CN107032497B - 提前停止硝化进程的sbr深度脱氮在线控制方法 - Google Patents

Abstract

提前停止硝化进程的SBR深度脱氮在线控制方法属于污水处理技术领域，适用于城市污水及碱度充足的含氮工业废水深度脱氮处理。本发明以DO为控制参数，以pH为辅助控制参数，实时提前停止SBR脱氮工艺的曝气硝化反应进程，然后投加适量外碳源搅拌运行，由pH、ORP参数在线控制反硝化过程。提前停止SBR硝化反应进程的目的是使系统中剩余有适量的氨氮以促进反硝化进程，同时使这部分氨氮不经好氧硝化段被部分去除而不影响出水水质。本发明可使SBR法反硝化脱氮效率明显提高，使反硝搅拌过程的动力消耗明显减少；可有效缩短硝化反应时间，并将硝化基本控制在零级反应阶段，可使硝化过程对碱度的消耗及反硝化过程对碳源需求也相应减少。

Description

提前停止硝化进程的SBR深度脱氮在线控制方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种提前停止硝化进程的SBR深度脱氮在线控制方法。

背景技术

近年来水体富营养化问题引起人们普遍关注，氮是引起水体富营养化的主要因素之一。如何提高现行工艺脱氮效率，研究开发经济高效的脱氮新方法与新技术，是亟待解决的重要课题，同时这也是污废水深度处理研究的核心问题之一。

SBR工艺，由于其运行方式灵活，可以容易地根据需要实现好氧、缺氧及厌氧状态交替的环境条件，已成为理想的除磷脱氮工艺。该工艺同时还具有简单、经济，处理能力强，耐负荷冲击，占地面积小和不易发生污泥膨胀等优点。但该工艺运行管理复杂，而且其传统的时间程序控制方式，很难根据进水水质的实际变化情况及时调整运行参数，实现自适应的自动控制。寻求能够实时反应系统运行状况的过程控制参数，是实现SBR工艺系统稳定、经济、高效运行的关键。

基于生物脱氮的硝化过程与溶解氧(DO)、pH和氧化还原电位(ORP)具有良好的相关性，反硝化过程与pH和ORP也具有良好相关性的原理，近年来，国内外学者对SBR法在硝化与反硝化过程中DO、pH和ORP的变化规律进行了广泛和深入的研究。一致认为，可以DO、pH和ORP作为SBR法脱氮过程的在线控制参数，并以这些参数实现了在硝化反应结束(NH₄ ⁺-N≈0mg/L)和反硝化反应结束(NO_x ^--N≈0mg/L)时，实时停止好氧曝气与缺氧搅拌的脱氮在线控制。

但本课题组最近研究发现，在反硝化系统中如果存在有氨氮成分(氨氮量应大于被还原降解硝态氮量的9％)，会明显增强反硝化菌的活性，进而明显提高反硝化速率，并且在反硝化降解硝态氮的过程中，还能同时降解占被还原降解的硝态氮量8％以上(均值)的氨氮成分。

这一现象表明，以DO、pH和ORP为参数实时控制使系统中NH₄ ⁺-N≈0mg/L时结束硝化过程控的制方法还有优化的空间。因为应用该控制方法：

①在反硝化过程中，系统中的NH₄ ⁺-N≈0mg/L，得不到氨氮对反硝化过程的促进作用；

②将系统中的氨氮浓度氧化至零才结束好氧过程，无疑要增加好氧动力的消耗，且根据Monod方程【q_N＝q_Nmax·S_N/(K_N+S_N】可知，当氨氮浓度S_N较高时，S_N/(K_N+S_N)≈1，硝化速率q_N≈q_Nmax，而当S_N被氧化至较低时，由于S_N/(K_N+S_N)<1，q_N将会随着S_N的降低而变得越来越低，这对节能是不利的。

基于上述氨氮对反硝化进程具有明显促进作用的发现，为了优化上述硝化过程的在线控制方法，需要解决的技术问题是，在不影响出水水质的条件下，实时提前停止硝化进程。这样既可以利用剩余的适量氨氮来促进反硝化进程，同时也有效地缩短了硝化反应时间，进而实现增效、节能和降耗的效果。

