改良型循环式活性污泥法原位剩余污泥减量控制方法

摘要

本发明涉及一种改良型循环式活性污泥法剩余污泥减量控制方法，适用于城市污水生物脱氮除磷。所述方法：每周期进水时间固定，进水同时进行30min缺氧搅拌，然后通过pH值一阶导数控制缺氧时长；反硝化结束后延时10min进入曝气工序，利用pH一阶导数曲线上极小值点控制曝气时长，亚硝化结束后延时3min后进入下一阶段；重复上述交替缺氧、好氧工序，当时间超过设定的进水时间后，以好氧工序作为反应阶段的结束工序；然后依次进行沉淀和滗水阶段。本发明的特点是交替缺氧、好氧运行方式与实时控制系统的集成，既充分利用了原水中的有机碳源，又强化了内源过程，对周期内硝化、反硝化时长进行了优化，可实现短程硝化和反硝化除磷，并减少剩余污泥产量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种循环式活性污泥法剩余污泥减量的控制方法，属于序批式污泥法及其变型工艺污水生 物处理技术领域，适用于城市污水生物脱氮除磷处理。

背景技术

活性污泥法是当今应用最广泛的污水生物处理方法，但会产生大量的副产品——剩余污泥。目前我国 城市污水处理厂每年排放的污泥量约为130万吨(干重)，且年增长率＞10％，用于污泥处理处置的投资约 占污水厂总投资的20～50％。大量未有效处理的污泥已成为污水处理厂的沉重负担和环境的极大威胁，污 泥问题已成为污水处理领域中的突出问题。另一方面，随着地表水体“富营养化”现象的日益突出，促使人 们对常规活性污泥工艺进行改造，以提高氮、磷的去除率。因此，研究开发高效、低能耗并可有效降低剩 余污泥产量的生物脱氮除磷工艺和装置已成为当前水处理界重要的研究课题。

传统生物脱氮过程主要包括两个阶段：首先通过硝化阶段将氨氮转化为硝酸盐氮，然后再通过反硝化 阶段将硝酸盐氮转化为氮气从水中逸出。在硝化阶段，首先由氨氧化菌(Ammonia oxidation bacteria，AOB) 将氨氮氧化为亚硝酸盐(NO₂^-)，然后由亚硝酸盐氧化菌(Nitrite oxidation bacteria，NOB)将亚硝酸盐氧 化为硝酸盐(NO₃^-)；在反硝化阶段，由反硝化菌将硝酸盐还原为亚硝酸盐，接着再还原为氮气，氮气从 水中逸出从而实现脱氮效果。即，传统生物脱氮途径为：NH₄⁺→NO₂^-→NO₃^-→NO₂^-→N₂，主要涉及AOB、 NOB和反硝化菌三类微生物。可以看出，如果将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后进行反硝化，就会省去 由亚硝酸盐氧化成硝酸盐，再还原成亚硝酸盐两个环节，同时，就可省去NOB和部分反硝化菌，从而缩 短反应时间，节约供氧能耗，并降低活性污泥微生物(即活性污泥)的产量，相应减少反应器体积。这种 NH₄⁺→NO₂^-→N₂的生物脱氮途径，被称为亚硝酸型硝化反硝化或者短程硝化反硝化生物脱氮。传统生物除 磷是通过聚磷菌(Phosphate accumulating organisms，PAOs)在厌氧条件下释放磷、在好氧条件下过量吸收 磷来实现的。而近年来发现的反硝化聚磷菌(Denitrifying phosphate accumulating organisms，DPAOs)，可 以在厌氧条件释放磷、缺氧条件下同时进行反硝化和过量吸磷过程，实现“一碳两用”，具有污泥产量低、 节约曝气量的优势。因此，短程脱氮和反硝化除磷的实现对于实际工程应用具有重要意义。另一方面，国 外有研究人员发现，交替进行的厌氧、缺氧、好氧条件可以引发能量泄露，从而实现污泥减量，但尚停留 在实验室阶段。

目前，反硝化除磷和亚硝酸型生物脱氮已成为污水脱氮除磷领域的研究热点，但是，在实际工程中实 现亚硝酸型反硝化除磷(即同步脱氮除磷)的成功应用并不多，而将短程脱氮、反硝化除磷与原位剩余污 泥减量(剩余污泥产生过程中减少剩余污泥产量)结合起来的应用就更加少见。其主要原因是影响因素多、 难以控制，例如形成稳定的NO₂^-积累较难实现，NOB会逐渐恢复从而将已经实现的短程生物脱氮又恢复 为全程硝化反硝化脱氮。

