连续流工艺中快速实现并稳定维持短程硝化的装置和方法

摘要

一种连续流工艺中实现和维持短程硝化的装置，依次设置进水箱、曝气系统和沉淀系统，所述进水箱经进水泵连通完全混合式反应池，完全混合式反应池经管道连通沉淀池。反应池内设有DO探头、pH探头，经DOpH在线检测仪表将数据传送至PLC控制系统，PLC控制系统与空气压缩机连接。在间歇启动阶段，PLC控制系统能根据DO和pH数值变化特征，及时关闭空气压缩机的开关，在稳定维持阶段，PLC控制系统能实时调节空气压缩机的开度或转速，控制反应池内的DO浓度处于优化范围。本发明实现短程硝化的快速启动和稳定维持，解决了短程硝化在连续流工艺处理城市生活污水启动困难且难以在实现的问题。主要用于城市污水或高氨氮废水在连续流工艺中实现短程硝化而节约曝气能耗。

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种活性污泥法污水生物脱氮的方法，尤其是利用过程控制在连续流污水处理工艺中快速启动和稳定维持短程硝化的方法。

背景技术

我国污水处理厂多采用连续流工艺处理城市污水或有机工业废水，城市污水厂曝气能耗约占污水厂所有运行费用的50%，污水处理的运行费用是庞大的、长期的。

传统的硝化反硝化脱氮工艺，主要分为两步，即通过硝化作用将氨氮转化为硝酸盐氮，再通过反硝化作用将硝酸盐氮转化为氮气从水中逸出。而在硝化阶段，氨氮（NH₄⁺-N）首先由氨氧化菌(AOB)转化为亚硝酸盐氮(NO₂^--N)，然后由亚硝酸盐氧化菌(NOB)将亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮(NO₃^--N)。在生物脱氮过程中硝化作用的最终产物是NO₃^--N，反硝化作用也以NO₃^--N为电子受体。而短程硝化-反硝化生物脱氮的基本原理就是将硝化过程控制在NO₂^--N阶段，阻止NO₂^--N的进一步硝化，然后直接进行NO₂^--N的反硝化。由于短程硝化-反硝化工艺需要经过生物脱氮过程中由由NO₂^-→NO₃^-再由NO₃^-→NO₂^-的步骤，其传统的硝化反硝化脱氮工艺在曝气阶段需要大量氧气、在反硝化阶段碳源的需要量也很多、并产生大量污泥、具有较长的反应时间及较大的反应容积等缺点。

目前，制约短程硝化-反硝化推广应用的瓶颈在于短程硝化难以快速启动，且长期维持较为困难。实现稳定短程硝化反硝化的关键点在于如何防止好氧阶段亚硝酸氮向硝酸氮的进一步转化，而长期稳定维持短程脱氮取决于是否能实现氨氧化菌（AOB）的富集和亚硝酸氧化菌（NOB）的淘洗。现有的大多短程硝化-反硝化主要在高温、高pH、高游离氨等条件下才得以实现，而普通的城市污水处理厂不具备这些条件，因此短程硝化-反硝化脱氮技术多应用于污泥消化液以及垃圾渗滤液的处理。其次，该技术主要在间歇式活性污泥法（SBR）内成功实现，而在连续流中处理城市污水中很难实现短程硝化。由于连续流反应器中影响因素较多，水质水量及其各控制参数变化较大，难以实现短程硝化-反硝化，即使实现也只能短期维持，长期稳定运行较为困难。

发明内容

本发明涉及一种连续流工艺中快速实现并稳定维持短程硝化的装置和方法，解决了如何使短程硝化-反硝化工艺快速启动并在反应池内连续、稳定维持的技术难题。解决了污水脱氮处理中曝气能耗高的问题，实现城市污水的高效处理。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种连续流工艺中快速实现并稳定维持短程硝化的装置，按照从进水端至出水端的顺序，依次设置进水箱、曝气系统和沉淀系统，其特征在于：所述进水箱经进水泵连通完全混合式反应池，完全混合式反应池上方的出水口经管道连通沉淀池，沉淀池的上部连有系统出水口，沉淀池内设置挡泥板，沉淀池的底部连接剩余污泥口，沉淀池的底部还经污泥回流管和污泥回流泵与完全混合式反应池连通；

完全混合式反应池内设有DO探头、pH探头和曝气头，DO探头、pH探头经DO\pH在线检测仪表将采集的DO和pH数据通过数据线传送至PLC控制系统的信号输入端，所述PLC控制系统的信号输出端与空气压缩机的控制开关连接，经气体流量计与各曝气头连接，并调节完全混合式反应池内的曝气量。

