CN108996683A - 处理畜禽养殖废水的短程硝化反硝化小型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种处理畜禽养殖废水的短程硝化反硝化小型装置及方法。包括（1）驯化时对畜禽养殖废水进行预处理，使CODcr低于2000mg/L，碳氮比不高于6.8；（2）驯化分为先后三个阶段，第一阶段曝气时使溶解氧控制在2 mg/L，曝气8小时，运行30天，紧接着第二阶段调节为溶解氧在1 mg/L，曝气6小时，运行30天后排泥一次，再继续运行30天；（3）驯化和正式运行均在常温下进行，正式运行时，曝气时间可根据溶解氧变化特征自动控制，即当溶解氧突跃点被监测到，停止曝气，结束好氧硝化程序；缺氧搅拌时间可根据pH值变化特征自动控制。本发明的运行方法可以有效的提高畜禽养殖废水氮的生物处理效率，实现常温下对畜禽养殖废水的短程硝化快速启动，降低其它短程硝化反硝化工艺由于曝气和加热造成的能耗。

Description

处理畜禽养殖废水的短程硝化反硝化小型装置及方法

技术领域

本发明属于畜禽养殖废水处理技术领域，涉及一种处理畜禽养殖废水的短程硝化反硝化小型装置及方法。

背景技术

目前几乎所有的工程化应用的污水处理系统中氮的转移途径都是全程硝化反硝化，而短程硝化反硝化过程相对于全程硝化反硝化减少了亚硝酸盐向硝酸盐的氧化这一步骤，使亚硝酸盐获得积累直接反硝化，这样可大大降低曝气量、外加碳源等能源消耗。但由于短程硝化反硝化反应条件较为苛刻，因此工程化应用并不成熟。我国学者在近20年也开始了这一新工艺的研究，但主要试验对象为生活污水和垃圾渗滤液，应用在畜禽养殖废水处理上的研究非常少，缺乏适用于畜禽养殖废水的最优工艺参数和启动运行方法。

目前普遍认为在30℃左右温度下，亚硝化细菌（AOB）更容易成为优势菌种，从而实现亚硝酸盐的积累，但在实际应用中对大量畜禽养殖废水进行加热是不现实的。另外能耗低是短程硝化反硝化工艺相对于现有的传统全程硝化反硝化工艺的最大优势，但随着溶解氧需求的下降曝气方式仍采用常规的曝气头置于水底的深层曝气，并没有将能耗低这一优势最大化。

因此本专利发明了在常温（20℃左右）下、以市政污水处理厂脱水污泥为接种污泥的短程硝化反硝化反应装置，用于处理畜禽养殖废水，并发明了其污泥驯化和稳定运行的方法。

发明内容

本发明公开了一种处理畜禽养殖废水的短程硝化反硝化小型装置，该装置包括柱形反应器、曝气系统、进水系统、排水系统、搅拌系统、在线监测系统、温控系统、自控系统，整套装置由不锈钢架架起固定；其特征在于：

所述的柱形反应器指的是：圆柱体的反应器主体1竖直放置，下端接同直径的圆锥体泥斗2，泥斗侧壁坡度i=1:2，圆柱体上端设同材料顶盖，顶盖打9个孔，温度传感器19、加热器20、2台搅拌器的搅拌轴10、溶解氧传感器13、pH传感器15、氧化还原电位传感器17、空气管、进水管4全部由顶盖孔洞穿过进入反应器主体，孔边焊接固定竖直杆，各部件的电线通过线卡绑定在孔边竖直杆作为固定；柱形反应器正中心设同材料的隔墙9将反应器主体一分为二，上端距液面、下端距泥斗上沿水平面各为1米，隔墙两条竖直边与反应器主体柱壁相连固定位置；

曝气系统包括：低压曝气泵6、高压曝气泵8、空气管、浅层曝气头5、深层曝气头7；低压曝气泵通过空气管与浅层曝气头相连，高压曝气泵通过空气管与深层曝气头相连，低压曝气泵与高压曝气泵均位于反应器外，启停与转速受PLC自控系统控制；深层曝气头位于反应器主体与泥斗交界高度处、沿反应器主体柱壁的周长上均匀分布固定；浅层曝气头位于距液面约0.8米深度处、隔墙任意一侧。所述自控系统采用PLC控制器，运行时完全自动控制，只需人工设置相关反应参数。

