CN103936151B

CN103936151B - 一种低碳源城市污水脱氮除磷的方法

Info

Publication number: CN103936151B
Application number: CN201410144042.2A
Authority: CN
Inventors: 彭永臻; 刘文龙; 苗圆圆; 王淑莹
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2034-04-10
Also published as: CN103936151A

Abstract

一种低碳源城市污水高效脱氮除磷的装置及方法，属于污水处理技术领域。低碳源城市污水递减进水模式进入反应器，在实时控制的条件下进行交替缺好氧运行，充分利用原水中有限的碳源有机物。首段厌氧段主要进行厌氧释磷和有机物的去除，通过实时监测ORP控制厌氧搅拌时间；两段缺氧段充分利用原水中的有机物进行反硝化作用，通过实时监测pH和ORP值控制缺氧搅拌时间；三段好氧段主要进行好氧吸磷和短程硝化作用，通过实时监测DO和pH值控制曝气时间。本发明通过实时控制准确判断硝化作用和反硝化的反应终点，节约了反应时间，缺好氧交替运行稳定实现系统的短程脱氮，提高了反应速率，节约能耗、节省外碳源，高效同步脱氮除磷等优点。

Description

一种低碳源城市污水脱氮除磷的方法

技术领域

本发明涉及一种基于短程硝化反硝化的脉冲式SBR强化低碳源城市污水高效脱氮除磷的装置及工艺，属于污水处理领域。

背景技术

氮、磷元素导致的水体富营养化已经成为一个全球性难题。为解決这个难题，人们制定了越来越严格的污水排放标准，同时人们也在不断改进污水处理工艺。对于市政污水的脱氮除磷而言，生物处理法是最为经济的。然而，污水中的碳源不足使得污水处理厂无法实现高效的脱氮除磷。因此，解决原水碳源的限制性问题成为了一个重要的研究方向。

目前研究的途径主要集中在以下两点：(1)原水碳源利用率的最大化；(2)碳源使用量的最小化。分段进水是最大化利用原水碳源的有效途径，该工艺通过采用原水分流方式和过程控制，不但强化了厌缺氧微生物对于原水碳源的有效利用，而且尽可能地减少了好氧阶段的有机负荷，节约了曝气消耗，进而大大提高了氮磷的去除效果。不过，分段进水工艺的处理效果依旧受原水C/N的限制，当所处理的城市污水的C/N小于5时，不投加外碳源也无法实现出水水质达标。

短程生物脱氮技术是将生物硝化过程控制在氨氧化阶段，而后直接进行反硝化的脱氮途径。相比于全程脱氮，它不但节省了NO₂ ^--N进一步曝气氧化所需的能源，而且也节省了反硝化NO₃ ^--N所需的碳源。对于处理低碳源城市污水而言，短程脱氮的实现可以从减少碳源使用量的角度大大缓解原水碳源的限制性问题。然而，如何实现短程脱氮的稳定和短程脱氮过程中亚硝酸盐积累对微生物代谢的毒害作用是制约短程脱氮工艺得以应用的最大难题。

发明内容

本发明专利的目的在于提出了一套针对低碳氮比城市污水同步脱氮除磷的处理装置及实时控制方法。本发明通过改变传统SBR法的运行方式，采用递减进水缺好氧交替的运行方法，充分利用了原污水中的碳源有机物，并结合实时过程控制合理分配了每一段的硝化、反硝化时间，稳定实现了系统的短程硝化反硝化，并通过设置厌氧段的方式满足了聚磷菌对于生物除磷的要求。

本发明的目的是通过以下解决方案来解决的：低碳源城市污水高效脱氮除磷装置，其特征在于：原水箱(1)通过进水管连接进水泵(2)和进水阀门(3)与SBR反应器(4)连接；SBR反应器(4)还设有出水管、曝气管、溢流管(27)和取样口(25)；出水管上设置出水阀门(26)；曝气管与转子流量计(6)和气泵(5)连接。

