CN110127848A - 一种短程生物脱氮除磷系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短程生物脱氮除磷系统及其控制方法，属于污水处理技术领域。短程生物脱氮除磷系统包括依次串联的厌氧区、缺氧区、好氧中供气区、好氧低供气区和好氧高供气区，所述好氧低供气区安装有搅拌机；所述好氧高供气区与二沉池相连接，所述二沉池底部通过管道与进水总管相连接，所述管道上设有污泥回流泵，所述二沉池上部与出水总管相连接；所述好氧低供气区的末端设有内回流泵，所述内回流泵与缺氧区的启端相连接。本发明好氧池的供气量分中、低、高三个分区供气方式，在低供气区后设置短停留时间的高供气区，很好地解决了短程硝化反硝化必须控制在低DO浓度条件下，然而聚磷菌须在高DO浓度条件下方能完成对磷的吸收的这一矛盾。
Description
技术领域
本发明涉及一种短程生物脱氮除磷系统及其控制方法，属于污水处理技术领域。
背景技术
由于大量使用化肥及排放各类污水，已造成许多湖泊，河流水体氮磷严重污染造成水体富营养化，水体的富营养化是当今社会面临的重大环境问题之一，经济而有效的控制水体富营养化已经成为亟待解决的环境问题，而污水的脱氮除磷可以有效防治水体富营养化。污水的生物处理正在朝着高效、低能耗的方向发展，短程硝化可以节约曝气能耗，传统的A2O生物除磷脱氮工艺中，短程硝化反硝化必须控制在低DO浓度条件下，然而聚磷菌须在高DO浓度条件下方能完成对磷的吸收，从而产生了矛盾。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种短程生物脱氮除磷系统及其控制方法，好氧池的供气量分中、低、高三个分区供气方式，在低供气区后设置短停留时间的高供气区，很好地解决了短程硝化反硝化必须控制在低DO浓度条件下，然而聚磷菌须在高DO浓度条件下方能完成对磷的吸收的这一矛盾。
为解决上述技术问题，本发明提供一种短程生物脱氮除磷系统，其特征是，包括依次串联的厌氧区、缺氧区、好氧中供气区、好氧低供气区和好氧高供气区，所述厌氧区、缺氧区和好氧低供气区均安装有搅拌机；所述好氧高供气区与二沉池相连接，所述二沉池底部通过管道与进水总管相连接，所述管道上设有污泥回流泵，所述管道还与排放剩余污泥的管道连接，所述二沉池上部与出水总管相连接；所述好氧低供气区的末端设有内回流泵，所述内回流泵与缺氧区的启端相连接。
优选地，所述好氧中供气区、好氧低供气区和好氧高供气区从供气总管分别接出供气干管，在供气干管上分别安装电动调节阀，以调节好氧各分区的供气比率。
优选地，所述好氧低供气区DO控制在0.2~0.8mg/L范围，好氧高供气区DO控制在2~3 mg/L范围。
优选地，所述供气总管与鼓风机相连接，所述供气总管上安装有空气流量计，所述鼓风机的总供气量由变频拖动，并受PLC控制。
优选地，所述内回流泵的内回流比>4，且内回流比通过PLC控制实现连续调节。
优选地，所述内回流泵为堰口出流风叶水泵。
优选地，所述搅拌机为双向环流搅拌机。
优选地，所述厌氧区设有一个单元格，所述缺氧区设有三个单元格，所述好氧中供气区设有两个单元格，所述好氧低供气区设有三个单元格，所述好氧高供气区设有一个单元格。
优选地，所述好氧低供气区和好氧高供气区各安装有DO仪，所述缺氧区安装有氨氮仪、pH仪、温度在线仪，所述好氧低供气区安装有硝酸盐在线仪，所述好氧高供气区安装有污泥浓度仪；所述进水总管上安装有COD、总氮、氨氮在线仪和进水流量计；所述出水总管上安装有COD、总氮、氨氮在线仪；安装污泥回流泵的管道上设有污泥回流流量计。
本发明还提供一种基于上述短程生物脱氮除磷系统的控制方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）启动初采用污水厂二沉池浓缩污泥，初期几天不进水，定时直接添加碳酸铵，提高水中氨氮浓度和碱度，以满足氨氧化菌的生长环境；
（2）启动污泥回流泵，使活性污泥进入依次串联的厌氧区、缺氧区、好氧中供气区、好氧低供气区和好氧高供气区；
