CN103496818B - Aao-生物接触氧化强化脱氮除磷装置及处理低c/n污水的实时控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种AAO-生物接触氧化强化脱氮除磷装置及处理低C/N污水的实时控制方法。该系统主要由原水水箱、AAO反应器、中间沉淀池、生物接触氧化池、沉淀区、出水水箱、在线控制箱以及计算机组成。实时控制方法为：DO传感器在线采集生物接触氧化池各格室中的溶解氧浓度，通过计算机运算输出，可实现对硝化进程的控制；NH₄ ⁺传感器、NO₃ ^-传感器、NO₂ ^-传感器和TP传感器在线采集出水水箱中的氨氮，硝酸盐，亚硝酸盐以及总磷浓度，根据各传感器采集到的信号，通过计算机运算输出，可实现对曝气量、硝化液回流比以及进水C/N的调整。本发明通过在线实时控制设备，优化系统运行，节能降耗，实现了碳源和曝气量的节省以及剩余污泥的减量。

Description

AAO-生物接触氧化强化脱氮除磷装置及处理低C/N污水的实时控制方法

技术领域

本发明属于污水生物处理技术领域，特别适用于新建污水处理厂的深度脱氮除磷以及旧污水处理厂的升级改造，具体涉及一种针对低C/N污水节能降耗的实时控制装置和基于此形成的强化脱氮除磷方法。

背景技术

氮、磷过量排放引起的水体富营养化是当前国家政府和公众最为关注的环境问题之一。控制水体富营养化，防止水体污染的最根本途径就是对污染源进行治理，控制污水处理厂出水中的氮、磷含量，使其达到一定的排放标准。我国颁布的污水排放标准（GB18918-2002）中规定，所有出水的氮磷含量要达到一级A标准，这就对污水深度脱氮除磷提出了更高的要求。近年来，污水脱氮除磷工艺层出不穷，但由于碳源、泥龄、硝酸盐和反硝化容量、释磷吸磷的容量等矛盾，使得脱氮除磷在实际应用中存在一定的难度和局限，特别是在处理低C/N污水时因碳源不足问题使得同时脱氮除磷显得尤为困难。

AAO作为一种最简单的同步脱氮除磷工艺，具有构造简单、水力停留时间短、设计运行经验成熟、不易产生污泥膨胀等优点，已广泛应用于国内外大型污水处理厂。但是由于AAO系统中聚磷菌、硝化菌和反硝化菌共存，存在泥龄矛盾和碳源竞争，导致曝气能耗大、硝化效率不高、反硝化除磷效率低下，好氧池出水存在的硝态氮容易在沉淀池发生污泥上浮现象等等。这些问题的存在，使得单纯的AAO工艺很难达到稳定的脱氮除磷效果，因此，有必要进行进一步的改造和优化。

生物接触氧化是一种生物膜法工艺，接触氧化池内设有填料，部分微生物以生物膜的形式固着生长在填料表面，部分则是絮状悬浮生长于水中，兼有活性污泥法与生物膜法二者的特点。具有占地面积小，容积负荷高，抗冲击能力强，生物种类多，生物量大，污泥产率低，无污泥膨胀问题等诸多优点。

针对AAO工艺固有的缺陷以及生物接触氧化的优点，现提出了一种新型的AAO-生物接触氧化双污泥系统。该工艺将生物接触氧化池置于沉淀池之后，其主要作用是完成氨氮的氧化，生物接触氧化池的出水回流到AAO装置的缺氧段，为反硝化除磷提供充足的电子受体，即意味着有机物的去除、反硝化以及除磷都在AAO中进行，成功解决了传统工艺中各菌群间的竞争性矛盾。尤其是在低C/N条件下利于DPAOs成为优势菌进行反硝化除磷，实现了碳源的高效利用，是一种节能降耗的深度脱氮除磷工艺。

发明内容

本发明的目的是针对当前AAO工艺存在的问题，并结合碳源高效利用、节能降耗和污泥减量三个关键技术，提出一种强化脱氮除磷的耦合工艺，并在此基础上构建了一套实时控制系统，为城镇污水处理厂的提标改造和优化运行给予理论基础和技术支持。