在SBR反应器内置搅拌器(8)、黏砂块曝气头(7)、加热棒(9)、溶解氧浓度DO传感器(12)、pH传感器(14)和氧化还原电位ORP传感器(16)；上述传感器经数据线分别与DO测定仪(11)、pH测定仪(13)和ORP测定仪(15)连接后与计算机(17)的数据信号输入接口连接；计算机(17)通过数据信号线(18)与过程控制器(19)连接；过程控制器的进水泵继电器(20)、进水管阀门继电器(21)、气泵继电器(22)、搅拌器继电器(23)和出水管阀门继电器(24)分别与进水泵(2)、进水阀门(3)、气泵(5)、搅拌器(8)和出水阀门(26)连接。

本发明提供的一种低碳源城市污水高效脱氮除磷工艺及过程控制方法，其特征在于：为一种脉冲式SBR运行工艺，采用实时过程控制耦合缺好氧交替的运行方式稳定实现了系统的短程硝化反硝化，并采用三段递减进水方式充分利用了原水中的碳源，高效去除了污水中的有机物和氮磷污染物质，具体工序如下：

Ⅰ进水根据设计进水量确定进水时间，并通过过程控制器控制进水泵和进水阀门的开闭，系统启动后，启动进水泵和进水阀门将待处理污水注入SBR反应器，当达到预先设定的时间后自动关闭进水泵和进水阀门，进水结束；

Ⅱ厌氧搅拌进水结束后，搅拌器自动开启，系统进入厌氧搅拌阶段，由在线ORP传感器实时监控系统中的ORP值，并通过数据采集实时将所获得的ORP值数据信息传输到计算机中，当过程控制得到表征厌氧释磷完成的信号后，进入第Ⅲ道工序；

Ⅲ曝气，启动气泵，空气通过曝气管、转子流量计和黏砂块曝气头扩散到SBR反应器中，系统进入好氧硝化阶段；由在线DO传感器和pH传感器分别监测水中的DO和pH值，采集的DO和pH值信息实时输入到计算机中进行滤波和求导处理，得到过程控制变量，并通过控制策略对得出的实时控制变量进行对比，当满足好氧硝化结束条件时，结束好氧硝化过程，气泵自动关闭，曝气停止；

Ⅳ加原水缺氧搅拌，根据第二段进水量确定进水时间，并通过过程控制器自动开启进水泵和进水管阀门，当达到设定进水时间后自动关闭进水泵和进水管阀门；第二段进水完毕后，系统进入缺氧反硝化阶段，反硝化过程由在线ORP传感器和pH传感器监控，实时将所获得的数据信息传输到计算机进行处理，处理后的数据作为缺氧反硝化的实时控制参数，当过程实时控制其得到表征反硝化完成的信号后，进入第Ⅴ道工序；

Ⅴ曝气，开启气泵对系统进行第二次曝气，重复第Ⅲ道工序中的曝气过程，实时监测系统中的DO和pH值，并通过过程控制器控制曝气过程；

Ⅵ加原水缺氧搅拌，重复第Ⅳ道工序，投加第三批原水，此时反应器已满负荷运行，实时监测系统中的ORP和pH值，并通过过程控制器控制反硝化过程；

Ⅶ曝气，重复第Ⅴ道工序中的曝气过程，进行第三次曝气，实时监测系统中的DO和pH值，并通过过程控制器控制曝气过程；当曝气结束后，同时关闭气泵和搅拌器，系统进入第Ⅷ道工序；

Ⅷ沉淀和排水，根据计算机中设定的沉淀时间控制系统中的时间控制器，直到沉淀完成自动打开出水管阀门，处理后的水经过出水管排出反应器外，达到设定的排水时间后自动关闭出水管阀门；

Ⅸ闲置，排水结束后，根据计算机中设定的闲置时间进行反应器的闲置，通过实时过程控制器控制系统中的时间控制器，当达到预定的闲置时间后系统自动进入下一个周期的第Ⅰ道工序。

进一步地，所述表征第Ⅱ道工序中厌氧释磷完成的条件为ORP稳定在-200mV以下，且超过10min。

进一步地，所述第Ⅲ道工序中好氧硝化结束的条件为：pH的一阶导数由负变正，且曝气时间t>2h时，或DO>2mg/L，且曝气时间t>2h时；所述第Ⅴ和第Ⅶ道工序中好氧硝化结束的条件为：pH的一阶导数绝对值小于0.002min^-1，且曝气时间t>0.5h时，或DO>2mg/L，且曝气时间t>1h时。

