SBR半短程硝化过程控制方法

摘要

本发明提供了一种SBR半短程硝化过程控制方法，属于污水生物处理技术领域，适用于城市生活污水等低氨氮废水的半短程硝化处理。SBR半短程硝化过程控制方法包括，进水搅拌及初始氨氮浓度的输入、曝气搅拌、沉淀、排水及静置5个阶段，通过公式ta=tCOD+0.56αS0/((S0-Sn)/(n-tCOD))计算好氧曝气时间，及时停止曝气，实现半短程硝化，出水亚硝与氨氮的比例维持在0.9~1.5之间。该工艺管理操作方便，系统抗冲击负荷强。与传统SBR过程控制技术相比，半短程硝化反应器高亚硝积累率的维持更为稳定。解决生活污水生物处理技术无法控制半短程硝化出水亚硝与氨氮浓度比例的问题，为自养脱氮系统在城市污水这类低氨氮废水中稳定运行提供必要的进水保障。

说明书

技术领域

本发明涉及一种含氮废水的SBR半短程硝化过程控制方法，属于污水生物 处理技术领域，适用于城市生活污水等低氨氮废水的半短程硝化处理。

背景技术

由水体中氮、磷含量超标引起的富营养化问题，是当今世界各国面临的最 主要的水体污染问题。现阶段污水中氮元素的去除主要通过生物硝化与反硝化 过程的联合作用，然而为了进一步实现脱氮过程的高效节能可持续发展，人们 开发了多项新型生物脱氮技术如短程硝化及厌氧氨氧化。与传统脱氮工艺相比， 短程硝化技术节约了25%的耗氧量及40%的反硝化碳源。另一方面，短程硝化 工艺可与厌氧氨氧化工艺串联，通过自养脱氮过程实现系统中氮元素的去除。 由于厌氧氨氧化技术具有供氧量低、运行费用低、无需外加碳源、耗氧量少等 诸多优点，是一种高效、经济的脱氮途径，近年来，人们广泛的将其应用于污 水深度脱氮处理工艺中，特别是低碳比高氮废水如垃圾渗滤液、污泥消化液及 医药废水。

厌氧氨氧化反应(ANAMMOX)是厌氧氨氧化细菌在厌氧条件下，以亚硝作 为电子受体将氨氮氧化为氮气的生物过程。为实现厌氧氨氧化过程的高效稳定 运行，需保证厌氧氨氧化微生物的底物基质中亚硝与氨氮的比例维持在0.9~1.5 之间。由于厌氧氨氧化细菌无法实现对进水中硝态氮的去除，前段的半短程硝 化反应器需维持较高亚硝积累率。高亚硝积累率的维持，需要在适宜的条件下 实现AOB的积累及NOB的抑制与淘洗，主要技术手段包括，低溶解氧，高温， 实时控制技术，游离氨抑制等。然而，城市污水的半短程硝化难以实现，与传 统实时控制技术不同，半短程硝化是在硝化反应未完全结束前停止曝气，其好 氧过程终点无法通过pH曲线的“氨谷”或DO曲线的突越点来指示。在高氨氮 废水如污泥消化液的处理中，由于进水中碱度不足，可通过调节进水中碱度与 氨氮的浓度比例实现半段程硝化，而生活污水中碱度充足，可实现全部硝化， 无法通过该方法实现半短程硝化。

发明内容

本发明的目的是通过实时控制策略合理控制半短程硝化系统好氧硝化时 间，使SBR反应器排放废水符合自养脱氮系统进水需求，即SBR反应器出水中 亚硝与氨氮浓度的比值处于0.9~1.5之间。在此基础上，开发出一种SBR半短 程硝化过程控制装置，解决生活污水生物处理无法控制半短程硝化出水亚硝与 氨氮浓度比例的问题，为自养脱氮系统在城市污水这类低氨氮废水中稳定运行 提供必要的保障。

本发明的技术原理

SBR半短程硝化工艺过程控制原理，其特征在于：在系统DO浓度恒定的 条件下，通过好氧过程pH曲线的峰值、初始和反应n min SBR系统内氨氮浓度 计算好氧过程所需曝气时间，指示系统好氧反应曝气时间，实现处理污水的半 短程硝化，具体原理如下：

（1）当原水进入SBR反应器后，启动搅拌装置，通过反硝化作用降低部分 原水碳源，厌氧搅拌结束后，启动鼓风机进行曝气。系统在好氧过程中，先进 行有机物的降解后进行硝化作用。在有机物去除阶段，异养菌迅速增殖，对有 机物进行分解代谢、合成代谢及内源代谢反应，三种代谢的末端产物均伴随着 CO₂的产生，由于不断的曝气作用，将代谢产物CO₂吹脱，引起了除碳有机物 阶段pH值的上升。而在SBR进入有机物难降解阶段后，短程硝化细菌活性不 断提高，硝化反应碱度的消耗，导致了废水pH值不断降低。pH曲线峰值指示 了好氧硝化过程的起点，如附图1所示。