发明内容

本发明提供一种以DO为控制参数，以pH为辅助控制参数，在不影响出水水质的条件下，实时提前停止SBR脱氮工艺的硝化反应进程，使系统中剩余有适量氨氮来促进反硝化过程，同时结合pH和ORP参数在线控制其反硝化搅拌进程的SBR深度脱氮在线控制方法。

本发明基于氨氮对常规的生物反硝化过程具有明显促进作用的发现，并结合DO、pH和ORP参数与生物脱氮过程具有明显相关性的原理，通过进一步深入研究开发而成。该方法可使SBR法反硝化脱氮的效率明显提高，使反硝搅拌过程的动力消耗明显减少，同时也可使硝化过程的好氧动力消耗和硝化过程对碱度的消耗及反硝化过程对碳源需求相应减少。

本发明要求SBR反应器及其控制装置具有以下特征

SBR反应器连接有进水管、碳源投加管、曝气管、出水管和排泥管；SBR反应器由进水泵经进水阀、进水管供水，由碳源投加泵经碳源投加阀、碳源投加管投加碳源，由鼓风机经曝气进气阀、曝气管进行曝气；在SBR反应器出水管和排泥管上也设置相应的排水阀和排泥阀。

在SBR反应器中设置有搅拌器、液位传感器、pH传感器、DO传感器和ORP传感器；液位传感器和pH、DO、ORP传感器的检测信号分别经采样、转换和处理后与控制器相连，根据预先设定的系统运行控制策略，通过过程控制器中的继电器对系统的运行过程实施在线控制。

反应过程的控制参数有：SBR反应器充满水时的液位H、反应器的充水时间t₁、好氧过程中DO和pH信号的采样间隔t₂、好氧硝化临近结束前DO连续递增的时间τ及DO对时间平均变化率K_DOi的临界值K_DOk、反硝化段碳源的投加时间t₃、搅拌过程中pH和ORP信号的采样间隔t₄、反硝化结束时ORP对时间平均变化率K_ORPi突然减小时的临界值K_ORPk、短时曝气时间t₅、沉淀时间t₆、排水时间t₇、排泥时间t₈、闲置时间t₉等。

反应过程的每一道工序，包括各种泵和阀门的启闭，曝气和搅拌系统的启闭，充水、投加碳源、排水、排泥、闲置等过程，均可根据控制策略由控制系统实时在线控制完成。

本发明的技术方案

在设定了系统运行控制参数的条件下，本发明提供的SBR反应器一个周期运行的基本技术工序如下：

(1)充水启动进水泵，同时打开进水阀，将待处理的原水充入SBR反应器，当达到预定的充水水量(由设定的充水时间t₁并结合液位H参数控制)时，由控制系统实时自动关闭进水阀和进水水泵。

(2)好氧曝气运行反应器进水后，由控制系统自动开启鼓风机和进气阀，对反应器曝气运行，去除水中的有机物，并将水中氨氮氧化为硝态氮。

在曝气过程中，实时在线监测pH和DO信号。当进水中有较多的有机物存在时，曝气初期以降解有机物为主，监测的pH历时曲线呈上升状态。当监测到的pH值转为稳定下降状态后，说明脱氮的硝化反应已开始正常发生，此时DO历时曲线形状也进入近似为平台状态，或呈缓慢上升的状态(见图2)。随着硝化反应的进行，当氨氮含量减小到成为硝化过程的限制因素时，DO历时曲线开始上扬，并且随着时间的延续，DO历时曲线上扬速度加快，直至硝化反应结束(见图2)。据此并结合试验结果，制定好氧曝气运行的控制策略如下：

