CN111217449A - 基于精准控制氧气输入的污水处理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于精准控制氧气输入的污水处理装置，包括反应器本体、第一水泵、第二水泵以及控制两个水泵的控制单元，反应器本体的底部设置活性污泥，还包括推动反应器本体内污水循环流动形成空气‑水界面扰动和氧气浓度差的第一扰动装置，第一扰动装置与控制单元相连，为提高污水处理效果，还可在本装置上设置对反应器本体内污水表面形成空气‑水界面扰动和氧气浓度差的第二扰动装置；本申请还提供了一种基于精准控制氧气输入的污水处理装置的污水处理方法，实现了精确控制传输氧气量约等于理论需要量，确保好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的高活性，有效抑制亚硝酸盐氧化菌的活性，最终保证了长期、稳定、高效的污水脱氮效果。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种基于精准控制氧气输入的污水处理装置及方法。
背景技术
随着人口的增长和人们生活水平的提高导致大量氨氮排放到水体中，氨氮是导致水体富营养化的主要污染物之一，水体富营养化频繁引发公共安全事件，消减氨氮及总氮排放是我国水环境保护的主要难题之一。常用的消减氨氮及总氮的工艺为生物脱氮技术，以硝化--异养反硝化为基础，以氧气为电子受体通过好氧氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌将废水中的氨氮逐步氧化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，然后以有机碳为电子供体通过异养反硝化将硝酸盐氮逐步还原为氮气从废水中去除，这种工艺需要消耗大量的氧气和有机碳，导致其经济性不高。
厌氧氨氧化工艺作为一种新型的自养生物脱氮技术，不需要氧气和有机物，能够以污水中氨氮和亚硝酸盐氮为底物将其转化为氮气去除，其中，氨氮和亚硝酸盐氮的比例为1：1.3左右时，氨氮和亚硝酸盐氮的去除效果最好。一般污废水中的氮以氨氮为主，亚硝酸盐含量很低，所以厌氧氨氧化反应需要结合部分亚硝化反应，通过好氧氨氧化菌将大约57％的氨氮氧化为亚硝酸盐氮，一体式部分亚硝化--厌氧氨氧化工艺将亚硝化和厌氧氨氧化结合在一起，在同一个反应器中实现，和传统的硝化--异养反硝工艺相比，一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺能够减少63％的氧气需求(通过曝气提供)、100％的有机碳消耗和80％的污泥产量，是一种非常有前景的生物脱氮技术。
一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺需要保证厌氧氨氧化菌和好氧氨氧化菌活性的同时，抑制亚硝酸盐氧化菌的活性，对于曝气的适当控制是实现一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺高效稳定运行的关键之一。氧气是和好氧氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的必需物，同时也是厌氧氨氧化菌的抑制物。实际运行中，不当的曝气会破坏反应器中微生物间的平衡，导致反应器脱氮效率下降，甚至反应器的崩溃：过高的曝气会促进亚硝酸盐氧化菌生长，抑制厌氧氨氧化菌，导致硝酸盐积累；过低的曝气降低好氧氨氧化菌的活性，导致氨氮的积累。
现行的一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器中常采用传统的曝气手段为反应器中的好氧氨氧化菌等提供氧气，传统的曝气装置通常由风机、管道、阀门、扩散器、控制设备等组成，风机将空气压缩并将压缩空气通过管道、扩散器输送至反应器的污水中，使压缩空气溶解于污水中形成溶解氧，微生物，如好氧氨氧化菌，利用溶解氧进行氧化氨氮和亚硝酸盐氮的活动；控制设备通常由在线监测传感器(用于监测氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、溶解氧等的浓度以及pH、氧化还原电位等)、仪表、分布控制装置(接收来自仪表的信号和发出控制指令)及流量计等组成，控制装置通过监测反应器中的溶解氧、氧化还原电位、氮浓度、pH等指标间接评估曝气量的大小以及与曝气需求的关系，进而通过调节曝气流量等调节曝气量。曝气控制设备分析传感器发送的信号并发送指令到空气阀门等调控曝气速率，然后再根据传感器发送的信号执行打开、关小或者关停阀门等动作。
