一種低碳源城市汙水高效脫氮除磷的裝置及方法

2023-05-05 15:58:21

一種低碳源城市汙水高效脫氮除磷的裝置及方法
【專利摘要】一種低碳源城市汙水高效脫氮除磷的裝置及方法，屬於汙水處理【技術領域】。低碳源城市汙水遞減進水模式進入反應器，在實時控制的條件下進行交替缺好氧運行，充分利用原水中有限的碳源有機物。首段厭氧段主要進行厭氧釋磷和有機物的去除，通過實時監測ORP控制厭氧攪拌時間；兩段缺氧段充分利用原水中的有機物進行反硝化作用，通過實時監測pH和ORP值控制缺氧攪拌時間；三段好氧段主要進行好氧吸磷和短程硝化作用，通過實時監測DO和pH值控制曝氣時間。本發明通過實時控制準確判斷硝化作用和反硝化的反應終點，節約了反應時間，缺好氧交替運行穩定實現系統的短程脫氮，提高了反應速率，節約能耗、節省外碳源，高效同步脫氮除磷等優點。
【專利說明】一種低碳源城市汙水高效脫氮除磷的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於短程硝化反硝化的脈衝式SBR強化低碳源城市汙水高效脫氮除磷的裝置及工藝，屬於汙水處理領域。
【背景技術】
[0002]氮、磷元素導致的水體富營養化已經成為一個全球性難題。為解決這個難題，人們制定了越來越嚴格的汙水排放標準，同時人們也在不斷改進汙水處理工藝。對於市政汙水的脫氮除磷而言，生物處理法是最為經濟的。然而，汙水中的碳源不足使得汙水處理廠無法實現高效的脫氮除磷。因此，解決原水碳源的限制性問題成為了一個重要的研究方向。
[0003]目前研究的途徑主要集中在以下兩點:(1)原水碳源利用率的最大化；(2)碳源使用量的最小化。分段進水是最大化利用原水碳源的有效途徑，該工藝通過採用原水分流方式和過程控制，不但強化了厭缺氧微生物對於原水碳源的有效利用，而且儘可能地減少了好氧階段的有機負荷，節約了曝氣消耗，進而大大提高了氮磷的去除效果。不過，分段進水工藝的處理效果依舊受原水C/N的限制，當所處理的城市汙水的C/N小於5時，不投加外碳源也無法實現出水水質達標。[0004]短程生物脫氮技術是將生物硝化過程控制在氨氧化階段，而後直接進行反硝化的脫氮途徑。相比於全程脫氮，它不但節省了進一步曝氣氧化所需的能源，而且也節省了反硝化WO3 -1V所需的碳源。對於處理低碳源城市汙水而言，短程脫氮的實現可以從減少碳源使用量的角度大大緩解原水碳源的限制性問題。然而，如何實現短程脫氮的穩定和短程脫氮過程中亞硝酸鹽積累對微生物代謝的毒害作用是制約短程脫氮工藝得以應用的最大難題。