开始曝气后，在线监测的pH和DO信号的采样间隔t₂取60s。为消除干扰，对所采集的pH_i和DO_i值进行4值实时滑动滤波处理(即计算4个值滑动的平均值)，并实时计算相邻两个滑动滤波值pH_Lbi-1、pH_Lbi与DO_Lbi-1、DO_Lbi对时间的平均变化率K_pHi＝(pH_Lbi-pH_Lbi-1)/(t_i-t_i-1)和K_DOi＝(DO_Lbi-DO_Lbi-1)/(t_i-t_i-1)值。在曝气过程中，当监测到K_pHi值连续4min以上均<0后，在注意监测DO_Lbi和K_DOi值变化情况的同时，开始实时将K_DOi值与设定的临界值K_DOk(取0.012～0.013mg/L·min)进行比较。当监测到DO_Lbi值在连续的时间τ(取3～5min)内均呈递增状态，且至少最后一个K_DOi≥K_DOk(见图2中的C点)，同时满足曝气时间大于30min时，由控制系统实时关闭鼓风机和进气阀，提前停止曝气硝化运行。

试验结果表明，此时系统中还剩余有约占进水总氮9％～12％的氨氮成分未被氧化，此氨氮量可以满足对后续反硝化的促进作用。

(3)投加碳源搅拌运行好氧过程结束后，由控制系统实时开启碳源投加阀门和碳源投加泵投加碳源(甲醇等)，并启动搅拌设备。当达到碳源投放量(由设定的投放时间t₃控制)时，由控制系统实时关闭碳源投加泵和碳源投加阀。

碳源的投放量，可根据硝化结束时混合液中硝态氮含量的变化，由人工实时进行调整，使其恰好满足反硝化的需求(4.0<BOD₅/硝态氮<4.2)。

在搅拌过程中，反硝化菌利用外加的碳源为电子供体，反硝化脱除好氧阶段产生硝态氮，并利用系统中剩余的氨氮促进反硝化进程，同时也将该氨氮成分在反硝化过程中被部分去除。

在搅拌过程中，实时在线监测pH和ORP信号。当系统稳定后，监测到的ORP历时曲线先呈快速下降状态，然后下降速度逐渐减缓并过渡到接近等速下降状态，pH历时曲线则呈稳定上升状态(见图1)。随着搅拌时间的推移，当监测到pH历时曲线由上升转为下降(见图1中A点)，并且几乎同时(有时会略提前或滞后1～2分钟)，ORP历时曲线则由接近等速下降状态，突然转为快速下降而形成“膝点”(见图1中B点)时，表明脱氮的反硝化反应已停止。据此并结合试验结果，制定缺氧搅拌运行的控制策略如下：

在线监测的pH和ORP信号的采样间隔t₄取60s。同样为了消除干扰，开始搅拌后，对所采集的pH_i和ORP_i值进行4值实时滑动滤波处理(即计算4个值滑动的平均值)，并实时计算相邻两个滑动滤波值pH_Lbi-1、pH_Lbi与ORP_Lbi-1、ORP_Lbi对时间的平均变化率K_pHi＝(pH_Lbi-pH_Lbi-1)/(t_i-t_i-1)和K_ORPi＝(ORP_Lbi-ORP_Lbi-1)/(t_i-t_i-1)值。在搅拌过程中，当监测到K_pHi值连续3分钟以上均>0后，在注意监测K_pHi和K_ORPi值变化的同时，开始实时将K_ORPi值与设定的临界值K_ORPk(取-1.2～-1.4mV/min)进行比较。当监测到K_pHi值由正变负，同时在此特征点附近(提前或滞后2min内)，监测到K_ORPi<K_ORPi-1，并且K_ORPi≤K_ORPk时，由控制系统实时停止搅拌运行。

(4)短时曝气运行缺氧搅拌停止后，再次由控制系统实时开启鼓风机和进气阀对反应器进行短时间鼓风曝气(曝气时间t₅取7～20min)，主要目的是吹脱附着在污泥颗粒上的氮气和进一步氧化可能剩余的有机物及部分氨氮成分。当达到设定的曝气时间t₅时，由控制系统实时关闭鼓风机和进气阀，停止曝气运行。

(5)沉淀停止曝气运行后，使反应器中的混合液处于沉淀状态，实现泥水分离。

(6)排水和排泥待达到设定的沉淀时间t₆(取40～70min)时，系统实时开启排水管道上的排水阀，将处理后的上清液排出反应器；根据设定的排泥方案，系统实时开启排泥管道上的排泥阀排泥。当达到设定的排水时间t₇(取60～90min)和排泥时间t₈(取5～25min)时，系统实时关闭排水阀和排泥阀。

