CN201587897U - 一种深度脱氮除磷及过程控制装置 - Google Patents

Abstract

一种深度脱氮除磷及过程控制装置，属于生化法污水生物处理技术领域。针对现有A/O分段进水工艺不能同步深度生物除磷，而倒置A²/O工艺耗能高，操作较复杂等缺点，本实用新型将倒置A²/O工艺和分段进水工艺联合，不需设置硝化液内回流，在第一段设置厌氧反应器，第二段和第三段缺氧反应器分别安装ORP在线传感器和硝酸盐在线传感器，以在线采集ORP和硝酸盐数据作为过程控制器的输入，经模糊化处理输出并作用于执行机构变频器及外碳源投加计量泵的开启或关闭，节约外投碳源量。本实用新型可大大提高分段进水工艺的反硝化效果，最大程度利用原水碳源，实现同步脱氮除磷，且控制结构简单，出水水质稳定。

Description

一种深度脱氮除磷及过程控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种深度脱氮除磷及过程控制装置，特别设计一种改良倒置A²/O分段进水深度脱氮除磷装置，属于生化法污水生物处理和自动控制理论技术领域，适用于大、中、小型城镇生活污水及工业废水深度脱氮除磷。

背景技术

我国在2002年颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中要求所有排污单位出水水质为氨氮小于5m/L，总氮小于15m/L，总磷小于0.5m/L(一级A标准)，可见氮磷污染物的去处已经成为当今污水处理和再生回用的主要问题。为解决日益严格的排放标准，许多污水厂面临工艺的升级改造以及工艺的优化运行问题，以提高出水水质和运行成本。

普通的倒置A²/O工艺只是简单的将传统A²/O工艺的缺氧区和好氧区倒置，结构布置为缺氧区、厌氧区和好氧区，二沉池回流污泥与原水直接流入缺氧区，回流污泥携带的硝酸盐在缺氧区利用原水碳源进行反硝化反应，从而为后续厌氧区提供严格的厌氧环境，有利于聚磷微生物的大量释磷，更好地解决了硝态氮对除磷的不利影响，在国内外实际工程中得到广泛应用。该工艺一般设有两个回流管路，分别是从沉淀区到缺氧区的污泥外回流，从好氧区末端到缺氧区的泥水混合液内回流。在缺氧区存在大量的硝酸盐，异养反硝化菌主要利用剩余有机物进行反硝化反应。在厌氧区，聚磷菌利用原水中剩余的脂肪酸分解体内的聚磷颗粒，释放大量溶解性磷酸盐。好氧区氧化剩余有机物，完成氨氮氧化为硝酸盐的硝化反应，聚磷菌的好氧吸磷过程。倒置A²/O工艺能成功保证厌氧区的厌氧环境，从而大大提高工艺的除磷性能。但是随着水处理技术的迅猛发展和排放标准的日益严格，目前实际运行过程中逐渐暴露了倒置A²/O工艺存在的缺点：①由于该工艺涉及到两个回流管路，耗能较大，管路布置复杂。②不能充分利用原水碳源。中国多为低C/N比城市污水，碳源的缺乏成为脱氮除磷效率无法提高的屏障，而外加碳源又会大幅度增加污水处理费用。因此研究改进倒置A²/O工艺使其能最大程度的利用原水中的碳源，是提高倒置A²/O工艺脱氮除磷效率和增加该工艺在中国应用的主要问题。

连续流分段进水深度脱氮工艺是近年来国外新开发的生物脱氮工艺，它最初依托于传统A/O工艺，通常由2-5段A/O串联组合而成，采用多点进水的方式在各段缺氧区进水，污泥回流至反应器首段，第一段的缺氧区反硝化菌利用部分进水碳源对污泥回流中的硝态氮进行反硝化；每段好氧区硝化液和部分进水同时流入下一段的缺氧区进行反硝化。后续各段反应功能同第一段。该工艺由于采用分段多点进水方式，因此具有一些特定工艺优势：①有机物沿反应器均匀分布，负荷均衡，一定程度上缩小了供氧速率与好氧速率之间的差距，降低能耗，更能充分发挥活性污泥微生物的降解能力。②污泥回流至反应器首段，污泥浓度沿反应器梯度排列，而且梯度变化随污泥停留时间的延长而增大，在暴雨季节可通过改变各段进水流量分配比，以减少活性污泥被冲刷流失的危险。③在二沉池相同固体浓度负荷的前提下，系统主反应池中具有较高的污泥浓度，处理能力高。④硝化液从各段好氧区直接进入下一段缺氧区，不用设置硝化液内回流设施，简化了工艺流程，节省了动力费用。⑤各段缺氧区只进入部分原水，反硝化菌优先利用原水中易降解有机物进行反硝化反应，减少了好氧区异养菌对有机物的竞争，因此反硝化可以最大程度地利用原水碳源，对低C/N比城市生活污水的极其有利。⑥反硝化出水直接进入好氧区，在一定程度上弥补了硝化反应对碱度的需求，减少碱度物质投加量。⑦缺氧好氧环境交替存在，有效抑制了丝状菌的繁殖生长，防止丝状菌污泥膨胀的发生。⑧对现有水厂的升级改造相对简单，只需将污水改为分段进入主体反应池体，部分池体改为缺氧运行，其它设施无需改动。但是目前关于连续流分段进水工艺的研究及应用仅局限于脱氮，往往采用通过投加药剂的方式化学除磷，因而实际污水处理的运行费用中包括大量的药剂投加费，不但提高了污水处理成本而且丧失了环保理念。

