CN109607791A - 城市污水两级spna工艺深度脱氮的控制系统 - Google Patents
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Abstract
城市污水两级SPNA工艺深度脱氮的控制系统，属于污水生物处理领域。该系统主要包括城市污水水箱，一级SPNA反应器，中间水箱，二级SPNA反应器，PLC控制柜，计算机，其中两个SPNA反应器串联设置。污水先进入一级SPNA反应器，进行短程硝化‑Anammox反应，去除污水中60‑80％的氨氮。随后，一级SPNA反应器的出水经中间水箱进入二级SPNA反应器。二级SPNA反应器在间歇曝气条件下运行，通过短程硝化‑Anammox反应进一步去除反应器中剩余的氨氮，提高出水水质。此外，通过实时控制，可根据进水水质的变化灵活调节两SPNA反应器的运行参数，提高系统的可控性和灵活性。本发明可实现城市污水的低能耗、深度脱氮，且系统稳定性好，抗冲击能力强，操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及城市污水两级SPNA工艺深度脱氮的控制系统，属于污水生物处理技术领域。
背景技术
随着水体富营养化的不断严重，国内外越来越重视污水中氮元素的去除。现在普遍应用的污水生物脱氮工艺是全程硝化-反硝化工艺，即在好氧条件下将污水中的氨氮转化为硝态氮，而后利用有机物作为碳源将硝态氮还原转化氮气。该工艺存在曝气能耗高、反硝化碳源不足、剩余污泥产量大等问题，不符合节能降耗型可持续污水处理的发展原则。
短程硝化-厌氧氨氧化一体化(SPNA)工艺是一种新型自养脱氮工艺，在该工艺中，氨氧化菌(AOB)只需将约一半的氨氮氧化为亚硝态氮，节省了曝气能耗，且其中主要的脱氮功能菌AOB与Anammox菌为自养菌，污泥产率低。与现有生物脱氮技术相比，SPNA工艺可最大限度节省曝气量，且无需有机碳源，具有剩余污泥产量少、温室气体产量少等优点。
目前，SPNA工艺主要用于处理高氨氮废水，其在城市污水处理方面的应用还存在较多亟待解决的问题。其中，城市污水SPNA工艺的主要难点之一是抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB) 生长，在城市污水处理系统中，由于缺少高游离氨、高游离亚硝酸等抑制NOB的条件，NOB 容易大量富集，与Anammox菌竞争亚硝态氮基质，导致出水硝态氮浓度升高，脱氮效果恶化。
据报道，维持出水中一定的氨氮剩余和间歇曝气(即好氧/缺氧交替的运行方式)均可抑制NOB活性，但出水中含有一定量氨氮剩余会造成SPNA系统脱氮效果较差；间歇曝气的有效曝气时间短，会影响氨氮的氧化，导致系统的氮去除负荷较低，不利于SPNA系统的稳定高效运行。此外，城市污水基质浓度低，而Anammox菌生长缓慢，难以在城市污水处理系统中大量富集，进一步导致系统氮去除速率较低、脱氮效果差。针对上述问题，本发明提出了一种城市污水两级SPNA工艺深度脱氮的控制系统，通过实时控制变量，可实现城市污水的深度脱氮。
发明内容
针对城市污水SPNA工艺存在的氮去除率低和脱氮负荷低等问题，本发明提出了一种城市污水两级SPNA工艺深度脱氮的控制系统，根据进水水质调配两级SPNA系统氮负荷分配比，实时控制变量：控制一级SPNA反应器在高负荷条件下运行，实现污水中大部分氮(60-80％)的去除，高氮负荷可提高氮去除速率，且利于Anammox菌的富集和NOB的抑制；一级SPNA反应器的出水经过中间水箱进入二级SPNA反应器，控制二级SPNA反应器在间歇曝气，即好氧/缺氧交替条件下运行，通过间歇曝气抑制NOB活性，进一步去除污水中剩余的氨氮，提高出水质量，实现城市污水的深度脱氮。此外，通过实时控制，可针对城市污水水质的变化优化运行条件，提高系统的可控性和灵活性，保证系统的稳定高效运行。