(7)闲置反应器处于停止工作的待机状态，当到达预定的闲置时间t₉(取10～50min)时，即完成SBR工艺一个周期的运行工序。这时，系统自动转入下一周期的循环运行。

说明：由于生物脱氮过程要消耗碱度，当被处理的污水中碱度不足时，在硝化反应过程中会引起系统pH值过度降低，进而抑制硝化反应过程，并使DO快速上升。因此，本发明适用于被处理污水的碱度应该充足【满足总碱度(以CaCO₃计)/凯氏氮>3.6】，当污水中碱度不足时，应适当补充碱度。

以DO为在线控制参数，实时在线提前停止硝化进程的理论分析

提前停止硝化进程的目的：①使SBR反硝化过程存在有适量的氨氮以促进反硝化过程(“适量的氨氮”是指剩余的氨氮量应大于被还原降解硝态氮量的9％，同时又不会影响出水水质)；②有效地缩短硝化反应的时间，并尽量将硝化过程控制在零级反应阶段(硝化速率q_N≈q_Nmax)。

为实现上述目的，需要解决“在线实时提前停止硝化”和“保证反硝化系统中含有适量氨氮而不影响出水水质”两个关键问题。

◆关于“在线适时提前停止硝化”问题的分析

已有的脱氮理论分析和试验现象都表明，DO与氨氮的氧化过程具有明显的相关性。由Monod方程【q_N＝q_Nmax·S_N/(K_N+S_N)】可知，当氨氮浓度S_N值相对硝化菌的饱和常数K_N很大时，硝化速率(氨氧化速率)q_N与S_N无关，两者之间呈零级反应(q_N≈q_Nmax)。在此期间硝化菌的耗氧速率基本不变，因此在恒定曝气的情况下，与硝化相关的DO历时曲线应该是与时间轴呈近似平行的平台状变化曲线，而不会出现有特殊变化的特征点。随着反应的进程，当S_N被降解到与K_N具有可比性时，氨氮将成为硝化过程的限制因素，使q_N与S_N之间偏离零级反应关系(q_N<q_Nmax)。这时q_N将随着S_N的降低而不断减小，相应的硝化菌耗氧速率也将随之降低，在恒定曝气的情况下，与之相关的DO历时曲线必然上扬。因此，当DO历时曲线开始离开平台时，就是氨氮浓度开始成为硝化过程限制因素的稳定特征点，以此就可以在线实时提前停止SBR的硝化进程，并将硝化过程基本控制在零级反应阶段。试验结果也完全证明了这一结论。

◆关于“保证反硝化系统中含有适量氨氮而不影响出水水质”问题的分析

由于硝化菌的饱和常数K_N值很低(硝酸菌的K_N＝1.2～1.5mg/L，亚硝酸菌的K_N＝0.2～0.4mg/L)，由Monod方程可知，氨氮开始成为硝化过程限制因素的浓度S_N也会较低。试验结果表明，在进水COD低于50mg/L，NH₄ ⁺-N＝25～120mg/L，NO_x ^--N≈0mg/L，其他条件都满足生物脱氮的条件下，当DO参数历时曲线离开平台并开始稳定上扬后不久，系统中将剩余约占进水氨氮9％～12％的氨氮成分未被氧化(见附图2中与C点对应的氨氮浓度值)，而且这一少量的氨氮在反硝化过程中还可以被部分降解，并获得出水总氮为0.5～5mg/L的脱氮效果(进水凯氏氮浓度越低，出水的总氮浓度也相应越低)。因此，以DO为控制参数实时提前停止硝化进程，最终不会影响出水水质。