所述的完全混合式反应池和沉淀池可通过拆卸管道或关闭阀门来连通或断开。

在间歇启动阶段，当氨氮降解快接近完全时，所述PLC控制系统能根据DO\pH在线检测仪表实时监测的DO和pH数值变化特征，及时关闭空气压缩机的开关。

在连续运行阶段，所述PLC控制系统能根据DO\pH在线检测仪表实时监测的DO浓度值的大小，调整空气压缩机的开度，控制完全混合式反应池内的DO浓度维持在0.8-1.5mg/L之间。

所述沉淀池为中心进水、周边出水的辐流式沉淀池，其进水管在中心，出水堰在周边。

一种连续流工艺中快速实现并稳定维持短程硝化装置的方法，其特征在于步骤如下：步骤一，首先不要将完全混合式反应池和二沉池连接，将含有硝化菌的活性污泥添加到完全混合式反应池内，进行菌种的间歇驯化和培养。

步骤二，在完全混合式反应池内设置pH探头和DO探头，将原污水快速添加至完全混合式反应池内并与活性污泥充分混合。

步骤三，打开空气压缩机向完全混合式反应池通入空气，每周期用泵快速投加相应体积的污水，并由PLC控制系统实时监测曝气硝化过程中pH和DO浓度值的变化曲线。

步骤四，在pH变化曲线出现氨谷（即pH由降低变上升的点），DO浓度值变化曲线出现DO突跃点时（即DO曲线斜率快速上升的点），PLC控制系统向空气压缩机输出关闭控制信号，使各曝气头及时停止曝气，促成NO₂^--N的积累，将硝化过程控制在亚硝酸盐氮（NO₂^--N）阶段。

步骤五，排除完全混合式反应池内溢出的混合液，防止下一周期亚硝酸盐氮（NO₂^--N）进一步转化为硝酸盐氮NO₃^—N。

步骤六，控制完全混合式反应池内的污泥龄在20天之内，将亚硝酸盐氧化菌（NOB）从完全混合式反应池内逐渐淘洗出去；重复步骤一至步骤五所述的操作过程，使NO₂^--N的积累率上升至90%以上，并使氨氧化菌（AOB）成为完全混合式反应池内的优势硝化菌。

步骤七，当通过间歇培养结合实时控制的方法实现亚硝酸盐的稳定积累和氨氧化菌（AOB）的优势积累后，将完全混合式反应池和沉淀池连接，使其成连续流工艺，改每周期间歇进水为每天连续进水。

步骤八，通过进水泵将原污水从进水箱泵至完全混合式反应池，在曝气作用下与50%-100%的回流污泥混合，控制空气压缩机的转速，调整完全混合式反应池内的DO浓度，保证出水氨氮达标的情况下，防止延时曝气造成NO₂^--N向NO₃^--N的过渡和转化。

步骤九，连续运行阶段，每天监测出水中的NH₄⁺-N、NO₂^--N和NO₃^--N浓度，由PLC控制系统根据进水NH₄⁺-N浓度和进水流量的变化，调节空气压缩机的转速或开度，控制合适的DO浓度来维持完全混合式反应池内的短程硝化效果。不同的水力停留时间下对应的DO浓度不同，可通过试验找出适合稳定维持短程硝化的水力停留时间和对应的DO浓度值。DO控制器的设定值由反应池内DO测定值，出水氨氮控制器和亚硝积累率控制器的输出值共同来决定，可保证出水氨氮浓度达标，又稳定维持较高的亚硝积累率。处理城市生活污水时，一般DO浓度设定在0.8-1.5mg/L范围内。

步骤十，从完全混合式反应池中溢流出的被处理水进入沉淀池进行泥水分离，上清液从系统出水口排出，部分污泥经污泥回流泵回流至完全混合式反应池，其余污泥经剩余污泥口排出。

所述步骤一中的培养驯化阶段为30天至60天。

所述步骤一中的完全混合式反应池内的活性污泥浓度维持在2000mg/L-3000mg/L。

所述步骤三中的排水比为0.5-0.8。

所述步骤十中的部分污泥是按进水流量50%至100%的比例。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：随着水资源短缺及能源危机的凸现，城市生活污水的高效节能处理已成为该行业发展的方向，而本发明相对于全程硝化-反硝化而言，省去了生物脱氮过程中由NO₂^-→NO₃^-再由NO₃^-→NO₂^-的步骤，硝化阶段可节约25%的曝气量，反硝化阶段可减少40%的有机碳源，同时具有较高的反硝化速率、较小的反应容积和污泥产量低等优点，本发明通过实时控制好氧反应时间，使硝化反应停止在氨氧化阶段，能够促进AOB的生长并抑制NOB的活性，一段时间驯化后，NOB便被淘汰出污泥系统，而AOB成为主要的硝化菌属，从而使污泥系统达到长期稳定的短程硝化效果。该方法具有启动时间短、高效且不易被破坏等特点。以节能降耗为目的，本发明具有操作管理简易、节省人力物力，降低城市污水的曝气能耗，并将城市污水厂的运行费用至少节省5%。本发明使得短程脱氮技术在连续流反应池中的实现成为可能，更为其他连续流反应器系统短程脱氮的实现提供参考。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

