分段進水sbr深度脫氮工藝的過程控制裝置的製作方法
2023-09-19 10:35:20
專利名稱：分段進水sbr深度脫氮工藝的過程控制裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種含氮廢水的SBR生物處理裝置，尤其是能夠進行深度脫氮和過程實時控制的SBR工藝及裝置，適用於含氮工業廢水處理和城鎮汙水深度處理。
背景技術：
富營養化問題是當今世界各國面臨的最主要的水汙染問題之一，近年來儘管我國城市汙水的處理率不斷提高，但是由氮、磷汙染引起的水體富營養化問題沒有得到根本的解決，甚至有日益嚴重的趨勢。我國的大型淡水湖泊和近岸海域均達中度或重度的富營養汙染。我國在2002年新頒布的《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》中增加了總氮、總磷最高允許排放濃度，同時也對出水氨氮提出了更嚴格的要求，可見汙水處理的主要矛盾已逐漸由有機汙染物的去除轉變為氮磷汙染物的去除。汙水中的磷通常可以通過投加混凝劑去除，但由於氮化合物(如NH4+及NO3-)的分子量比較小，無法通過投加藥劑去除；另外，如果利用膜技術來去除氮化合物，僅反滲透膜技術是最有效的，但該方法成本過於昂貴，難以推廣應用；而其它的膜處理技術，如納濾、微濾等方法均無法有效去除汙水中的氮化合物，因此氮的去除是汙水深度處理的難點和重點，只有利用生物脫氮技術才能徹底去除。
生物脫氮過程主要分為兩部分，即通過硝化作用將氨氮轉化為硝酸鹽氮，再通過反硝化作用將硝酸鹽氮轉化為氮氣從水中逸出。傳統的汙水生物脫氮技術如A/O、A2/O工藝雖具有一定的脫氮效果，但由於其運行過程的可控性較差，氮的去除率很難達到80％以上。另外若要保持系統中有較高的硝化細菌濃度，必須進行汙泥回流和硝化液回流，增加了運行成本和能源消耗，工藝中與傳統工藝相比增加了厭氧段和缺氧段的處理構築物，使得整個工藝的基建投資和佔地面積增加。
傳統SBR工藝是間歇式活性汙泥汙水處理法的簡稱，它的處理裝置只有一個SBR反應池，進水、反應、沉澱、排水等步驟均在此反應池中進行，佔地面積小，是一種常規的活性汙泥法汙水處理工藝。但這種工藝由於硝化和反硝化作用不完全，且存在著運行操作繁瑣、自動化程度要求高的缺點。另外，要達到深度脫氮的目的，傳統SBR工藝在反硝化過程中需投加大量碳源，增加了運行費用。
實用新型內容本實用新型的目的是通過改變傳統SBR法的運行方式，充分利用原汙水中的有機物作為反硝化碳源進行反硝化，並通過實時過程控制合理分配每一階段硝化、反硝化的時間，能夠在節省運行費用的條件下達到深度脫氮的目的，在此基礎上，開發出一種高效低能耗的生物脫氮工藝及裝置，即分段進水SBR法深度脫氮工藝及過程控制裝置和方法。解決①傳統生物脫氮技術存在的脫氮效果差的問題、②SBR法實時控制運行操作複雜的問題、③一次進水反硝化需投加大量碳源運行費用高的問題、④亞硝酸鹽濃度累計到一定程度將對系統內微生物產生抑制作用的問題。
本實用新型的技術原理分段進水SBR法深度脫氮工藝過程控制原理，其特徵在於在分段進水SBR法反應器中好氧硝化-缺氧反硝化過程pH、DO、ORP會出現相應的變化點來指示反應的進程，具體原理如下(1)當原汙水進入SBR反應器，啟動鼓風機進行曝氣，好氧去除水中有機物，然後將水中氨氮氧化為硝態氮，即進行硝化反應。曝氣過程中產生的氣泡使得汙水和活性汙泥充分接觸，起到了攪拌混合的作用。反應器內的活性汙泥利用鼓風機鼓入的氧氣氧化水中有機物及氨氮，因此當有機物降解完全、硝化反應結束時，水中溶解氧將不再被活性汙泥微生物利用，因此DO值會出現躍升，水中氧化態物質也不再增加。同時硝化反應是一個產酸的反應，在硝化過程中pH值會一直下降，當硝化反應結束時產酸停止，由於CO2被大量吹脫，pH值會由下降變為上升，出現特徵點1，如圖1所示。根據以上特徵點，我們可以精確了解系統中的反應進程，當硝化反應結束時，停止曝氣，避免了過度曝氣而浪費的能源。