本发明进一步公开了一种处理畜禽养殖废水的短程硝化反硝化小型装置处理畜禽养殖废水的短程硝化反硝化污泥驯化与稳定运行方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1） 系统启动方法：采用周期性运行方式，每周期包括进水→曝气→沉淀→排水→闲置；

1）将畜禽养殖废水预处理，使CODcr在500-2000mg/L，调节碳氮比（C/N）至2.0-6.8；

2）在PLC上设置温度为20℃恒温， DO为 2.0mg/L，采用深层曝气方式，接种生活污水完全硝化污泥，污泥量为3000mg/L，每周期进水20分钟→曝气8小时→沉淀1小时→排水1小时→闲置100分钟，每天运行2个周期，运行30天；

3）在上一步骤完成后继续运行，在PLC上设置温度为20℃恒温， DO调整为 1.0mg/L，采用浅层曝气方式，每周期进水20分钟，曝气6小时，沉淀1小时，排水1小时，闲置230分钟，每天运行2个周期，运行30天；排泥，再继续按上一步骤反应条件运行30天；

（2） 系统启动成功后进入稳定运行期正式进行污水处理：采用周期性运行方式，每周期包括进水→曝气→缺氧搅拌→沉淀→排水→闲置；

1）在PLC上设置温度为20℃恒温， DO为 1.0mg/L，此时系统内为驯化好的短程硝化反硝化活性污泥，每周期进水20分钟，沉淀1小时，排水1小时，每周期曝气时间由溶解氧检测仪检出的DO数值决定，在曝气352分钟时监测到DO突跃增高，则停止低压曝气泵停止曝气，进入反硝化过程，两台搅拌器开启；

2）在缺氧反硝化阶段，时间由pH实时监测值确定，在进入缺氧反硝化阶段85分钟时pH在线检测仪监测到pH极大值，此时停止搅拌器，结束反硝化，进入沉淀阶段。

本发明更进一步公开了采用处理畜禽养殖废水的短程硝化反硝化小型装置处理畜禽养殖废水的短程硝化反硝化污泥驯化与稳定运行方法在提高畜禽养殖废水生物处理效率方面的应用；所述的提高畜禽养殖废水生物处理效率指的是：降低畜禽养殖废水中的氮含量，试验结果显示：采用本发明的装置处理畜禽养殖废水可以使畜禽养殖废水中的总氮和氨氮含量显著的降低，总氮去除率达到85%以上，氨氮去除率达到90%以上。

本发明更进步的描述如下：

进水系统包括：蠕动泵与进水管；蠕动泵与进水管一端相连，进水管另一端深入反应器水底，蠕动泵启停与转速由PLC自控系统控制；

排水系统包括：排水电磁阀11与排泥电磁阀12；反应器主体柱壁上沿同一竖直线每隔相同距离开一个孔，每个孔装电磁阀作为排水阀，泥斗顶端开孔装电磁阀作为排泥阀，排水电磁阀与排泥电磁阀与PLC自控系统相连由其控制开闭；排水时排水电磁阀在调控下自上向下依次打开排水，模拟滗水器的逐层排水，避免沉淀污泥流失；排水电磁阀随时控制打开，作为取样口，排泥电磁阀只在排泥时打开；

搅拌系统包括两台搅拌器；搅拌器的电机固定于反应器外的上方，搅拌轴10浸入水中，位于被隔墙9分开的反应器主体两侧中心，搅拌器电机的启停和转速由PLC自控系统控制；

在线监测系统包括：溶解氧传感器13、pH传感器15、氧化还原电位传感器17、溶解氧监测仪14、pH监测仪16和氧化还原电位监测仪18；溶解氧传感器、pH传感器、氧化还原电位传感器全部浸入反应器水中且分别通过电线与溶解氧监测仪、pH监测仪和氧化还原电位监测仪相连，溶解氧监测仪、pH监测仪和氧化还原电位监测仪的报警信号输出给PLC自控系统；当溶解氧、pH、氧化还原电位数据超过设置的上下限或发生特征性的突变被相应监测仪捕捉到，监测仪会输出报警信号给PLC自控系统，PLC自控系统再根据程序设定给其它系统发出动作指令；