然而这种使用传统曝气手段的一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺依赖于复杂的控制设备和算法，并不总是可靠和可控的。一方面是因为间接估计得到的曝气量和曝气需求的大小关系总是和实际情况有一定差距；另一方面，这种估计依赖于多种在线传感器的可靠性，而传感器的可靠性在实际运行中并不能得到保证，尤其是现行传感器对低浓度的氨氮浓度测定的可靠性不能保证，这会影响对氧气输入的控制。所以实际运行中的一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器，不能根据需求准确供应曝气是一大困难，导致曝气量与曝气需求量总是存在差距，处理效果的下降。根据对实际运行中采用传统曝气手段的一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器运行情况的调研，30％的反应器经历过持续数天至数星期的氨氮积累(曝气量<曝气需求量)，50％的反应器经历过持续数天的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的积累(曝气量>曝气需求量)。总的来说，使用传统的曝气手段的一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化装置存在的缺点有：不对脱氮的理论需氧量及实际氧气输入量进行测定评估，不能精准控制供氧量来满足需氧量，氧气供应控制的可靠性得不到保证，需要复杂的供应及监测控制设备等。
发明内容
本发明的目的在于解决了一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器中曝气量总是与曝气需求量存在差距的问题，还解决了如何测定去除氨氮的理论需氧量以及如何精准控制氧气输入量使其大致等于理论需氧量，在保证好氧氨氧化菌活性的同时，抑制亚硝酸盐氧化菌的活性，减少对厌氧氨氧化菌的抑制，进而保证稳定高效的脱氮效果，提供了一种基于精准控制氧气输入的污水处理装置及方法。
为实现上述目的，本申请提供了一种基于精准控制氧气输入的污水处理装置，包括反应器本体、第一水泵、第二水泵以及控制所述第一水泵和所述第二水泵的控制单元，所述反应器本体的底部设置活性污泥，还设置了推动所述反应器本体内污水循环流动形成空气-水界面扰动和氧气浓度差的第一扰动装置，所述第一扰动装置与所述控制单元相连。
作为本申请的进一步改进，还包括设置在所述反应器本体内污水表面形成空气-水界面扰动和氧气浓度差的第二扰动装置。
作为本申请的进一步改进，所述第一扰动装置由第三水泵和与所述第三水泵相连使所述反应器本体内上部污水循环导入所述反应器本体底部的管道组成。
作为本申请的进一步改进，所述第二扰动装置为设在与所述第三水泵相连的出水管道的路径上并将部分循环污水喷淋到所述反应器本体内污水表面的喷淋装置。
作为本申请的进一步改进，所述喷淋装置至少为1个。
作为本申请的进一步改进，所述反应器本体为圆筒形。
为实现上述目的，本申请还提供了一种基于精准控制氧气输入的污水处理装置的污水处理方法，包括如下步骤：
S1、计算待处理污水的理论需氧量：首先，测量所述待处理污水中的氨氮浓度和所述待处理污水的体积，计算所述待处理污水中的总氨氮质量；其次，根据亚硝化反应中氨氮与氧气反应的计量关系，计算消耗掉所述待处理污水中57％的氨氮所需要的氧气质量，即为理论需氧量，亚硝化反应中消耗掉氨氮的化学反应方程式如公式1：
S2、建立处理步骤S1中所述待处理污水的第一扰动装置的调节参数、第二扰动装置的调节参数和实际氧气输入量之间的数学关系：首先，实际氧气输入量的计算方程式如公式2：
实际氧气输入量，
