低温条件下SBR法短程深度脱氮的快速启动方法

摘要

低温条件下SBR短程深度脱氮工艺快速启动方法涉及一种含氮废水生物处理工艺的快速启动方法。现有的短程深度脱氮工艺难以在低温条件下启动。本发明中短程深度脱氮的启动阶段时间短，包括进水、曝气、反硝化、沉淀、排水、排泥和闲置步骤；本发明采用频率作为曝气阶段过程控制参数，同时维持污泥停留时间在30-40天范围内，实现低温(11-17摄氏度)条件下SBR短程深度脱氮的快速启动。本发明脱氮效率高、节省运行成本、易于实现自动化，能够在低温条件下快速启动，同时可在常温条件下稳定运行。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种含氮废水生物处理工艺的快速启动方法，尤其是能够在低温条件下快速启动短程深度脱氮工艺的方法，适用于寒冷地区含氮工业废水处理和生活污水深度处理。

背景技术

随着经济的飞速发展和环保认识的提高，我国在水污染治理方面投入大量的人力和物力，但是水体富营养化的现状不仅没有改善，而且有日益恶化的趋势。水体中的氮、磷超标是引起水体富营养化的主要原因。生物硝化反硝化是目前最经济实用的污水脱氮方法。传统脱氮工艺分为硝化和反硝化两个过程，其中硝化过程分两步进行，第一步是氨氧化菌(AOB)将氨氮氧化为亚硝酸盐；第二步是亚硝酸盐氧化菌(NOB)将亚硝酸盐转化为硝酸盐；反硝化过程是在缺氧和存在有机碳源条件下，反硝化菌将硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气。短程生物脱氮技术是一项非常有前景的生物脱氮技术，该技术核心内容就是将传统生物硝化反应控制在第一步氨氧化阶段，而后直接进行反硝化反应。相对传统生物脱氮工艺来说，短程生物脱氮工艺不但节省了25％的供氧量，而且节省了40％的有机碳源。短程生物脱氮工艺的实现有利于提高脱氮性能、节能降耗。

作为活性污泥生长的影响因子，温度是生物脱氮工艺的关键运行参数。在一定温度范围内，活性污泥微生物的活性与温度成正相关关系。一般来说，随着温度的降低，微生物活性减弱，对于污水生物处理脱氮系统，硝化菌进行硝化反应的温度范围为5～35℃，其中最佳温度范围为25～35℃。城市污水处理厂的水温一般在11～28℃左右，即使在北方地区污水处理厂冬季的水温也不会低于10℃。现有的研究表明较低的温度对短程生物脱氮的维持和稳定极为不利，在低温条件下启动短程生物脱氮更是难以实现。目前国际上普遍认为实现短程生物脱氮的最佳温度在30～33℃，最低的启动温度也不应低于20℃。

现今的城市污水处理厂在冬季低温或者温度波动的条件下经常出现脱氮性能变差甚至发生硝化作用完全受抑制的情况。城市污水处理厂在冬季低温条件下维持稳定的硝化性能都是存在很大的困难，更不用说在低温条件下成功启动短程脱氮工艺。北方寒冷地区冬季持续时间相对较长，城市污水处理厂长时间处于低温(10～17℃)条件下，因此如何在低温条件下快速启动短程深度脱氮具有重要的应用前景和理论意义。特别是对新建的污水处理厂来说，如果启动调试阶段处于水温低的条件，那么低温对污水处理厂成功启动是一个巨大的挑战。

SBR工艺又称为间歇式活性污泥法，是一种常规的应用广泛的活性污泥法生物处理工艺。SBR工艺具有运行方式灵活、可控性好等优点，因此是研究短程深度脱氮快速启动和维持的最佳工艺。

发明内容：

本发明的目的在于解决低温条件下难于实现短程硝化工艺的难题，提供一种低温条件下快速启动SBR短程深度脱氮工艺的方法。

本发明所提供的方法通过采用实时控制的方法快速启动SBR短程深度脱氮工艺，同时通过排泥逐步淘汰亚硝酸氧化细菌，优化反应系统内微生物种群结构，实现低温条件下短程深度脱氮的快速启动。