AAO-生物接触氧化强化脱氮除磷装置，主要由原水水箱、AAO反应器、中间沉淀池、生物接触氧化池、沉淀区、出水水箱以及在线控制箱组成，AAO反应器包括厌氧区、缺氧区和好氧区；所述AAO反应器好氧区的出水进入中间沉淀池，中间沉淀池的出水经中间进水泵从生物接触氧化池首格的底部进入；所述AAO反应器与生物接触氧化池连接处设有密封隔板，将两者彼此隔离；所述沉淀区设有溢流口和斜板沉淀区，生物接触氧化池与沉淀区通过多孔布水板连通；所述AAO反应器的厌氧区底部设有进水口、污泥回流口和投药口，缺氧区底部设有硝化液回流口；所述在线控制箱连接NH₄ ⁺传感器、NO₃ ^-传感器、NO₂ ^-传感器、TP传感器，DO传感器和计算机；根据各传感器采集到的信号，通过计算机运算输出，在线监测出水水箱中的NH₄ ⁺、NO₃ ^-、NO₂ ^-和TP浓度以及生物接触氧化池各格室内的DO浓度，便于系统的优化运行。

具体特征如下：

1）原水从AAO反应器2厌氧区8的底部进入，同步进入的还有来自中间沉淀池3经污泥回流泵12回流的沉淀污泥，污泥回流比100%～200%，污泥浓度6000～10000mg/L；反硝化聚磷菌（DPAOs）利用原水中的有机物合成内碳源（PHA）储存于细胞体内，同时释磷。

2）混合液随后进入缺氧区9，同时进入的还有经生物接触氧化池4充分氧化并完成固液分离的硝化液，硝化液回流比100%～400%。通过DO传感器32控制硝化进程，电子受体为NO₃ ^-、NO₂ ^-或两者共存，DPAOs以PHA为电子供体进行反硝化除磷。

3）混合液进入好氧区10，停留时间1.0～2.0h，主要功能是进一步吸磷，同时吹脱反硝化过程产生的N₂，便于后续的泥水分离。

4）混合液进入中间沉淀池3，沉淀时间1.5～2.5h，完成泥水分离后，含有氨氮的上清液经中间进水泵13进入生物接触氧化池4，沉淀污泥回流到AAO反应器2的厌氧区8。

5）中间沉淀池3的出水从生物接触氧化池4首格的底部进入，完成氨氮的氧化。通过在线DO传感器32，实现渐减曝气的运行方式，前两格溶解氧控制在2.5～4.0mg/L，后两格溶解氧控制在0.5～2.0mg/L，总气量0.1～0.6m³/h。系统可实现多种脱氮方式，包括全程硝化、半短程硝化、短程硝化、厌氧氨氧化、同步硝化反硝化等等。

6）经上述处理后进入沉淀区5，脱落的生物膜经斜板沉淀区22分离后从底部排泥口20排出，上清液经溢流口21进入出水水箱6。一部分出水经硝化液回流泵25进入首格缺氧区9，为反硝化除磷提供充足的电子受体，另一部分排放。

7）出水水箱中设有四个浓度传感器，分别是NH₄ ⁺传感器28、NO₃ ^-传感器29、NO₂ ^-传感器30和TP传感器31，根据计算机33输出的出水浓度并结合DO传感器32，可调节硝化液回流比（100%～400%）、曝气量（0.1～0.6m³/h）以及进水C/N（4～8），便于及时的调整工况，为系统的优化运行提供参考。

通过计算机33的运算输出，得到实时控制变量，按照以下四种方案之一进行调整；

A)当NH₄ ⁺浓度≥2mg/L时，加大曝气量为0.5～0.6m³/h；当NH₄ ⁺浓度≤0.5mg/L时，减小曝气量为0.3～0.4m³/h；当NH₄ ⁺浓度≤0.5mg/L且出水亚硝积累率NO₂ ^-/NO_x ^-≤30%时，减小曝气量为0.1～0.2m³/h；

B)当TP浓度≥1mg/L，加大硝化液回流比为300%～400%；当TP浓度≤0.2mg/L，减小硝化液回流比为100%～200%；

C)当NO₃ ^-+NO₂ ^-浓度≥14mg/L时，加大硝化液回流比为300%～400%；当NO₃ ^-+NO₂ ^-浓度≤6mg/L时，减小硝化液回流比为100%～200%；