其中，Cs表示待处理污水的饱和溶解氧浓度，Ct表示待处理污水在t时间时的溶解氧浓度，C0表示待处理污水在0时间时的溶解氧浓度，V为待处理污水的体积，kLa表示待处理污水的氧传质系数；其次，根据实际氧气输入量的方程式推导并计算所述待处理污水的氧传质系数，计算方程式如公式3：
根据计算出的氧传质系数，再应用到公式2中，进一步推导出实际氧气传输量；根据已知参数应用回归分析法建立实际氧气输入量与第一扰动装置的调节参数和第二扰动装置的调节参数之间的数学逻辑关系；
S3、对步骤S1中的所述待处理污水进行处理：处理顺序依次包括进水阶段、反应阶段、闲置阶段和出水阶段；所述进水阶段中，将所述待处理污水导入底部已接种好氧氨氧化菌、厌氧氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌的反应器本体中；所述反应阶段中，于恒定温度下，按照步骤S2中计算的第一扰动装置的调节参数和第二扰动装置的调节参数设定置于所述反应器本体中的所述待处理污水的第一扰动装置的调节参数值和第二扰动装置的调节参数值。
作为本申请的进一步改进，所述进水阶段的时间为5min，所述反应阶段的时间为340min，所述闲置阶段的时间为10min，所述出水阶段的时间为5min。
作为本申请的进一步改进，所述反应阶段中，所述恒定温度为30℃。
作为本申请的进一步改进，所述第一扰动装置由第三水泵和与所述第三水泵相连的管道组成，第二扰动装置为设在与所述第三水泵相连的出水管道的路径上，应用回归分析法建立实际氧气输入量与第一扰动装置的调节参数和第二扰动装置的调节参数之间的数学逻辑关系，所述数学逻辑关系为公式4：
实际氧气输入量,mgO2/d＝-214.6+351.1eA+2.8eB+1555eA+B 公式4，
其中，
C为污水循环速率，单位为mL/min，S 为污水喷淋速率，单位为mL/min。
本申请的有益效果在于，设计了一种基于精准控制氧气输入的污水处理装置，包括反应器本体、第一水泵、第二水泵以及控制所述第一水泵和所述第二水泵的控制单元，所述反应器本体的底部设置活性污泥，还设置了推动所述反应器本体内污水循环流动形成空气-水界面扰动和氧气浓度差的第一扰动装置，所述第一扰动装置与所述控制单元相连，为提升含高氨氮污水的处理效果还可设置在所述反应器本体内污水表面形成空气-水界面扰动和氧气浓度差的第二扰动装置。针对该装置，还提供了一种基于精准控制氧气输入的污水处理方法，这种污水处理方法能精确控制传输氧气量约等于理论需要量，确保氧气被全部利用而不会在污水中积累，亚硝化反应之后污水中的含氧量对厌氧氨氧化菌活性的抑制作用被降至最低，亚硝酸盐氧化菌因为得不到充足氧气和亚硝酸盐氮而受到抑制，确保好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的高活性，有效抑制亚硝酸盐氧化菌的活性，最终保证了长期、稳定、高效的脱氮效果。
附图说明
图1为基于精准控制氧气输入的污水处理装置结构图；
图2为基于精准控制氧气输入的污水处理方法脱氮原理示意图；
图中：1、反应器本体；2、第一水泵；3、第二水泵；4、控制单元；5、活性污泥；6、第一扰动装置；7、第二扰动装置；8、管道；9、第三水泵；10、喷淋装置。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了在保证好氧氨氧化菌高活性的同时，抑制亚硝酸盐氧化菌的活性，减少对厌氧氨氧化菌的抑制，进而保证稳定高效的脱氮效果，提供了一种基于精准控制氧气输入的污水处理方法及装置。
本申请中，如图1所示，提供了一种基于精准控制氧气输入的污水处理装置，包括反应器本体1、第一水泵2、第二水泵3以及控制所述第一水泵2和所述第二水泵3的控制单元4，所述反应器本体1的底部设置活性污泥5，还设置了推动所述反应器本体1内污水循环流动形成空气-水界面扰动和氧气浓度差的第一扰动装置6，所述第一扰动装置6与所述控制单元4相连；进一步的，所述活性污泥5的形态可以为絮状污泥、颗粒污泥、固定在载体表面的生物膜或固定在载体内的污泥等；所述控制单元4优选为可编程逻辑控制器。本申请中，针对高浓度的氨氮污水，仅靠第一扰动装置6无法提供足够的氧气时，还可增加在所述反应器本体1内污水表面形成空气-水界面扰动和氧气浓度差的第二扰动装置7。
