CN109879412A - 一种硝酸盐部分还原耦合氨氧化实现城市污水二级出水深度处理的装置及实时控制方法 - Google Patents

一种硝酸盐部分还原耦合氨氧化实现城市污水二级出水深度处理的装置及实时控制方法 Download PDF

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Abstract

一种硝酸盐部分还原耦合氨氧化实现城市污水二级出水深度处理的装置及实时控制方法，属于污水生物处理技术领域。本发明利用城市污水中有机碳源提供电子供体的硝酸盐部分还原耦合氨氧化实现城市污水二级出水深度处理，在序批式SBR反应器中配备自动控制系统，包括化学需氧量、氨氮、硝酸盐氮在线监测传感器，将在线采集的NH4 +‑N、NO3 ‑‑N、COD信号输入在线参数控制仪，通过设定自控程序，输出调整信号并作用于各执行单位控制器，及时调整反应器中COD/NO3 ‑‑N以及NH4 +‑N/NO3 ‑‑N的质量浓度比。本发明将提高城市污水厌氧氨氧化过程脱氮效率，充分利用城市污水中的有机碳源，提高亚硝酸盐积累效率的同时降低运行费用，易于操作，能够实现城市污水稳定高效脱氮。

Description

一种硝酸盐部分还原耦合氨氧化实现城市污水二级出水深度 处理的装置及实时控制方法
技术领域
本发明涉及了一种硝酸盐部分还原耦合氨氧化实现城市污水二级出水深度处理的装置及实时控制方法，属于污水生物处理技术领域。适用于城市污水和污水处理厂含有硝酸盐的污水处理厂二级出水，充分利用城市污水中的有机碳源还原硝酸盐成为亚硝酸盐，为后续厌氧氨氧化提供底物，实现城市污水深度脱氮。
背景技术
厌氧氨氧化技术是指，厌氧氨氧化菌将水中的氨氮和亚硝酸盐氮转化成氮气和少量的硝酸盐氮，该技术具有无需曝气、无需外加碳源、污泥产量小等优点，是极具发展潜力的自养生物脱氮技术之一，近年来受到业内广泛的关注，厌氧氨氧化技术与其他脱氮技术联合脱氮的工艺也逐渐成熟起来。短程硝化是厌氧氨氧化反应底物NO2 --N的产生途径之一，在氨氧化菌的作用下将NH4 +-N转化为NO2 --N，但此过程难以控制，尤其对于低氨氮的城市生活污水，短程硝化难以稳定维持，无法为厌氧氨氧化提供稳定的底物来源。因此，开发能够稳定产生NO2 --N的方法就显得至关重要。
短程反硝化工艺是一种快速且稳定的NO2 --N产生途径，此法将反硝化过程控制在NO2 --N阶段，阻止反硝化菌利用碳源将NO2 --N进一步还原为N2。与短程硝化相比，短程反硝化无需曝气，反应时间缩短50％以上，且反应过程易与控制，因此具有巨大的工程应用潜力。但是，在利用实际城市污水短程反硝化处理低浓度硝酸盐废水时，往往存在有机碳源利用率不足，亚硝酸盐积累率较低，反应不易控制等不足之处。
同时，厌氧氨氧化反应产生的NO3 --N也可以作为短程反硝化的底物，进一步降低出水的NO3 --N浓度。短程反硝化工艺具有重要的实际应用价值，故开发短程反硝化的装置与过程控制方法具有重要的意义。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种硝酸盐部分还原耦合氨氧化实现城市污水二级出水深度处理的装置及实时控制方法。该装置包括一套带有线参数传感器的序批式SBR反应器和一套计算机自控系统；过程控制方法则根据计算机内按照算法和规则计算得出的数据信号对反应器内短程反硝化过程进行实时调控，从而达到充分利用城市污水中有机碳源、获得更高亚硝酸盐积累的目的。
为了实现对硝酸盐部分还原耦合氨氧化深度处理城市污水二级出水这一过程的实时控制，本发明提供了以下装置：
