CN109912132B

CN109912132B - 一种调控溶解氧实现n2o减量的实时控制装置及其使用方法

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Publication number: CN109912132B
Application number: CN201910309952.4A
Authority: CN
Inventors: 张淼; 王一鑫; 於蒙
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2039-04-17
Also published as: CN109912132A

Abstract

本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种调控溶解氧实现N₂O减量的实时控制装置及其使用方法。本发明在反应装置各个阶段均放置DO传感器，于A²/O装置进行厌氧缺氧反应，通过气体流量计、气相色谱仪实时监测N₂O的释放情况；再经好氧与BCO处理后进行沉淀，分别取得上清液和沉淀污泥，上清液进入出水水箱，沉淀污泥定期排放；采用全程DO传感器，实时监测N₂O并控制溶氧量，掌握反应过程中N₂O的排放规律。本发明通过调控全程溶解氧的含量，改善脱氮楚磷性能，厌氧区溶解氧低于0.2mg/L，缺氧区溶解氧低于0.5mg/L时总N2O的排放放量最少，过长时间的曝气又会使得硝酸盐富集,增加N2O的排放量。

Description

一种调控溶解氧实现N2O减量的实时控制装置及其使用方法

技术领域

本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种调控溶解氧实现N₂O减量的实时控制装置及其使用方法。

背景技术

在环境科学研究中，特别是在全球气候变化领域（Global Climate Change），N₂O通常被称为氧化亚氮，是一种温室气体（Greenhouse Gas），具有温室效应（GreenhouseEffect），加剧全球变暖（Global Warming），是《京都议定书》规定的6种温室气体之一。N₂O在大气中的存留时间长，并可输送到平流层，导致臭氧层破坏，引起臭氧空洞，使人类和其它生物暴露在太阳紫外线的辐射下，对人体皮肤、眼睛、免疫系统造成损害。

与二氧化碳相比，虽然N₂O在大气中的含量很低，属于痕量气体（trace gas）但其单分子增温潜势却是二氧化碳的298倍（IPCC，2007）；对全球气候的增温效应在未来将越来越显著，N₂O浓度的增加，已引起科学家的极大关注。对这一问题的研究，正在深入进行。

大气N₂O的重要来源之一是农田生态系统，在土壤中，N₂O是由硝化、反硝化微生物产生，人们向农田中施入过量氮肥，促进微生物活动，通过硝化、反硝化过程（nitrification and denitrification）使氮素转化为N₂O。污水生物脱氮硝化和反硝化过程也会引起氧化亚氮的排放，溶解氧的限制、亚硝酸盐的积累和羟胺的氧化都是导致氧化亚氮产生的原因，同步的脱氮除磷过程中硝酸盐的聚集也会影响脱氮除鳞的效果。

同时各类实时控制装置出现的运行不稳定，调控反馈时间过长的问题也经常出现，本装置重在调控其中某一变量，实现实时调控的可持续性以及反应的快速性。

发明内容

本发明主要针对当前污水处理中N₂O排放的问题，调控总溶解氧的量比较N₂O的产生，并在此基础上构建一套实时控制系统，通过在线传感器与可编程逻辑控制器（PLC）应用于污水处理工艺中，来确定工艺参数、优化运行方案、预测运行中可能出现的问题及采取的防止措施，为城镇污水处理厂的提标改造和优化运行给予理论基础和技术支持。

本发明的技术方案如下：

一种调控溶解氧实现N₂O减量的实时控制装置，其特征是，包括原水水箱、A²/O 反应器、中间沉淀池、中间水箱、BCO反应器、出水水箱、气相色谱仪、计算机、鼓风机；所述A²/O反应器由厌氧区、缺氧区、吹脱池和好氧区串联组成，所述BCO反应器包括生物接触氧化池、沉淀区；

所述原水水箱与厌氧区相连，所述好氧区与所述中间沉淀池相连；所述中间沉淀池的底部通过污泥回流泵连接至厌氧区底部，所述中间沉淀池顶部出水口与中间水箱相连，所述中间水箱与生物接触氧化池相连，所述沉淀区的出水口与出水水箱相连，所述出水水箱通过硝化液回流泵连接至缺氧区底部；