（3）启动各搅拌机和内回流泵，维持好氧低供气区DO控制在0.2~0.8mg/L范围，好氧高供气区DO控制在2~3 mg/L范围；调节内回流泵的内回流比>4；
（4）打开进水泵阀门连续进水，监测出水和内回流水质的COD、NH4 +-N、NO2 --N、NO3 --N的值；
（5）当水温低于18℃时，减少系统每日的剩余污泥的排放量，提高系统中活性污泥浓度。
优选地，步骤（3）中，所述好氧低供气区和好氧高供气区通过鼓风机供气，PLC根据DO仪的实时测量值，通过电动调节阀实时调节好氧低供气区和好氧高供气区的DO值。
优选地，所述鼓风机的总供气量是由PLC根据进水COD、总氮、氨氮浓度、进水流量、活性污泥浓度计算而获得，PLC每2小时计算一次，并向鼓风机发出控制指令；同时指令发出15分钟后，PLC也会根据DO仪的浓度来微调修正总供气量，此后，PLC每15分钟修正一次。
优选地，步骤（5）中，所述活性污泥浓度与温度的关系，由PLC通过进出水COD、总氮、氨氮浓度、污水日处理量、活性污泥浓度、水温参数计算得到温度与生化反应速率的关系，并根据生化反应速率计算获得低温时的活性污泥浓度。
本发明所达到的有益效果：
1、在好氧段采用分区供气来控制DO浓度，好氧池的供气量分中、低、高三个分区供气方式，好氧低供气区DO控制在0.2~0.8mg/L范围，好氧高供气区DO控制在2~3 mg/L范围，在低供气区后设置短停留时间的高供气区，在好氧段三区DO浓度呈现“两低一高”特征，两个低DO浓度区可稳定实现短程生物脱氮，而高DO浓度区又保证了生物除磷特性的实现，从而解决了短程硝化反硝化必须控制在低DO浓度条件下，然而聚磷菌须在高DO浓度条件下方能完成对磷的吸收的这一矛盾。为维持好氧低供气区的低DO浓度特征，安装搅拌机，来满足混合搅拌功能的需求。
2、本发明采用超大内回流比（内回流比>4），超大内回流比对总氮出水浓度降低是通过降低混合液进入好氧段时的氨氮浓度实现的，超大内回流使得污水有机碳随回流多次经过缺氧好氧环境，提高了有机碳的可生物降解性，从而增加了原污水碳源的利用率。同时，出水总氮浓度可远远低于现行国家排放标准，这一结果是在利用原污水低C/N比（不添加碳源）情况下实现的，大大降低了污水处理厂运行成本，一方面节省能耗约30%，同时实现总氮的高去除率。
3、短程生物脱氮的氨氧化优势菌群形成后，因系统中亚硝酸氧化菌群数量大幅较少，使系统具备耐高DO浓度冲击影响，冲击忍耐时长可达数小时，乃至数十小时，使得低DO控制变得非常容易实现。
4、温度对短程生物脱氮的影响，仅仅表现在生物反应速率上，在实际应用时，可提高活性污泥浓度来抵消低温带来的生物反应速率降低的影响，从而提升系统生物反应能力。当水温低于18℃时，减少系统每日的剩余污泥的排放量，提高系统中活性污泥浓度，来适应冬季环境温度低的不利影响，确保出水达标。
附图说明
图1是本发明短程生物脱氮除磷系统的结构示意图；
图2是启动阶段的监测数据；
图3是温度对总氮去除的影响；
图4是DO浓度与亚硝酸盐积累率的关系；
图5是内回流比对出水总氮的影响。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种短程生物脱氮除磷系统，包括依次串联的厌氧区3、缺氧区4、好氧中供气区5、好氧低供气区6和好氧高供气区7，所述厌氧区3、缺氧区4和好氧低供气区6安装有搅拌机10，所述搅拌机10为双向环流搅拌机，该机既可保证单元格搅拌无死角，同时，又可实现单元格表面流低流速，从而减少了表面流的充氧量。
所述好氧高供气区7通过出水管8与二沉池9相连接，所述二沉池9底部通过管道与进水总管18相连接，所述管道上设有污泥回流泵14，污泥回流比0~50%连续可调。所述管道还与排放剩余污泥的管道连接，所述二沉池9上部与出水总管19相连接。活性污泥采用二沉池9进行泥水分离，通过设置在污泥回流泵房（井）内的污泥回流泵14保证A2O生物反应器微生物量，同时排放剩余污泥。进水总管18与进水泵房1连接，进水泵房1内设有进水泵2。