温控系统包括：温度传感器19和加热器20，温度传感器和加热器均浸入液体中，温度传感器监测到水温在设定温度±1℃临界温度时，PLC自控系统会发出指令控制加热器的启停；

自控系统包括：PLC自控柜一台；自控柜门上安装触摸液晶屏，所有参数设置和设备手动启停均屏触完成。

装置采用周期性运行方式，在正式运行前需先进行污泥驯化，培养适合处理对象水质的活性污泥，在污泥驯化阶段每周期包括进水→曝气→沉淀→排水→闲置，在正式运行阶段每周期包括进水→曝气→缺氧搅拌→沉淀→排水→闲置。进水时，蠕动泵开启，根据需要设置好蠕动泵的流量和进水时间，到时间后蠕动泵关闭，曝气泵开始工作。根据所需溶解氧浓度选择采用哪种曝气方式，所需溶解氧较高时采用深层曝气，所需溶解氧较低时采用浅层曝气，曝气泵转速也可调节，曝气时间可人力设置也可根据在线监测到的溶解氧变化特征自动控制。曝气结束后若有缺氧搅拌阶段，则两台搅拌器开启，时间可人力设置也可根据在线监测到的pH变化特征自动控制，若不需缺氧搅拌则直接进入沉淀阶段。沉淀阶段搅拌器关闭，整套装置内为静止沉淀状态，时间人力设定。最后为排水程序，电磁阀在PLC控制下由上而下依次打开，打开时间由事先试验确定，直到最下方一个排水阀排水完成后，排水程序结束。若不具备周期连续运行条件，在两个周期之间可设置闲置时间，时间手动设定。

本发明主要解决了短程硝化反硝化工艺用于小规模畜禽养殖废水生物处理时的小型化装置设置和适用于畜禽养殖废水的污泥驯化及自动化正式运行方法。

本发明公开的畜禽养殖废水的短程硝化反硝化小型处理装置及方法所具有的积极效果如下：

（1）使用本发明装置并采用本专利涉及的污泥驯化和正式运行方法，可实现在常温（20℃左右）下短程硝化反硝化活性污泥成功驯化并在驯化成功后系统继续稳定运行，无需加热至30℃以上，克服了其它工艺由于高温反应带来的耗能高的缺陷。

（2）本发明涉及的短程硝化反硝化活性污泥驯化方法针对以畜禽养殖废水为处理对象的情形，总结了区别于生活污水、垃圾渗滤液等其他水质的最优曝气时间和溶解氧浓度控制等方法，为短程硝化反硝化工艺在畜禽养殖污水上的应用提供数据基础。

（3）本发明涉及的污泥驯化成功后的正式运行方法，以溶解氧和pH指标变化特征点为依据实行曝气时间和缺氧反应时间的自动控制，最大程度地避免过度曝气带来的能耗增加，可降低曝气能耗约25%，同时也避免长时间缺氧带来的反应时间增加及水质恶化。

（4）本发明涉及的装置装配了两套曝气设备，浅层曝气和深层曝气，浅层曝气系统运行时可采用低压曝气泵，曝气头设置于隔墙一侧可实现液体由一侧到另一侧的循环流动，增加溶氧效率，由于短程硝化工艺所需溶解氧浓度低于现有常规的全程硝化工艺，因此创新性地添加浅层曝气系统可降低曝气能耗，采用浅层曝气比调频节能的深层曝气还要降低能耗约10%。

（5）本发明涉及的装置自控系统核心为PLC控制器，参数设定等人工操作均通过控制柜上的液晶屏屏触实现，相对于其他单片机控制系统更加灵活，程序可即时调整更改，控制系统可重复使用，人机交互更加简单、智能。