所述厌氧区、缺氧区、好氧区、生物接触氧化池内均设有DO传感器，所述出水水箱内设有NO₃ ^--N传感器、NO₂ ^--N传感器，所述DO传感器、NO₃ ^--N传感器、NO₂ ^--N传感器分别与计算机相连，所述鼓风机分别通过流量计、流量控制阀与吹脱池、好氧区、生物接触氧化池底部设置的曝气头相连，所述计算机分别与各流量控制阀相连；所述吹脱池顶部、好氧区顶部、生物接触氧化池顶部分别设有集气袋，所述集气袋分别与气相色谱仪相连。

优选地，所述集气袋与气相色谱仪之间分别设有流量计。

优选地，所述吹脱池底部连接有N₂瓶，所述吹脱池顶部的集气袋与N₂瓶相连，保证吹脱池的吹脱气体N₂为可循环利用。

优选地，所述吹脱池顶部的集气袋连接有气体液化器，将N₂O液化进入流量计，多余的N₂循环利用。

优选地，所述厌氧区、缺氧区都设有搅拌桨。

上述一种调控溶解氧实现N₂O减量的实时控制装置的使用方法，其特征是，包括以下步骤：

1）在原水水箱中通入一定量的人工配水，人工配水经进水泵与中间沉淀池回流的污泥一起打入A²/O反应器的厌氧区，通过搅拌桨开始厌氧反应；反硝化聚磷菌利用人工配水中的易降解有机物合成PHAs，去除了大多数有机物，也促进了人工配水中磷的释放，通过DO传感器检测厌氧区的含氧量；

2）厌氧反应结束后，经缺氧区开始缺氧反应，此步是重要的脱氮过程又因该过程须在缺氧情况下进行，所以缺氧区的DO传感器要检测缺氧区的含氧量；

3）缺氧反应结束后先引入吹脱池，气相色谱仪利用集气口、集气袋、气体流量计检测反硝化阶段产生的N₂O；

4）步骤3）结束，开启鼓风机，因为此前为缺氧反应，此时好氧开始阶段整个反应器中会出现溶解氧激增的情况，此处的DO传感器检测A²/O反应过程好氧区DO浓度，气相色谱仪通过集气口、集气袋、气体流量计实时监测反应前半段N₂O的释放情况；

5）好氧反应结束，经过中间沉淀池，污泥从中间沉淀池底部经污泥回流泵打回厌氧区；上清液经中间水箱、进水泵进入反应后半段BCO反应区的生物接触氧化池；

6）生物接触氧化池设有DO传感器、曝气头与流量计，因生物接触氧化池都为好氧硝化反应，故底部的曝气头、流量计都与鼓风机、流量控制阀连接，并连接至计算机；同时为了监测该区域内的N₂O的释放量，气相色谱仪利用在生物接触氧化池顶部设有N₂O的集齐口、集气袋、气体流量计，实时监测该反应段内的N₂O的排放量；

7）根据各DO传感器采集到的信号，气相色谱仪测出的N₂O的通量，通过计算机运算输出传至流量控制阀，再通过流量控制阀调节各流量计的读数，改变曝气头通入好氧区、吹脱池、生物接触氧化池的氧气量，以改变整个反应过程的溶解氧量，进一步优化整个反硝化脱氮除磷。

本发明的创新点在于：在反应装置各个阶段均放置DO传感器，于A²/O装置进行厌氧缺氧反应，通过气体流量计、气相色谱仪实时监测N₂O的释放情况；再经好氧与BCO处理后进行沉淀，分别取得上清液和沉淀污泥，上清液进入出水水箱，沉淀污泥定期排放；采用全程DO传感器，实时监测N₂O并控制溶氧量，掌握反应过程中N₂O的排放规律。

本发明通过调控全程溶解氧的含量，改善脱氮楚磷性能，厌氧区溶解氧低于0.2mg/L，缺氧区溶解氧低于0.5mg/L时总N2O的排放放量最少，过长时间的曝气又会使得硝酸盐富集,增加N2O的排放量。本发明的有益效果具体如下：