(2)投加適量原汙水，使其中含有的可被反硝化菌利用的有機碳源的量剛好滿足反硝化的要求。反硝化過程硝態氮不斷被還原為氮氣，使得反應系統內氧化態物質不斷減少，因此ORP值不斷下降，當反硝化完全結束後，由於進入了厭氧狀態，ORP下降速率加快，ORP曲線出現拐點。同時反硝化過程由於不斷產生鹼度，所以pH值會持續上升，當反硝化結束時，由於進入厭氧發酵產酸階段，所以pH值會由上升變為下降，出現特徵點2，如圖2所示。根據以上特徵點，我們可以精確判斷反硝化反應的進程，反硝化結束時，停止攪拌。
本實用新型提供的分段進水SBR深度脫氮過程控制裝置，其特徵在於由SBR反應器1連接進水管2、出水管3、碳源投加管4、曝氣管10；進水管2和進水泵5之間設置進水閥門7；碳源投加管4和碳源投加泵6之間設置碳源投加管閥門9；出水管設置出水閥門8，曝氣管10設置進氣閥門11，曝氣管進口處與鼓風機12相連；在SBR反應池內置有攪拌器13、溶解氧濃度DO傳感器14、氧化還原電位ORP傳感器15和pH傳感器16，上述傳感器經導線分別與DO測定儀17、ORP測定儀18和pH測量計19連接後與計算機20的數據信號輸入接口21連接，計算機的數據信號輸出接口22經導線連接過程控制器23，過程控制器的進水繼電器24、出水繼電器25、曝氣繼電器26、碳源投加泵繼電器27、攪拌機繼電器28經接口分別與進水閥門7、出水閥門8、曝氣管進氣閥門11、碳源投加泵6和攪拌器13相連接。
本實用新型提供的分段進水SBR深度脫氮工藝的過程控制裝置的控制方法，包括以下步驟I進水根據進水量確定進水時間，並通過控制器對計時器進行設定，系統啟動後，啟動進水泵將待處理的廢水注入SBR反應器，當達到預先設定的時間後，關閉進水泵和進水閥門，進入第II道工序；II曝氣打開進氣閥門，啟動鼓風機，對反應系統進行曝氣，同時讀取在線參數；由控制器通過溶解氧濃度DO傳感器、氧化還原電位ORP傳感器和pH傳感器採集溶解氧濃度(DO)、氧化還原電位(ORP)和pH值的信號，作為SBR法脫氮過程的過程實時控制參數；將數位訊號輸入過程實時控制器，濾波處理，計算，得到過程實時控制變量，並根據控制策略對得到的控制變量進行比較；當滿足以下條件時，好氧硝化過程結束，執行機構關閉鼓風機及進氣閥，停止曝氣；好氧硝化過程結束條件為下列三個條件其中任意一條，即可停止曝氣進行攪拌，①pH一階導數由負變正，且曝氣時間t＞2h②ORP的一階導數小於0.5mv/min，且曝氣時間t＞3.5h③DO大於5.5mg/L，且曝氣時間t＞4h；然後系統將讀取控制器內預先設定的脈衝次數(至少2次)，當達到脈衝次數後，系統將跳出循環，進入到第IV道工序；當沒有達到設定的脈衝次數時，系統將進入第III道工序；III加原汙水攪拌根據進水量確定第二次進水的時間，並通過控制器對計時器進行設定，在過程實時控制系統的調節下打開進水泵和進水閥門，投加原水並開啟攪拌器，達到預先設定的時間後，關閉進水閥門和進水泵；系統在攪拌過程中進入缺氧反硝化脫氮過程，反硝化進程由ORP、pH在線傳感器監控，並通過數據採集卡實時將所獲得的數據信息傳輸到計算機進行處理，最終達到對攪拌時間的控制，當過程實時控制器得到表徵反硝化完成的信號後，關閉攪拌器，系統將返回第II道工序；上述表徵缺氧反硝化結束的條件為兩個條件其中任意一條，①pH一階導數由正變負，且攪拌時間t＞0.5h②ORP的一階導數由-25mv/min突然變為小於30mv/min，且攪拌時間t＞1h；IV投加外碳源反硝化根據經驗確定需要投加碳源的量，設定碳源投加泵的開啟時間，開啟碳源投加管上的閥門和碳源投加泵，達到設定的時間後關閉碳源投加泵和碳源投加管上的閥門，投加碳源的同時開啟攪拌器，反硝化進程由ORP、pH在線傳感器監控，與前