进一步地，所述第Ⅳ和第Ⅵ道工序中缺氧反硝化结束的条件为：pH的一阶导数由正变负或ORP的一阶导数由-25～-20mV/min突然变为小于-30mV/min时，且搅拌时间t>0.5h时。

上述工序Ⅰ进水、Ⅳ的进水、Ⅵ的进水，逐次递减。本发明的低碳源城市污水C/N＝2.5～4.5。

本发明由在线DO传感器和pH传感器分别监测水中的DO和pH值，采集的DO和pH值电流信号经变送器输入模拟数字转换器A/D，转换成数字信号，并通过数据采集卡实时将所获得的数据信息输入到计算机中。

本发明的低碳源城市污水高效脱氮除磷工艺与现有技术相比，具有如下优点：

(1)节能降耗效果好。短程硝化反硝化技术理论上可以节约25％的曝气能耗和40％的外加碳源费用，分段进水的运行模式又充分利用了原污水中的有机碳源，使得外投碳源的费用降到最低(本发明无需投加)，同时由于污水中的有机物被作为反硝化碳源，节约了氧化该部分有机物所需的氧气，进一步节约了曝气的能耗；

(2)节省碱度投加(本发明无需投加)，提高硝化速率。交替缺氧反硝化产生的碱度为下一个阶段的硝化过程所利用，避免了硝化过程因碱度不足而反应不彻底的现象，同时反硝化过程中的原水投加，减少了好氧阶段的有机负荷，提高了硝化速率；

(3)自动化水平高，短程实现稳定。基于在线传感器的实时控制策略，可灵活控制生物脱氮除磷过程中的好氧曝气和缺氧搅拌时间，使反应器内硝化产生的亚硝酸盐氮及时还原为氮气，不为硝酸菌提供生长所需的底物，从根本上抑制了硝酸菌的生长。因此，该工艺能稳定的实现短程硝化反硝化；

(4)控制灵活，抗冲击负荷能力强。采用实时控制装置和方法能够根据原水水质、水量的变化实时控制各个生化反应所需的反应时间，保证反应过程的完整和彻底，实现具有智能化的控制；

(5)占地面积小。主体装置采用的是SBR工艺，使有机物和含氮化合物在一个反应池内得到去除，减少了缺氧池和沉淀池等处理构筑物，从而降低了基建投资和整个工艺的占地面积。

本发明可广泛应用于中小城镇城市污水的处理，特别是针对碳源含量较低的城市污水或生活污水。

附图说明

图1为本发明的一种低碳源城市污水高效脱氮除磷工艺的控制装置的结构示意图；

图中：1为原水箱、2为进水泵、3为进水阀门、4为SBR反应器、5为气泵、6为转子流量计、7为黏砂块曝气头、8为搅拌器、9为加热棒、10为温度控制器、11为DO测定仪、12为DO传感器、13为pH测定仪、14为pH传感器、15为ORP测定仪、16为ORP传感器、17为计算机、18为数据线、19为过程控制器、20为进水泵继电器、21为进水管阀门继电器、22为气泵继电器、23为搅拌器继电器、24为出水管阀门继电器、25为取样口、26为出水阀门、27为溢流管；

图2为本发明的一种低碳源城市污水高效脱氮除磷工艺的实时控制流程图；

图3为本发明具体实施方式中脉冲式SBR运行过程中典型的pH、ORP和DO变化规律示意图；

图中：A1、A2、A3表示硝化反应结束终点，B1、B2表示反硝化反应结束终点；

图4为本发明具体实施方式中脉冲式SBR运行过程中典型的污染物质变化规律示意图；

图5为本发明具体实施方式中脉冲式SBR的运行工序示意图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案对本发明做进一步详细的说明。

参照图1所示为一种低碳源城市污水高效脱氮除磷工艺的控制装置的结构示意图，其中，原水箱1通过进水管连接进水泵2和进水阀门3；SBR反应器4连接进水管、出水管、曝气管、溢流管27和取样口25；出水管上设置出水阀门26；曝气管与转子流量计6和气泵5连接。