循环式活性污泥法(CAST)是序批式活性污泥法(SBR)法的一种变型工艺，宣称可以在系统内实 现同步硝化反硝化和生物除磷，然而在实践中该工艺的脱氮除磷效果并不理想，难以实现出水稳定达标。

技术内容

目前，实际应用中的CAST工艺，一个运行周期主要包括：进水/反应、沉淀、滗水三个阶段，并且各 阶段时间长度固定不变，其中进水和反应是同时进行的。采用比较多的是一个周期4小时(进水/反应2 小时，沉淀1小时，滗水1小时)。显然，这样固定时间长度的运行方式对于原水水质稳定的情况是合适 的。而实践中原水的水质并不是固定不变的，因此这种固定时间长度的运行方式对于变化的水质条件来说 并非一种优化的方式，当进水污染物浓度较高时，反应时间可能不够；当进水污染物浓度较低时，又会造 成能源的浪费。此外，由于没有在运行周期内设置缺氧段，不利于反硝化过程的进行，从而影响了总氮的 去除效率。重要的是，在传统运行模式下，CAST工艺剩余污泥产量较高，约为0.5kgMLSS/kgCOD。因此， 为了保证脱氮除磷效率，并实现原位污泥减量和节能降耗，需要一种新型的周期工序组成及运行模式。

本发明的目的就是针对现有循环式活性污泥法工艺中存在的问题，对传统CAST工艺进行改良，开发 出一种CAST工艺运行模式及优化控制方法，以提高脱氮除磷效率，并实现原位剩余污泥减量。对常规 CAST工艺的运行方式进行改进，增加缺氧搅拌阶段，采用变时长曝气的运行方式来运行，在一个运行周 期内，形成交替缺(厌)氧、好氧的运行方式，控制好氧曝气和缺氧搅拌的时间由实时控制策略来调节， 并实现短程硝化和反硝化除磷，减少剩余污泥产量，从而提高工艺的生物脱氮除磷效率，并降低运行成本。

本发明可广泛应用于城市污水的处理，特别适用于已采用CAST工艺的污水处理厂或拟采用CAST工 艺的污水处理工艺。

发明内容

本发明设计的改良型循环式活性污泥法原位剩余污泥减量控制方法，包括改良型CAST装置和实时控 制方法。该改良型CAST装置主要包括：长方体水箱，长方体反应池，反应池分为预反应区和主反应区两 部分，设置在反应池内的曝气器、搅拌器，回流泵，进水管，出水管，空压机，进气管，滗水器，滗水器 电机，实时控制系统，实施控制系统包括计算机、数据采集卡、时间继电器。其特征在于：所述的曝气器 通过控制阀门与进气管连接；所述的滗水器与出水管相连，由滗水器电机控制滗水器的滗水位置；在所述 反应池底部设有排泥管和排泥阀。

本发明中所述的原位剩余污泥减量控制方法，其特征在于包括以下操作过程：

(1)进水：在上一周期滗水阶段结束后，实时控制系统开启进水泵，按预先设定时间(4小时)进水， 达到预定时间后关闭进水泵；选择区内的搅拌器始终运行，始终进行从主反应区到预反应区的污泥回流， 回流比为15-25％；

(2)搅拌：开始进水的同时，实时控制系统开启主反应区内的搅拌器，进入缺氧阶段，缺氧反硝化 过程的pH值由pH在线传感器监控，并通过数据采集卡将所获得的数据传输到计算机进行移动平均(依 次取相邻5个数据的平均值)分析，当pH变化曲线斜率移动平均值从正值变为负值(出现极大值)时， 维持搅拌10分钟后关闭搅拌器；

(3)曝气：在搅拌阶段停止后，实时控制系统开启空压机，由空压机提供的压缩空气进入曝气器， 向主反应区内的混合液中供氧，进行有机物好氧降解和硝化过程，该好氧过程由pH在线传感器监控，并 通过数据采集卡实时将所获得的pH数据传输到计算机进行移动平均分析，当pH变化曲线斜率移动平均 值从负值变为正值(出现极小值)时，实时控制系统关闭空压机停止曝气供氧；