(1)序批式SBR反应器；潜水搅拌器(1.1)；浮球液位计(1.2)；第一电磁排水阀(1.3)；第二电磁排水阀(1.4)；第三电磁排水阀(1.5)；第一排空阀(1.6)；COD浓度传感器(1.7)；硝酸盐浓度传感器(1.8)；氨氮浓度传感器(1.9)；多参数在线监测仪(1.10)；污水厂二级出水蓄水池(2)；第一进水泵(2.1)；第一溢流管(2.2)；第二排空管(2.3)；城市污水蓄水池(3)；第二进水泵(3.1)；第二溢流管(3.2)；第三放空管(3.3)；出水蓄水池(4)；第三溢流管(4.1)；第四放空管(4.2)；外碳源水箱(5)；外碳源投加泵(5.1)；PLC自动控制系统(6)；在线参数控制仪(6.1)；反应器运行控制器(6.2)；排水阀信号接收口(6.3)；在线参数信号接收口(6.4)；潜水搅拌器控制信号接收口(6.5)；(进水泵信号接收口6.6)；计算机(6.7)。
应用所述的装置对硝酸盐部分还原耦合氨氧化深度处理城市污水二级出水这一过程进行实时控制，其特征在于包括以下步骤：
(1)接种硝酸盐至亚硝酸盐转化率高于50％的短程反硝化污泥，使SBR反应器内污泥浓度为2500-5000mg/L。开启进水泵，进入含硝酸盐废水，硝酸盐浓度为10～30mg/L，进水20-30min、关闭进水泵，开启搅拌器，缺氧搅拌150-240min，关闭搅拌器，静置沉淀30-45min、排水20-35min、闲置25-40min、上清液排水比为40％-60％。
(2)利用传感器每5min在线采集反应器中COD浓度α、NH4+-N浓度β、NO3--N浓度θ；利用在线流量监测器采集第一进水泵的流量Q1、第二进水泵的流量Q2；SBR反应器的有效容积记为V，当前排水比记为P；所采集的信号由在线参数监测仪和反应控制器的控制面板以数字信号进行显示，然后输入自控系统的计算机中，经设定过程控制程序进行数据处理和转换，以数值信号的形式输出。
(3)(2)中所述过程控制程序如下：
Ⅰ：记R1＝α/θ R2＝θ/β R3＝Q1/Q2 Q0＝Q1+Q2
其中，COD浓度为α、NH4 +-N浓度为β、NO3 --N浓度为θ，R1为进水过程反应器内COD与NO3 --N的质量浓度之比，R2为反应器内NO3 --N与NH4 +-N的质量浓度之比，R3为污水处理厂二级出水与城市污水的进水体积比，Q0为总进水量。
Ⅱ：如果计算所得的R1＜2.0，则将调整信号传递给第一进水泵和第二进水泵，提高第一进水泵的转速，或降低第二进水泵的转速，直到满足2.0＜R1＜3.5。如果R1＞3.5，降低第一进水泵的转速，或提高第二进水泵的转速，直到满足2.0＜R1＜3.5，如果计算得到的R1＝2.0或3.5，则不调控进水泵的转速，按照此时的转速继续进水。在此过程中，还必须满足Q0＜VP，保证反应器进水不过量；同时，考虑到城市污水与污水处理厂二级水质波动的情况，R3的数值应该满足1.0＜R3＜4.0。
Ⅲ：如果计算所得的R2＜1.0，则将调整信号传递给第二进水泵，提高第二进水泵的转速，增大城市污水的进水量，直到满足1.0＜R2＜1.8；如果R2＞1.8，则降低第二进水泵的转速，减少城市污水的进水量，直到满足1.0＜R2＜1.8。如果计算得到的R2＝1.0或1.8，则不调控进水泵的转速，按照此时的转速继续进水。
IV：如果按照所给算法计算输出的R1和R2参数不能同时满足设定范围，则优先满足R2设定值，在1.0＜R2＜1.8基础上，若R1小于或者等于2.0，则开启外碳源投加泵，2.0＜R1＜3.5时停止投加外碳源；若R1大于或者等于3.5，调用过程控制程序，在pH曲线上升第二峰值点结束反应。本调控过程一直持续到进水结束。
V：计算该周期内亚硝酸盐增加量与硝酸盐减少量的比值，若比值大于或者等于70％，则下一周期过程控制的R1、R2与本周期的R1、R2保持一致。若比值＜70％，则返回步骤I，控制程序的逻辑流程详见图1。