（2）在半短程硝化过程中，氨氮的降解与亚硝态氮的积累符合零级反应方 程式，氨氮浓度降解曲线与亚硝积累曲线均为一条直线(R²>0.99)，见附图2所 示。根据Lawrence McCarry方程（公式2），硝化过程微生物的反应速率与底物 浓度，溶解氧浓度，硝化细菌的半饱和常数Ks与Ko直接相关。半短程硝化系 统中，主要硝化菌群为AOB，其Ks与Ko值远小于实际半短程硝化SBR反应 器中氨氮与溶解氧的浓度，因此Ks与S的和近似等于S，Ko与DO的和近似等 于DO，即系统的硝化速率按最大硝化反应速率进行。

$v=\frac{v_{\max }·S}{K_{{\mathrm{NH}}_4}+S}·\frac{\mathrm{DO}}{K_O+\mathrm{DO}}---\left(2\right)$

（3）根据（1）与（2）中所述特点，提出半短程硝化过程好氧曝气时间计 算公式，见公式2，其中S₀与S_n分别为厌氧搅拌结束与好氧反应n min时反应 器内氨氮浓度。

首先将好氧过程分为有机物降解及好氧硝化两部分，有机物降解时间可通 过pH曲线峰值确定。厌氧氨氧化反应要求进水水质中亚硝与氨氮的浓度比例达 到1.32，因此硝化系统仅需氧化56%的进水氨氮。由于系统硝化速率恒定，可 根据好氧阶段氨氮降解量（S₀-S_n）及硝化时间（n-t_COD）计算。另一方面，由于 微生物的增殖及同步硝化反硝化作用存在，需对好氧硝化时间进行校正，校正 系数为α。根据公式1，可准确的把握系统有机物去除及硝化进程，实现含氮废 水的半短程硝化。

本发明提供的一种SBR半短程硝化过程控制方法，其特征在于，包括以下 步骤：

Ⅰ进水搅拌及初始氨氮浓度的输入

启动进水泵及搅拌器，将待处理废水注入SBR半短程硝化反应器，达到SBR 半短程硝化反应器有效容积的30％-70％后，关闭进水泵；当达到预先设定的厌 氧反应时间20-60min后，通过氨氮浓度测定仪，测定反应器中氨氮浓度，将该 值作为初始氨氮浓度S₀自动输入计算机数据处理系统，进入曝气搅拌阶段；

Ⅱ曝气搅拌

启动气泵，对反应系统进行好氧曝气，维持系统内DO浓度恒定,同时记录 pH变化曲线；将pH传感器数字信号输入过程控制器，通过滤波处理，计算得 到实时控制变量，当pH一阶导数由正变为负时，记录好氧曝气时间，将该值自 动输入计算机数据处理系统，并赋值于有机物去除时间t_COD；接下来在好氧反应 进行至n min时通过氨氮浓度测定仪，测定反应器中氨氮浓度，将该值自动输入 计算机数据处理系统，并赋值于氨氮浓度S_n；通过检测好氧过程pH曲线的峰值 及初始和反应n min的SBR系统内氨氮浓度，利用公式1计算好氧过程所需的 曝气时间t_a；当曝气时间达到t_a后，实现含氮废水的半短程硝化，系统停止曝气 及搅拌，进入沉淀阶段；

$t_a=t_{\mathrm{COD}}+\frac{0.56\alpha S_0}{\left(\frac{S_0-S_n}{n-t_{\mathrm{COD}}}\right)}---\left(1\right)$

式中：

t_a--好氧硝化反应时间

t_COD--有机物去除阶段反应时间

α--校正系数，等于氨氮降解速率除以亚硝累积速率；

Ⅲ沉淀

当达到预先设定的沉淀时间30-60min后，进入排水阶段；

Ⅳ排水

开启排水阀门，将处理后的含氮污水排出SBR反应器，当达到预先设定的 排水时间10-30min后，关闭排水阀门，进入静置阶段；

Ⅴ静置

当达到预先设定的静置时间10-120min后，系统开始读取SBR半短程硝化 反应循环次数，若未达到预先设定循环次数2-8，则继续由工序Ⅰ开始运行；当 达到预先设定的反应循环次数后，系统停止运行。