在SBR反应器内置搅拌器8、黏砂块曝气头7、加热棒9、溶解氧浓度DO传感器12、pH传感器14和氧化还原电位ORP传感器16；上述传感器经数据线分别与DO测定仪11、pH测定仪13和ORP测定仪14连接后与计算机17的数据信号输入接口连接；计算机17通过数据信号线18与过程控制器19连接；过程控制器的进水泵继电器20、进水管阀门继电器21、气泵继电器22、搅拌器继电器23和出水管阀门继电器24分别于进水泵2、进水阀门3、气泵5、搅拌器8和出水阀门26连接。

参照图2所示的一种低碳源城市污水高效脱氮除磷工艺的实时控制流程图，具体包括：

Ⅱ厌氧搅拌进水结束后，搅拌器自动开启，系统进入厌氧搅拌阶段，由在线ORP传感器实时监控系统中的ORP值，并通过数据采集卡实时将所获得的数据信息传输到计算机中，当过程控制得到表征厌氧释磷完成的信号后，进入第Ⅲ道工序；

Ⅲ曝气启动气泵，空气通过曝气管、转子流量计和黏砂块曝气头扩散到SBR反应器中，系统进入好氧硝化阶段；由在线DO传感器和pH传感器分别监测水中的DO和pH值，采集的DO和pH值电流信号经变送器输入模拟数字转换器A/D，转换成数字信号，并通过数据采集卡实时将所获得的数据信息输入到计算机中进行滤波和求导处理，得到过程控制变量，并通过控制策略对得出的实时控制变量进行对比，当满足好氧硝化结束条件时，结束好氧硝化过程，气泵自动关闭，曝气停止，然后系统将读取控制器预先设定的脉冲次数，根据事先设定的脉冲次数是3次，目前仅为第2次进水，没有达到设定的脉冲次数，系统自动进入第Ⅳ道工序；

Ⅳ加原水缺氧搅拌根据第二段进水量确定进水时间，并通过过程控制器自动开启进水泵和进水管阀门，当达到设定进水时间后自动关闭进水泵和进水管阀门；第二段进水完毕后，系统进入缺氧反硝化阶段，反硝化过程有在线ORP传感器和pH传感器监控，并通过数据采集卡实时将所获得的数据信息传输到计算机进行处理，处理后的数据作为缺氧反硝化的实时控制参数，当过程实时控制其得到表征反硝化完成的信号后，系统返回第Ⅲ道工序。重复投加原污水进行反硝化和后曝气的过程，直至脉冲次数达到3次，进入第Ⅴ道工序；

Ⅴ沉淀和排水根据计算机中设定的沉淀时间控制系统中的时间控制器，直到沉淀完成自动打开出水管阀门，处理后的水经过出水管排出反应器外，达到设定的排水时间后自动关闭出水管阀门；

Ⅵ闲置排水结束后，根据计算机中设定的闲置时间进行反应器的闲置，通过实时过程控制器控制系统中的时间控制器，当达到预定的闲置时间后系统自动进入下一个周期的第Ⅰ道工序。

下面结合具体的实例对本发明中所述的方案作进一步介绍：

以某大学家属区排放的实际生活污水作为实验对象(COD＝106.11～202.54mg/L，TN＝55.38～73.99mg/L)，所采用的SBR反应器有效容积为10L，运行工序如图5所示，采用递减进水模式，进水量分配比为Q1:Q2:Q3＝5:3:2，总进水量为Q_总＝5L，根据进水量设定进水时间分别为5min，3min和2min，沉淀时间为30min，排水时间为5min，闲置时间为1h，厌氧搅拌时间通过在线ORP传感器实时监测，待过程控制器得到表征厌氧释磷结束点的信号后，开启曝气；曝气时间通过在线pH传感器和DO传感器实时监测，待过程控制其得到表征好氧硝化结束的信号后，自动停止曝气；缺氧搅拌时间通过在线pH传感器和ORP传感器实时监测，待过程控制器得到表征缺氧反硝化结束的信号后，开启曝气阶段。