1）可调控的溶解氧量，能在一定程度上优化反硝化除磷效率；

2）可在一定程度上优化低碳源脱氮除鳞的效果；

3）减少硝化反硝化过程温室气体N₂O的排放，为实际处理污水节能减排的运行提供参考；

4）传感器在线监测指标浓度以及反应进程，便于实时调整运行参数，节能减排，优化系统运行效果；

5）在线实时控制，提高装置的实用性和可控性，灵活性高，操作简单，维护管理方便。

附图说明

图1为本发明的实时控制装置示意图；

图中：1-原水水箱；2-A²/O 反应器；3-中间沉淀池；4-中间水箱；5-BCO反应器；6-出水水箱；7-进水泵；8-中间水箱进水泵；9-厌氧区；10-缺氧区；11-好氧区；12-生物接触氧化池；13-沉淀区；14-搅拌桨；15-DO传感器；16-集气口Ⅰ；17-集气袋Ⅰ；18-流量计Ⅰ；19-气相色谱仪；20-计算机；21-在线控制箱Ⅰ（流量控制阀）；22-硝化液回流泵；23-污泥回流泵；24-曝气头；25-鼓风机；26-流量计Ⅳ；27-流量计Ⅴ；28-在线控制箱Ⅱ（流量控制阀）；29-在线控制箱Ⅲ（流量控制阀）；30-吹脱池；31-集气口Ⅱ；32-集气袋Ⅱ；33-流量计Ⅱ；34-流量计Ⅲ；35-集气袋Ⅲ；36- NO₃ ^--N传感器；37- NO₂ ^--N传感器；38-N₂瓶；39气体液化器。

具体实施方式

如图1所示，一种调控溶解氧实现N₂O减量的实时控制装置，A²/O反应器2由厌氧区9、缺氧区10、吹脱池30和好氧区11串联组成。原水水箱1通过进水泵7，将人工配水打入A²/O反应器2，当缺氧反应接触后先引入吹脱池30，吹脱池底部连接有N₂瓶，吹脱池30的吹脱气体为可循环利用的N2, 在A²/O的集气袋后连接气体液化器39，将N₂O液化进入流量计，多余的N2循环利用，反应过程通过DO传感器15对反应全程进行实时控制系统在线监测，生物接触氧化池12中的沉淀区13连接出水水箱6再经硝化液回流泵22打回A² _/O反应器2中的缺氧区10。

A²/O反应器2的厌氧区9、缺氧区10都设有搅拌桨14、DO传感器15，反硝化液在好氧区11经曝气头24曝气后流入中间沉淀池3，在通过DO传感器15对A²/O各个反应区实时监控，同时在吹脱池30和好氧区11设有N₂O的收集口、集气袋、流量计最后到气相色谱仪19。

中间沉淀池3的污泥通过污泥回流泵23连接至厌氧区9底部，出水进入中间水箱4，通过中间提升泵8打入生物接触氧化池5，生物接触氧化池均设有DO传感器15、N₂O集气口、集气袋、流量计连接至气相色谱仪19，A²/O上层清夜经过生物接触氧化池5在沉淀区13沉淀后上层清夜流入出水水箱6。出水箱6接有NO₃ ^--N传感器36、NO₂ ^--N传感器37并连接至计算机20。A²/O与BCO反应器中均设有DO传感器15，便于实时监测全过程中各反应区内的溶解氧。

A²/O与BCO反应器设有N₂O收集系统，由集气口、集气袋、气体流量计以及气相色谱仪19顺序连接组成，实时监测N₂O的释放情况。实时控制系统通过在线控制箱21、28、29（三个流量控制阀）连接鼓风机、曝气头、流量计和计算机20，各传感器采集各区溶解氧信号，通过计算机20对各DO传感器信号的分析，调节在线控制箱21、28、29串联鼓风机的转速与通入的氧气量调节整个反应装置总溶解氧量，并一定程度上优化脱氮除鳞的目的。

本发明装置的处理工艺主要包括以下步骤：

1）原水水箱1中，通入一定量的人工配水（C/N=3-9）（浓度比），人工配水经进水泵7与中间沉淀池3回流的污泥一起打入A²/O反应器2的厌氧区9，污泥回流比100%，消化液回流300%，通过搅拌桨14开始厌氧反应，厌氧反应时间1.5 h，污泥浓度5000 mg/L；反硝化聚磷菌利用人工配水中的易降解有机物合成PHAs，去除了大多数有机物，也促进了人工配水中磷的释放，通过DO传感器检测厌氧区的含氧量。