污水处理工艺的过程控制可大大提高工艺的运行性能、可靠性、灵活性和运行效率，降低污水厂改造或扩建所需的基建费用，在现有污水处理厂池容下，通过优化控制可以增大污水处理厂的处理负荷。国外关于污水处理厂的过程控制和运行优化研究已有大量报道，而国内对活性污泥法过程控制的研究很少，一般只限于数学模型的模拟，在模拟过程中只是针对特定的水质和工艺进行优化，而且关于连续流工艺的过程控制研究更是少之又少。因此研究连续流分段进水工艺的过程控制对于提高工艺处理效率以及节省运行费用都显得至关重要。

实用新型内容

本实用新型是为了解决以上技术问题，提出了一种深度脱氮除磷及过程控制装置，其将分段进水策略和倒置A²/O工艺结合起来，并辅以实时过程控制，通过缺氧区设置ORP在线传感器和硝酸盐在线传感器控制外碳源的投加量，保证系统的反硝化效果，达到同步深度脱氮除磷的目的，解决的现有的分段进水工艺处理能力存在的局限性。

本实用新型的一种深度脱氮除磷及过程控制装置一种深度脱氮除磷装置，其中污水水箱1由进水管和主体生物反应器连接，主体生物反应器和沉淀池11连接，沉淀池11部分污泥经污泥回流泵15回流到生物反应器首段，所述主体生物反应器由第一段缺氧反应器4、厌氧反应器5、第一段好氧反应器6、第二段缺氧反应器7、第二段好氧反应器8、第三段缺氧反应器9以及第三段好氧反应器10组成，其特征在于：所述主体生物反应器的第一段缺氧反应器4、厌氧反应器5、第一段好氧反应器6、第二段缺氧反应器7、第二段好氧反应器8、第三段缺氧反应器9以及第三段好氧反应器10首尾依次相连，各反应器通过隔板分离，并且隔板设有连通管以防止混合液的返混现象；所述第一段缺氧反应器4、厌氧反应器5、第二段缺氧反应器7、第三段缺氧反应器9中均分别设置有搅拌器3；所述第一段好氧反应器6、第二段好氧反应器8以及第三段好氧反应器10各格室底部均设有砂头曝气器18，其中空气压缩机16通过转子流量计17、空气调节阀19与砂头曝气器18连通；所述第二段缺氧反应器7安装有ORP在线传感器20，第三段缺氧反应器9安装有硝酸盐在线传感器21，另外在ORP在线传感器20和硝酸盐在线传感器21上安装有与计算机27相连的过程控制器26，ORP在线传感器20在线采集的数据传输至ORP信号输入接口24，经过程控制器26的外碳源投加量信号输出接口25将控制信号输出并作用于外碳源投加计量泵28；硝酸盐在线传感器21在线采集的数据传输至硝酸盐信号输入接口22，经过程控制器26的外碳源投加量信号输出接口23将控制信号输出并作用于外碳源投加计量泵28，以控制外碳源投加量。

所述的一种深度脱氮除磷装置中过程控制器26为PID控制器。

使用本实用新型实现污水深度脱氮除磷处理的过程控制如下：

(1)水箱污水经进水泵2分别进入各段缺氧反应器，在搅拌器3的作用下异养反硝化菌以硝态氮为电子受体，原水碳源为电子供体进行反硝化脱氮。通过ORP在线传感器和硝酸盐在线传感器控制缺氧区出水硝态氮维持在2mg/L以下；当缺氧反应器出水的硝态氮浓度超出该范围时，启动外碳源投加计量泵28，当出水硝态氮浓度在该范围时，关闭外碳源投加计量泵28。