本发明采用的装置包括反应器系统和自动控制系统(见图1)；

反应器系统依次包括水箱1、水泵2、SBR反应器4、加药泵8、加药桶18、鼓风机6、曝气头7、搅拌器5、滗水器9；

自动控制系统包括溶解氧传感器15、pH传感器16、温度传感器17、数据采集装置12、可编程实时控制器13、变频器11和计算机14，数据采集装置12采集的信号，通过数据总线输入到可编程实时控制器13中进行处理，由可编程实时控制器13发出的控制指令通过输出总线控制鼓风机6；变频器11连接溶解氧传感器15、鼓风机6和数据采集装置12，，数据采集装置连接可编程实时控制器13；可编程实时控制器13连接计算机14；

其特征在于，包括以下步骤(如图2所示)：

I进水根据进水量和水泵的流量计算具体进水时间，并通过可编程实时控制器(PLC)对定时器进行设定具体的进水时间，启动进水泵将废水加入SBR反应器，启动进水泵的同时开启搅拌器，当达到预先设定的进水时间后，关闭进水泵，进入下一步工序；

II曝气鼓风机启动，变频器控制曝气阶段溶解氧恒定在2.0～4.0mg/L范围内。曝气阶段搅拌器一直开启以保证污水和活性污泥的充分接触。鼓风机启动的同时系统开始曝气阶段计时，并开始通过变频器采集频率信号，采集的频率信号通过数据总线输入模拟数字转换器A/D，转换成数字信号，将数字信号输入可编程实时控制器，当曝气时间大于60分钟后，频率数字信号经过滤波之后，系统开始对其进行求导计算，当频率f值的一阶导数小于-1并保持5分钟时，意味着硝化反应结束，然后可编程实时控制器输出信号经数字模拟转换器D/A转换成电流信号，传达至执行机构，执行机构关闭鼓风机，停止曝气；

变频控制溶解氧条件下，溶解氧浓度在曝气阶段维持恒定，此时微生物的耗氧量与鼓风机的供氧量处于一个相对平衡的状态。鼓风机的频率在一定程度上指示着供氧量的大小，而微生物的耗氧量代表着微生物的耗氧速率。鼓风机的频率与微生物的耗氧速率之间存在对应的线性关系，频率能够作为微生物耗氧速率的间接指示参数。一般来说，微生物耗氧速率曲线在氨氧化终点会出现相应的拐点，相应地鼓风机的频率曲线同样会出现相应拐点(如图3所示)。

III投加外加碳源反硝化根据进水氨氮浓度确定需要投加的碳源量，设定加药泵的运行时间。启动加药泵，达到设定的时间后关闭加药泵。鼓风机停止之后系统开始搅拌阶段计时并开始收集pH传感器反馈的pH信号，pH信号传输到可编程实时控制器，当搅拌时间大于5分钟后，可编程实时控制器将所获得的信号传输到计算机进行滤波处理和相应地计算，当pH信号的一阶导数由正变负并保持5分钟时，意味着反硝化反应结束，计算机通过控制器发出关闭搅拌器的指令，最终搅拌器自动关闭，从而实现反硝化阶段的实时控制；

反硝化过程由于不断产生碱度，液相的pH值会持续上升，当反硝化反应结束时，由于进入厌氧放磷阶段，所以pH值出现由上升变为下降的特征点，根据以上特征点判断反硝化反应结束，停止搅拌(如图3所示)。

IV沉淀根据污泥体积指数确定沉淀所需时间，由可编程实时控制器进行计时，当达到预先设定的沉淀时间后，进入下一个工序；

V排水设定滗水时间为30分钟，滗水器开始工作，出水阀门打开将处理后的水排出反应器，排水结束后，关闭滗水器；

VI排泥根据排泥管的流量设定排泥泵的运行时间，在可编程实时控制器的调节下，开启排泥泵排泥，排泥量为系统总污泥量的1/30～1/40范围内，保证系统的污泥平均停留时间为30～40天，当达到预先设定的排泥时间后，关闭排泥泵。