本发明设计的SBR半短程硝化过程控制方法与现有技术相比，具有下列优 点：

（1）解决现有技术无法有效控制半短程硝化反应器出水亚硝与氨氮浓度比 例的技术难题。通过SBR半短程硝化过程控制方法，稳定实现低氨氮废水半短 程硝化，半短程硝化系统出水亚硝与氨氮的比例维持在1.0~1.5之间，可为自养 脱氮反应器的稳定运行提供必要的保障。

（2）与传统SBR过程控制技术相比，半短程硝化反应器高亚硝积累率的维 持更为稳定。由于厌氧氨氧化细菌无法实现对进水中硝态氮的去除，高亚硝积 累率的维持，可提高后续厌氧氨氧化反应器总氮去除率。

（3）整个工艺由实时控制系统完成，管理操作方便，系统抗冲击负荷强。

附图说明

图1实施例具体试验数据图。

图2氨氮浓度降解曲线与亚硝积累曲线图。

图3本发明装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图3所示结构图，进水泵1通过进水管2连接SBR反应器3；出水管4 设置出水阀门5；曝气头24、曝气管13、气体流量计14与曝气泵15顺序相连； 反应器内配有排水管11与排泥管12；

SBR反应器内置pH与DO测定仪10（与pH传感器6及溶解氧浓度DO 传感器7通过导线相连）、氨氮测定仪8、搅拌器9；pH与DO测定仪10与氨氮 测定仪8通过导线与计算机16的数据信号输入接口21连接，计算机的数据信 号输出接口22经导线连接过程控制器23，过程控制器的搅拌继电器17、排水 继电器18、进水继电器19及曝气继电器经接口分别与搅拌器9、排水阀5、进 水泵1及曝气泵15相连。

SBR反应器半短程硝化方法具体包括以下步骤：

以某大学家属区排放的实际生活污水为实验对象，COD260~300mg/L,TN 65~80mg/L。将具有60%亚硝积累率的活性污泥投加至半短程硝化SBR反应 器，反应器内污泥浓度MLSS=2500-5000mg/L；每周期厌氧搅拌10~30min，随 后曝气搅拌50~90min，曝气过程维持系统内DO恒定，沉淀后排水静置，排水 比为50%。运行12d后系统亚硝积累率>95%,继续稳定运行20d后完成半短程 硝化SBR反应器的启动。通过单周期运行数据，计算出矫正系数α为1.04（氨 氮降解速率除以亚硝累积速率）。开启实时控制装置，进行生活污水的半短程硝 化，以运行第20d第4周期运行数据为例，具体试验数据如图1所示。

Ⅰ进水搅拌及初始氨氮浓度的输入

首先开启进水泵，到达预先设定的进水时间10min后，（达到SBR半短程 硝化反应器有效容积的50％后，）关闭进水设备。启动搅拌器进行10min的厌氧 搅拌，在厌氧搅拌过程实现了全部硝态氮的反硝化。此时通过氨氮浓度测定仪， 测得反应器内氨氮浓度为38.5mg/L，将初始氨氮浓度S₀自动输入计算机数据处 理系统，S₀赋值为38.5，进入第二阶段。

Ⅱ曝气搅拌

启动气泵，对反应系统进行好氧曝气，维持系统内DO浓度恒定,并在线记 录pH变化曲线。将pH传感器数字信号输入过程控制器，通过滤波处理，计算 得到实时控制变量，当好氧反应进行17min后，pH曲线的一阶导数由正转负， 将有机物去除时间t_COD赋值为17min，在好氧60min时（n=60）通过氨氮浓度 测定仪测得反应器内氨氮浓度为23.9mg/L，将S₆₀赋值为23.9。此时利用公式1 进行好氧时间计算，得出所需好氧时间为84min，当曝气时间达到84min后关闭 曝气泵，进入沉淀阶段。

Ⅲ沉淀

当达到预先设定的沉淀时间45min后，进入排水阶段。

Ⅳ排水

开启排水阀门，将处理后的含氮污水排出SBR反应器，当达到预先设定的 排水时间10min后，关闭排水阀门，进入静置阶段。

Ⅴ静置

当达到预先设定的静置时间后，系统开始读取SBR半短程硝化反应循环次 数，若未达到预先设定值，则继续由工序Ⅰ开始运行。当达到预先设定的反应 循环次数后，系统停止运行。

通过流动注射分析仪测定SBR半短程硝化反应器出水中亚硝与氨氮浓度， 实测亚硝与氨氮浓度比例为1.16，亚硝与氨氮浓度比例均处于0.9~1.5的范围之 间。反应器每天运行8周期，在60d的运行过程中，出水稳定，满足自养多脱 氮系统进水标准。