本发明的有益效果

以模拟含氮污水为处理对象，以甲醇为反硝化外加碳源，在模拟含氮污水的COD低于50mg/L，NH₄ ⁺-N＝25～120mg/L，NO_x ^--N≈0mg/L，其他条件都满足生物脱氮要求的条件下，通过反复对比试验证明，采用本发明提出的“在线控制方法”实时在线控制SBR工艺脱氮运行，可以实现出水中总氮为0.5～5mg/L的脱氮效果。同时，与采用DO、pH和ORP参数实时在线控制SBR工艺深度脱氮运行，在硝化结束(NH₄ ⁺-N≈0mg/L)时，再投加碳源反硝化运行的方法相比较，本发明具有以下增效、节能和降耗的效果。

(1)可以使系统的脱氮能力增强7％以上

因为提前停止硝化进程后，系统中还有约占周期进水总氮9％～12％氨氮成分未被氧化，这部分氨氮成分可以在不需要额外碳源的情况下，在后续降解硝态氮的反硝化过程中被部分去除。被去除的氨氮量平均占被降解硝态氮量的比例超过8％，经折算后该氨氮量超过被降解总氮量的7％。

(2)可使好氧硝化段的动力消耗减少10％以上

◆本发明是在DO历时曲线开始稳定上扬后不久就提前停止硝化进程，在此之前硝化菌的耗氧速率基本恒定，即硝化速率q_N与氨氮浓度S_N无关，两者之间呈零级反应(q_N≈q_Nmax)，这保证了整个硝化阶段都具有最高的硝化速率q_Nmax；

◆提前停止硝化进程后，系统中还剩余有约占进水总氨氮9％～12％(按10％计)氨氮成分未被氧化，这部分氨氮可以在后续降解硝态氮的反硝化过程中被部分去除，既不会影响脱氮的处理结果，也不会增加额外的其他动力消耗。

因此，本发明可使SBR脱氮好氧硝化段的动力消耗减少10％以上。

(3)可以大幅度提高反硝化反应速率和减少反硝化过程的动力能耗

提前停止硝化进程后，反硝化系统中还存在有适量的氨氮成分，试验结果表明，这可使反硝化脱氮速率提高35％以上，使反硝化搅拌动力能耗减少25％以上(因为反硝化脱氮速率与反硝化搅拌的时间成反比，所以在相同的条件下，含有氨氮与不含氨氮两系统反硝化过程搅拌时间比的平均值将<1/1.35＝0.741，这样含有氨氮反硝化系统的搅拌时间就可较不含氨氮的系统平均减少超过(1-0.741)＝25.9％，即反硝化搅拌过程可平均节能25％以上)。

(4)可以使SBR脱氮系统反硝化所需碳源减少10％左右

由于在反硝化过程中所去除的氨氮量(平均占被降解硝态氮量8％以上)不需要有机物为电子供体，经理论分析和对比试验结果可知，当反硝化过程含有适量的氨氮时，反硝化过程脱除同质量氮所需的碳源可平均减少10％左右。

(5)可以使SBR在脱氮过程中减少对碱的消耗

提前停止硝化进程后，系统中还剩余有约占进水总氮9％～12％氨氮成分未被氧化，因此本发明可使SBR脱氮系统在硝化过程中减少耗碱9％～12％。

附图说明

图1为两个相同的SBR反应器一个典型脱氮周期反硝化段的对比试验结果。图中的“系统1”停止曝气后，反硝化过程中含有一定量的氨氮；“系统2”停止硝化后，反硝化过程中无剩余氨氮，两系统均以反硝化过程中pH和ORP历时曲线上的特征点A和B的出现，并结合NO₃ ^--N量的检测结果控制结束反硝化过程。经计算知“系统1”的脱氮速率较“系统2”提高37.6％，“系统1”的搅拌能耗较“系统2”降低27.3％。

图2(a)、(b)、(c)为不同反应温度、不同曝气强度(Q)、不同进水氨氮浓度条件下，SBR反应器在脱氮的硝化过程中，氨氮浓度和DO、pH参数典型周期的历时曲线。