城市污水两级SPNA工艺深度脱氮的控制系统，其特征在于：包括PLC控制柜(1)、计算机(2)、城市污水水箱(3)、一级SPNA反应器(5)、中间水箱(6)、二级SPNA反应器 (8)；其中所述城市污水水箱(3)通过一级污水泵(4)与一级SPNA反应器(5)相连接；一级SPNA反应器(5)设有一级进水阀(5.1)、一级放空阀(5.2)、一级排水阀(5.3)、一级空气泵(5.4)、一级气体流量计(5.5)、一级微孔曝气头(5.6)、一级搅拌器(5.7)、一级 DO检测器(5.8)、一级NH4 +检测器(5.9)；一级SPNA反应器(5)通过中间水箱(6)和二级污水泵(7)与二级SPNA反应器(8)相连接；所述二级SPNA反应器(8)设有二级进水阀(8.1)、二级放空阀(8.2)、二级排水阀(8.3)、二级空气泵(8.4)、二级气体流量计(8.5)、二级微孔曝气头(8.6)、二级搅拌器(8.7)、二级DO检测器(8.8)、二级NH4 +检测器(8.9)、时间继电器(8.10)；所述PLC控制柜(1)连接计算机(2)、一级污水泵(4)、一级空气泵 (5.4)、一级搅拌器(5.7)、一级DO检测器(5.8)、一级NH4 +检测器(5.9)、二级污水泵(7)、时间继电器(8.10)、二级搅拌器(8.7)、二级DO检测器(8.8)、二级NH4 +检测器(8.9)；所述时间继电器(8.10)与二级空气泵(8.4)相连接；所述计算机(1)实时接收并输出各检测器采集到的信号，监测一级SPNA反应器(5)和二级SPNA反应器(8)内的DO浓度和氨氮浓度，控制并优化系统运行。
以两级SPNA工艺控制系统实现城市污水高效脱氮的方法，主要包括以下步骤：
1)城市污水水箱(3)中的污水首先进入一级SPNA反应器(5)。进水结束后，关闭一级污水泵(4)，开启一级搅拌器(5.7)，使污水与污泥充分接触，在此过程中反硝化菌利用污水中的有机物将上一反应周期残留的硝态氮还原为氮气，并将剩余的有机物储存为微生物体内的内碳源。反应时间为20-30min，控制搅拌器转速为40-60r/min，以防止因搅拌速度过快使空气进入水中破坏缺氧环境，保持DO＜0.1mg/L。
2)上述反应结束后，开启一级空气泵(5.4)进行曝气，通过一级气体流量计(5.5)控制DO为0.2-0.4mg/L，进行短程硝化-Anammox反应，AOB将污水中的部分氨氮氧化为亚硝态氮，同时Anammox菌将产生的亚硝态氮与剩余的部分氨氮转化为氮气和硝态氮；一级DO检测器(5.8)和一级NH4 +检测器(5.9)将各自采集到的信号传输至PLC控制柜(1)和计算机(2)。
3)计算机(2)实时接收并转化、输出各检测器采集到的信号，在线监测一级SPNA反应器(5)内的DO浓度和氨氮浓度，当氨氮浓度＜10.0mg/L时停止曝气。
4)曝气结束后，关闭一级空气泵(5.4)和一级搅拌器(5.7)，静置沉淀15-20min进行泥水分离，上清液通过一级排水阀(5.3)排出，进入中间水箱(6)，排放的水量等于一级SPNA 反应器(5)的进水量。
5)中间水箱(6)中的污水通过二级进水阀(8.1)进入二级SPNA反应器(8)，进水结束后，关闭二级污水泵(7)，开启二级搅拌器(8.7)，并结合时间继电器(8.10)和二级空气泵(8.4)控制反应器在间歇曝气条件下运行，控制好氧段DO为0.2-0.5mg/L，时长为5-10min，缺氧段DO＜0.1mg/L，时长为15-25min。该阶段主要发生短程硝化-Anammox反应，将反应器中剩余的氨氮进一步去除。二级DO检测器(8.8)和二级NH4 +检测器(8.9)将各自采集到的信号传输至PLC控制柜(1)和计算机(2)。
6)计算机(2)实时接收并转化、输出各检测器采集到的信号，在线监测一级SPNA反应器(8)内的DO浓度和氨氮浓度，当氨氮浓度＜1.0mg/L时停止曝气。