VII闲置排泥结束后到下一个周期开始这段时间定义为闲置期，当达到预先设定的闲置时间后，系统自动记录周期数并与预先设定的运行周期数比较，若未达到预先设定周期数(40～60个周期)，则系统从工序I开始自动运行；当达到预先设定的周期后，系统停止运行，系统的亚硝积累率达到90％以上时，短程深度脱氮工艺实现快速启动。

本发明具有以下优点：

1)本发明克服了低温条件对短程深度脱氮启动过程的不利影响，在11-17℃范围内快速启动短程深度脱氮工艺，为如何在低温条件下成功启动短程深度脱氮工艺提供技术支持。对于我国大部分地区来说，城市污水处理厂冬季的水温一般不会低于10℃。本发明能够使SBR污水处理厂在冬季低温条件下快速启动短程深度脱氮工艺。

2)节能降耗效果显著，本发明采用变频控制曝气阶段溶解氧浓度，能够极大地节省曝气阶段的运行费用，此外，短程硝化反硝化工艺相对于传统的硝化反硝化工艺能够节省25％的供氧量和40％的外加碳源，进一步降低降耗。

3)引入鼓风机的频率参数作为一种实时控制参数，该参数信号不仅响应灵敏，费用低廉，而且维护简单方便，运行稳定。

4)自动化水平高，基于频率和pH间接过程控制参数的实时控制策略，根据进水水质的波动灵活的控制生物脱氮过程中的好氧曝气和缺氧搅拌时间，既能够实现完全的硝化反应，又能够避免过度曝气对短程硝化性能的负面影响。

附图说明

图1本发明的装置示意图。

图1中，1-蓄水池，2-水泵，3-进水管，4-SBR反应器，5-搅拌器，6-鼓风机，7-曝气圆盘，8-加药泵，9-滗水器，10-排水管，11-变频器，12-控制面板，13-可编程实时控制器，14-计算机，15-溶解氧传感器，16-pH传感器，17-温度传感器，18-加药桶。

图2本发明短程深度脱氮工艺运行的实时控制流程图。

图3本发明中SBR周期中频率、pH及一阶导数曲线、氨氮和亚硝态氮的变化规律。

图4本发明中实现快速启动短程深度脱氮工艺中试SBR运行结果图。

图5本发明中实现快速启动短程深度脱氮工艺小试SBR运行结果图。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

实施例1

SBR短程深度脱氮快速启动过程连续运行45个周期，SRT控制在35天左右，温度在11-17℃范围内；

以某大学排放的生活污水为研究对象(pH＝7-7.8，COD＝160-320mg/L，NH₄⁺-N＝75-90mg/L)。试验装置采用有效体积为7.0m³的中试SBR反应器，每周期处理水量为2.5m³，进水完成后反应器内混合液COD浓度维持在120-240mg/L，NH₄⁺-N浓度在20-35mg/L。在短程深度脱氮工艺的快速启动阶段，由于采用的是中试SBR反应器，无法采用温控装置控制反应温度，反应器温度只能随着环境温度的变化而变化。快速启动阶段的时间是冬季向春季过渡的时间段内，这段时间温度在11-17℃范围内，而且温度逐渐缓慢地上升，逐渐从11℃升到17℃(如图4所示)。外加碳源采用体积分数为95％的乙醇。每个周期的具体操作步骤如下：

I进水应用进水泵将生活污水加入到有效体积为7m³的SBR反应器，水泵启动的同时开启搅拌器，此时系统开始计时，预先设定的进水时间为15分钟，进水泵流量为167L/min，当水泵加水时间达到15分钟之后，关闭进水泵，进水完成之后反应器内污泥浓度为2000mg/L，进入下一步；