本发明的技术原理如下：
序批式SBR反应器设有COD在线传感器、硝酸盐在线传感器、氨氮在线传感器以及一套计算机自控系统。当短程反硝化过程处于运行阶段时，自动采集反应器内COD、NH4 +-N、NO3 --N的浓度以及进水泵的流量等数据，输入到自控系统的计算机内按照一定的算法进行计算，然后根据相应的规则输出反馈信号到进水泵和传感器的控制装置，对短程反硝化过程进行相应的调控，使短程反硝化过程和后续进行的厌氧氨氧化过程都能保持最佳的基质浓度，获得更高的亚硝酸盐积累率和总氮去除率。
本发明涉及的一种硝酸盐部分还原耦合氨氧化实现城市污水二级出水深度处理的装置及实时控制方法具有如下优点：
(1)与一般城市污水短程反硝化装置相比，本发明中涉及的装置在序批式SBR反应器内安装在线传感器，整个反应器由一套完整的计算机自动控制系统进行控制。在线传感器采集的数据输入计算机进行计算和规则之后输出反馈信号对短程反硝化过程进行自动调控，操作方便，易于实现。
(2)能够充分利用城市污水中的有机碳源，提高了短程反硝化过程亚硝酸盐的产生效率，有利于后续的厌氧氨氧化反应，运行费用低。
(3)本发明装置实时采集COD、硝酸盐、氨氮以及进水流量信号，根据进水水质实时调整流量，系统抵抗进水水质冲击负荷的能力大大增强。
附图说明
图1是控制程序的逻辑流程图。
图2是硝酸盐部分还原耦合氨氧化实现城市污水二级出水深度处理的装置结构示意图。
图3是具体实施方式工艺的时间控制图。
具体实施方式
进水从城市污水蓄水池(3)、污水处理厂二级出水蓄水池(2)、(5)外碳源水箱通过第一进水泵(2.1)和第二进水泵(3.1)泵入序批式SBR反应器(1)；进水过程中，COD浓度传感器(1.7)和硝酸盐浓度传感器(1.8)以及氨氮浓度传感器(1.9)在线采集对应的化学信号，输入到多参数在线监测仪(1.10)，再通过在线参数信号接收口(6.4)输入(6.1)在线参数控制仪并由(6.7)计算机处理计算，根据计算结果调控第一进水泵(2.1)和第二进水泵(3.1)以及(5.1)外碳源进水泵的转速；当反应器内的水位达到预设水位时，浮球液位计(1.2)将信号传回(5.2)反应器运行控制器，关闭第一进水泵(2.1)和第二进水泵(3.1)；进水结束后，反应器运行控制器(6.2)通过潜水搅拌器控制信号接收口(6.5)启动潜水搅拌器(1.1)，开始缺氧/厌氧搅拌；搅拌阶段结束后，潜水搅拌器(1.1)停止运行，进行静置沉淀；静置沉淀结束之后，反应器运行控制器(6.2)通过(6.3)排水阀信号接收口打开电磁排水阀(1.3)或(1.4)或(1.5进行排水，将上清液排出至出水蓄水池(4)。当反应器内水位下降到预设水位时，自动关闭排水阀，反应器进入闲置状态，等待开始下一周期。
利用上述装置对硝酸盐部分还原耦合氨氧化深度处理城市污水二级出水进行实时控制，具体步骤如下：
城市污水蓄水池中的水取自北京市某污水处理厂的粗格栅出水，其水质如下：COD79mg/L～212mg/L：NH4 +-N 19mg/L～58mg/L；NO2 --N<0.2mg/L；NO3 --N 0.1mg/L～0.67mg/L；污水处理厂二级出水蓄水池取自该污水处理厂的好氧池末端出水，其水质如下：COD6.7mg/L～18.4mg/L：NH4 +-N 0.15mg/L～1.13mg/L；NO2 --N<0.1mg/L；NO3 --N13.8mg/L～35.7mg/L；
(1)接种硝酸盐至亚硝酸盐转化率高于50％的短程反硝化污泥，使SBR反应器内污泥浓度为2500-5000mg/L。开启进水泵，进入含硝酸盐废水，硝酸盐浓度为10～30mg/L，进水25min、关闭进水泵，开启搅拌器，缺氧搅拌180min，关闭搅拌器，静置沉淀40min、排水25min、闲置30min、上清液排水比为40％-60％，接种短程反硝化污泥之后，序批式SBR反应器内初始亚硝酸盐积累率为50％。