面步驟類似，反硝化結束後，關閉攪拌器，進入第V道工序；V沉澱根據經驗確定沉澱的時間，並由過程實時控制系統中的時間控制器進行計時，當達到預先設定的沉澱時間後，進入第VI道排水工序；VI排水確定排水的時間，出水閥門打開，將處理後水經出水管排到反應器外；排水結束後，關閉出水管上的閥門；VII閒置排水結束到下一個周期開始定義為閒置期；根據經驗設定閒置時間和排泥泵的運行時間，在過程實時控制系統調節下，開啟排泥泵，當達到預先設定的排泥時間後，關閉排泥泵；當達到預先設定的閒置時間後，系統讀取預先設定的整個反應的循環次數設定值，若未達到預先設定的循環次數，則系統由過程實時控制系統自動循環從工序I開始；當達到預先設定的整個反應的循環次數後，系統停止運行。
這種分段進水SBR法深度脫氮工藝實時控制方法，其特徵在於在SBR反應器中，由溶解氧濃度DO傳感器、氧化還原電位ORP傳感器和pH傳感器在線監控，採集溶解氧濃度(DO)、氧化還原電位(ORP)和pH值的信號，作為SBR法脫氮過程的過程實時控制參數，硝化過程中實時控制曝氣量、硝化反應時間；反硝化過程中實時控制攪拌時間。
硝化反硝化過程中DO的變化範圍是0～9mg/L，ORP的變化範圍為-350～+350，pH的範圍為4～12。考慮到信號的準確性，設置DO的範圍為0～10mg/L、ORP的範圍為-400～+400、pH的範圍為0～14，分別對應4～20mA電流信號，將採集的DO、ORP和pH值電流信號經變送器輸入模擬數字轉換器A/D，轉換成數位訊號，在上位機上顯示在線參數的具體數值；硝化(好氧)過程中採集、轉換DO、ORP和pH值三種信號；反硝化(缺/厭氧)過程採集、轉換ORP和pH值二種信號。
將數位訊號輸入過程實時控制器，首先經過濾波處理，採用移動平均的辦法去除在線參數曲線上幹擾，然後進行求導計算，得到過程實時控制變量，並根據控制策略對得到的控制變量進行比較。當滿足要求時，將輸出信號經數字模擬轉換器D/A轉換成電流信號，傳達至控制執行機構，直接對SBR汙水處理反應過程的各個步驟進行控制。同時對曝氣量、硝化反應時間、碳源投加泵、攪拌裝置的開關進行在線控制調節。
本實用新型的有益效果在本實用新型工藝中，隨著硝化反應的進行，反應混合液中氨氮的濃度越來越少，亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的濃度逐漸升高，造成反應體系內硝態氮的積累。而硝態氮的積累對硝化菌有抑制作用，從而使硝化反應的速率降低。本實用新型在反應過程中及時投加原水進行反硝化，去除了積累的硝態氮，大大提高了整個生化反應的速率，減少了反應時間，節約了運行成本。同時由於反硝化過程會產生大量鹼度，為下面的硝化反應創造了有利的條件，大大節約了由於外加鹼度而增加的費用。
本實用新型設計的分段進水SBR深度脫氮工藝和裝置與現有技術相比，具有下列優點(1)脫氮效果好，出水氨氮小於1mg/L、總氮小於5mg/L，2002年國家頒布的排汙標準中，對城鎮汙水最嚴格的排放標準為出水氨氮小於5mg/L、總氮小於15mg/L，本實用新型的出水氨氮和總氮遠低於國家頒布的排汙標準，這是其他工藝所不能比擬的，也是本工藝最突出的優點。
(2)本工藝與傳統SBR法相比，由於充分的利用了原汙水中的有機碳源，從而節省了外投碳源的費用，同時由於汙水中的有機物被作為反硝化碳源，這就節約了氧化這些有機物所需要的氧氣，既節約了鼓風機的能耗，也減輕了有機物對硝化過程的影響。
(3)採用過程實時控制策略控制生物脫氮過程中的好氧曝氣和缺氧攪拌時間，從根本上解決了曝氣或攪拌時間不足所引起的硝化或反硝化不完全和曝氣或攪拌時間過長所帶來的運行成本的提高和能源的浪費。並且能夠根據原水水質水量的變化實時控制各個生化反應所需投加的藥劑量、反應時間，實現具有智能化的控制，保證出水水質的前提下優化節能。