具体的，脉冲式SBR运行过程中典型的pH、ORP和DO变化规律示意图和污染物质变化规律示意图分别见图3和图4所示。进水完毕后反应器内的污泥浓度为3.5～4.0g/L，曝气量恒定在60L/h，污泥龄维持在20d左右，反应器内部温度为28±1℃。反应结束后，平均出水COD浓度为35.32mg/L，平均COD去除率为86.0％，平均出水磷酸盐浓度为0.11mg/L，平均磷酸盐去除率为99.2％，平均出水氨氮浓度为1.2mg/L，平均氨氮去除率为98.2％，平均出水总氮浓度为7.84mg/L，平均总氮去除率为86.5％，亚硝酸盐积累率维持在99.2％以上。

Claims

1.一种低碳源城市污水脱氮除磷的方法，其特征在于，为一种脉冲式SBR运行工艺，采用实时过程控制耦合缺好氧交替的运行方式稳定实现了系统的短程硝化反硝化，并采用三段递减进水方式充分利用了原水中的碳源，去除了污水中的有机物和氮磷污染物质，具体包括如下：

Ⅰ进水，根据设计进水量确定进水时间，并通过过程控制器控制进水泵和进水阀门的开闭，系统启动后，启动进水泵和进水阀门将待处理污水注入SBR反应器，当达到预先设定的时间后自动关闭进水泵和进水阀门，进水结束；

Ⅱ厌氧搅拌，进水结束后，搅拌器自动开启，系统进入厌氧搅拌阶段，由在线ORP传感器实时监控系统中的ORP值，并通过数据采集实时将所获得的ORP值数据信息传输到计算机中，当过程控制得到表征厌氧释磷完成的信号后，进入第Ⅲ道工序；

Ⅸ闲置，排水结束后，根据计算机中设定的闲置时间进行反应器的闲置，通过实时过程控制器控制系统中的时间控制器，当达到预定的闲置时间后系统自动进入下一个周期的第Ⅰ道工序；

其中所述低碳源城市污水脱氮除磷方法采用的装置为：原水箱(1)通过进水管连接进水泵(2)和进水阀门(3)与SBR反应器(4)连接；SBR反应器(4)还设有出水管、曝气管、溢流管(27)和取样口(25)；出水管上设置出水阀门(26)；曝气管与转子流量计(6)和气泵(5)连接；在SBR反应器内置搅拌器(8)、黏砂块曝气头(7)、加热棒(9)、溶解氧浓度DO传感器(12)、pH传感器(14)和氧化还原电位ORP传感器(16)；溶解氧浓度DO传感器(12)、pH传感器(14)和氧化还原电位ORP传感器(16)经数据线分别与DO测定仪(11)、pH测定仪(13)和ORP测定仪(15)连接后与计算机(17)的数据信号输入接口连接；计算机(17)通过数据信号线(18)与过程控制器(19)连接；过程控制器的进水泵继电器(20)、进水管阀门继电器(21)、气泵继电器(22)、搅拌器继电器(23)和出水管阀门继电器(24)分别与进水泵(2)、进水阀门(3)、气泵(5)、搅拌器(8)和出水阀门(26)连接。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，第Ⅱ道工序中厌氧释磷完成的条件为ORP稳定在-200mV以下，且超过10min。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于，第Ⅲ道工序中好氧硝化结束的条件为：pH的一阶导数由负变正，且曝气时间t>2h时；或DO>2mg/L，且曝气时间t>2h时。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于，第Ⅴ和第Ⅶ道工序中好氧硝化结束的条件为：pH的一阶导数绝对值小于0.002min^-1，且曝气时间t>0.5h时；或DO>2mg/L，且曝气时间t>1h时。

5.按照权利要求1的方法，其特征在于，第Ⅳ和第Ⅵ道工序中缺氧反硝化结束的条件为：pH的一阶导数由正变负或ORP的一阶导数由-25～-20mV/min突然变为小于-30mV/min时，且搅拌时间t>0.5h时。

6.按照权利要求1的方法，其特征在于，上述工序Ⅰ进水、Ⅳ的进水、Ⅵ的进水，逐次递减。