(2)利用传感器每5min在线采集反应器中COD浓度α、NH4+-N浓度β、NO3--N浓度θ；利用在线流量监测器采集第一进水泵的流量Q1、第二进水泵的流量Q2；SBR反应器的有效容积记为V，当前排水比记为P；所采集的信号由在线参数监测仪和反应控制器的控制面板以数字信号进行显示，然后输入自控系统的计算机中，经设定过程控制程序进行数据处理和转换，以数值信号的形式输出。
(3)(2)中所述过程控制程序如下：
Ⅰ：记R1＝α/θ R2＝θ/β R3＝Q1/Q2 Q0＝Q1+Q2
其中，COD浓度为α、NH4 +-N浓度为β、NO3 --N浓度为θ，R1为进水过程反应器内COD与NO3 --N的质量浓度之比，R2为反应器内NO3 --N与NH4 +-N的质量浓度之比，R3为污水处理厂二级出水与城市污水的进水体积比，Q0为总进水量。
Ⅱ：如果计算所得的R1＜2.0，则将调整信号传递给第一进水泵和第二进水泵，提高第一进水泵的转速，或降低第二进水泵的转速，直到满足2.0＜R1＜3.5。如果R1＞3.5，降低第一进水泵的转速，或提高第二进水泵的转速，直到满足2.0＜R1＜3.5，如果计算得到的R1＝2.0或3.5，则不调控进水泵的转速，按照此时的转速继续进水。在此过程中，还必须满足Q0＜VP，保证反应器进水不过量；同时，考虑到城市污水与污水处理厂二级水质波动的情况，R3的数值应该满足1.0＜R3＜4.0。
Ⅲ：如果计算所得的R2＜1.0，则将调整信号传递给第二进水泵，提高第二进水泵的转速，增大城市污水的进水量，直到满足1.0＜R2＜1.8；如果R2＞1.8，则降低第二进水泵的转速，减少城市污水的进水量，直到满足1.0＜R2＜1.8。如果计算得到的R2＝1.0或1.8，则不调控进水泵的转速，按照此时的转速继续进水。
IV：如果按照所给算法计算输出的R1和R2参数不能同时满足设定范围，则优先满足R2设定值，在1.0＜R2＜1.8基础上，若R1小于或者等于2.0，则开启外碳源投加泵，2.0＜R1＜3.5时停止投加外碳源；若R1大于或者等于3.5，调用过程控制程序，在pH曲线上升第二峰值点结束反应。本调控过程一直持续到进水结束。
V：计算该周期内亚硝酸盐增加量与硝酸盐减少量的比值，若比值大于或者等于70％，则下一周期过程控制的R1、R2与本周期的R1、R2保持一致。若比值＜70％，则返回步骤I，控制程序的逻辑流程详见图1。
长期试验结果表明：
硝酸盐部分还原耦合氨氧化城市污水二级出水深度处理的装置能够稳定运行，安装的计算机自动控制系统能够对该反应过程进行实时控制，充分利用城市污水中的有机碳源，使序批式SBR反应器内短程反硝化反应和后续厌氧氨氧化过程基质浓度保持在最佳状态，使亚硝酸盐的产生效率从刚接种的平均50％提高到平均70％以上，并稳定运行7天以上。出水COD小于20mg/L，NO3 --N小于5mg/L。
以上对本发明所提供的一种硝酸盐部分还原耦合氨氧化实现城市污水二级出水深度处理的装置及实时控制方法进行了详细介绍，本文中应用具体个例对本发明的原理及实施方法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之初、处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种利用城市污水碳源实现原位硝酸盐部分还原耦合厌氧氨氧化的装置，其特征在于包括：污水处理厂二级出水蓄水池(2)和城市污水蓄水池(3)分别通过第一进水泵(2.1)、第二进水泵、外碳源进水泵以及进水管与序批式SBR反应器(1)进行连接；序批式反应器通过电磁排水阀、排空阀(1.6)和出水管与出水蓄水池(4)连接；整个序批式SBR反应器的运行由PLC自动控制系统(6)进行调控；