从这三幅图中可以清楚地看到，尽管反应温度(依次为28.8℃、23.4℃、23.6℃)、曝气强度(曝气量Q依次为0.18m³/h、0.2m³/h、0.36m³/h)、进水混合液的氨氮浓度(依次为34.71mg/L，70.82mg/L，83.01mg/L)不同，但在正常的硝化阶段，pH历时曲线都呈稳定下降状态，DO历时曲线形状都基本呈平台形式出现。当氨氮浓度被降解到较低时，DO历时曲线开始离开平台上扬，并在上扬后不久(见图2(a)～(c)中C点)，混合液中剩余的氨氮浓度(依次为3.63mg/L，7.79mg/L，10.09mg/L)分别为进水氨氮浓度的10.46％，11.0％，12,16％，当DO历时曲线的上升斜率达到最大，且pH历时曲线由下降转为上升出现“谷点”(见图2)时，氨氮浓度被降解到接近0mg/L。本发明正是利用了这一规律，提出了提前停止SBR脱氮过硝化进程的控制策略。

图3为本发明的在线控制策略框图。根据该控制策略，可以使SBR脱氮系统在图2中C点实时提前停止硝化进程，利用系统中剩余的适量氨氮促进后续的反硝化过程，实现SBR的深度脱氮在线控制。

具体实施方式

第1步确定系统运行控制参数

根据所掌握的被处理污水的水质特点及运行经验，按照以下步骤确定系统运行的技术参数：

(1)根据SBR反应器的周期充水比例，确定一周期处理的污水总量，以此确定相应的充水时间t₁和反应器充满时的液位H参数；

(2)确定好氧过程中pH和DO信号的采样间隔t₂(取60s)、好氧硝化临近结束前DO连续递增的时间τ(取3～5min)及DO对时间平均变化率K_DOi的临界值K_DOk(0.012～0.013mg/L·min)、反硝化搅拌过程中pH和ORP信号的采样间隔t₄(取60s)、反硝化结束时ORP对时间平均变化率的临界值K_ORPk(取-1.2～-1.4mV/min)和短时曝气时间t₅(取7～20min)；

(3)根据停止硝化时混合液中硝态氮的含量，依据4.0<BOD₅/硝态氮<4.2的条件，确定反硝化开始时碳源液体的投加量，进而确定碳源投加时间t₃；

(4)根据需要确定沉淀时间t₆(取40～70min)；

(5)根据一周期的排水量确定排水时间t₇(取60～90min)；

(6)以SBR反应器每周期反应结束时，混合液的污泥浓度为4500～6000mg/L为依据，确定每周期的排泥量，进而确定排泥时间t₈(取5～25min)；

(7)根据需要确定闲置时间t₉(取10～50min，在保证1天24小时的处理水量和运行周期数的前提下，t₉的取值决定于原水凯氏氮浓度S_oN变化情况，S_oN升高时，系统处理的周期时间就会加长，则周期间的闲置时间t₉就会相应缩短，反之t₉就会延长)；

(8)在控制装置上设定上述过程控制参数H、t₁～t₉、τ及K_DOk、K_ORPk值；

(9)在控制策略的支配下，实现对处理系统的在线控制运行。

第2步SBR反应器一个周期运行的基本技术工序

(1)充水启动进水泵，同时打开进水阀，将待处理的原水充入SBR反应器，当达到预定的充水水量(即达到设定的充水时间t₁和液位H)时，由控制系统实时关闭进水阀和进水水泵。

(2)好氧曝气运行 反应器进水后，由控制系统自动开启鼓风机和进气阀，对反应器曝气运行，去除水中的有机物，并将水中氨氮氧化为硝态氮。在曝气过程中，根据控制策略，当在线监测的DO历时曲线上表征提前停止硝化进程的特征信号出现时，由控制系统实时关闭鼓风机和进气阀，停止曝气运行。

此时系统中还剩余有约占进水总氮9％～12％氨氮成分未被氧化。

(3)投加碳源搅拌运行 停止曝气后，由控制系统实时开启碳源投加阀和碳源投加泵投加碳源(甲醇等)，并启动搅拌设备。当达到碳源投放量(即达到设定的投放时间t₃)时，由控制系统实时关闭碳源投加泵和碳源投加阀。