7)反应结束后，关闭二级空气泵(8.4)和二级搅拌器(8.7)，静置沉淀20-25min进行泥水分离，上清液通过二级排水阀(8.3)排出，完成脱氮反应，排放的水量等于二级SPNA反应器(8)的进水量。
城市污水两级SPNA工艺深度脱氮的控制系统处理城市污水的方法与现有技术相比具有下列优点：
1)分设两级SPNA反应器，一级SPNA反应器在高氮负荷条件下运行，提高脱氮速率，且利于Anammox菌的富集和NOB的抑制，利于系统的稳定运行。二级SPNA反应器在间歇曝气条件下运行，可有效抑制NOB活性，并进一步去除污水中的氮，达到较好的脱氮效果，具有氮去除负荷高、脱氮效果好的优点。
2)本系统通过在线实时控制优化运行，系统自动化程度高，可控性好。
3)可根据进水水质情况，灵活调控一级和二级SPNA反应器水力停留时间和氮负荷分配比，维持稳定的脱氮效果，抗冲击负荷能力强。
4)本系统主要为自养脱氮，剩余污泥产量低，曝气能耗低，且无需外加碳源，是一种节能降耗的新型生物脱氮工艺，适用于低C/N城市污水的处理。
附图说明
图1为城市污水两级SPNA工艺深度脱氮控制系统的结构示意图。
图中：1-PLC控制柜；2-计算机；3-城市污水水箱；4-一级污水泵；5-一级SPNA反应器；5.1-一级进水阀；5.2-一级放空阀；5.3-一级排水阀；5.4-一级空气泵；5.5-一级气体流量计； 5.6-一级微孔曝气头；5.7-一级搅拌器；5.8-一级DO检测器；5.9-一级NH4 +检测器；6-中间水箱；7-二级污水泵；8-二级SPNA反应器；8.1-二级进水阀；8.2-二级放空阀；8.3-二级排水阀；8.4-二级空气泵；8.5-二级气体流量计；8.6-二级微孔曝气头；8.7-二级搅拌器；8.8-二级DO 检测器；8.9-二级NH4 +检测器；8.10-时间继电器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方案。
如图1所示，城市污水两级SPNA工艺深度脱氮的控制系统，主要包括PLC控制柜(1)、计算机(2)、城市污水水箱(3)、一级SPNA反应器(5)、中间水箱(6)、二级SPNA反应器(8)；其中所述城市污水水箱(3)通过一级污水泵(4)与一级SPNA反应器(5)相连接；一级SPNA反应器(5)设有一级进水阀(5.1)、一级放空阀(5.2)、一级排水阀(5.3)、一级空气泵(5.4)、一级气体流量计(5.5)、一级微孔曝气头(5.6)、一级搅拌器(5.7)、一级 DO检测器(5.8)、一级NH4 +检测器(5.9)；一级SPNA反应器(5)通过中间水箱(6)和二级污水泵(7)与二级SPNA反应器(8)相连接；所述二级SPNA反应器(8)设有二级进水阀(8.1)、二级放空阀(8.2)、二级排水阀(8.3)、二级空气泵(8.4)、二级气体流量计(8.5)、二级微孔曝气头(8.6)、二级搅拌器(8.7)、二级DO检测器(8.8)、二级NH4 +检测器(8.9)、时间继电器(8.10)；所述PLC控制柜(1)连接计算机(2)、一级污水泵(4)、一级空气泵 (5.4)、一级搅拌器(5.7)、一级DO检测器(5.8)、一级NH4 +检测器(5.9)、二级污水泵(7)、时间继电器(8.10)、二级搅拌器(8.7)、二级DO检测器(8.8)、二级NH4 +检测器(8.9)；所述时间继电器(8.10)与二级空气泵(8.4)相连接；所述计算机(1)实时接收并输出各检测器采集到的信号，监测一级SPNA反应器(5)和二级SPNA反应器(8)内的DO浓度和氨氮浓度，控制并优化系统运行。
以两级SPNA脱氮工艺控制系统实现城市污水高效脱氮的方法，主要包括以下步骤：