D)当NO₃ ^-+NO₂ ^-浓度≥14mg/L且TP浓度≥1mg/L时，在加大硝化液回流比为300%～400%的同时需投加碳源，调节进水C/N为4～8。

AAO-生物接触氧化工艺集两者的优点于一体，成功解决了传统生物脱氮除磷工艺中聚磷菌、硝化菌、反硝化菌的竞争性矛盾。通过缩短泥龄，将硝化过程从AAO装置中分离出去，充分发挥反硝化和除磷的效果；生物接触氧化池在长泥龄下运行，不但有利于硝化效果的高效和稳定，更强化了系统的反硝化除磷效果；尤其是在低C/N水质条件下，实现了碳源的高效利用，最大程度的缓解了城市污水处理中碳源不足的技术难题。此外，根据在线实时控制，及时调整优化系统的运行工况，可节省30%的曝气量，减少50%的污泥产量，节能降耗的同时保证出水水质稳定地达到国家一级A排放标准。

本发明的AAO-生物接触氧化强化脱氮除磷装置处理低C/N污水的实时控制及方法跟现有技术相比，具有下列优点:

1）解决了传统工艺中长短泥龄间矛盾，将除磷和反硝化两个独立过程耦合,实现了碳源和曝气量的节省以及剩余污泥的减量，降低了运行成本。

2）AAO装置不承担硝化功能，中间沉淀池中硝态氮浓度低，污泥沉降性能好，不存在污泥上浮现象，同时回流污泥为聚磷菌的充分释磷提供了绝对厌氧环境，强化了系统的反硝化除磷效果。

3）生物接触氧化池生物量多、处理效率高、无需反冲洗、运行管理方便，通过在线控制箱，合理控制曝气量，系统可实现多种脱氮方式，处理效果稳定。

4）整体为推流流态，具有很强的反应推动力；抗冲击负荷能力强，污泥产量低且沉降性能良好，无污泥膨胀问题。

5）一体的模块化设计，水力停留时间不长，占地面积小，基建费用不高。

6）传感器在线监测出水浓度以及硝化过程的溶解氧，便于实时调整曝气量、回流比、进水C/N等运行参数，节能降耗，优化系统运行效果。

7）在线实时控制，提高装置的实用性和可控性，灵活性高，操作简单，维护管理方便。

附图说明

图1为AAO-生物接触氧化强化脱氮除磷装置示意图。

图中：1-原水水箱；2-AAO反应器；3-中间沉淀池；4-生物接触氧化池；5-沉淀区；6-出水水箱；7-在线控制箱；8-厌氧区；9-缺氧区；10-好氧区；11-搅拌器；12-污泥回流泵；13-中间进水泵；14-中心管；15-反射板；16-密封隔板；17-填料；18-环形曝气管路；19-多孔布水板；20-排泥口；21-溢流口；22-斜板沉淀区；23-投药口；24-进水泵；25-硝化液回流泵；26-流量计；27-鼓风机；28-NH₄ ⁺传感器；29-NO₃ ^-传感器；30-NO₂ ^-传感器；31-TP传感器；32-DO传感器；33-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请专利作进一步的说明：如图1所示，AAO-生物接触氧化强化脱氮除磷装置，所述装置主要包括原水水箱1、AAO反应器2、中间沉淀池3、生物接触氧化池4、沉淀区5、出水水箱6和在线控制箱7。采用上下交错设置过水孔的隔板将AAO反应器2分为五个格室，厌氧区8、缺氧区9和好氧区10的容积比是1:3:1。第一个格室为厌氧区8，随后三格为缺氧区9，各格室均安装搅拌器11；第五个格室为好氧区10，底部设有环形曝气管路18，管道上均匀安装曝气头，鼓风机27通过气体流量计26对曝气量进行控制；AAO装置2出水进入中间沉淀池3的中心管14，经反射板15流出，底部设有污泥漏斗和排泥口，漏斗锥体与水平夹角为60°，沉淀污泥经污泥回流泵12与AAO反应器2的厌氧区8连通。