(2)第一段缺氧反应器4出水直接流入厌氧反应器5，在搅拌机3的搅拌作用下，聚磷菌吸收原水中的剩余可生物降解有机物，以内碳源PHB的形式贮存在聚磷菌体内，同时释放大量的溶解性正磷酸盐。

(3)厌氧反应器5的出水进入第一段好氧反应器6，由空气压缩机16提供的压缩空气进入砂头曝气器18，以微小气泡的形式向活性污泥混合液高效供氧，使污水和污泥充分接触混合，完成剩余的极少有机物的氧化去除和氨氮的硝化，同时聚磷菌以厌氧反应器5贮存体内的PHB为电子供体完成好氧吸磷。

(4)第一段好氧反应器6出水进入第二段缺氧反应器7，与部分原水混合，在搅拌器3的搅拌作用下异养反硝化菌利用进水有机物进行反硝化反应，同时伴随磷酸盐的吸收。第二段缺氧反应器7安装了ORP在线传感器20，利用ORP和硝态氮浓度的比例关系，通过在线监测ORP数值来间接判断第二段缺氧反应器7出水硝态氮浓度，进而控制外碳源的投加量。第二段缺氧反应器7出水直接进入第二段好氧反应器8，完成有机物的氧化去除和氨氮的硝化过程。

(5)第二段好氧反应器8混合液和部分原水一起进入第三段缺氧反应器9，主要完成反硝化脱氮过程。同时该反应器内设置硝酸盐在线传感器21，实时监测记录出水硝态氮浓度，以出水硝态氮浓度测定值与其设定值的偏差是否超过0.5mg/L，决定外碳源投加计量泵28的启动或关闭，之后泥水混合液流入第三段好氧反应器10，进行氨氮氧化反应和彻底的吸磷过程。

(6)主体反应器出水最后进入沉淀池11进行泥水分离，上清液通过三角溢流堰沉淀池出水口12排出，污泥在污泥斗沉淀浓缩，一部分经回流污泥控制阀14后通过污泥回流泵15提升至主体反应器首段，另一部分通过剩余污泥排放控制阀13排出系统。

使用本实用新型处理污水后的效果与现有技术相比，具有以下优点：

(1)通过将原水分段进入各段缺氧反应器进行反硝化反应，最大程度地利用了原水碳源，降低溢流到好氧反应器碳源量，因此最大程度提高系统反硝化潜力，可实现污水的深度生物脱氮除磷，解决了低C/N污水脱氮除磷效率难以提高的瓶颈；

(2)与连续流A/O分段进水深度脱氮工艺相比，本工艺通过设置首段厌氧反应器，实现了生物除磷的功能，增加了分段进水工艺的实际应用价值，有利于污水的再生利用，防止水体富营养化的发生；

(3)与传统倒置A²/O工艺相比，本工艺无需设置硝化液的内回流设施，大大节省了实际水厂运行费用。

(4)可以根据进水水质变化确定外碳源投加计量泵的启动或关闭，在保证深度脱氮除磷的前提下最大程度节省运行费用。即当低氨氮负荷进水时，关闭一个或两个外碳源投加计量泵，完全利用原水碳源进行反硝化，无需外投碳源；而在高负荷情况下，则通过控制回路开启外碳源投加计量泵，投加最佳外碳源量进行反硝化，实现出水水质要求。

(5)控制回路简单，仅设置两套回路，需要安装的在线传感器少，费用低，管理方便，实际应用较为方便。

本实用新型使用后，通过分段进水控制策略和倒置A²/O工艺的结合，实现了高效同步脱氮除磷功能，而且设置简单实用的外碳源投加控制回路，大大提高了系统的灵活性和出水水质稳定性，降低了现有工艺的运行费用，具有实际工程的推广应用前景。本实用新型针对进水水质污染物浓度波动较大的特点，对外碳源投加量做出相应的调节与控制，将ORP和硝酸盐浓度作为自动控制参数对外碳源投加量进行控制，既能最大程度合理地利用原水碳源进行反硝化，又可解决外碳源投加量确定困难的问题，应用外碳源投加前馈-反馈控制器即可获得准确的外碳源投加量，而且省去了耗能较高的硝化液内回流设置。第二段缺氧反应器设置ORP在线传感器，保证了第一段好氧反应器出水硝态氮的完全反硝化，不产生对后续缺氧反应器硝态氮的积累，维持在线ORP的绝对值在[-150mV，-80mV]，当小于-150mV时停止投加碳源，大于-80mV时开启外碳源投加计量泵；同时第三段缺氧反应器的控制回路，维持硝酸盐浓度小于2mg/l，为充分反硝化反应提供所需碳源，稳定保证出水硝态氮浓度，沉淀池出水主要由最后一段进水氨氮浓度决定。