(4)主體裝置採用的是SBR工藝，使有機物和含氮化合物在一個反應池內得到去除，減少了缺氧池和沉澱池等處理構築物，從而降低了基建投資和整個工藝的佔地面積。
(5)整個工藝由過程實時控制系統完成，具有管理操作方便，費用低、耐衝擊負荷強和不易發生汙泥膨脹。
本實用新型可廣泛應用於中小城鎮城市汙水或有機物、氮素含量變化較大的工業廢水的處理，特別適用於已採用SBR工藝的汙水處理廠或準備採用SBR工藝的汙水處理廠。
圖1是SBR法硝化過程中典型的DO、pH變化規律圖2是SBR法反硝化過程中典型的ORP、pH變化規律圖3是本實用新型分段進水SBR法深度脫氮工藝運行操作的工序示意圖；圖4是本實用新型分段進水SBR法深度脫氮實時過程控制裝置結構示意圖；圖5是分段進水SBR法深度脫氮過程實時控制流程圖圖4中，1-SBR反應器、2-進水管、3-出水管、4-碳源投加管、5-進水泵、6-碳源投加泵、7-進水閥門、8-出水閥門、9-碳源投加管閥門、10-曝氣管、11-進氣閥門、12-鼓風機、13-攪拌器、14-DO傳感器、15-ORP傳感器、16-pH傳感器、17-DO測量計、18-ORP測定儀、19-pH測定儀、20-計算機、21-信號輸入接口、22-信號輸出接口、23-過程控制器、24-進水繼電器、25-出水繼電器、26-曝氣繼電器、27-碳源投加泵繼電器、28-攪拌器繼電器、29-顯示器。
具體實施方式
結合實施例，如圖3，圖5所示，本實用新型工藝的運行操作工序以某大學家屬區排放的實際生活汙水作為實驗對象(pH＝6.5～7.8，COD＝260～350mg/L，TN＝75～80mg/L)。所選擇的SBR反應器有效容積15L，分三次進水，每次進水約為4L，反應器內混合液的COD濃度維持在200～300mg/L，NH4+-N濃度在55～60mg/L，反應器內初始的汙泥濃度在3.5～4.0g.L-1，曝氣量恆定在0.6m3/h，泥齡維持在15d左右，反應溫度25℃。外加碳源採用濃度為95％乙醇。具體過程如下I進水應用本實用新型所提供的分段進水SBR生物脫氮工藝裝置，首先打開進水閥門，啟動進水泵將待處理的廢水注入SBR反應器，通過過程實時控制系統設定進水時間為10分鐘，進水泵的流量為0.4L/min，進水10分鐘後約進水4L，關閉進水泵和進水閥門，進入第II道工序。
II曝氣打開進氣閥門，啟動鼓風機，曝氣量恆定在0.6m3/h，對反應系統進行曝氣，由鼓風機提供的壓縮空氣由進氣管進入曝氣器，以微小氣泡的形式向活性汙泥混合液高效供氧，並且使汙水和活性汙泥充分接觸，整個過程由過程實時控制系統實施控制，主要根據反應池內所安置的DO、ORP和pH傳感器在反應過程中所表現出的特徵點1來間接獲取反應進程的信息，並再通過數據採集卡實時將所獲得的數據信息傳輸到計算機進行濾波和求導處理，並根據控制策略最終達到對曝氣時間的控制，當過程實時控制器得到表徵硝化完成的信號後，關閉鼓風機及進氣閥，停止曝氣。然後系統將讀取控制器內預先設定脈衝次數，根據事先設定的脈衝次數是3次，目前僅為第2次，沒有達到設定的脈衝次數時，系統將進入第III道工序。
III加原汙水攪拌在過程實時控制系統的調節下打開進水泵和進水閥門，投加原水並開啟攪拌器，設定第二次進水時間為9.5分鐘，第二次的加入汙水的量約為3.8L，當進水時間達到9.5分鐘後關閉進水閥門和進水泵，系統在攪拌過程中進入缺氧反硝化脫氮過程，反硝化進程由ORP、pH在線傳感器監控，並通過數據採集卡實時將所獲得的數據信息傳輸到計算機進行處理，最終達到對攪拌時間的控制，當過程實時控制器得到表徵反硝化完成的信號後，關閉攪拌器，系統將返回第II道工序。重複投加原汙水進行反硝化和後曝氣的過程。直至脈衝次數達到3次，進入第IV道工序。