所述好氧低供气区6的末端设有内回流泵12，所述内回流泵12与缺氧区4的启端相连接，用于将好氧低供氧区6的末端的混合液回流到缺氧区4的启端，所述内回流泵12的内回流比>4，且内回流比通过PLC控制实现连续调节。所述内回流泵12为堰口出流风叶水泵，该水泵可最大限度的降低出水跌落充氧现象，同时，取消了止回阀，从而降低了能量消耗。
所述好氧中供气区5、好氧低供气区6和好氧高供气区7从供气总管分别接出供气干管，在供气干管上分别安装电动调节阀11，以调节好氧各分区的供气比率。通过DO仪的实时测量值实时调节，以保证各好氧区的溶解氧控制在要求范围内。所述供气总管与鼓风机15相连接，所述供气总管上安装有空气流量计13，所述鼓风机15的总供气量由变频拖动，并受PLC控制，能实时调节总供气量。
试验控制停留时间通过在各区设置不同的单元格实现。试验控制总停留时间为12~16小时，每一个单元格1~2小时。具体设置为：所述厌氧区3设有一个单元格，所述缺氧区4设有三个单元格，所述好氧中供气区5设有两个单元格，所述好氧低供气区6设有三个单元格，所述好氧高供气区7设有一个单元格。各单元的分格在满足进出水不断流要求时，仅仅满足同水位导流要求即可。
检测仪器设置：所述好氧低供气区6和好氧高供气区7各安装有DO仪，所述缺氧区4安装有氨氮仪、pH仪、温度在线仪，所述好氧低供气区6安装有硝酸盐在线仪，所述好氧高供气区7安装有污泥浓度仪；所述进水总管18上安装有COD、总氮、氨氮在线仪和进水流量计16；所述出水总管19上安装有COD、总氮、氨氮在线仪；安装污泥回流泵14的管道上设有污泥回流流量计17。所有动力设备由一台PLC自动控制。
本发明还提供一种基于上述的短程生物脱氮除磷系统的控制方法，包括以下步骤：
（1）启动初采用污水厂二沉池浓缩污泥，初期几天不进水，定时直接添加碳酸铵，提高水中氨氮浓度和碱度，以满足氨氧化菌的生长环境。
（2）启动污泥回流泵，使活性污泥进入依次串联的厌氧区、缺氧区、好氧中供气区、好氧低供气区和好氧高供气区。
（3）启动各搅拌机和内回流泵，维持好氧低供气区DO控制在0.2~0.8mg/L范围，不适合低DO环境的微生物发生自溶现象，水质发生浑浊，自溶的微生物补充混合液碳源、磷等氨氧化菌繁殖所需的营养。好氧高供气区DO控制在2~3 mg/L范围，满足聚磷菌对磷酸盐的吸收要求。调节内回流泵的内回流比>4，可提高原污水的碳源可利用率，同时实现总氮的高去除率。
所述好氧低供气区和好氧高供气区通过鼓风机供气，在总供气量满足需要的情况下，PLC根据DO仪的实时测量值，通过电动调节阀实时调节好氧低供气区和好氧高供气区的DO值。所述鼓风机的总供气量是由PLC根据进水COD、总氮、氨氮浓度、进水流量、活性污泥浓度计算而获得，PLC每2小时计算一次，并向鼓风机发出控制指令；同时指令发出15分钟后，PLC也会根据DO仪的浓度来微调修正总供气量，此后，PLC每15分钟修正一次。
（4）打开进水泵阀门连续进水，监测出水和内回流水质的COD、NH4 +-N、NO2 --N、NO3 --N的值。
图2为启动阶段的监测数据。采用常规A2O工艺的污泥进行氨氧化菌的富集成优势菌群，需半月左右实现。图2显示启动第12天时，亚硝酸盐的累积率已大于80%，说明氨氧化菌富集基本完成，试验证明短程生物脱氮的实现，仅通过控制供气量调整及各分区的供气比率的调整，来精准控置好氧池的DO值即可。
（5）当水温低于18℃时，减少系统每日的剩余污泥的排放量，提高系统中活性污泥浓度。所述活性污泥浓度与温度的关系，通过进出水COD、总氮、氨氮浓度、污水日处理量、活性污泥浓度、水温参数计算得到温度与生化反应速率的关系，并根据生化反应速率计算获得低温时的活性污泥浓度。
实施例1、温度对总氮去除的影响