II曝气利用变频器启动鼓风机，此时系统开始计时，预先设定溶解氧浓度为2mg/L，通过变频控制技术维持曝气阶段溶解氧恒定在2mg/L左右。鼓风机提供的压缩空气通过曝气圆盘向活性污泥混合液高效供氧，此阶段搅拌器一直开启，保证污水和活性污泥的充分混合接触；当曝气时间大于60分钟之后，开始通过变频器采集频率信号，采集的频率信号通过数据总线输入模拟数字转换器A/D，转换成数字信号，将数字信号输入可编程实时控制器(PLC)，经过滤波和求导计算，当频率f值的一阶导数小于-1且保持5分钟，那么PLC控制器输出信号经数字模拟转换器D/A转换成电流信号，传达至执行机构，执行机构关闭鼓风机，停止曝气；

III投加外碳源反硝化设定乙醇的投加量为500ml，设定加药泵运行时间为30秒。启动加药泵的同时系统开始计时，当达到设定时间后关闭加药泵。鼓风机停止之后系统开始收集pH传感器反馈的pH信号，并作为反硝化反应过程的实时控制参数传输到可编程实时控制器，当搅拌时间大于5分钟后，通过可编程实时控制器将所获得的信号传输到计算机进行滤波处理和相应地计算，当pH信号的一阶导数由正变负且保持5分钟时，计算机通过控制器发出关闭搅拌器的指令，最终搅拌器自动关闭，进入下一步工序；

IV沉淀预先设定的沉淀时间为120分钟，由可编程实时控制器实时监测沉淀阶段的持续时间，此时进水阀门、进气阀门和排泥阀门均关闭；当达到预先设定的沉淀时间后，进入下一步工序；

V排水预先设定排水时间为30分钟，滗水器开始工作，滗水器的流量为90L/min，处理后的水经滗水器的排水管排出反应器；排水结束后，关闭滗水器；

VI排泥系统内的污泥量为14kg(污泥总量＝污泥浓度×污泥体积＝2g/L×7000L＝14kg)在快速启动阶段，控制污泥平均停留时间为35天，所以每周期排泥量为总污泥量的1/35，即400g；排水后，经过沉淀压缩的污泥浓度由2g/L上升到10g/L，需要排泥40L；排泥泵的流量是20L/min，设定排泥泵的运行时间为2分钟，在可编程实时控制器的控制下，开启排泥泵，达到预先设定的排泥时间后，关闭排泥泵；

VII闲置排泥结束到下一个周期开始定义为闲置期；预先设定闲置时间为2h，闲置时间达到2h后，系统自动记录周期数，并与预先设定的周期数相比较，若未达到45次，则系统有实时控制系统从工序I开始自动循环；当达到45次之后，系统停止运行。

本发明中实施例1中的装置参见图1，由SBR反应器4连接进水管3、出水管10、曝气头7；水箱1通过进水管3和进水泵2与SBR反应器1连接；加药桶18通过加药泵8与SBR反应器1连接；出水管10与滗水器9连接；曝气头7通过管路与鼓风机6连接；鼓风机6与变频器11连接；变频器11同时与溶解氧传感器15、数据采集装置12和鼓风机6连接；

在SBR反应器1内置有搅拌器5、溶解氧传感器15、pH传感器16、温度传感器17，上述传感器经导线分别与数据采集装置12连接，数据采集装置12与可编程实时控制器13连接，可编程实时控制器13与计算机14相连。

运行结果如图4所示，系统出水总氮小于5mg/L，远低于国家污水排放一级A标准。同时系统的亚硝化积累率在11-17℃范围内从20％上升到90％以上。本发明在低温条件下能够实现SBR法短程深度脱氮工艺的快速启动。

