CN103880183B

CN103880183B - 一种短程硝化耦合反硝化除磷的a2/o-生物接触氧化装置的实时控制及方法

Info

Publication number: CN103880183B
Application number: CN201410117536.1A
Authority: CN
Inventors: 彭永臻; 张淼; 王聪; 王淑莹; 薛晓飞; 庞洪涛
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2034-03-27
Also published as: CN103880183A

Abstract

本发明公开了一种短程硝化耦合反硝化除磷的A²/O-生物接触氧化装置的实时控制系统及方法，该系统由原水水箱、A²/O反应器、中间沉淀池、生物接触氧化池、沉淀区、出水水箱、实时控制箱以及计算机组成。方法为：温度传感器和DO传感器在线采集生物接触氧化池各格室中的温度和溶解氧浓度，通过计算机输出，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，通过计算机输出，可实现对溶解氧、曝气量以及硝化液回流比的调整。本发明通过在线实时控制设备，优化系统运行，提高装置的实用性和可控性，为实际工程的精细管理和高效运行提供参考。

Description

一种短程硝化耦合反硝化除磷的A2/O-生物接触氧化装置的实时控制及方法

技术领域

本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种短程硝化与反硝化除磷技术耦合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

由于氮、磷污染物的过量排放而引发的水体富营养化问题日益受到人们的重视，近年来开发了很多脱氮除磷的新技术，其中以短程硝化反硝化技术最备受关注，它将硝化过程控制在产亚硝态氮阶段，并以亚硝态氮为电子受体进行反硝化，与传统的全程硝化反硝化技术相比，该技术不仅可以节省25%的供氧量和45%的反硝化所需之碳源(以甲醇计)，而且还缩短了反应时间，减少了剩余污泥排放量。而短程硝化产生的NO₂ ^--N也可以作为反硝化聚磷菌的电子受体，与传统的脱氮除磷工艺相比，可节省50%的COD耗量、降低约30%的曝气能耗和50%的污泥产量，被视为是一种可持续的处理工艺。以上这些研究成果为低C/N污水的高效脱氮除磷工艺开发提供了基础。

如何将硝化控制在产亚硝态氮阶段是该技术的关键。目前可行的方法有：通过控制温度或溶解氧，使其适宜亚硝酸菌生长而抑制硝酸菌的生长；通过选择性因子，如利用游离氨对硝酸菌的抑制作用，将硝化控制在产亚硝酸氮阶段；控制污泥龄以及利用纯种分离富集、培养亚硝酸菌并使之固定等等。而实时控制系统由于具有实时性，即在一定的有效时间内对所发生的事件及时处理，近年来在污水生物处理中已有较多典型的成功的应用。通过在线传感器与PLC(可编程逻辑控制器)应用于污水处理工艺中，来确定工艺参数、优化运行方案、预测运行中可能出现的问题及采取的防止措施，使得工艺运行由经验判断走向定量分析。

发明内容

本发明针对当前污水处理中进水C/N低，脱氮除磷效率不高，能耗大等问题，将两种新型脱氮除磷技术耦合，同时引入实时控制系统，提高装置的实用性和可控性，为实际工程的精细管理和高效运行提供参考。

一种短程硝化耦合反硝化除磷的A²/O-生物接触氧化装置，其特征在于：包括原水水箱1、A²/O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、在线控制箱7和计算机8。所述原水水箱1设有加热器32；所述A²/O反应器2包括厌氧区11、缺氧区12和好氧区13；所述A²/O反应器2与生物接触氧化池4连接处为密封隔板，使两者彼此隔离；所述A²/O反应器2好氧区13的出水进入中间沉淀池3，中间沉淀池3经中间进水泵16连接生物接触氧化池4；所述生物接触氧化池4分为三个格室，分别记为第一格室4.1、第二格室4.2、第三格室4.3，内设填料21；所述沉淀区5设有溢流口22和排泥口23；所述A²/O反应器2的好氧区13和生物接触氧化池4均设有曝气盘26，分别通过第一流量计26.1、第二流量计26.2、第三流量计26.3、第四流量计26.4控制曝气量；所述A²/O反应器2的厌氧区11底部设有进水口和污泥回流口，首格缺氧区12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、温度传感器19、DO传感器20、加热控制器33和计算机8；根据各传感器采集到的信号，通过计算机8输出，在线监测出水水箱6中的NH₄ ⁺、NO₃ ^-、NO₂ ^-、TP浓度以及生物接触氧化池4各格室内的温度和DO浓度。