图3是不同环境温度情况下的出水总氮（TN）和亚硝酸氮的积累情况，三条试验数据自10~12月。试验发现：温度对短程硝化反硝化的影响非常有限，其主要表现在影响生物反应速率上，这与生物反应普遍规律吻合。在3个温度段的出水TN和亚硝化积累试验数据均获得了令人满意的结果，但温度低于15度时生物反应速率明显降低，出水TN浓度上升。系统连续数日减少剩余污泥排放量后，系统活性污泥浓度（MLSS浓度）从2140mg/L增加到3250mg/L，出水TN浓度回到原先状态，出水TN稳定5~6mg/L。在城市污水处理厂实际运行中，通常对温度是无法控制的，可通过调整MLSS浓度来适应冬季环境温度低的不利影响，确保出水达标。
实施例2、溶解氧（DO）的影响
图4是DO浓度与亚硝酸盐积累率关系。经过2个月稳定运行的一次高DO冲击实验数据。冲击时长16小时，冲击DO浓度在1.2~2.0mg/L之间，实验发现：16小时的冲击，没有破坏氨氧化菌优势菌群，冲击期间系统亚硝酸盐积累率仍然处在大于80%区间。
实施例3、内回流比的影响
混合回流比（又称：内回流比R1），设计规范和工程实践中通常采用200%~400%。在A2O工艺流程中，进水TN中所含的有机氮和氨氮在缺氧段可能部分改变其存在形态，但不会改变其所产生的TN含量，氨氮和有机氮主要在好氧段反应中转化亚硝酸盐和硝酸盐。并在缺氧段仅通过反硝化反应将TN中亚硝酸盐和硝酸盐去除。
如果忽略内回流水中氨氮浓度（通常<1mg/L）, 根据物料恒算，可知进入好氧区混合液中氨氮浓度约为进水氨氮浓度被内回流稀释成1/(1+R1)，这时的氨氮被好氧反应生成的硝态氮将是出水TN的主要组成部分。
图5为不同内回流比与出水TN浓度的对比曲线。曲线显示：内回流比直接影响TN的去除率。通过试验发现：一、超大内回流比对TN出水浓度降低是通过降低混合液进入好氧段时的氨氮浓度实现的。二、超大内回流使得污水有机碳随回流多次经过缺氧好氧环境，提高了有机碳的可生物降解性，从而增加了原污水碳源的利用率。
实施例4、好氧段分区供气对短程生物脱氮稳定性影响
生物除磷和脱氮功能是A2O工艺的最大优点，然而，短程生物脱氮须控制DO在低浓度状态，方能形成稳定的氨氧化菌(AOB)优势菌群，而聚磷菌的吸收磷又需要高DO，二者之间产生了矛盾。本发明在好氧段采用分区供气方案来解决，方案将好氧段分成中供气区、低供气搅拌区、高供气3个区域。
设置在好氧段的前半段（3格好氧单元）的中供气区，此处的各项水质指标相对都很高，氨氧化耗氧速率最大，不管供气量的多大，该区的DO浓度都始终处在0.5mg/L以下，该现象主要由于供氧速率小于生物耗氧速率而形成的，因而，在该区域对DO进行监控是没有意义的。
在低供气搅拌区的供气控制是实现短程生物脱氮的关键环节。经过中供气区的氧化，大部分（或全完成）氨氮已经氧化成亚硝酸盐，仅有小部分氨氧化需要在本区进行，因此，本区的需气量变化最大，需气量最小时可为零（自控系统会将总供气量降低），通过曝气来实现的混合搅拌功能就丧失，为此，本区需增加搅拌机。该区在在线DO仪连续跟踪混合液溶解氧浓度，通过PLC自动调节供气量，确保DO控制在0.2~0.8mg/L之间。
好氧段前两个区占好氧段容积的83%（占总容积的50%），是短程生物脱氮的关键监控区域。实际监测和控制1/3的好氧的低供气量，低DO浓度区。
好氧段高供气区（高氧区）设在A2O工艺的末端，该区占总池容的10%。设置该区域是为了满足聚磷菌对磷酸盐的吸收要求。在该区试验给以高供气量，迅速将混合液的溶解氧浓度提高到2~3 mg/L左右。在该区发现存在亚硝酸盐氧化菌氧化现象，但因在该区的停留时间很短，亚硝酸盐氧化菌氧化现象并没有破坏系统氨氧化菌成为优势菌群的稳定。全系统仍然处于短程生物脱氮状态，且具有除磷功能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种短程生物脱氮除磷系统，其特征是，包括依次串联的厌氧区、缺氧区、好氧中供气区、好氧低供气区和好氧高供气区，所述厌氧区、缺氧区和好氧低供气区均安装有搅拌机；所述好氧高供气区与二沉池相连接，所述二沉池底部通过管道与进水总管相连接，所述管道上设有污泥回流泵，所述管道还与排放剩余污泥的管道连接，所述二沉池上部与出水总管相连接；所述好氧低供气区的末端设有内回流泵，所述内回流泵与缺氧区的启端相连接。