2）厌氧反应结束后，经缺氧区开始缺氧反应，缺氧反应时间5.0 h；此步是重要的脱氮过程又因该过程须在缺氧情况下进行，所以DO传感器要重点检测缺氧区10的含氧量；

3）缺氧反应结束经过好氧区11缺氧后产生的氧化亚氮经吹脱池吹起后再进入好氧池。开启鼓风机，开始好氧反应，好氧反应时间0.8 h，好氧开始阶段因为此前为缺氧反应此时整个反应器中会出现溶解氧激增的情况，此处的DO传感器决定了A²/O反应过程内最终释放的DO量，通过集气口Ⅰ16、集气袋（17，35）、气体流量计（18，34）以及气相色谱仪19顺序连接组成，实时监测反应前半段N₂O的释放情况。

4）缺氧反应接触后先引入吹脱池30，设有集气口Ⅱ31、集气袋Ⅱ32、气体流量计Ⅱ33、气相色谱仪19，用于检测反硝化阶段产生的N₂O。

5）好氧反应结束，经过中间沉淀池3，上清液经中间水箱、进水泵8进入反应后半段BCO反应区5，排水比70%，污泥从中间沉淀池3底部经污泥回流泵23打回厌氧区9。

6）BCO反应器都设有DO传感器15、曝气头24与流量计27，因生物接触氧化池都为好氧硝化反应故底部的曝气头、流量计都与鼓风机在线控制器连接，并连接至中央计算机，同时为了监测该区域内的N₂O的释放量在顶部设有N₂O的集齐口16、集气袋35、气体流量计34以及气相色谱仪19，实时监测该反应段内的N2O的排放量。

7）步骤3）、6）中，都设有曝气头24、流量计、在线控制器与鼓风机并最终连接至计算机20。

8）根据各DO传感器采集到的信号，气相色谱仪19测出的N₂O的通量，通过计算机20运算输出，传至在线控制器再通过在线控制器（21、28、29）调节流量计的读数改变曝气头24通入A²O、、吹脱池、BCO的氧气量以改变整个反应过程的溶解氧量，进一步优化整个反硝化脱氮除磷。

本发明中采用人工配水，主要水质特征如下：COD（400.5+20.5）mg/L，TN（39.6+7.2）mg/L， NH4+-N(20.3+6.5)mg/L，TP(6.5 + 0.5)mg/L。厌氧1.5 h，缺氧5.0 h，好氧0.8h，生物接触氧化0.5h,控制好氧段溶解氧在1.2mg/L-9.5mg/L。沿程测得厌氧区9溶解氧低于0.2mg/L，缺氧区10溶解氧低于0.5mg/L，曝气阶段溶解氧在2.4mg/L-3.2mg/L时N₂O的测量值最少，占所脱氮的比的2.2%，COD（18.2+5.4）mg/L，TN（4.5+1.2）mg/L， NH4+-N0.1mg/L，TP(0.3+ 0.2)mg/L。而全程溶解氧低于0.1mg/L或高于4.0mg/L时N₂O的测量值可达到所脱氮比的8.2%。

实施例1

人为控制原水水箱1中的C/N为3，通过计算机20的输出，得到实时控制变量。当流量计Ⅰ、Ⅱ、ⅠⅡ不断增大时，增大原水水箱C/N配比为5，并减小硝化液回流比至200%或减小好氧区的曝气量至3.2mg/L。

实施例2

NO₃ ^--N传感器36、NO₂ ^--N传感器37在线采集出水水箱6中的NO₃ ^--N、NO₂ ^--N浓度，通过计算机20的输出，得到实时控制变量。当NO₃ ^--N+NO₂ ^--N浓度≥9mg/L时，延长缺氧区反应时间至6h或减少曝气量至1.6mg/L；当NO₃ ^--N+NO₂ ^--N浓度≤4mg/L时，恢复原先缺氧区时长5.0h。

实施例3

气体流量计Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、气相色谱仪19实时监测N₂O的排放量，结合NO₃ ^--N传感器36、NO₂ ^--N传感器37、DO传感器15，通过计算机20的输出，得到实时控制变量。当DO传感器检测厌氧区9溶解氧量≥0.2mg/L（好氧区11溶解氧量≥3.2mg/L）时降低好氧区与生物接触氧化池5曝气量至2.2mg/L；当流量计Ⅱ读数上升时，开启流量计增加好氧区11或生物接触氧化池5的曝气量至3.2mg/L。