图2是本发明采用好氧曝气实时控制实现短程硝化过程中污染物和控制参数的典型变化图。

图3是本发明采用间歇快速启动短程硝化的效果图。

图4是本发明采用稳定维持短程硝化的效果图。

图5是本发明采用稳定维持短程硝化的控制流程图。

图6是本发明的控制系统和数据采集处理的基本结构示意图。

附图标记：1-进水箱、2-曝气系统、3-沉淀系统、4-污泥回流管、5-PCL控制系统、6-进水泵、7-完全混合式反应池、8-曝气头、9-空气压缩机、10-气体流量计、11-DO\pH在线监测仪表、12-DO探头、13-pH探头、14-沉淀池、15-系统出水口、16-挡泥板、17-剩余污泥口、18-污泥回流泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

实施例一参见图1所示，一种连续流工艺中快速实现并稳定维持短程硝化的装置，按照从进水端至出水端的顺序，依次设置进水箱1、曝气系统2和沉淀系统3。所述进水箱1经进水泵6连通完全混合式反应池7，完全混合式反应池7上方的出水口经管道连通沉淀池14，还可以根据试验需要，通过调节出水口的位置，调节完全混合式反应池的体积。沉淀池14为中心进水、周边出水的辐流式沉淀池，其进水管在中心，出水堰在周边并连有系统出水口15。沉淀池内设置挡泥板16，沉淀池的底部连接剩余污泥口17排除一部分污泥，另一部分污泥经污泥回流管4和污泥回流泵18返回完全混合式反应池7内。

参见图6所示，完全混合式反应池7内设有DO探头12、pH探头13和曝气头5，可实时监测反应器内pH和DO的变化情况。DO探头12、pH探头13经DO\pH在线检测仪表11将采集的DO和pH数据通过数据线传送至PLC控制系统5的信号输入端，并存入内存储器中。所述PLC控制系统5的控制器通过信号输出端与空气压缩机9的控制开关连接，再经气体流量计10与各曝气头8连接。曝气头采用烧结砂头作为微孔曝气。在间歇启动阶段，可根据pH曲线上的特征点来判断氨氧化过程是否完全，在连续运行阶段，建立比例-积分-微分（PID）控制系统，系统中的运算器将运算结果返回内存储器，通过输出设备传出，再参照在线监测反应器中DO浓度，并通过PLC系统的控制器实时调节空气压缩机的开度来控制曝气量，以便维持所需的DO浓度。再通过调节蠕动泵的转速或改变泵管管径可以调节进水流量和回流污泥流量。

实施例二参见图3所示，短程硝化的快速启动，以北京某高校生活小区化粪池污水为原水，进水COD、氨氮、总氮（COD＝160-320mg/L，NH₄⁺-N＝46.8-75.6mg/L，TN＝49.4-85.4mg/L），试验阶段COD、NH₄⁺-N和TN的平均进水浓度为215mg/L，59.7mg/L和64.5mg/L。

通过每周期监测好氧阶段pH和DO曲线上的特征点，利用好氧曝气实时控制及时停止曝气，每周期末反应池内逐渐出现了明显的NO₂^--N积累。在间歇培养过程中，仅用了24天，反应池的NO₂^--N积累率（NAR）便从起初的51.7%上升至95.2%。

实施例三参见图4所示，短程硝化在连续流中的稳定维持，以北京某高校生活小区化粪池污水为原水，进水COD、氨氮、总氮（COD＝160-320mg/L，NH₄⁺-N＝46.8-75.6mg/L，TN＝49.4-85.4mg/L）。采用本发明所提到的装置，完全混合式反应池的水力停留时间(HRT)设定为4h，污泥回流比为100%。用溶解氧（DO）作为完全混合式反应池的控制参数对该工艺短程硝化的稳定维持进行了试验。

试验阶段COD、NH₄⁺-N和TN的平均进水浓度为215mg/L，59.7mg/L和64.5mg/L。试验期间，通过在线监测DO浓度，并根据出水NH₄⁺-N和NO₂^--N浓度调节曝气量。当控制DO在1.5mg/L左右，该装置内不仅实现了出水氨氮浓度低于5mg/L，又可稳定维持亚硝化积累率在85%之上。完全混合式反应池稳定实现短程硝化后，平均出水NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N浓度分别为1.57mg/L、31.87mg/L，3.84mg/L，平均亚硝化积累率为89.4%。