本申请中，针对基于精准控制氧气输入的污水处理装置，还提供了一种基于精准控制氧气输入的污水处理方法，包括如下步骤：
S1、计算待处理污水的理论需氧量：首先，测量所述待处理污水中的氨氮浓度和所述待处理污水的体积，计算所述待处理污水中的总氨氮质量；其次，根据亚硝化反应中氨氮与氧气反应的计量关系，计算消耗掉所述待处理污水中 57％的氨氮所需要的氧气质量，即为理论需氧量，亚硝化反应中消耗掉氨氮的化学反应方程式如公式1：
通过计算理论上去除污水中氨氮所需要的氧气量：去除1mg氨态氮需要 1.94mg的氧气；
S2、建立处理步骤S1中所述待处理污水的第一扰动装置6的调节参数、第二扰动装置7的调节参数和实际氧气输入量之间的数学关系：首先，向反应器中注入待处理污水，不接种微生物，在和实际运行同等条件下(温度、污水体积等)测定饱和溶解氧浓度，设定不同的第一扰动装置6的调节参数和第二扰动装置7的调节参数，测定每组污水第一扰动装置6的调节参数和第二扰动装置7的调节参数下的氧传质系数kLa(溶氧的速率)，kLa可以按照以下步骤计算得出，实际氧气输入量的计算方程式如公式2：
实际氧气输入量，
其中，Cs表示待处理污水的饱和溶解氧浓度，Ct表示待处理污水在t时间时的溶解氧浓度，C0表示待处理污水在0时间时的溶解氧浓度，V为待处理污水的体积，kLa表示待处理污水的氧传质系数；其次，根据实际氧气输入量的方程式推导并计算所述待处理污水的氧传质系数，计算方程式如公式3所示：
根据公式3计算出的氧传质系数，再应用到公式2中，进一步推导出实际氧气传输量；
由此可知，针对该装置每组污水第一扰动装置6的调节参数和第二扰动装置7的调节参数均对应着一个氧传质系数，还能计算出一定时间内的实际氧气输入量，根据已知参数应用回归分析法建立出实际氧气输入量与第一扰动装置 6的调节参数和第二扰动装置7的调节参数之间的数学逻辑关系，最终，根据建立的所述待处理污水的实际氧气输入量与第一扰动装置6的调节参数和第二扰动装置7的调节参数之间的数学逻辑关系实现污水处理系统氧气输入量的精准控制。
S3、对步骤S1中的所述待处理污水进行处理：污水处理过程中，所述反应器本体运行可以为序批式、连续进水出水的连续式等；优选的，所述反应器按序批式反应器运行，所述反应器本体按照序批式反应器运行时，运行周期可以为任何时间周期。本申请中，所述反应器本体按照序批式反应器运行时，运行周期优选为6小时，处理顺序依次包括进水阶段、反应阶段、闲置阶段和出水阶段；优选的，所述进水阶段的时间为5min，反应阶段的时间为340min，所述闲置阶段的时间为10min，所述出水阶段的时间为5min；所述进水阶段中，将所述待处理污水导入底部已接种好氧氨氧化菌、厌氧氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌的反应器本体中；污水的循环和喷淋在反应阶段进行，所述反应阶段中，反应器优选为置于恒温状态下运行；进一步的，所述温度为30℃；反应阶段中，按照步骤S2中计算的污水循环速率和喷淋速率设定置于所述反应器本体中的所述待处理污水的循环速率值和喷淋速率值，进行污水处理。此外，该装置的污水处理方法，步骤S1的计算含氨氮污水的理论需氧量的思路以及步骤S2中的氧传质系数和实际氧气传输量的计算思路均可应用于各种第一扰动装置和第二扰动装置，而推导出公式4的思路也可以应用到各种第一扰动装置和第二扰动装置，具体根据影响第一扰动装置和第二扰动装置的操作参数设置并计算推导。
本申请中，还给出了一种污水处理装置的第一扰动装置6和第二扰动装置 7的具体结构实施例，如图1所示，所述第一扰动装置6由第三水泵9和与所述第三水泵9相连使所述反应器本体1内上部污水循环导入所述反应器本体1 底部的管道8组成，待处理污水的空气-水界面扰动和氧气浓度差是通过所述第三水泵9推动水流循环来实现的；所述第一扰动装置6也可以为机械搅拌等装置，当所述第一扰动装置6为机械搅拌装置时，需要安装在所述反应器本体1 的适当位置，推动水流循环，实现空气-水界面扰动和氧气浓度差。本申请中，所述第二扰动装置7可以为提高氧的传质系数的将污水喷淋在污水水面的喷淋装置，也可以为安装在污水水面的曝气器等。优选的，如图1所示，当所述第一扰动装置6由第三水泵9和与所述第三水泵9相连的管道8组成时，所述第二扰动装置7可以为设在与所述第三水泵9相连的出水管道的路径上并将部分循环污水喷淋到所述反应器本体1内污水表面的喷淋装置10；进一步的，所述喷淋装置10至少为1个。本申请中，所述反应器本体1的形状可以为圆筒形、方形等，优选的，所述反应器本体1为圆筒形时，优选具有较高的高径比(高度/直径)的圆筒，高径比可以减少污泥流失；进一步的，圆筒形所述反应器本体1的高径比为11.5，所述反应器本体1由丙烯酸塑料制备而成；进一步的，所述反应器本体1的有效容积为2.6L。