混合液在中间沉淀池3完成泥水分离后，含有氨氮的上清液经中间进水泵13进入生物接触氧化池4，四个格室均采用聚乙烯型悬浮填料17，填充率e=30%～60%，有效停留时间为1.2～3.0h。沿程推流，通过在线DO传感器32，实现渐减曝气的运行方式，前两格溶解氧控制在2.5～4.0mg/L，后两格溶解氧控制在0.5～2.0mg/L，总气量0.1～0.6m³/h。

沉淀区5有效容积为8L，水力停留时间1.0～1.5h。由上、下两部分组成，上部分装有溢流口21，下部分是斜板沉淀区22，上清液经溢流口21进入出水水箱6，脱落的生物膜经斜板沉淀区22分离从底部排泥口20排出。一部分出水经硝化液回流泵25进入缺氧区9首格，为反硝化除磷提供充足的电子受体，另一部分排放。

出水水箱6中设有四个浓度传感器，分别是NH₄ ⁺传感器28、NO₃ ^-传感器29、NO₂ ^-传感器30和TP传感器31，根据各传感器采集到的信号，通过计算机33运算输出，可实时监测系统的运行状况，便于发现问题并及时调整工况，如曝气量、污泥回流比、硝化液回流比、水力停留时间等等，提高系统的可控性和灵活性。

具体实施方式1

DO传感器32在线采集生物接触氧化池4各格中的溶解氧浓度，通过计算机33的运算输出，可实现对硝化进程的控制。前两格DO控制在2.5～4.0mg/L，后两格DO控制在0.5～2.0mg/L，总气量0.1～0.6m³/h。NH₄ ⁺传感器28在线采集出水水箱6中的氨氮浓度，通过计算机33的运算输出，得到实时控制变量。当NH₄ ⁺浓度≥2mg/L时，加大曝气量为0.5～0.6m³/h；当NH₄ ⁺浓度≤0.5mg/L时，减小曝气量为0.3～0.4m³/h；当NH₄ ⁺浓度≤0.5mg/L且出水亚硝积累率NO₂ ^-/NO_x ^-≤30%时，减小曝气量为0.1～0.2m³/h。

具体实施方式2

DO传感器32在线采集生物接触氧化池4各格中的溶解氧浓度，通过计算机33的运算输出，可实现对硝化进程的控制。前两格DO控制在2.5～4.0mg/L，后两格DO控制在0.5～2.0mg/L，总气量0.1～0.6m³/h。NO₃ ^-传感器29和NO₂ ^-传感器30在线采集出水水箱6中的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮浓度，通过计算机33的运算输出，得到实时控制变量。当NO₃ ^-+NO₂ ^-浓度≥14mg/L时，加大硝化液回流比为300%～400%；当NO₃ ^-+NO₂ ^-浓度≤6mg/L时，减小硝化液回流比为100%～200%。

具体实施方式3

DO传感器32在线采集生物接触氧化池4各格中的溶解氧浓度，通过计算机33的运算输出，可实现对硝化进程的控制。前两格DO控制在2.5～4.0mg/L，后两格DO控制在0.5～2.0mg/L，总气量0.1～0.6m³/h。TP传感器31在线采集出水水箱6中的TP浓度，通过计算机33的运算输出，得到实时控制变量。当TP浓度≥1mg/L时，加大硝化液回流比为300%～400%；当TP浓度≤0.2mg/L时，减小硝化液回流比为100%～200%。

具体实施方式4

DO传感器32在线采集生物接触氧化池4各格中的溶解氧浓度，通过计算机33的运算输出，可实现对硝化进程的控制。前两格DO控制在2.5～4.0mg/L，后两格DO控制在0.5～2.0mg/L，总气量0.1～0.6m³/h。当NO₃ ^-传感器29、NO₂ ^-传感器30、TP传感器31在线采集出水水箱6中的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮浓度和总磷浓度，不能稳定达一级A标准时，即NO₃ ^-+NO₂ ^-浓度≥14mg/L且TP浓度≥1mg/L时，在加大硝化液回流比为300%～400%的同时需投加碳源，调节进水C/N为4～8。

利用该装置，在上述4种实施方式下，通过在线监测的实时控制设备，合理调节运行参数，均可实现低C/N污水强化脱氮除磷的目的，出水COD<50mg/L，TN<15mg/L，NH₄ ⁺-N<5mg/L，TP<0.5mg/L，达到《城镇污水处理厂排放标准》（GB18918-2002）一级A要求。