利用A²/O-生物接触氧化装置进行脱氮除磷和实时控制的方法，主要包括以下步骤：

1）原水经进水泵9进入A²/O反应器2的厌氧区11，同步进入的还有来自中间沉淀池3经污泥回流泵17送来的回流污泥，污泥回流比100%～200%，平均污泥浓度6000～10000mg/L，通过搅拌装置10充分混合反应；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12，同时进入的还有经生物接触氧化池4实现短程硝化并完成固液分离的硝化液，硝化液回流比100%～400%；DPAOs以亚硝酸盐（部分硝酸盐）为最终电子受体,以PHA为电子供体，以“一碳两用”的方式同步反硝化除磷。

3）混合液经缺氧区12进入好氧区13，水力停留时间为1.0～1.5h，溶解氧DO在2.5～4.0mg/L。主要作用是进一步吸磷，同时吹脱反硝化过程产生的N₂，便于后续的泥水分离。

4）混合液在中间沉淀池3进行泥水分离，沉淀时间1.5～2.5h，含有氨氮的上清液进入生物接触氧化池4，沉淀污泥经污泥回流泵17回流到A²/O反应器2的厌氧区11。

5）生物接触氧化池4分三格，内设填料21，材质为碳纤维，比表面积1500～2000m²/m³，填充率20～30%，孔隙率大于99%；水力负荷1.67～2.92m³/（m²·d），溶解氧0.5～3.0mg/L，总气量0.1～0.4m³/h。温度传感器19和DO传感器20在线采集生物接触氧化池4各格室中的温度和溶解氧浓度，改变中间进水泵16的进水格室调节硝化时间，控制氨氮的氧化在亚硝酸盐氮阶段。

6）经上述处理后进入沉淀区5，脱落的生物膜分离后从底部排泥口23排出，上清液经溢流口22进入出水水箱6；一部分出水经硝化液回流泵27进入A²/O反应器2的缺氧区12，另一部分直接排放。

7）出水水箱中设有四个在线监测设备，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8输出的出水浓度并结合加热控制器33、温度传感器19和DO传感器20，便于及时的调整工况，为系统的优化运行提供参考。

本发明的一种短程硝化耦合反硝化除磷的A²/O-生物接触氧化装置的实时控制与方法跟现有技术相比，具有下列优点：

1）解决了长短泥龄的竞争性矛盾，使得微生物在最佳环境中生长，脱氮除磷效果稳定。

2）短程硝化与反硝化除磷的耦合，解决了低C/N污水处理过程中碳源缺乏的技术性难题，最大限度的节省碳源和曝气量。

3）生物接触氧化池生物量多、硝化效率高、无需反冲洗、无污泥膨胀问题。

4）传感器在线监测硝化进程以及出水水质，便于实时调整运行参数，节能降耗，优化系统运行效果。

5）在线实时控制，提高装置的实用性和可控性，灵活性高，维护管理方便。

6）工艺流程简单，操作易行，为实际工程的精细管理和高效运行提供参考。

附图说明

图1为A²/O-生物接触氧化强化脱氮除磷装置结构示意图。

图中：1-原水水箱；2-A²/O反应器；3-中间沉淀池；4-生物接触氧化池（4.1-第一格室、4.2-第二格室、4.3-第三格室）；5-沉淀区；6-出水水箱；7-实时控制箱；8-计算机；9-进水泵；10-搅拌装置；11-厌氧区；12-缺氧区；13-好氧区；14-中心管；15-反射板；16-中间进水泵；17-污泥回流泵；18-剩余污泥排放口；19-温度传感器；20-DO传感器；21-填料；22-溢流口；23-排泥口；24-鼓风机；25-曝气干管；26-曝气盘（26.1-第一流量计、26.2-第二流量计、26.3-第三流量计、26.4-第四流量计）；27-硝化液回流泵；28-NH₄ ⁺传感器；29-NO₃ ^-传感器；30-NO₂ ^-传感器；31-TP传感器；32-加热器；33-加热控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的说明：