本申请中，污水中氧气的输入方式和传统的曝气方式不同，氧气从空气到污水的传质是通过在空气-水界面创造扰动和氧气浓度差来实现的，而在空气- 水界面创造扰动和氧气浓度差可以通过推动污水循环流动或在污水界面制造扰动来实现。本申请中，还具体提供了一种推动污水循环流动和在污水界面制造扰动的装置，如图1所示，该装置具体包括反应器本体1、第一水泵2、第二水泵3、可编程逻辑控制器以及与所述可编程逻辑控制器相连的第一扰动装置6 和第二扰动装置7，所述反应器本体1的底部设置活性污泥5，所述第一扰动装置6推动所述反应器本体1内污水循环流动，所述第一扰动装置6由第三水泵 9和与所述第三水泵9相连的管道8组成，所述第二扰动装置7为设在与所述第三水泵9相连的出水管道的路径上并将部分循环污水喷淋到所述反应器本体 1内污水表面的喷淋装置10，对于氧气输入量的精确控制则可通过调节装置中的第三水泵9的循环速率或喷淋装置10的喷淋速率来实现。针对该装置，本申请还详细提供了如何精准控制氧气输入的计算方法，如下所述：
建立待处理污水循环速率、喷淋速率和氧气输入量之间的数学关系：设定不同的污水循环速率和喷淋速率，测定每组污水循环速率和喷淋速率下的氧传质系数，具体根据公式2和公式3计算出待处理污水的氧传质系数，再应用到公式2中，进一步推导出实际氧气传输量；由此可知，针对该装置每组污水循环速率及喷淋速率均对应着一个氧传质系数，还能计算出一定时间内的实际氧气输入量，根据已知参数应用回归分析法建立实际氧气输入量与污水循环速率和喷淋速率之间的数学逻辑关系，这种数学逻辑关系具体为公式4：
实际氧气输入量,mgO2/d＝-214.6+351.1eA+2.8eB+1555eA+B 公式4
其中，
C为污水循环速率，单位为mL/min，S 为污水喷淋速率，单位为mL/min；最终，根据建立的所述待处理污水循环速率、喷淋速率和氧气输入量之间的数学关系实现污水处理系统氧气输入量的精准控制。
本申请中，反应阶段中，可以仅启动第三水泵9，利用第三水泵9推动污水循环流动，使反应器本体1内污水表面的空气-污水界面制造扰动和氧气浓度差，控制氧气输入，工作原理如下：空气中的氧气经由空气-污水界面扩散至反应器本体1上部中的污水中形成浓度较高的溶解氧，包含溶解氧的上部污水被第三水泵9输送至反应器本体1底部的活性污泥5中，活性污泥5中的好氧氨氧化菌利用溶解氧将57％的氨氮氧化成亚硝酸盐氮，剩下大约43％的氨氮和亚硝酸盐氮被厌氧氨氧化菌转化为氮气从污水中脱除。因此，反应器本体1底部污水中的溶解氧被全部消耗，然后因为污水的循环，反应器本体1底部不含溶解氧的污水上升至反应器本体1上部，在上部污水和空气间创造氧气浓度差，为空气中氧气向污水中的扩散提供驱动力。若进水氨氮浓度过高，仅靠第三水泵推动污水循环不足以提供足够的氧气，则可启动喷淋装置10，通过喷淋装置 10在空气-污水界面创造更多扰动，提高氧的传质系数，进而提高氧气的输入量，此外，还可在污水循环管路的支路上设置多个喷淋装置，已达到所需要的氧气输入量。