附图说明

图1为一种一种深度脱氮除磷及过程控制装置示意图。

图中：1——污水水箱；2——进水泵；3——搅拌器；4——第一段缺氧反应器；5——厌氧反应器；6——第一段好氧反应器；7——第二段缺氧反应器；8——第二段好氧反应器；9——第三段缺氧反应器；10——第三段好氧反应器；11——沉淀池；12——沉淀池出水口；13——剩余污泥排放控制阀；14——回流污泥控制阀；15——污泥回流泵；16——空气压缩机；17——转子流量计；18——砂头曝气器；19——空气调节阀；20——ORP在线传感器；21——硝酸盐在线传感器；22——硝酸盐信号输入接口；23——外碳源投加量信号输出接口；24——ORP信号输入接口；25——外碳源投加量信号输出接口；26——过程控制器；27——计算机；28——外碳源投加计量泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本实用新型专利：

如图1所示，一种深度脱氮除磷及过程控制装置，其中污水水箱1由进水管和主体生物反应器连接，主体生物反应器和沉淀池11连接，沉淀池11部分污泥经污泥回流泵15回流到生物反应器首段，污水水箱1的有效容积为200L，试验所选用的试验模型为双廊道式矩形反应器，有效容积为60L，共分13个格室运行：第一个格室为第一段缺氧反应器4(5L)，第二个格室为厌氧反应器5(5L)，紧接着三个格室为第一段好氧反应器6(15L)，然后依次是第二段缺氧反应器7(5L)、第二段好氧反应器8(15L)、第三段缺氧反应器9(5L)、第三段好氧反应器10(15L)。沉淀池11有效容积为20L。所述主体生物反应器的第一段缺氧反应器4、厌氧反应器5、第一段好氧反应器6、第二段缺氧反应器7、第二段好氧反应器8、第三段缺氧反应器9以及第三段好氧反应器10首尾依次相连，各反应器通过隔板分离，并且隔板设有连通管以防止混合液的返混现象；所述第一段缺氧反应器4、厌氧反应器5、第二段缺氧反应器7、第三段缺氧反应器9中均分别设置有搅拌器3；所述第一段好氧反应器6、第二段好氧反应器8以及第三段好氧反应器10各格室底部均设有砂头曝气器18；所述第二段缺氧反应器7安装有ORP在线传感器20，第三段缺氧反应器9安装有硝酸盐在线传感器21，另外在ORP在线传感器20和硝酸盐在线传感器21上安装有与计算机27相连的过程控制器26，ORP在线传感器20在线采集的数据传输至ORP信号输入接口24，经过程控制器26的外碳源投加量信号输出接口25将控制信号输出并作用于外碳源投加计量泵28；硝酸盐在线传感器21在线采集的数据传输至硝酸盐信号输入接口22，经过程控制器26的外碳源投加量信号输出接口23将控制信号输出并作用于外碳源投加计量泵28，以控制外碳源投加量。其中过程控制器26为PID控制器。

采用上述一种深度脱氮除磷及过程控制装置进行污水处理使用时，其步骤如下：

步骤一：污水水箱1的污水经进水泵2分别进入各段缺氧反应器，在搅拌器3的作用下混匀泥水混合液，异养反硝化菌以硝态氮为电子受体，原水碳源为电子供体进行反硝化脱氮；通过ORP在线传感器20和硝酸盐在线传感器21控制缺氧区出水硝态氮维持在2mg/L以下；当各段缺氧反应器出水的硝态氮浓度超出该范围时，启动外碳源投加计量泵28，当出水硝态氮浓度在该范围时，关闭外碳源投加计量泵28；

步骤二：第一段缺氧反应器4出水直接流入厌氧反应器5，在搅拌器3的搅拌作用下完成聚磷菌吸收原水中的剩余可生物降解有机物，以内碳源PHB的形式贮存在聚磷菌体内，同时释放大量的溶解性正磷酸盐；

步骤三：厌氧反应器5的出水进入第一段好氧反应器6，由空气压缩机16提供的压缩空气通过转子流量计17、空气调节阀19进入砂头曝气器18，以微小气泡的形式向活性污泥混合液高效供氧，使污水和污泥充分接触混合，完成极少剩余有机物的氧化去除和氨氮的硝化，同时聚磷菌以厌氧反应器5贮存体内的PHB为电子供体完成好氧吸磷；