以上内容是结合具体的试验实施方式对本发明所做的进一步详细说明，便于该领域技术人员更好的理解和应用本发明，不能认为本发明的具体实施方式只限于这些，因此该领域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。

Claims

1.一种调控溶解氧实现N₂O减量的实时控制装置，其特征是，包括原水水箱（1）、A²/O 反应器（2）、中间沉淀池（3）、中间水箱（4）、BCO反应器（5）、出水水箱（6）、气相色谱仪（19）、计算机（20）、鼓风机（25）；所述A²/O反应器（2）由厌氧区（9）、缺氧区（10）、吹脱池（30）和好氧区（11）串联组成，所述BCO反应器包括生物接触氧化池（12）、沉淀区（13）；

所述原水水箱（1）与厌氧区（9）相连，所述好氧区（11）与所述中间沉淀池（3）相连；所述中间沉淀池（3）的底部通过污泥回流泵（23）连接至厌氧区（9）底部，所述中间沉淀池（3）顶部出水口与中间水箱（4）相连，所述中间水箱（4）与生物接触氧化池（12）相连，所述沉淀区（13）的出水口与出水水箱（6）相连，所述出水水箱（6）通过硝化液回流泵（22）连接至缺氧区（10）底部；

所述厌氧区（9）、缺氧区（10）、好氧区（11）、生物接触氧化池（12）内均设有DO传感器，所述出水水箱（6）内设有NO₃ ^--N传感器、NO₂ ^--N传感器，所述DO传感器、NO₃ ^--N传感器、NO₂ ^--N传感器分别与计算机相连，所述鼓风机（25）分别通过流量控制阀、流量计与吹脱池、好氧区、生物接触氧化池底部设置的曝气头相连，所述计算机分别各流量控制阀相连；所述吹脱池（30）顶部、好氧区（10）顶部、生物接触氧化池（12）顶部分别设有集气袋，所述集气袋分别与气相色谱仪（19）相连；

所述吹脱池底部连接有N₂瓶，所述吹脱池顶部的集气袋与N₂瓶相连，保证吹脱池的吹脱气体N₂为可循环利用；吹脱池顶部的集气袋连接有气体液化器（39），将N₂O液化进入流量计，多余的N2循环利用。

2.根据权利要求1所述的一种调控溶解氧实现N₂O减量的实时控制装置，其特征是，所述集气袋与气相色谱仪之间分别设有流量计。

3.根据权利要求1所述的一种调控溶解氧实现N₂O减量的实时控制装置，其特征是，所述厌氧区、缺氧区都设有搅拌桨。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种调控溶解氧实现N₂O减量的实时控制装置的使用方法，其特征是，包括以下步骤：

1）在原水水箱（1）中通入一定量的人工配水，人工配水经进水泵（7）与中间沉淀池（3）回流的污泥一起打入A²/O反应器的厌氧区（9），通过搅拌桨（14）开始厌氧反应；反硝化聚磷菌利用人工配水中的易降解有机物合成PHAs，去除了大多数有机物，也促进了人工配水中磷的释放，通过DO传感器检测厌氧区的含氧量；

3）缺氧反应接触后先引入吹脱池，气相色谱仪利用集气口、集气袋、气体流量计检测反硝化阶段产生的N₂O；

4）步骤3）结束，开启鼓风机，因为此前为缺氧反应，此时好氧开始阶段整个反应器中会出现溶解氧激增的情况，此处的DO传感器检测A²/O反应过程好氧区的DO浓度，气相色谱仪通过集气口、集气袋、气体流量计实时监测反应前半段N₂O的释放情况；

6）生物接触氧化池设有DO传感器、曝气头与流量计，因生物接触氧化池都为好氧硝化反应，故底部的曝气头、流量计都与鼓风机、流量控制阀连接，并连接至计算机；同时为了监测该区域内的N₂O的释放量，气相色谱仪利用在生物接触氧化池顶部设有N₂O的集气口、集气袋、气体流量计，实时监测该反应段内的N₂O的排放量；

7）根据各DO传感器采集到的信号，气相色谱仪测出的N₂O的通量，通过计算机运算输出传至流量控制阀，再通过流量控制阀调节各流量计的读数，改变曝气头通入好氧区、生物接触氧化池的氧气量，以改变整个反应过程的溶解氧量，进一步优化整个反硝化脱氮除磷。