IV投加外碳源反硝化 設定乙醇的投量為0.5ml，開啟碳源投加管上的閥門和乙醇投加泵，投加的乙醇0.5ml後關閉碳源投加泵和碳源投加管上的閥門，投加碳源的同時開啟攪拌器，反硝化進程由ORP、pH在線傳感器監控，與前面步驟類似，反硝化結束後，關閉攪拌器，進入第V道工序。
V沉澱由過程實時控制系統中的時間控制器根據預先設定的沉澱時間為1小時，此時進水閥門、進氣閥門、排水閥門和排泥閥門均關閉。
VI排水在過程實時控制系統調節下，無動力式潷水器開始工作，將處理後水經出水管排到反應器外。排水結束後，關閉出水管上的閥門。
VIII閒置根據需要，設定閒置時間為2小時，排泥時間為5分鐘，在過程實時控制系統調節下，開啟排泥泵，當達到預先設定的排泥時間後，關閉排泥泵。當達到預先設定的閒置時間2小時後，系統讀取預先設定的整個反應的循環次數設定值，此次操作設定循環次數為1次，所以系統停止運行。
本實用新型的實時控制裝置實施例參見圖4，由SBR反應器1連接進水管2、出水管3、碳源投加管4、曝氣管10；進水管2和進水泵5之間設置進水閥門7；碳源投加管4和碳源投加泵6之間設置碳源投加管閥門9；出水管設置出水閥門8，曝氣管10設置進氣閥門11，曝氣管進口處與鼓風機12相連；在SBR反應池內置有攪拌器13、溶解氧濃度DO傳感器14、氧化還原電位ORP傳感器15和pH傳感器16，上述傳感器經導線分別與DO測定儀17、ORP測定儀18和pH測量計19連接後與計算機20的數據信號輸入接口21連接，計算機的數據信號輸出接口22經導線連接過程控制器23，過程控制器的進水繼電器24、出水繼電器25、曝氣繼電器26、碳源投加泵繼電器27、攪拌機繼電器28經接口分別與進水閥門7、出水閥門8、曝氣管進氣閥門11、碳源投加泵6和攪拌器13相連接。
利用分段進水SBR法深度脫氮工藝及過程控制裝置，最終出水中COD小於50mg/L、總氮小於5mg/L，遠低於國家一級排放標準所要求的總氮濃度。
權利要求1.分段進水SBR深度脫氮工藝的過程控制裝置，其特徵在於由SBR反應器(1)連接進水管(2)、出水管(3)、碳源投加管(4)、曝氣管(10)；進水管(2)和進水泵(5)之間設置進水閥門(7)；碳源投加管(4)和碳源投加泵(6)之間設置碳源投加管閥門(9)；出水管設置出水閥門(8)，曝氣管(10)設置進氣閥門(11)，曝氣管進口處與鼓風機(12)相連；在SBR反應池內置有攪拌器(13)、溶解氧濃度DO傳感器(14)、氧化還原電位ORP傳感器(15)和pH傳感器(16)，上述傳感器經導線分別與DO測定儀(17)、ORP測定儀(18)和pH測量計(19)連接後與計算機(20)的數據信號輸入接口(21)連接，計算機的數據信號輸出接口(22)經導線連接過程控制器(23)，過程控制器的進水繼電器(24)、出水繼電器(25)、曝氣繼電器(26)、碳源投加泵繼電器(27)、攪拌機繼電器(28)經接口分別與進水閥門(7)、出水閥門(8)、曝氣管進氣閥門(11)、碳源投加泵(6)和攪拌器(13)相連接。
專利摘要本實用新型涉及一種含氮廢水的SBR生物處理裝置，用於含氮工業廢水處理和城鎮汙水深度處理。現有技術運行操作繁瑣、自動化程度要求高，反硝化過程中需投加大量碳源。本實用新型由SBR反應器(1)連接進水管(2)、出水管(3)、碳源投加管(4)、曝氣管(10)；進水管(2)連接進水泵(5)；曝氣管進口處與鼓風機(12)相連；在SBR反應池內置有攪拌器(13)、DO傳感器(14)、ORP傳感器(15)和pH傳感器(16)，上述傳感器與計算機(20)連接，計算機的數據信號輸出接口(22)連接過程控制器(23)，過程控制器的繼電器分別與閥門、碳源投加泵(6)和攪拌器相連接。本實用新型提高了整個生化反應的速率，減少了反應時間，節約了運行成本。
文檔編號C02F3/30GK2910918SQ20062002302
公開日2007年6月13日 申請日期2006年6月1日 優先權日2006年6月1日
發明者彭永臻, 楊慶 申請人:北京工業大學