（6）本发明涉及的装置适用于小型污水处理规模，选不到滗水器这样的成型设备，本发明创新性地采用电磁阀自控排水，模拟滗水器分层排水的特点，避免了污泥流失。

附图说明

图1为畜禽养殖废水的短程硝化反硝化小型处理装置结构示意图；其中

1.反应器主体 2.泥斗 3.蠕动泵 4.进水管 5.浅层曝气头

6.低压曝气泵 7.深层曝气头 8.高压曝气泵 9.隔墙 10.搅拌轴

11.排水电磁阀 12.排泥电磁阀 13.溶解氧传感器 14.溶解氧监测仪

15.pH传感器 16.pH监测仪 17.氧化还原电位传感器

18.氧化还原电位监测仪 19.温度传感器 20.加热器。

具体实施方式

下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。

实施例1

一种处理畜禽养殖废水的短程硝化反硝化小型装置，该装置包括柱形反应器、曝气系统、进水系统、排水系统、搅拌系统、在线监测系统、温控系统、自控系统，整套装置由不锈钢架架起固定；其特征在于：

所述的柱形反应器指的是：圆柱体的反应器主体1竖直放置，下端接同直径的圆锥体泥斗2，泥斗侧壁坡度i=1:2，圆柱体上端设同材料顶盖，顶盖打9个孔，温度传感器19、加热器20、2台搅拌器的搅拌轴10、溶解氧传感器13、pH传感器15、氧化还原电位传感器17、空气管、进水管4全部由顶盖孔洞穿过进入反应器主体，孔边焊接固定竖直杆，各部件的电线通过线卡绑定在孔边竖直杆作为固定；柱形反应器正中心设同材料的隔墙将反应器主体一分为二，上端距液面、下端距泥斗上沿水平面各为1米，隔墙两条竖直边与反应器主体柱壁相连固定位置；

曝气系统包括：低压曝气泵6、高压曝气泵8、空气管、浅层曝气头5、深层曝气头7；低压曝气泵通过空气管与浅层曝气头相连，高压曝气泵通过空气管与深层曝气头相连，低压曝气泵与高压曝气泵均位于反应器外，启停与转速受PLC自控系统控制；深层曝气头位于反应器主体与泥斗交界高度处、沿反应器主体柱壁的周长上均匀分布固定；浅层曝气头位于距液面约0.8米深度处、隔墙任意一侧。所述自控系统采用PLC控制器，运行时完全自动控制，只需人工设置相关反应参数。

实施例2

一种处理畜禽养殖废水的短程硝化反硝化小型装置，包括柱形反应器、曝气系统、进水系统、排水系统、搅拌系统、在线监测系统、温控系统、自控系统，整套装置由不锈钢架架起固定：

所述的柱形反应器指的是：圆柱体的反应器主体1竖直放置，下端接同直径的圆锥体泥斗2，泥斗侧壁坡度i=1:2，圆柱体上端设同材料顶盖，顶盖打9个孔，温度传感器19、加热器20、2台搅拌器的搅拌轴10、溶解氧传感器13、pH传感器15、氧化还原电位传感器1）、空气管、进水管4全部由顶盖孔洞穿过进入反应器主体，孔边焊接固定竖直杆，各部件的电线通过线卡绑定在孔边竖直杆作为固定；柱形反应器正中心设同材料的隔墙9将反应器主体一分为二，上端距液面、下端距泥斗上沿水平面各为1米，隔墙两条竖直边与反应器主体柱壁相连固定位置；

曝气系统包括：低压曝气泵6、高压曝气泵8、空气管、浅层曝气头5、深层曝气头7；低压曝气泵通过空气管与浅层曝气头相连，高压曝气泵通过空气管与深层曝气头相连，低压曝气泵与高压曝气泵均位于反应器外，启停与转速受PLC自控系统控制；深层曝气头位于反应器主体与泥斗交界高度处、沿反应器主体柱壁的周长上均匀分布固定；浅层曝气头位于距液面约0.8米深度处、隔墙任意一侧。

进水系统包括：蠕动泵与进水管；蠕动泵与进水管一端相连，进水管另一端深入反应器水底，蠕动泵启停与转速由PLC自控系统控制；

排水系统包括：排水电磁阀与排泥电磁阀；反应器主体柱壁上沿同一竖直线每隔相同距离开一个孔，每个孔装电磁阀作为排水阀，泥斗顶端开孔装电磁阀作为排泥阀，排水电磁阀与排泥电磁阀与PLC自控系统相连由其控制开闭；排水时排水电磁阀在调控下自上向下依次打开排水，模拟滗水器的逐层排水，避免沉淀污泥流失；排水电磁阀随时控制打开，作为取样口，排泥电磁阀只在排泥时打开；