(4)重复(2)、(3)两步，直到进水阶段结束，并以好氧段为一个周期内反应阶段的末尾，结束反 应阶段。

(5)沉淀：由实时控制系统根据预先设定的时间(1小时)控制沉淀时间，此时进水泵、排泥阀门和 滗水器电机均关闭；

(6)滗水：沉淀阶段结束后，实时控制系统开启滗水器电机，滗水器开始工作，将沉淀后的上清液 经出水管排到反应器外，设定的滗水时间由实时控制系统控制为1小时；每隔两周期，在开始滗水的同时， 实时控制系统开启排泥管阀门按设定时间(10分钟)进行排泥，使得系统内MLSS维持在3500-4500mg/L；

(7)滗水阶段结束后，在实时控制系统控制下，系统在依次重复(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、 各步骤，整个系统交替经历好氧、缺氧、厌氧状态，间歇进水和出水，并定期排放剩余活性污泥。

本发明工作原理及过程：

通过在运行周期内增设缺氧段来强化生物反硝化过程，并为反硝化聚磷菌富集创造条件，同时强化内 源反硝化过程，利用生物硝化过程、反硝化过程的碱度的变化，通过pH值变化曲线上的特征点来实时控 制好氧硝化过程、反硝化反硝化过程时间长度，来实现短程硝化、反硝化除磷，从而实现原位污泥减量、 提高生物脱氮除磷效率的目的。具体地说，生物硝化过程消耗碱度，pH逐渐降低，当氨氮完全氧化完毕 时，即亚硝化阶段结束时，pH值变化曲线上会出现一个极小值点；反硝化过程中，碱度增加，反硝化结 束时，pH值变化曲线上会出现一个极大值点；这些极值点可以方便地通过判断pH的一阶导数的变化来确 定，从而来控制好氧和缺氧时长。每周期开始阶段的固定30min的搅拌工序和每次缺氧反硝化结束后的延 时10min，是为反硝化聚磷菌创造有利的厌氧环境而设立。

(1)开始进水的同时，主反应区搅拌器开始运行，30min后对主反应区内pH值的一阶导数进行判断， 如果30min的搅拌工序足以将上周期残留的硝酸盐和亚硝酸盐还原完毕，多余的搅拌时间会有利于聚磷菌 的厌氧释磷，此时pH的一阶导数将小于零；如果30min的搅拌工序尚不足以完成反硝化，此时pH的一 阶导数将大于零，直到反硝化结束时，pH的一阶导数由正变负，继续10min后，停止搅拌，进入下一阶 段。

(2)搅拌阶段结束后，启动空压机进入曝气阶段，开始好氧硝化过程，当pH一阶导数由负变正时， 主反应区内氨氮氧化完毕，延时3min是为了进一步将由预反应区转输过来的氨氮进行氧化，然后进入下 一阶段。

(3)在pH一阶导数的分析过程中，采用求移动平均值的方法，来消除读数的误差，试验结果表明， 取5个相邻数据进行移动平均足以消除读数的误差；每个周期以好氧工序结束，可以保证出水有机污染物 和氨氮浓度满足排放标准。

本发明设计的改良型循环式活性污泥法原位剩余污泥减量控制方法与现有技术相比，具有下列优点：

(1)通过改变工艺运行模式，强化内源反硝化脱氮过程，既提高了工艺总氮去除效率，又通过内源 过程的强化，降低了剩余污泥的产量，从而实现原位剩余污泥减量。

(2)仅利用一个参数pH对曝气和搅拌时间进行实时控制，简化了操作，避免了过度曝气(NOB继 续氧化亚硝酸盐)现象的发生，从而从根本上抑制NOB的生长，使的短程硝化更稳定，保证了亚硝酸型 反硝化除磷的实现，并实现节能降耗。

(3)交替缺(厌)氧/好氧的运行方式为微生物代谢过程的能量泄露提供了机会，从而使得用于合成 代谢的能量减少，降低了微生物量的生成量。

(4)通过短程硝化和反硝化除磷的结合，实现同步脱氮除磷，因而它可节省好氧阶段供氧量35％左 右；节约反硝化和除磷所需碳源50％左右；减少污泥生成量35％；缩短反应时间，相应地减少反应器容积。