本申请中，发明原理主要为：通过调整污水处理中氧气的输入量，调控亚硝化反应和厌氧氨氧化反应的程度，实现高效的脱氮效果，如图2所示，因为厌氧氨氧化反应中需要的氨氮和亚硝酸盐氮的比例需被精确控制在1：1.3，才能被厌氧氨氧化菌去除而不会有氨氮和亚硝酸盐氮的积累，若使废水中的氨氮和亚硝酸盐氮的比例被精确控制在1：1.3，最简单的办法是结合亚硝化反应，在厌氧氨氧化反应之前先进行部分亚硝化反应，亚硝化反应中，好氧氨氧化细菌将大约57％的氨氮氧化成亚硝酸盐氮，剩下大约43％的氨氮时，废水中能实现氨氮和亚硝酸盐氮的比例被精确控制在1：1.3。为保证厌氧氨氧化反应的顺利进行，需要计算好氧氨氧化细菌将大约57％的氨氮氧化成亚硝酸盐氮所需要的氧量，称为理论需氧量，并精确控制传输至反应器中的氧气的量使其大约等于理论需氧量，确保绝大部分输入的氧气被好氧氨氧化细菌利用将大约57％的氨氮氧化成亚硝酸盐氮，剩下大约43％的氨氮和亚硝酸盐氮被厌氧氨氧化菌转化为氮气从污水中脱除，这种精确控制传输氧气量约等于理论需要量的工艺调控能保证氧气被全部利用而不会在污水中积累，亚硝化反应之后污水中的含氧量对厌氧氨氧化菌活性的抑制作用被降至最低，亚硝酸盐氧化菌因为得不到充足氧气和亚硝酸盐氮而受到抑制，好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的活性得到有效保护，亚硝酸盐氧化菌的活性被有效抑制，最终保证了长期、稳定、高效的脱氮效果。总之，在具体实施的过程中，需要计算待处理污水的理论需氧量及精准控制氧气输入量。
为验证本申请的优异效果，本申请还提供了一个具体的实施例，如下：
实验中，具体的推动污水循环流动和在污水界面制造扰动的装置，如图1 所示，包括反应器本体1、第一水泵2、第二水泵3、可编程逻辑控制器以及与所述可编程逻辑控制器相连的第一扰动装置6和第二扰动装置7，所述反应器本体1的底部设置活性污泥5，所述第一扰动装置6推动所述反应器本体1内污水循环流动，所述第一扰动装置6由第三水泵9和与所述第三水泵9相连的管道8组成，所述第二扰动装置7为设在与所述第三水泵9相连的出水管道的路径上并将部分循环污水喷淋到所述反应器本体1内污水表面的喷淋装置10，所述反应器本体1由丙烯酸塑料制备而成的圆筒形，有效容积为2.6L，高径比为11.5，待处理污水为模拟高氨氮浓度(200-300mgN/L)，低有机碳/氮比(化学需氧量与氮质量比为0.25)污水的人工合成污水，其成分配置如表一所示。
表一：人工合成污水组成成分表
实验具体操作如下：
(1)首先建立污水循环速率、喷淋速率、氧输入量间的数学关系。在不接种污泥的条件下，向反应器中注入2.6L人工合成污水，测定饱和溶解氧浓度，按照表二所示设定污水循环速率及喷淋速率，如表二所示，在室温条件下依据公式2和公式3计算不同污水循环速率和喷淋速率下的氧传质系数kLa，换算至 30℃时的kLa，再将氧传质系数应用到公式2中，进一步推导出实际氧气传输量，表二中所示的为设定污水循环速率和喷淋速率下每天的实际氧气传输量。
表二：为不同污水循环速率和喷淋速率条件下测得的氧传质系数kLa和计算所得的氧气传输量
然后，根据表二中的已知参数建立污水循环速率、喷淋速率和实际氧输入量间的数学关系，如公式4所示，依据公式4可计算达到一定氧气输入量所需要设计的污水循环速率及喷淋速率。
(2)运行反应器，验证基于精准控制氧气输入的污水处理装置的高效、稳定处理含高氨氮污水的可行性。将图1所示装置置于恒温箱中，使温度维持在 30℃，向反应器中接种1L取自别处一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器的污泥，使反应器中初始污泥浓度为1340mg VSS/L，其中VSS代表可挥发性悬浮物。按表三所示调节反应器的进水氨氮浓度、氨氮负荷率、设定污水循环速率和喷淋速率(设定值依据公式4计算得到)，验证一体式部分亚硝化--厌氧氨氧化系统在氧气输入量<需氧量(83-158、159-260天)、氧气输入量>需氧量(261-358天)、以及精准供氧(氧气输入量≈需氧量，1-82、359-431天)条件下的脱氮效果，结果如表三所示。
表三：基于精准控制氧气输入的污水处理装置的运行条件及脱氮效果
