在短时间内迅速降到0.00mg·L^-1，SBR进入缺氧搅拌阶段，短程硝化反应停止，只有厌氧氨氧化反应单独进行，消耗之前累积的NO₂ ^--N，同时pH会出现小幅回升，pH的升高幅度与NO₂ ^--N的消耗量呈正比，设定在缺氧搅拌阶段的pH增幅为ΔpH2，能够保证累积的NO₂ ^--N被消耗掉。当ΔpH2达到后，曝气系统再次启动，如此循环下去直至氨氮浓度降低到设定的30.00mg·L^-1留存浓度。当氨氮电极探测到SBR中氨氮浓度降到30.00mg·L^-1时，曝气系统停止工作，SBR进入缺氧搅拌阶段，DO迅速降低0.00mg·L^-1。生成的NO₂ ^--N与剩余的NH₄ ⁺-N继续发生厌氧氨氧化反应，使出水中几乎不含NO₂ ^--N，产生的N₂在搅拌作用下充分逸散出去，污泥的沉降效果并未因有气体生成而变差。搅拌阶段完成后，SBR进入沉淀阶段，污泥迅速沉到SBR底部，上部液体澄清。随后排水泵开启，将20L水排出SBR。排水完毕后搅拌桨开启，SBR进入闲置阶段，闲置阶段结束后，进水泵重新开启，SBR开始新一轮周期。图5给出了SBR单个周期内pH、DO、ORP、EC和氨氮共四种在线电极的结果，可以看出pH的波动变化导致其他电极读数也成波动变化。图6给出了单个周期内的NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、NO₂ ^--N和TN的变化情况。在pH-氨氮联合控制模式下，SBR的水力停留时间为1.86d，进水氨氮负荷为0.14kgNH₄ ⁺-N·m^-3·d^-1，氨氮出去率为89.60％，总氮去除率为86.60％，表现出了较高的脱氮效果，同时NO₂ ^--N稳定在5.00mg·L^-1以下。

Claims

1.一种生物脱氮装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的生物脱氮装置，其特征是：PLC自动控制系统由PLC控制器、多参数在线水质分析仪、氨氮在线分析仪、触屏面板、计算机之间电性连接组成。

3.根据权利要求2所述的生物脱氮装置，其特征是：

PLC自动控制系统运行溶解氧-氨氮或pH-氨氮联合控制模式，控制SBR在进水、反应、搅拌、沉淀、排水和闲置共6个阶段间的自动轮转；

多参数在线水质分析仪包括pH电极、ORP电极、溶解氧电极、电导率电极和变送器；

氨氮在线分析仪包括氨氮在线电极和变送器。