实施例2

SBR短程深度脱氮快速启动过程连续运行55个周期，SRT控制在30天左右，温度在11-17℃范围内；

以某大学家属区排放生活污水为研究对象(pH＝7-7.8，COD＝160-320mg/L，NH₄⁺-N＝75-90mg/L)。试验装置采用有效体积为10L的小试SBR反应器，每周期处理水量为4L，进水完成后反应器内混合液COD浓度维持在150-260mg/L，NH₄⁺-N浓度在25-45mg/L。在短程深度脱氮工艺的快速启动阶段，温度控制在11～17℃范围内。外加碳源采用体积分数为99.5％的乙醇。每个周期的具体操作步骤如下：

I进水应用有效容积为10L的SBR反应器，首先打开进水阀门，启动进水泵将待处理的废水加入到SBR反应器，水泵启动的同时开启搅拌器，此时系统开始计时，预先设定的进水时间为10分钟，进水泵流量为400mL/min，当水泵加水时间达到10分钟之后，关闭进水泵，进水完成之后反应器内污泥浓度为3000mg/L，进入下一步；

II曝气利用变频器启动鼓风机，此时系统开始计时，预先设定溶解氧浓度为3.0mg/L，通过变频控制技术维持曝气阶段溶解氧恒定在3.0mg/L左右。鼓风机提供的压缩空气通过曝气头向活性污泥混合液高效供氧，此阶段搅拌器一直开启，保证污水和活性污泥的充分混合接触；当曝气时间至少大于60分钟之后，开始通过变频器采集频率信号，采集的频率信号通过数据总线输入模拟数字转换器A/D，转换成数字信号，将数字信号输入可编程实时控制器(PLC)，经过滤波和求导计算，当频率f值的一阶导数小于-1且保持5分钟，那么PLC控制器输出信号经数字模拟转换器D/A转换成电流信号，传达至执行机构，执行机构关闭鼓风机，停止曝气；

III投加外碳源反硝化设定体积分数为99.5％乙醇的投加量为1ml，开启碳源投加管上的阀门和乙醇投加泵，投加乙醇1ml之后关闭碳源投加泵和碳源投加管上的阀门，投加碳源的同时开启搅拌器，当搅拌时间大于5分钟之后，开始采集pH传感器反馈的pH信号，并作为反硝化反应过程的实时控制参数传输到可编程实时控制器，当搅拌时间大于5分钟后，通过可编程实时控制器将所获得的信号传输到计算机进行滤波处理和相应地计算，当pH信号的一阶导数由正变负且保持5分钟时，计算机通过控制器发出关闭搅拌器的指令，最终搅拌器自动关闭，进入下一步工序；

IV沉淀预先设定的沉淀时间为60分钟，由可编程实时控制器实时监测沉淀阶段的持续时间，此时进水阀门、进气阀门和排泥阀门均关闭；当达到预先设定的沉淀时间后，进入下一步工序；

V排水预先设定排水时间为5分钟，出水阀门打开，处理后的水在重力的作用下，经出水管排出反应器外；排水结束后，关闭出水管上的阀门；

VI排泥系统内的污泥量为30g(污泥总量＝污泥浓度×污泥体积＝3g/L×10L＝30g)在快速启动阶段，控制污泥平均停留时间为30天，所以每周期排泥量为总污泥量的1/30，即1g；排水后，经过沉淀压缩的污泥浓度由2g/L上升到10g/L，需要排泥100mL；排泥泵的流量是20mL/min，设定排泥泵的运行时间为5分钟，在可编程实时控制器的控制下，开启排泥泵，达到预先设定的排泥时间后，关闭排泥泵；

VII闲置排泥结束到下一个周期开始定义为闲置期；预先设定闲置时间为2h，闲置时间达到2h后，系统自动记录周期数，并与预先设定的周期数相比较，若未达到55次，则系统有实时控制系统从工序I开始自动循环；当达到55次之后，系统停止运行。

本发明中实施例2中的装置与实施例1类似，参见图1，这里不再赘述。

运行结果如图5所示，SBR系统的亚硝化积累率在11-17℃范围内从0％上升到90％以上。可见本发明在低温条件下能够实现SBR法短程深度脱氮工艺的快速启动。