在搅拌过程中，根据控制策略，当在线监测的pH和ORP历时曲线上表征反硝化结束的特征点出现时，由控制系统实时停止搅拌设备，停止搅拌运行。

(4)短时曝气运行 缺氧搅拌停止后，再次由控制系统实时开启鼓风机和进气阀对反应器进行短时间鼓风曝气，主要目的是吹脱附着在污泥颗粒上的氮气和进一步氧化可能剩余的有机物及部分氨氮成分。当达到设定的后曝气时间t₅时，由控制系统实时关闭鼓风机和进气阀，停止曝气运行。

(5)沉淀 停止短时曝气运行后，使反应器中的混合液处于沉淀状态，实现泥水分离。

(6)排水和排泥 待达到设定沉淀时间t₆时，系统实时开启排水管道上的排水阀，将处理后的上清液排出反应器；根据设定的排泥方案，系统实时开启排泥管道上的排泥阀排泥。当达到设定的排水时间t₇和排泥时间t₈时，系统实时关闭排水阀和排泥阀。

(7)闲置 反应器处于停止工作的待机状态，当到达设定的闲置时间t₉时，即完成SBR工艺一个周期的运行工序。这时，系统自动转入下一周期的循环运行。

本发明可广泛应用于中小城镇污水的深度处理，也可应用于碱度充足的含氮工业废水的深度处理。

应用实例：

采用SBR反应器，以人工合成污水为处理对象进行了脱氮对比试验。人工合成污水中的有机物以可溶性淀粉为主要成分调配，氨氮采用NH₄Cl调配，磷采用KH₂PO₄调配，外加少量的其他营养盐，采用NaHCO₃调节碱度和pH值。试验中，用于对比试验两个SBR反应器的有效容积均为12L，充排水比为0.67，反应过程控制温度约为23～24℃，控制污泥浓度为6000mg/L左右，以甲醇溶液为反硝化碳源，反硝化碳源充足，其他条件相同且均满足生物脱氮要求。

表1是在运行稳定的条件下，一个典型周期的对比试验结果。其中SBR1是按照本发明提出的“提前停止硝化进程的SBR深度脱氮在线控制方法”运行的结果；SBR2是采用DO、pH参数在线控制SBR2硝化反应完成后(NH₄ ⁺-N≈0mg/L)，再投加适量碳源，转入采用pH和ORP参数在线控制反硝化过程的运行试验结果。两个对比周期的进水水质相同，COD为50mg/L左右，NH₄ ⁺-N为54mg/L左右，NO_x ^--N近似为0mg/L，TP为2.0mg/L左右，碱度充足，pH值为7.6左右。

表1采用本发明方法提前停止硝化进程的SBR1脱氮系统与反硝化段无氨氮的SBR2脱氮系统脱氮过程对比试验结果

根据表1的试验结果分析可以得到以下结论：

(1)SBR1提前停止硝化进程后，可带入反硝化段未被氧化的氨氮量为4.01mg/L(占进水氨氮11.07％)，反硝化结束时剩余的氨氮量为1.47mg/L(反硝化进程中降解的氨氮量为2.54mg/L，占被还原降解的硝酸盐氮8.12％)，短时曝气后出水中的总氮为0.98mg/L。

(2)在反硝化段，SBR1的脱氮速率是SBR2的1.364倍(27.79/20.37＝1.364)。因为反硝化脱氮速率与反硝化搅拌时间成反比关系，因此SBR1的搅拌时间可较SBR2减少26.5％【1-(1/1.36)＝26.5％】。

(3)在整个脱氮(包括硝化与反硝化)过程中，SBR1的脱氮速率是SBR2的1.25倍(14.48/11.59＝1.25)，即SBR1的脱氮速率提高了25％。

可见，本发明在污水深度脱氮过程中的增效、节能和降耗的效果十分明显。

Claims (1)

1.提前停止硝化进程的SBR深度脱氮在线控制方法，SBR反应器连接有进水管、碳源投加管、曝气管、出水管和排泥管；SBR反应器由进水泵经进水阀、进水管供水，由碳源投加泵经碳源投加阀、碳源投加管投加碳源，由鼓风机经曝气进气阀、曝气管进行曝气；在SBR反应器出水管和排泥管上也设置相应的排水阀和排泥阀；