步骤四：第一段好氧反应器6出水进入第二段缺氧反应器7，与部分原水混合，在搅拌器3的搅拌作用下异养反硝化菌利用进水有机物进行反硝化反应，同时伴随磷酸盐的吸收；由于第二段缺氧反应器7安装了ORP在线传感器20，利用ORP和硝态氮浓度的比例关系，通过在线监测ORP数值来间接判断第二段缺氧反应器7出水硝态氮浓度，进而控制外碳源的投加量；第二段缺氧反应器7出水直接进入第二段好氧反应器8，完成有机物的氧化去除和氨氮的硝化过程；

步骤五：第二段好氧反应器8混合液和部分原水一起进入第三段缺氧反应器9，主要完成反硝化脱氮过程；同时第三段缺氧反应器9内通过设置硝酸盐在线传感器21，实时监测记录出水硝态氮浓度，以出水硝态氮浓度测定值与其设定值的偏差是否超过0.5mg/L，决定外碳源投加计量泵28的启动或关闭，之后泥水混合液流入第三段好氧反应器10，进行氨氮氧化反应和彻底的吸磷过程；

步骤六：主体反应器第三段好氧反应器10的出水最后进入沉淀池11进行泥水分离，上清液通过沉淀池出水口12排出，污泥在污泥斗沉淀浓缩，一部分通过污泥回流泵15提升至主体反应器首段第一段缺氧反应器4，另一部分通过剩余污泥排放控制阀13排出系统。

连续运行试验结果如下：

以北京某污水处理厂初沉池出水为处理对象，进水COD＝119-565mg/L，TN＝24.6-79.5mg/L，TP＝0.48-13.3mg/L，C/N＝1.5-6.4，C/P＝35.7-74.5，水力停留时间10h，通过排泥控制污泥龄10d左右，三段污泥浓度MLSS依次为5000±150mg/L、4000±150mg/L、3000±150mg/L，污泥回流比0.75，三段进水流量分配比为3∶4∶3，温度由加热棒控制在20℃左右，运行结果，出水COD平均为40.5mg/L，TN、TP平均分别为3.5mg/L和0.24mg/L。

Claims (2)

1.一种深度脱氮除磷装置，其中污水水箱(1)由进水管和主体生物反应器连接，主体生物反应器和沉淀池(11)连接，沉淀池(11)部分污泥经污泥回流泵(15)回流到生物反应器首段，所述主体生物反应器由第一段缺氧反应器(4)、厌氧反应器(5)、第一段好氧反应器(6)、第二段缺氧反应器(7)、第二段好氧反应器(8)、第三段缺氧反应器(9)以及第三段好氧反应器(10)组成，其特征在于：所述主体生物反应器的第一段缺氧反应器(4)、厌氧反应器(5)、第一段好氧反应器(6)、第二段缺氧反应器(7)、第二段好氧反应器(8)、第三段缺氧反应器(9)以及第三段好氧反应器(10)首尾依次相连，各反应器通过隔板分离，并且隔板设有连通管以防止混合液的返混现象；所述第一段缺氧反应器(4)、厌氧反应器(5)、第二段缺氧反应器(7)、第三段缺氧反应器(9)中均分别设置有搅拌器(3)；所述第一段好氧反应器(6)、第二段好氧反应器(8)以及第三段好氧反应器(10)各格室底部均设有砂头曝气器(18)，其中空气压缩机(16)通过转子流量计(17)、空气调节阀(19)与砂头曝气器(18)连通；所述第二段缺氧反应器(7)安装有ORP在线传感器(20)，第三段缺氧反应器(9)安装有硝酸盐在线传感器(21)，另外在ORP在线传感器(20)和硝酸盐在线传感器(21)上安装有与计算机(27)相连的过程控制器(26)，ORP在线传感器(20)在线采集的数据传输至ORP信号输入接口(24)，经过程控制器(26)的外碳源投加量信号输出接口(25)将控制信号输出并作用于外碳源投加计量泵(28)；硝酸盐在线传感器(21)在线采集的数据传输至硝酸盐信号输入接口(22)，经过程控制器(26)的外碳源投加量信号输出接口(23)将控制信号输出并作用于外碳源投加计量泵(28)，以控制外碳源投加量。

2.根据权利要求1所述的一种深度脱氮除磷装置，其特征在于：所述过程控制器(26)为PID控制器。

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