搅拌系统包括两台搅拌器；搅拌器的电机固定于反应器外的上方，搅拌轴浸入水中，位于被隔墙分开的反应器主体两侧中心，搅拌器电机的启停和转速由PLC自控系统控制；

在线监测系统包括：溶解氧传感器、pH传感器、氧化还原电位传感器、溶解氧监测仪、pH监测仪和氧化还原电位监测仪；溶解氧传感器、pH传感器、氧化还原电位传感器全部浸入反应器水中且分别通过电线与溶解氧监测仪、pH监测仪和氧化还原电位监测仪相连，溶解氧监测仪、pH监测仪和氧化还原电位监测仪的报警信号输出给PLC自控系统；当溶解氧、pH、氧化还原电位数据超过设置的上下限或发生特征性的突变被相应监测仪捕捉到，监测仪会输出报警信号给PLC自控系统，PLC自控系统再根据程序设定给其它系统发出动作指令；

温控系统包括：温度传感器和加热器，温度传感器和加热器均浸入液体中，温度传感器监测到水温在设定温度±1℃临界温度时，PLC自控系统会发出指令控制加热器的启停；

自控系统包括：PLC自控柜一台；自控柜门上安装触摸液晶屏，所有参数设置和设备手动启停均屏触完成。自控系统采用PLC控制器，运行时完全自动控制，只需人工设置相关反应参数。

实施例3

运行方法：

（1）系统启动方法（也可叫污泥驯化方法）

采用周期性运行方式，每周期包括进水→曝气→沉淀→排水→闲置。

1）将畜禽养殖废水预处理，使CODcr小于2000mg/L，调节碳氮比（C/N）至不超过6.8；

2）在PLC上设置温度为20℃恒温， DO为 2.0mg/L左右，采用深层曝气方式，接种生活污水完全硝化污泥，污泥量为3000mg/L，每周期进水20分钟→曝气8小时→沉淀1小时→排水1小时→闲置100分钟，每天运行2个周期，运行30天。运行期间亚硝态氮占比（NO- 2-N/NO-x-N）在25.4%～42.8%且随时间逐渐降低，NO- 2-N浓度一直低于NO- 3-N浓度。

3）在上一步骤完成后继续运行，在PLC上设置温度为20℃恒温， DO调整为 1.0mg/L左右，采用浅层曝气方式，每周期进水20分钟，曝气6小时，沉淀1小时，排水1小时，闲置230分钟，每天运行2个周期，运行30天。亚硝态氮占比（NO- 2-N/NO- x-N）随时间逐渐增高至超过72.9%。

4）接上一步骤，打开排泥电磁阀进行排泥操作，之后继续反应30天，反应参数同上一步骤，亚硝态氮占比（NO- 2-N/NO- x-N）随时间逐渐增高至超过90%，此时氨氮去除率理想，短程硝化启动成功。

（2）系统启动成功后进入稳定运行期正式进行污水处理。

采用周期性运行方式，每周期包括进水→曝气→缺氧搅拌→沉淀→排水→闲置。

1）在PLC上设置温度为20℃恒温， DO为 1.0mg/L左右，此时系统内为驯化好的短程硝化反硝化活性污泥，每周期进水20分钟，沉淀1小时，排水1小时，每周期曝气时间由溶解氧检测仪检出的DO数值决定，在曝气352分钟时监测到DO突跃增高，则停止低压曝气泵停止曝气，进入反硝化过程，两台搅拌器开启。

2）在缺氧反硝化阶段，时间由pH实时监测值确定，在进入缺氧反硝化阶段85分钟时pH在线检测仪监测到pH极大值，此时停止搅拌器，结束反硝化，进入沉淀阶段。

实施例4

小型装置处理畜禽养殖废水的短程硝化反硝化污泥驯化与稳定运行方法实验结果如下：

结论：

采用本发明的装置处理畜禽养殖废水可以使畜禽养殖废水中的总氮和氨氮含量显著的降低，总氮去除率达到85%以上，氨氮去除率达到90%以上。

Claims (4)