Claims (2)

1.AAO-生物接触氧化强化脱氮除磷装置，其特征在于：

该装置包括原水水箱（1）、AAO反应器（2）、中间沉淀池（3）、生物接触氧化池（4）、沉淀区（5）、出水水箱（6）和在线控制箱（7），AAO反应器（2）包括厌氧区（8）、缺氧区（9）和好氧区（10）；所述AAO反应器（2）好氧区（10）的出水进入中间沉淀池（3），中间沉淀池（3）经中间进水泵（13）连接生物接触氧化池（4）；所述AAO反应器（2）与生物接触氧化池（4）连接处设有密封隔板（16），使两者彼此隔离；所述沉淀区（5）设有溢流口（21）和斜板沉淀区（22），生物接触氧化池（4）与沉淀区（5）通过多孔布水板（19）连通；所述AAO反应器（2）的厌氧区（8）底部设有进水口、污泥回流口和投药口（23），缺氧区（9）的底部设有硝化液回流口；所述在线控制箱（7）连接NH₄ ⁺传感器（28）、NO₃ ^-传感器（29）、NO₂ ^-传感器（30）、TP传感器（31），DO传感器（32）和计算机（33）；根据各传感器采集到的信号，通过计算机（33）运算输出，在线监测出水水箱（6）中的NH₄ ⁺、NO₃ ^-、NO₂ ^-和TP浓度以及生物接触氧化池（4）各格室内的DO浓度。

2.利用权利要求1的AAO-生物接触氧化强化脱氮除磷装置处理低C/N污水，进行实时控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）原水从AAO反应器（2）厌氧区（8）的底部进入，同步进入的还有来自中间沉淀池（3）经污泥回流泵（12）回流的沉淀污泥，污泥回流比100%～200%；

2）混合液随后进入缺氧区（9），同时进入的还有经生物接触氧化池（4）充分氧化并完成固液分离的硝化液，硝化液回流比100%～400%；

3）混合液进入好氧区（10），水力停留时间为1.0～2.0h；

4）混合液进入中间沉淀池（3），沉淀时间1.5～2.5h，完成泥水分离后，含有氨氮的上清液经中间进水泵（13）进入生物接触氧化池（4），沉淀污泥回流到AAO反应器（2）的厌氧区（8）；

5）中间沉淀池（3）的出水从生物接触氧化池（4）首格的底部进入，完成氨氮的氧化；DO传感器（32）在线采集生物接触氧化池（4）各格室中的溶解氧浓度，前两格溶解氧控制在2.5～4.0mg/L，后两格溶解氧控制在0.5～2.0mg/L，总气量0.1～0.6m³/h；

6）经上述处理后进入沉淀区（5），脱落的生物膜经斜板沉淀区（22）分离后从底部排泥口（20）排出，上清液经溢流口（21）进入出水水箱（6）；NH₄ ⁺传感器（28）、NO₃ ^-传感器（29）、NO₂ ^-传感器（30）、TP传感器（31）在线采集出水水箱（6）中的氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和总磷浓度；

7）根据各传感器采集到的信号，通过计算机（33）的运算输出，得到实时控制变量，按照以下四种方案之一进行调整；

A)当NH₄ ⁺浓度≥2mg/L时，加大曝气量为0.5～0.6m³/h；当NH₄ ⁺浓度≤0.5mg/L时，减小曝气量为0.3～0.4m³/h；当NH₄ ⁺浓度≤0.5mg/L且出水亚硝积累率NO₂ ^-/NO_x ^-≤30%时，减小曝气量为0.1～0.2m³/h；

B)当TP浓度≥1mg/L，加大硝化液回流比为300%～400%；当TP浓度≤0.2mg/L，减小硝化液回流比为100%～200%；

C)当NO₃ ^-+NO₂ ^-浓度≥14mg/L时，加大硝化液回流比为300%～400%；当NO₃ ^-+NO₂ ^-浓度≤6mg/L时，减小硝化液回流比为100%～200%；

D)当NO₃ ^-+NO₂ ^-浓度≥14mg/L且TP浓度≥1mg/L时，在加大硝化液回流比为300%～400%的同时需投加碳源，调节进水C/N为4～8。