2.根据权利要求1所述的一种短程生物脱氮除磷系统，其特征是，所述好氧中供气区、好氧低供气区和好氧高供气区从供气总管分别接出供气干管，在供气干管上分别安装电动调节阀，以调节好氧各分区的供气比率。
3.根据权利要求1所述的一种短程生物脱氮除磷系统，其特征是，所述好氧低供气区DO控制在0.2~0.8mg/L范围，好氧高供气区DO控制在2~3 mg/L范围。
4.根据权利要求2所述的一种短程生物脱氮除磷系统，其特征是，所述供气总管与鼓风机相连接，所述供气总管上安装有空气流量计，所述鼓风机的总供气量由变频拖动，并受PLC控制。
5.根据权利要求1所述的一种短程生物脱氮除磷系统，其特征是，所述内回流泵的内回流比>4，且内回流比通过PLC控制实现连续调节。
6.根据权利要求1所述的一种短程生物脱氮除磷系统，其特征是，所述内回流泵为堰口出流风叶水泵。
7.根据权利要求1所述的一种短程生物脱氮除磷系统，其特征是，所述搅拌机为双向环流搅拌机。
8.根据权利要求1所述的一种短程生物脱氮除磷系统，其特征是，所述厌氧区设有一个单元格，所述缺氧区设有三个单元格，所述好氧中供气区设有两个单元格，所述好氧低供气区设有三个单元格，所述好氧高供气区设有一个单元格。
9.根据权利要求1所述的一种短程生物脱氮除磷系统，其特征是，所述好氧低供气区和好氧高供气区各安装有DO仪，所述缺氧区安装有氨氮仪、pH仪、温度在线仪，所述好氧低供气区安装有硝酸盐在线仪，所述好氧高供气区安装有污泥浓度仪；所述进水总管上安装有COD、总氮、氨氮在线仪和进水流量计；所述出水总管上安装有COD、总氮、氨氮在线仪；安装污泥回流泵的管道上设有污泥回流流量计。
10.一种基于权利要求1-9中任意一项所述的短程生物脱氮除磷系统的控制方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）启动初采用污水厂二沉池浓缩污泥，初期几天不进水，定时直接添加碳酸铵，提高水中氨氮浓度和碱度，以满足氨氧化菌的生长环境；
（2）启动污泥回流泵，使活性污泥进入依次串联的厌氧区、缺氧区、好氧中供气区、好氧低供气区和好氧高供气区；
（3）启动各搅拌机和内回流泵，维持好氧低供气区DO控制在0.2~0.8mg/L范围，好氧高供气区DO控制在2~3 mg/L范围；调节内回流泵的内回流比>4；
（4）打开进水泵阀门连续进水，监测出水和内回流水质的COD、NH4 +-N、NO2 --N、NO3 --N的值；
（5）当水温低于18℃时，减少系统每日的剩余污泥的排放量，提高系统中活性污泥浓度。
11.根据权利要求10所述的基于短程生物脱氮除磷系统的控制方法，其特征是，步骤（3）中，所述好氧低供气区和好氧高供气区通过鼓风机供气，PLC根据DO仪的实时测量值，通过电动调节阀实时调节好氧低供气区和好氧高供气区的DO值。
12.根据权利要求11所述的基于短程生物脱氮除磷系统的控制方法，其特征是，所述鼓风机的总供气量是由PLC根据进水COD、总氮、氨氮浓度、进水流量、活性污泥浓度计算而获得，PLC每2小时计算一次，并向鼓风机发出控制指令；同时指令发出15分钟后，PLC也会根据DO仪的浓度来微调修正总供气量，此后，PLC每15分钟修正一次。
13.根据权利要求10所述的基于短程生物脱氮除磷系统的控制方法，其特征是，步骤（5）中，所述活性污泥浓度与温度的关系，由PLC通过进出水COD、总氮、氨氮浓度、污水日处理量、活性污泥浓度、水温参数计算得到温度与生化反应速率的关系，并根据生化反应速率计算获得低温时的活性污泥浓度。
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| CN210163206U (zh) * | 2019-06-19 | 2020-03-20 | 太仓市捷宏节能环保科技有限公司 | 一种短程生物脱氮除磷系统 |
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