1)城市污水水箱(3)中的污水首先进入一级SPNA反应器(5)。进水结束后，关闭一级污水泵(4)，开启一级搅拌器(5.7)，使污水与污泥充分接触，在此过程中反硝化菌利用污水中的有机物将上一反应周期残留的硝态氮还原为氮气，并将剩余的有机物储存为微生物体内的内碳源。反应时间为20-30min，控制搅拌器转速为40-60r/min，以防止因搅拌速度过快使空气进入水中破坏缺氧环境，保持DO＜0.1mg/L。
2)上述反应结束后，开启一级空气泵(5.4)进行曝气，通过一级气体流量计(5.5)控制DO为0.2-0.4mg/L，进行短程硝化-Anammox反应，AOB将污水中的部分氨氮氧化为亚硝态氮，同时Anammox菌将产生的亚硝态氮与剩余的部分氨氮转化为氮气和硝态氮；一级DO检测器(5.8)和一级NH4 +检测器(5.9)将各自采集到的信号传输至PLC控制柜(1)和计算机(2)。
3)计算机(2)实时接收并转化、输出各检测器采集到的信号，在线监测一级SPNA反应器(5)内的DO浓度和氨氮浓度，当氨氮浓度＜10.0mg/L时停止曝气。
4)曝气结束后，关闭一级空气泵(5.4)和一级搅拌器(5.7)，静置沉淀15-20min进行泥水分离，上清液通过一级排水阀(5.3)排出，进入中间水箱(6)，排放的水量等于一级SPNA 反应器(5)的进水量。
5)中间水箱(6)中的污水通过二级进水阀(8.1)进入二级SPNA反应器(8)，进水结束后，关闭二级污水泵(7)，开启二级搅拌器(8.7)，并结合时间继电器(8.10)和二级空气泵(8.4)控制反应器在间歇曝气条件下运行，控制好氧段DO为0.2-0.5mg/L，时长为5-10min，缺氧段DO＜0.1mg/L，时长为15-25min。该阶段主要发生短程硝化-Anammox反应，将反应器中剩余的氨氮进一步去除。二级DO检测器(8.8)和二级NH4 +检测器(8.9)将各自采集到的信号传输至PLC控制柜(1)和计算机(2)。
6)计算机(2)实时接收并转化、输出各检测器采集到的信号，在线监测一级SPNA反应器(8)内的DO浓度和氨氮浓度，当氨氮浓度＜1.0mg/L时停止曝气。
7)反应结束后，关闭二级空气泵(8.4)和二级搅拌器(8.7)，静置沉淀20-25min进行泥水分离，上清液通过二级排水阀(8.3)排出，完成脱氮反应，排放的水量等于二级SPNA反应器(8)的进水量。
以某大学家属区生活污水为处理对象，考察该两级SPNA控制系统的脱氮性能。实验用水具体水质如下：NH4 +-N 29.4-74.3mg-N/L，NO2 --N 0.0-0.5mg-N/L，NO3 --N 0.0-0.8mg-N/L， COD 87.2-193.7mg/L。
实验期间运行参数：
两个SPNA反应器均为序批式反应器(有效容积10L，材质为有机玻璃)。
一级SPNA反应器：
前置缺氧段：泵入生活污水5L，控制搅拌器转速40-60r/min，DO＜0.1mg/L，反应时间 25-30min；
好氧段：控制DO为0.2-0.4mg/L，自动调整曝气时间，反应时间一般为110-130min；
静沉阶段：静置沉淀20min后排水5L至中间水箱。
二级SPNA反应器：
间歇曝气阶段：将5L中间水箱中的污水泵入二级SPNA反应器，结合时间继电器、空气泵和搅拌器实现间歇曝气模式，控制好氧段DO为0.2-0.5mg/L，时长为5-8min，缺氧段 DO＜0.1mg/L，时长为15-20min，自动调整该阶段总反应时长，一般为50-80min；
静沉阶段：静置沉淀20min后排水5L。
在该运行条件下，反应器平均出水COD、NH4 +-N、NO2 --N、NO3 --N、TN分别为36.9、1.3、0.1、5.8、7.2mg/L，达到了高效脱氮的效果。
以上是本发明的具体实施例，便于该技术领域的技术人员能更好的理解和应用本发明，本发明的实施不限于此，因此该技术领域的技术人员对本发明所做的简单改进都在本发明保护范围之内。