表三的连续污水处理实验结果表明：当氧气输入量<需氧量时：83-158天，氨氮去除率较低，导致总氮去除率仅有50％；159-260天，增加氧气输入量提高了氨氮去除率和总氮去除率，但受氧气供应限制，总氮去除率仅为64％。当氧气输入量>需氧量时(261-358天)，氨氮去除率和总氮去除率分别提高至96％和75％，但是因为氧气输入量超过需氧量，导致出水硝酸盐氮升高。精确控制氧气输入使氧气输入量≈需氧量时：1-82天，因为反应器启动期间的厌氧氨氧化菌活性较低，可维持总氮去除率在68％；359-431天，厌氧氨氧化菌活性有效提升，氨氮几乎被全部去除，去除率达到99％，总氮也高效去除，去除率>81％，接近理论上一体式部分亚硝化--厌氧氨氧化的最高去除率87％。反应器运行期间，厌氧氨氧化菌的活性从55mg N/L/d增加至821mg N/L/d，好氧氨氧化菌活性有效维持在233-448mgN/L/d，亚硝酸盐氧化菌的活性则被稳定控制在 287-322mg N/L/d，得到有效抑制。这些结果说明，通过精准控制氧气输入量等于理论需氧量，可以有效保护好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的活性，极大提升厌氧氨氧化菌的活性，同时有效抑制亚硝酸盐氧化菌的活性，从而保证长期、稳定、高效的脱氮效果。
综上所述，本申请提供了新的确定理论需氧量的方法，厌氧氨氧化反应中氨氮和亚硝酸盐氮的比例被控制在1：1.3时，好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的活性得到有效保护，亚硝酸盐氧化菌的活性被有效抑制，能得到长期、稳定、高效的脱氮效果，保证污水中氨氮和亚硝酸盐氮的比例被控制在1：1.3最有效的办法就是结合亚硝化反应，污水中的氨氮经过亚硝化反应，反应掉57％的氨氮时，恰好能保证污水中氨氮和亚硝酸盐氮的比例被控制在1：1.3，从而能根据待处理污水中氨氮的总质量和亚硝化反应中消耗掉氨氮的化学反应方程式确定理论需氧量，而氨氮总质量可以通过测定待测污水的氨氮浓度和体积计算而得，在此基础上，调节氧气输入量使其大约等于理论需氧量。
本申请中，最核心的技术在于能够精准控制氧气输入量，使其大约等于脱氮的理论需氧量，本申请中的氧气输入是通过在污水的空气-水界面创造扰动和氧气浓度差，从而使空气中的氧气进入污水中实现的，空气-水界面的扰动可以通过水流循环或者制造水面扰动实现，水流循环可通过水泵和管道实现，也可通过机械搅拌装置实现，制造水面扰动可以在水面设置喷淋装置或曝气器等。为实现精准控制氧气输入量，本申请还提供了一种基于精准控制氧气输入的污水处理装置，包括反应器本体1、第一水泵2、第二水泵3以及控制所述第一水泵2和所述第二水泵3的控制单元4，所述反应器本体1的底部设置活性污泥5，还设置了推动所述反应器本体1内污水循环流动形成空气-水界面扰动和氧气浓度差的第一扰动装置6，所述第一扰动装置6与所述控制单元4相连。该装置还可包括在所述反应器本体1内污水表面形成空气-水界面扰动和氧气浓度差的第二扰动装置7。
本申请中，针对该污水处理装置，还提供了一种基于精准控制氧气输入的污水处理装置的污水处理方法，尤其是基于所述第一扰动装置6为管道8和第三水泵9组成，所述第三水泵通过将所述反应器本体1内上部污水循环导入所述反应器本体1底部实现污水的循环流动，同时在与第三水泵9连接的出水管道上设置制造水面扰动的喷淋装置10，建立了污水循环速率或者喷淋速率和氧气输入量之间的数学关系，这个数学关系可以通过对氧传质系数、氧气输入量的直接测定与计算而得，根据该数学关系可以通过调控污水的循环速率和喷淋速率精准调控氧气输入量，实现氧气输入量大约等于理论需氧量，这种对氧气输入量的精准控制一方面能够保证反应器内功能菌群的长期稳定和平衡：在保证好氧氨氧化菌活性的同时，有效抑制亚硝酸盐氧化菌的活性，减少对厌氧氨氧化菌的抑制，进而保证稳定高效的脱氮效果；另一方面也减少了因过高的氧气输入造成的能源浪费。该装置结构简单、对氧气输入量的控制简单，不过多依赖检测系统及传感器，仅需检测进水氨氮浓度，尤其是针对高浓度氨氮污水时，传感器的检测效果更好。
以上仅结合目前考虑的最实用的优选实施例对本申请进行描述，需要理解的是，上述说明并非是对本申请的限制，本申请也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于精准控制氧气输入的污水处理装置，其特征在于，包括反应器本体(1)、第一水泵(2)、第二水泵(3)以及控制所述第一水泵(2)和所述第二水泵(3)的控制单元(4)，所述反应器本体(1)的底部设置活性污泥(5)，还设置了推动所述反应器本体(1)内污水循环流动形成空气-水界面扰动和氧气浓度差的第一扰动装置(6)，所述第一扰动装置(6)与所述控制单元(4)相连。