(5)工艺运行由实时控制系统完成，具有管理操作方便，耐冲击负荷、出水水质稳定的特点。

附图说明

图1是改良型循环式活性污泥法原位剩余污泥减量控制装置示意图；

1.水箱；2.反应器；3.进水泵；4.预反应区；5.主反应区；6.预反应区和主反应区连通孔；7.预 反应区搅拌器；8.主反应区搅拌器；9.空压机；10.曝气器；11回流泵；12.排泥管阀门；13.pH传感 器；14.滗水器电机；15.滗水器；16.排水管；17实时控制系统

图2是改良型循环式活性污泥法原位剩余污泥减量控制策略示意图

具体实施方式

下面结合附图和应用实例对本发明做进一步说明：

如图1所示，改良型循环式活性污泥法反应装置包括水箱1和反应器2，水箱1和反应器2通过进水 泵3相连接。反应器2包括预反应区4和主反应区5两个区，两个反应区通过中间隔板上的连通孔6相连 通，工艺运行控制按照图2进行。

(1)进水：在上一周期滗水阶段结束后，实时控制系统17将进水泵3打开，按预先设定时间(4小 时)通入污水，当达到预定时间后关闭进水泵3；选择区4内的搅拌器7和回流泵11全周期内始终开启， 分别按设定转速进行搅拌、按设定流量(进水流量的15-25％)进行回流；

(2)搅拌：开始进水的同时，实时控制系统开启主反应区搅拌器8，进入缺氧反硝化阶段，反硝化过 程的pH值由pH在线传感器13监控，并通过数据采集卡将所获得的pH数据传输到计算机进行移动平均 (依次取相邻5个数据的平均值)分析，当pH变化曲线斜率移动平均值从正值变为负值(出现极大值) 时，维持搅拌10分钟后关闭搅拌器8；

(3)曝气：在搅拌阶段停止后，实时控制系统17开启空气压缩机9，由空压机提供的压缩空气进入 曝气器10，向主反应区5内的混合液供氧，进行有机物好氧降解和硝化过程，该好氧过程由pH在线传感 器13监控，并通过数据采集卡实时将所获得的pH数据传输到计算机进行移动平均分析，当pH变化曲线 斜率移动平均值从负值变为正值(出现极小值)时，实时控制系统17关闭空压机9停止曝气供氧；

(4)重复(2)、(3)两步，直到进水阶段结束，并以好氧段为一个周期内反应阶段的末尾，结束反 应阶段。

(5)沉淀：由实时控制系统17根据预先设定的时间(1小时)控制沉淀时间，此时进水泵3、排泥 阀门12和滗水器电机14均关闭；

(6)滗水：沉淀阶段结束后，实时控制系统17开启滗水器电机14，滗水器15开始工作，将沉淀后 的上清液经出水管16排到反应器外，设定的滗水时间由实时控制系统控制为1小时；每隔两周期，在开 始滗水的同时，实时控制系统17开启排泥管阀门12按设定时间(10分钟)进行排泥；

(7)滗水阶段结束后，在实时控制系统17控制下，系统在依次重复(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、 各步骤，整个系统交替经历好氧、缺氧、厌氧状态，间歇进水和出水，并定期排放剩余活性污泥。

本发明可广泛应用于中小城镇城市污水或有机物、氮磷含量变化较大的工业废水的处理，特别适用于 已采用CAST工艺的污水处理厂或准备采用CAST工艺的污水处理厂。对于已采用CAST工艺的污水处理 厂，改造时需要在主反应区设置搅拌器，并设置pH值在线监测设备，并将回流泵、搅拌器、滗水器电机、 空压机与实时控制系统相连接。

应用实例：

试验用水取自某小区生活污水，原水水质：COD为150-350mg/L；NH₄⁺-N为30-50mg/L；NO₃^--N为 0.1-1.2mg/L；NO₂^--N为0.1-1.1mg/L；TN为32-60mg/L；TP为4-13mg/L；碱度为260-470mg/L；pH为 6.9-7.6。试验装置如图1所示，MLSS维持在4000±500mg/L，回流比20％，工艺运行控制按图2进行。 运行结果表明：出水NH₄⁺-N平均值为5.1mg/L；TN平均值为8.3mg/L；TP平均值为0.3mg/L；出水水 质低于《城镇污水处理厂污染物排放GB 18918-2002》一级A标准；污泥产量为0.32kgMLSS/kgCOD，与 常规CAST工艺相比，降低了36％；供氧量较常规CAST节省了35％。