该系统串联设置两级SPNA反应器，分别在高氮负荷和间歇曝气条件下运行，提高氮去除速率和出水水质；此外，通过实时控制，根据不同进水水质，优化系统运行，提高系统的可控性和灵活性，操作方便，系统稳定性好，可实现城市污水的低能耗、深度脱氮。
Claims (2)
1.城市污水两级SPNA工艺深度脱氮的控制系统，其特征在于：包括PLC控制柜(1)、计算机(2)、城市污水水箱(3)、一级SPNA反应器(5)、中间水箱(6)、二级SPNA反应器(8)；其中所述城市污水水箱(3)通过一级污水泵(4)与一级SPNA反应器(5)相连接；一级SPNA反应器(5)设有一级进水阀(5.1)、一级放空阀(5.2)、一级排水阀(5.3)、一级空气泵(5.4)、一级气体流量计(5.5)、一级微孔曝气头(5.6)、一级搅拌器(5.7)、一级DO检测器(5.8)、一级NH4 +检测器(5.9)；一级SPNA反应器(5)通过中间水箱(6)和二级污水泵(7)与二级SPNA反应器(8)相连接；所述二级SPNA反应器(8)设有二级进水阀(8.1)、二级放空阀(8.2)、二级排水阀(8.3)、二级空气泵(8.4)、二级气体流量计(8.5)、二级微孔曝气头(8.6)、二级搅拌器(8.7)、二级DO检测器(8.8)、二级NH4 +检测器(8.9)、时间继电器(8.10)；所述PLC控制柜(1)连接计算机(2)、一级污水泵(4)、一级空气泵(5.4)、一级搅拌器(5.7)、一级DO检测器(5.8)、一级NH4 +检测器(5.9)、二级污水泵(7)、时间继电器(8.10)、二级搅拌器(8.7)、二级DO检测器(8.8)、二级NH4 +检测器(8.9)；所述时间继电器(8.10)与二级空气泵(8.4)相连接。
2.应用权利要求1所述的以两级SPNA控制系统实现城市污水深度脱氮的方法，其特征在于：
1)城市污水水箱(3)中的污水首先进入一级SPNA反应器(5)。进水结束后，关闭一级污水泵(4)，开启一级搅拌器(5.7)，使污水与污泥充分接触，在此过程中反硝化菌利用污水中的有机物将上一反应周期残留的硝态氮还原为氮气，并将剩余的有机物储存为微生物体内的内碳源。反应时间为20-30min，控制DO＜0.1mg/L；
2)上述反应结束后，开启一级空气泵(5.4)进行曝气，通过一级气体流量计(5.5)控制DO为0.2-0.4mg/L，进行短程硝化-Anammox反应；一级DO检测器(5.8)和一级NH4 +检测器(5.9)将各自采集到的信号传输至PLC控制柜(1)和计算机(2)；
3)计算机(2)实时接收并转化、输出各检测器采集到的信号，在线监测一级SPNA反应器(5)内的DO浓度和氨氮浓度，当氨氮浓度＜10.0mg/L时停止曝气；
4)曝气结束后，关闭一级空气泵(5.4)和一级搅拌器(5.7)，静置沉淀15-20min进行泥水分离，上清液通过一级排水阀(5.3)排出，进入中间水箱(6)；
5)中间水箱(6)中的污水通过二级进水阀(8.1)进入二级SPNA反应器(8)，进水结束后，关闭二级污水泵(7)，开启二级搅拌器(8.7)，并结合时间继电器(8.10)和二级空气泵(8.4)控制反应器在间歇曝气条件下运行，控制好氧段DO为0.2-0.5mg/L，时长为5-10min，缺氧段DO＜0.1mg/L，时长为15-25min，该阶段主要发生短程硝化-Anammox反应，将反应器中剩余的氨氮进一步去除，二级DO检测器(8.8)和二级NH4 +检测器(8.9)将各自采集到的信号传输至PLC控制柜(1)和计算机(2)；
6)计算机(2)实时接收并转化、输出各检测器采集到的信号，在线监测一级SPNA反应器(8)内的DO浓度和氨氮浓度，当氨氮浓度＜1.0mg/L时停止曝气；
7)反应结束后，关闭二级空气泵(8.4)和二级搅拌器(8.7)，静置沉淀20-25min进行泥水分离，上清液通过二级排水阀(8.3)排出，完成脱氮反应。
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