2.如权利要求1所述的基于精准控制氧气输入的污水处理装置，其特征在于，还包括设置在所述反应器本体(1)内污水表面形成空气-水界面扰动和氧气浓度差的第二扰动装置(7)。
3.如权利要求2所述的基于精准控制氧气输入的污水处理装置，其特征在于，所述第一扰动装置(6)由第三水泵(9)和与所述第三水泵(9)相连使所述反应器本体(1)内上部污水循环导入所述反应器本体(1)底部的管道(8)组成。
4.如权利要求3所述的基于精准控制氧气输入的污水处理装置，其特征在于，所述第二扰动装置(7)为设在与所述第三水泵(9)相连的出水管道的路径上并将部分循环污水喷淋到所述反应器本体(1)内污水表面的喷淋装置(10)。
5.如权利要求4所述的基于精准控制氧气输入的污水处理装置，其特征在于，所述喷淋装置(10)至少为1个。
6.如权利要求1所述的基于精准控制氧气输入的污水处理装置，其特征在于，所述反应器本体(1)为圆筒形。
7.一种根据权利要求2所述的基于精准控制氧气输入的污水处理装置的污水处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、计算待处理污水的理论需氧量：首先，测量所述待处理污水中的氨氮浓度和所述待处理污水的体积，计算所述待处理污水中的总氨氮质量；其次，根据亚硝化反应中氨氮与氧气反应的计量关系，计算消耗掉所述待处理污水中57％的氨氮所需要的氧气质量，即为理论需氧量，亚硝化反应中消耗掉氨氮的化学反应方程式如公式1：
S2、建立处理步骤S1中所述待处理污水的第一扰动装置(6)的调节参数、第二扰动装置(7)的调节参数和实际氧气输入量之间的数学关系：首先，实际氧气输入量的计算方程式如公式2：
实际氧气输入量,
其中，Cs表示待处理污水的饱和溶解氧浓度，Ct表示待处理污水在t时间时的溶解氧浓度，C0表示待处理污水在0时间时的溶解氧浓度，V为待处理污水的体积，kLa表示待处理污水的氧传质系数；其次，根据实际氧气输入量的方程式推导并计算所述待处理污水的氧传质系数，计算方程式如公式3：
根据计算出的氧传质系数，再应用到公式2中，进一步推导出实际氧气传输量；根据已知参数应用回归分析法建立实际氧气输入量与第一扰动装置(6)的调节参数和第二扰动装置(7)的调节参数之间的数学逻辑关系；
S3、对步骤S1中的所述待处理污水进行处理：处理顺序依次包括进水阶段、反应阶段、闲置阶段和出水阶段；所述进水阶段中，将所述待处理污水导入底部已接种好氧氨氧化菌、厌氧氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌的反应器本体(1)中；所述反应阶段中，于恒定温度下，按照步骤S2中计算的第一扰动装置(6)的调节参数和第二扰动装置(7)的调节参数设定置于所述反应器本体中的所述待处理污水的第一扰动装置(6)的调节参数值和第二扰动装置(7)的调节参数值。
8.如权利要求7所述的基于精准控制氧气输入的污水处理装置的污水处理方法，其特征在于，所述进水阶段的时间为5min，所述反应阶段的时间为340min，所述闲置阶段的时间为10min，所述出水阶段的时间为5min。
9.如权利要求8所述的基于精准控制氧气输入的污水处理装置的污水处理方法，其特征在于，所述反应阶段中，所述恒定温度为30℃。
10.如权利要求7所述的基于精准控制氧气输入的污水处理装置的污水处理方法，其特征在于，所述第一扰动装置(6)由第三水泵(9)和与所述第三水泵(9)相连的管道(8)组成，第二扰动装置(7)为设在与所述第三水泵(9)相连的出水管道的路径上，应用回归分析法建立实际氧气输入量与第一扰动装置的调节参数和第二扰动装置的调节参数之间的数学逻辑关系，所述数学逻辑关系为公式4：
实际氧气输入量,mg O2/d＝-214.6+351.1eA+2.8eB+1555A+B 公式4，
其中，
C为污水循环速率，单位为mL/min，S为污水喷淋速率，单位为mL/min。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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