如图1所示，A²/O-生物接触氧化强化脱氮除磷装置，该系统主要由原水水箱1、A²/O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、在线控制箱7和计算机8组成。反应器主体均由有机玻璃制成，采用上下交错设置过水孔的隔板将A²/O反应器2分为五个格室，其中厌氧区11、缺氧区12和好氧区13的容积比是1:3:1，总容积为40L。厌氧区11和缺氧区12均安装搅拌装置10；好氧区13停留时间较短为1.0～1.5h，溶解氧2.5～4.0mg/L，出水连接中间沉淀池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18，漏斗锥体与水平夹角为60°，沉淀污泥经污泥回流泵17与A²/O反应器2的厌氧区11连通。

生物接触氧化池4共三格，有效容积24L，内设填料21，均匀分布在塑料圆片上，固定于反应器中，比表面积1500～2000m²/m³，填充率20～30%，孔隙率大于99%；水力负荷1.67～2.92m³/（m²·d），溶解氧0.5～3.0mg/L，总气量0.1～0.4m³/h。底部设有曝气盘26，管道上均匀安装曝气头，鼓风机24通过流量计26.1-26.4对曝气量进行控制。温度传感器19和DO传感器20在线采集生物接触氧化池4各格室中的温度和溶解氧浓度，控制氨氮的氧化在亚硝酸盐氮阶段。

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，上部分设有溢流口22，下部分脱落的生物膜从底部排泥口23排出。一部分出水经硝化液回流泵27进入AAO反应器2的缺氧区12，为反硝化除磷提供充足的电子受体，另一部分直接排放。

出水水箱6中设有四个在线控制设备，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8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参数，提高系统的可控性和灵活性。

具体实施方式1

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8的输出，得到实时控制变量。当NH₄ ⁺浓度≥5mg/L时，加大曝气量为0.3～0.4m³/h；当NH₄ ⁺浓度≤0.5mg/L时，减小曝气量为0.1～0.2m³/h。

具体实施方式2

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8的输出，得到实时控制变量。当NH₄ ⁺浓度≥5mg/L时，加大曝气量为0.3～0.4m³/h；当NH₄ ⁺浓度≤0.5mg/L时，减小曝气量为0.1～0.2m³/h。温度传感器19和DO传感器20在线采集生物接触氧化池4各格室中的温度和溶解氧浓度，通过计算机8的输出，得到实时控制变量。当出水亚硝积累率NO₂ ^-/NO_x ^-≤50%时，降低溶解氧为0.5～1.5mg/L，同时开启加热控制器33，控制反应器温度在25～35℃。当出水亚硝积累率NO₂ ^-/NO_x ^-≤30%时，在上述基础上，将中间进水泵16的进水口改为第二格室4.2，同时关闭第二流量计26.2，缩短硝化时间。

具体实施方式3

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8的输出，得到实时控制变量。当NH₄ ⁺浓度≥5mg/L时，加大曝气量为0.3～0.4m³/h；当NH₄ ⁺浓度≤0.5mg/L时，减小曝气量为0.1～0.2m³/h。NO₃ ^-传感器29、NO₂ ^-传感器30和TP传感器31在线采集出水水箱6中的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和总磷浓度，通过计算机8的运算输出，得到实时控制变量。当NO₃ ^-+NO₂ ^-浓度≥14mg/L或TP浓度≥1mg/L时，加大硝化液回流比为300%～400%；当NO₃ ^-+NO₂ ^-浓度≤6mg/L或TP浓度≤0.2mg/L时，减小硝化液回流比为100%～200%。

由于连续流中短程硝化很不稳定，目前尚未找到行之有效的控制策略。利用该装置，在上述3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，可基本达到80%以上的亚硝积累率，在最大程度节省碳源和曝气量的同时，可实现低C/N污水强化脱氮除磷的目的。