1.一种处理畜禽养殖废水的短程硝化反硝化小型装置，该装置包括柱形反应器、曝气系统、进水系统、排水系统、搅拌系统、在线监测系统、温控系统、自控系统，整套装置由不锈钢架架起固定；其特征在于：

所述的柱形反应器指的是：圆柱体的反应器主体（1）竖直放置，下端接同直径的圆锥体泥斗（2），泥斗侧壁坡度i=1:2，圆柱体上端设同材料顶盖，顶盖打9个孔，温度传感器（19）、加热器（20）、2台搅拌器的搅拌轴（10）、溶解氧传感器（13）、pH传感器（15）、氧化还原电位传感器（17）、空气管、进水管（4）全部由顶盖孔洞穿过进入反应器主体，孔边焊接固定竖直杆，各部件的电线通过线卡绑定在孔边竖直杆作为固定；柱形反应器正中心设同材料的隔墙（9）将反应器主体一分为二，上端距液面、下端距泥斗上沿水平面各为1米，隔墙两条竖直边与反应器主体柱壁相连固定位置；

曝气系统包括：低压曝气泵（6）、高压曝气泵（8）、空气管、浅层曝气头（5）、深层曝气头（7）；低压曝气泵通过空气管与浅层曝气头相连，高压曝气泵通过空气管与深层曝气头相连，低压曝气泵与高压曝气泵均位于反应器外，启停与转速受PLC自控系统控制；深层曝气头位于反应器主体与泥斗交界高度处、沿反应器主体柱壁的周长上均匀分布固定；浅层曝气头位于距液面0.8米处、隔墙任意一侧。

2.根据权利要求1所述的处理畜禽养殖废水的短程硝化反硝化小型装置，其特征在于，自控系统采用PLC控制器，运行时完全自动控制，只需人工设置相关反应参数。

3.一种采用权利要求1所述的处理畜禽养殖废水的短程硝化反硝化小型装置处理畜禽养殖废水的短程硝化反硝化污泥驯化与稳定运行方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）系统启动方法：采用周期性运行方式，每周期包括进水→曝气→沉淀→排水→闲置；

1）将畜禽养殖废水预处理，使CODcr在500-2000mg/L，调节碳氮比（C/N）至2.0-6.8；

2）在PLC上设置温度为20℃恒温， DO为 2.0mg/L，采用深层曝气方式，接种生活污水完全硝化污泥，污泥量为3000mg/L，每周期进水20分钟→曝气8小时→沉淀1小时→排水1小时→闲置100分钟，每天运行2个周期，运行30天；

3）在上一步骤完成后继续运行，在PLC上设置温度为20℃恒温， DO调整为 1.0mg/L，采用浅层曝气方式，每周期进水20分钟，曝气6小时，沉淀1小时，排水1小时，闲置230分钟，每天运行2个周期，运行30天；排泥，再继续按上一步骤反应条件运行30天；

（2）系统启动成功后进入稳定运行期正式进行污水处理：采用周期性运行方式，每周期包括进水→曝气→缺氧搅拌→沉淀→排水→闲置；

1）在PLC上设置温度为20℃恒温， DO为 1.0mg/L，此时系统内为驯化好的短程硝化反硝化活性污泥，每周期进水20分钟，沉淀1小时，排水1小时，每周期曝气时间由溶解氧检测仪检出的DO数值决定，在曝气352分钟时监测到DO突跃增高，则停止低压曝气泵停止曝气，进入反硝化过程，两台搅拌器开启；

2）在缺氧反硝化阶段，时间由pH实时监测值确定，在进入缺氧反硝化阶段85分钟时pH在线检测仪监测到pH极大值，此时停止搅拌器，结束反硝化，进入沉淀阶段。

4.权利要求3所述的处理畜禽养殖废水的短程硝化反硝化小型装置处理畜禽养殖废水的短程硝化反硝化污泥驯化与稳定运行方法在提高畜禽养殖废水生物处理效率方面的应用；所述的提高畜禽养殖废水生物处理效率指的是：降低畜禽养殖废水中的氮含量。