一种连续流工艺中快速实现并稳定维持短程硝化装置的方法，步骤如下：步骤一，首先不要将完全混合式反应池7和二沉池14连接，将含有硝化菌的活性污泥添加到完全混合式反应池7内，进行菌种的间歇驯化和培养；完全混合式反应池7内的活性污泥浓度维持在2000mg/L-3000mg/L。

步骤二，在完全混合式反应池内设置pH探头13和DO探头12，将原污水快速添加至完全混合式反应池7内并与活性污泥充分混合。

步骤三，打开空气压缩机9向完全混合式反应池通入空气，每周期用泵快速投加相应体积的污水（推荐的排水比为0.5），并由PLC控制系统5实时监测曝气硝化过程中pH和DO浓度值的变化曲线，在NH₄⁺-N转化为NO₂^--N的过程中，由于消耗碱度pH开始下降，当在NH₄⁺-N被全部降解完的时刻，pH值降低至最低点然后开始上升，pH曲线上将会出现一谷点，通常称之为“氨谷”。在DO曲线上对应于“氨谷”点的位置，DO会出现一拐点，即“DO突跃点”。

步骤四，在pH变化曲线出现氨谷（即pH由降低变上升的点），DO浓度值变化曲线出现DO突跃点时（即DO曲线斜率快速上升的点），可以判定氨氧化过程的结束，PLC控制系统5向空气压缩机7输出关闭控制信号，使各曝气头8及时停止曝气，促成NO₂^--N的积累（如图2所示）。由于pH曲线上的“氨谷”重现性和稳定性较高，建立的实时控制多采用pH作为关键控制参数来指示和判断氨氧化过程的结束，可通过反复的试验，找出生活反应过程和在线检测参数的关系，建立适应于处理对象的实时控制系统，将硝化过程控制在亚硝酸盐氮（NO₂^--N）阶段；在间歇培养过程中，仅用了24天，反应池的NO₂^--N积累率便从起初的51.7%上升至95.2%。

步骤五，排除完全混合式反应池内溢出的混合液，防止下一周期亚硝酸盐氮（NO₂^--N）进一步转化为硝酸盐氮NO₃^—N。

步骤六，控制完全混合式反应池内的污泥龄在20天之内，通过曝气实时控制并结合污泥龄控制的方法将亚硝酸盐氧化菌（NOB）从完全混合式反应池内逐渐淘洗出去；重复步骤一至步骤五所述的操作过程，继续对硝化菌种进行间歇驯化和培养，确保每个周期内在氨氧化过程完成后或即将完成时及时停止曝气，防止延时曝气对NO₂^--N积累的破坏。经一定时间的培养驯化后，一般推荐30天到60天为宜，使NO₂^--N的积累率上升至90%以上，并使氨氧化菌（AOB）成为完全混合式反应池内的优势硝化菌。

步骤七，当通过间歇培养结合实时控制的方法实现亚硝酸盐的稳定积累和氨氧化菌（AOB）的优势积累后，将完全混合式反应池和沉淀池连接，使其成连续流工艺，改每周期间歇进水为每天连续进水。

步骤八，通过进水泵6将原污水从进水箱1泵至完全混合式反应池7，在曝气作用下与50%-100%的回流污泥混合，控制空气压缩机的转速，调整完全混合式反应池内的DO浓度，保证出水氨氮达标的情况下，防止延时曝气造成NO₂^--N向NO₃^--N的过渡和转化。

步骤九，连续运行阶段，每天监测出水中的NH₄⁺-N、NO₂^--N和NO₃^--N浓度，由PLC控制系统根据进水NH₄⁺-N浓度和进水流量的变化，调节空气压缩机的转速或开度，控制合适的DO浓度来维持完全混合式反应池内的短程硝化效果。不同的水力停留时间下对应的DO浓度不同，可通过试验找出适合稳定维持短程硝化的水力停留时间和对应的DO浓度值。DO控制器的设定值由反应池内DO测定值，出水氨氮控制器和亚硝积累率控制器的输出值共同来决定，可保证出水氨氮浓度达标，又稳定维持较高的亚硝积累率，处理城市生活污水时，一般设定DO浓度设定在0.8-1.5mg/L范围内。（如图5所示）。

步骤十，从完全混合式反应池中溢流出的被处理水进入沉淀池进行泥水分离，上清液从系统出水口15排出，部分污泥按进水流量50%或100%的比例经污泥回流泵(18)回流至完全混合式反应池，其余污泥经剩余污泥口17排出。