Claims

1.一种短程硝化耦合反硝化除磷的A²/O-生物接触氧化装置的实时控制方法，应用以下系统：

该系统包括原水水箱(1)、A²/O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)、在线控制箱(7)和计算机(8)；所述原水水箱(1)设有加热器(32)；所述A²/O反应器(2)包括厌氧区(11)、缺氧区(12)和好氧区(13)；所述A²/O反应器(2)与生物接触氧化池(4)连接处为密封隔板，使两者彼此隔离；所述A²/O反应器(2)好氧区(13)的出水进入中间沉淀池(3)，中间沉淀池(3)经中间进水泵(16)连接生物接触氧化池(4)；所述生物接触氧化池(4)分为三个格室，分别记为第一格室(4.1)、第二格室(4.2)、第三格室(4.3)，内设填料(21)；所述A²/O反应器(2)的好氧区(13)和生物接触氧化池(4)均设有曝气盘(26)，分别通过第一流量计(26.1)、第二流量计(26.2)、第三流量计(26.3)、第四流量计(26.4)控制曝气量；所述沉淀区(5)设有溢流口(22)和排泥口(23)；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)、温度传感器(19)、DO传感器(20)、加热控制器(33)和计算机(8)；根据各传感器采集到的信号，通过计算机(8)输出，在线监测出水水箱(6)中的NH₄ ⁺、NO₃ ^-、NO₂ ^-、TP浓度以及生物接触氧化池(4)各格室内的温度和DO浓度；

其特征在于包括以下步骤：

1)原水经进水泵(9)与来自中间沉淀池(3)经污泥回流泵(17)送来的回流污泥一起进入A²/O反应器(2)的厌氧区(11)，污泥回流比100％～200％，污泥浓度6000～10000mg/L，通过搅拌装置(10)充分混合反应；

2)混合液随后进入缺氧区(12)，同时进入的还有经生物接触氧化池(4)进行短程硝化并在沉淀区(5)完成固液分离的硝化液，硝化液回流比100％～400％；

3)混合液经缺氧区(12)进入好氧区(13)，水力停留时间为1.0～1.5h，溶解氧DO为2.5～4.0mg/L；

4)混合液在中间沉淀池(3)进行泥水分离，沉淀时间1.5～2.5h，含有氨氮的上清液进入生物接触氧化池(4)，而沉淀污泥经污泥回流泵(17)回流到AAO反应器(2)的厌氧区(11)，排泥从剩余污泥排放口(18)排出；

5)生物接触氧化池(4)内设填料(21)，比表面积1500～2000m²/m³，填充率20～30％，孔隙率大于99％；水力负荷1.67～2.92m³/(m²·d)，溶解氧0.5～3.0mg/L；温度传感器(19)和DO传感器(20)在线采集生物接触氧化池(4)各格室中的温度和溶解氧浓度；

6)经上述处理后进入沉淀区(5)，上清液经溢流口(22)进入出水水箱(6)，脱落的生物膜从底部排泥口(23)排出；NH₄ ⁺传感器(28)、NO₃ ^-传感器(29)、NO₂ ^-传感器(30)和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)通过计算机(8)的输出，得到实时控制变量，并按照以下三种方案之一进行调整；

A)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(8)的输出，得到实时控制变量；当NH₄ ⁺浓度≥5mg/L时，加大曝气量为0.3～0.4m³/h；当NH₄ ⁺浓度≤0.5mg/L时，减小曝气量为0.1～0.2m³/h；

B)温度传感器(19)和DO传感器(20)在线采集生物接触氧化池(4)各格室中的温度和溶解氧浓度，通过计算机(8)的输出，得到实时控制变量；当出水亚硝积累率NO₂ ^-/NO_x ^-≤50％时，降低溶解氧至0.5～1.5mg/L，同时开启加热控制器(33)，控制反应器温度在25～35℃；当出水亚硝积累率NO₂ ^-/NO_x ^-≤30％时，在上述基础上，将中间进水泵(16)的进水口改为第二格室(4.2)，同时关闭第二流量计(26.2)，缩短硝化时间；

C)NO₃ ^-传感器(29)、NO₂ ^-传感器(30)和TP传感器(31)在线采集出水水箱(6)中的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和总磷浓度，通过计算机(8)的运算输出，得到实时控制变量；当NO₃ ^-+NO₂ ^-浓度≥14mg/L或TP浓度≥1mg/L时，加大硝化液回流比为300％～400％；当NO₃ ^-+NO₂ ^-浓度≤6mg/L或TP浓度≤0.2mg/L时，减小硝化液回流比为100％～200％。