在序批式SBR反应器(1)内设有COD浓度传感器(1.7)、硝酸盐浓度传感器(1.8)、氨氮浓度传感器(1.9)；上述传感器在线采集的数据经导线传递到多参数在线监测仪(1.10)，然后通过在线参数信号(6.4)接收口传入在线参数控制仪(6.1)进行收集，在线参数控制仪(6.1)连接输入计算机(6.7)进行规则和计算；计算机连接反应器运行控制器(6.2)。
2.应用权利要求1所述装置实现过程控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)接种硝酸盐至亚硝酸盐转化率高于50％的短程反硝化污泥，使SBR反应器内污泥浓度为2500-5000mg/L；开启进水泵，进含硝酸盐废水，硝酸盐浓度为10～30mg/L，进水20-30min、关闭进水泵，开启搅拌器，缺氧搅拌150-240min，关闭搅拌器，静置沉淀30-45min、排水20-35min、闲置25-40min、上清液排水比为40％-60％；
(2)利用传感器每5min在线采集反应器中COD浓度α、NH4 +-N浓度β、NO3 --N浓度θ；利用在线流量监测器采集第一进水泵的流量Q1、第二进水泵的流量Q2；SBR反应器的有效容积记为V，当前排水比记为P；所采集的信号由在线参数监测仪和反应控制器的控制面板以数字信号进行显示，然后输入自控系统的计算机中，经设定过程控制程序进行数据处理和转换，以数值信号的形式输出；
所述过程控制程序如下：
Ⅰ：记R1＝α/θ R2＝θ/β R3＝Q1/Q2 Q0＝Q1+Q2
其中，COD浓度为α、NH4 +-N浓度为β、NO3 --N浓度为θ，R1为进水过程反应器内COD与NO3 --N的质量浓度之比，R2为反应器内NO3 --N与NH4 +-N的质量浓度之比，R3为污水处理厂二级出水与城市污水的进水体积比，Q0为总进水量；
Ⅱ：如果计算所得的R1＜2.0，则将调整信号传递给第一进水泵和第二进水泵，提高第一进水泵的转速，或降低第二进水泵的转速，直到满足2.0＜R1＜3.5；如果R1＞3.5，降低第一进水泵的转速，或提高第二进水泵的转速，直到满足2.0＜R1＜3.5，如果计算得到的R1＝2.0或3.5，则不调控进水泵的转速，按照此时的转速继续进水；在此过程中，还必须满足Q0＜VP，保证反应器进水不过量；同时，考虑到城市污水与污水处理厂二级水质波动的情况，R3的数值应该满足1.0＜R3＜4.0；
Ⅲ：如果计算所得的R2＜1.0，则将调整信号传递给第二进水泵，提高第二进水泵的转速，增大城市污水的进水量，直到满足1.0＜R2＜1.8；如果R2＞1.8，则降低第二进水泵的转速，减少城市污水的进水量，直到满足1.0＜R2＜1.8；如果计算得到的R2＝1.0或1.8，则不调控进水泵的转速，按照此时的转速继续进水；
IV：如果计算输出的R1和R2参数不能同时满足设定范围，则优先满足R2设定值，在1.0＜R2＜1.8基础上，若R1小于或者等于2.0，则开启外碳源投加泵，2.0＜R1＜3.5时停止投加外碳源；若R1大于或者等于3.5，调用过程控制程序，在pH曲线上升第二峰值点结束反应；本调控过程一直持续到进水结束；
V：计算该周期内亚硝酸盐增加量与硝酸盐减少量的比值，若比值大于或者等于70％，则下一周期过程控制的R1、R2与本周期的R1、R2保持一致；若比值＜70％，则返回步骤I。
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