在SBR反应器中设置有搅拌器、液位传感器、pH传感器、DO传感器和ORP传感器；液位传感器和pH、DO、ORP传感器的检测信号分别经采样、转换和处理后与控制系统相连，通过控制系统中的继电器对系统的运行过程实施在线控制；

其特征在于：

SBR反应器一个周期运行的工序如下：

(1)充水启动进水泵，同时打开进水阀，将待处理的原水充入SBR反应器，当达到预定的充水水量时，由控制系统实时自动关闭进水阀和进水泵；

(2)好氧曝气运行反应器进水后，由控制系统自动开启鼓风机和进气阀，对反应器曝气运行，去除水中的有机物，并将水中氨氮氧化为硝态氮；

开始曝气后，实时在线监测pH和DO信号；在线监测pH和DO信号的采样间隔t₂取60s，并对所采集的pH_i和DO_i值进行4值实时滑动滤波处理，即计算4个值滑动的平均值，同时计算相邻两个滑动滤波值pH_Lbi-1、pH_Lbi与DO_Lbi-1、DO_Lbi对时间的平均变化率K_pHi＝(pH_Lbi-pH_Lbi-1)/(t_i-t_i-1)和K_DOi＝(DO_Lbi-DO_Lbi-1)/(t_i-t_i-1)值；

在曝气过程中，当监测到K_pHi值连续4min以上均<0后，在注意监测DO_Lbi和K_DOi值变化情况的同时，开始实时将K_DOi值与设定的临界值K_DOk进行比较，K_DOk取0.012～0.013mg/L·min；当监测到DO_Lbi值在连续的3～5min内均呈递增状态，且至少最后一个K_DOi≥K_DOk，同时满足曝气时间大于30min时，由控制系统实时关闭鼓风机和进气阀，提前停止曝气硝化运行；

(3)投加碳源搅拌运行好氧过程结束后，由控制系统实时开启碳源投加阀门和碳源投加泵投加碳源，并启动搅拌设备；当达到碳源投放量，由控制系统实时关闭碳源投加泵和碳源投加阀；

碳源的投放量，依据4.0<BOD₅/硝态氮质量浓度<4.2的条件确定；

开始搅拌后，实时在线监测pH和ORP信号；在线监测pH和ORP信号的采样间隔t₄取60s，并对所采集的pH_i和ORP_i值进行4值实时滑动滤波处理，即计算4个值滑动的平均值，同时计算相邻两个滑动滤波值pH_Lbi-1、pH_Lbi与ORP_Lbi-1、ORP_Lbi对时间的平均变化率K_pHi＝(pH_Lbi-pH_Lbi-1)/(t_i-t_i-1)和K_ORPi＝(ORP_Lbi-ORP_Lbi-1)/(t_i-t_i-1)值；

在搅拌过程中，当监测到K_pHi值连续3分钟以上均>0后，在注意监测K_pHi和K_ORPi值变化的同时，开始实时将K_ORPi值与设定的临界值K_ORPk进行比较，K_ORPk取-1.2～-1.4mV/min；当监测到K_pHi值由正变负，同时在此特征点前或后2min内，监测到K_ORPi<K_ORPi-1，并且K_ORPi≤K_ORPk时，由控制系统实时停止搅拌运行；

(4)短时曝气运行缺氧搅拌停止后，再次由控制系统实时开启鼓风机和进气阀对反应器进行短时间鼓风曝气，曝气时间t₅取7～20min，当达到设定的曝气时间t₅时，由控制系统实时关闭鼓风机和进气阀，停止曝气运行；

(5)沉淀停止曝气运行后，使反应器中的混合液处于沉淀状态，实现泥水分离；

(6)排水和排泥沉淀后，完成排水、排泥过程；

(7)闲置反应器闲置10～50min后，自动转入下一周期的循环运行；

被处理污水应满足总碱度/凯氏氮质量浓度>3.6，总碱度以CaCO₃计，当污水中碱度不足时，应补充碱度。