【發明內容】

[0005]本發明專利的目的在於提出了一套針對低碳氮比城市汙水同步脫氮除磷的處理裝置及實時控制方法。本發明通過改變傳統SBR法的運行方式，採用遞減進水缺好氧交替的運行方法，充分利用了原汙水中的碳源有機物，並結合實時過程控制合理分配了每一段的硝化、反硝化時間，穩定實現了系統的短程硝化反硝化，並通過設置厭氧段的方式滿足了聚磷菌對於生物除磷的要求。
[0006]本發明的目的是通過以下解決方案來解決的:低碳源城市汙水高效脫氮除磷裝置，其特徵在於:原水箱(1)通過進水管連接進水泵(2 )和進水閥門(3 )與SBR反應器(4 )連接；SBR反應器(4)還設有出水管、曝氣管、溢流管(27)和取樣口(25);出水管上設置出水閥門(26 );曝氣管與轉子流量計(6 )和氣泵(5 )連接。
[0007]在SBR反應器內置攪拌器(8 )、黏砂塊曝氣頭(7 )、加熱棒(9 )、溶解氧濃度DO傳感器(12)、pH傳感器(14)和氧化還原電位ORP傳感器(16);上述傳感器經數據線分別與DO測定儀(11 )、pH測定儀(13)和ORP測定儀(14)連接後與計算機(17)的數據信號輸入接口連接；計算機(17)通過數據信號線(18)與過程控制器(19)連接；過程控制器的進水泵繼電器(20)、進水管閥門繼電器(21)、氣泵繼電器(22)、攪拌器繼電器(23)和出水管閥門繼電器(24)分別與進水泵(2)、進水閥門(3)、氣泵(5)、攪拌器(8)和出水閥門(26)連接。
[0008]本發明提供的一種低碳源城市汙水高效脫氮除磷工藝及過程控制方法，其特徵在於:為一種脈衝式SBR運行工藝，採用實時過程控制耦合缺好氧交替的運行方式穩定實現了系統的短程硝化反硝化，並採用三段遞減進水方式充分利用了原水中的碳源，高效去除了汙水中的有機物和氮磷汙染物質，具體工序如下:
[0009]I進水根據設計進水量確定進水時間，並通過過程控制器控制進水泵和進水閥門的開閉，系統啟動後，啟動進水泵和進水閥門將待處理汙水注入SBR反應器，當達到預先設定的時間後自動關閉進水慄和進水閥I?，進水結束；
[0010]II厭氧攪拌進水結束後，攪拌器自動開啟，系統進入厭氧攪拌階段，由在線ORP傳感器實時監控系統中的ORP值，並通過數據採集實時將所獲得的ORP值數據信息傳輸到計算機中，當過程控制得到表徵厭氧釋磷完成的信號後，進入第III道工序；
[0011]III曝氣啟動氣泵，空氣通過曝氣管、轉子流量計和黏砂塊曝氣頭擴散到SBR反應器中，系統進入好氧硝化階段；由在線DO傳感器和pH傳感器分別監測水中的DO和pH值，採集的DO和pH值信息實時輸入到計算機中進行濾波和求導處理，得到過程控制變量，並通過控制策略對得出的實時控制變量進行對比，當滿足好氧硝化結束條件時，結束好氧硝化過程，氣泵自動關閉，曝氣停止；
[0012]IV加原水缺氧攪拌根據第二段進水量確定進水時間，並通過過程控制器自動開啟進水泵和進水管閥門，當達到設定進水時間後自動關閉進水泵和進水管閥門；第二段進水完畢後，系統進入缺氧反硝化階段，反硝化過程由在線ORP傳感器和pH傳感器監控，實時將所獲得的數據信息傳輸到計算機進行處理，處理後的數據作為缺氧反硝化的實時控制參數，當過程實時控制其得到表徵反硝化完成的信號後，進入第V道工序；
[0013]V曝氣開啟氣泵對系統進行第二次曝氣，重複第III道工序中的曝氣過程，實時監測系統中的DO和pH值，並通過過程控制器控制曝氣過程；
[0014]VI加原水缺氧攪拌重複第IV道工序，投加第三批原水，此時反應器已滿負荷運行，實時監測系統中的ORP和pH值，並通過過程控制器控制反硝化過程；
[0015]Vn曝氣重複第V道工序中的曝氣過程，進行第三次曝氣，實時監測系統中的DO和PH值，並通過過程控制器控制曝氣過程；當曝氣結束後，同時關閉氣泵和攪拌器，系統進入第VDI道工序；
[0016]珊沉澱和排水根據計算機中設定的沉澱時間控制系統中的時間控制器，直到沉澱完成自動打開出水管閥門，處理後的水經過出水管排出反應器外，達到設定的排水時間後自動關閉出水管閥門；
[0017]IX閒置排水結束後，根據計算機中設定的閒置時間進行反應器的閒置，通過實時過程控制器控制系統中的時間控制器，當達到預定的閒置時間後系統自動進入下一個周期的第I道工序。
[0018]進一步地，所述表徵第II道工序中厭氧釋磷完成的條件為ORP穩定在_200mV以下，且超過lOmin。
[0019] 進一步地，所述第III道工序中好氧硝化結束的條件為:pH的一階導數由負變正，且曝氣時間t>2h時，或D0>2mg/L，且曝氣時間t>2h時；所述第V和第VII道工序中好氧硝化結束的條件為:pH的一階導數絕對值小於0.002min_1,且曝氣時間t>0.5h時，或D0>2mg/L，且曝氣時間t>lh時。
[0020]進一步地，所述第IV和第VI道工序中缺氧反硝化結束的條件為:pH的一階導數由正變負或ORP的一階導數由-25~-20mV/min突然變為小於_30mV/min時，且攪拌時間t>0.5h 時。
[0021]上述工序I進水、IV的進水、VI的進水，逐次遞減。本發明的低碳源城市汙水C/N=2.5 ~4.5。
[0022]本發明由在線DO傳感器和pH傳感器分別監測水中的DO和pH值，採集的DO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，並通過數據採集卡實時將所獲得的數據信息輸入到計算機中。
[0023]本發明的低碳源城市汙水高效脫氮除磷工藝與現有技術相比，具有如下優點:
[0024](I)節能降耗效果好。短程硝化反硝化技術理論上可以節約25%的曝氣能耗和40%的外加碳源費用，分段進水的運行模式又充分利用了原汙水中的有機碳源，使得外投碳源的費用降到最低(本發明無需投加)，同時由於汙水中的有機物被作為反硝化碳源，節約了氧化該部分有機物所需的氧氣，進一步節約了曝氣的能耗；
[0025](2)節省鹼度投加(本發明無需投加)，提高硝化速率。交替缺氧反硝化產生的鹼度為下一個階段的硝化過程所利用，避免了硝化過程因鹼度不足而反應不徹底的現象，同時反硝化過程中的原水投加，減少了好氧階段的有機負荷，提高了硝化速率；
[0026](3)自動化水平高，短程實現穩定。基於在線傳感器的實時控制策略，可靈活控制生物脫氮除磷過程中的好氧曝氣和缺氧攪拌時間，使反應器內硝化產生的亞硝酸鹽氮及時還原為氮氣，不為硝酸菌提供生長所需的底物，從根本上抑制了硝酸菌的生長。因此，該工藝能穩定的實現短程硝化反硝化；
[0027] (4)控制靈活，抗衝擊負荷能力強。採用實時控制裝置和方法能夠根據原水水質、水量的變化實時控制各個生化反應所需的反應時間，保證反應過程的完整和徹底，實現具有智能化的控制；
[0028](5)佔地面積小。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。
[0029]本發明可廣泛應用於中小城鎮城市汙水的處理，特別是針對碳源含量較低的城市汙水或生活汙水。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發明的一種低碳源城市汙水高效脫氮除磷工藝的控制裝置的結構示意圖；
[0031]圖中:1為進水箱、2為進水泵、3為進水閥門、4為SBR反應器、5為氣泵、6為轉子流量計、7為黏砂塊曝氣頭、8為攪拌器、9為加熱棒、10為溫度控制器、11為DO測定儀、12為DO傳感器、13為pH測定儀、14為pH傳感器、15為ORP測定儀、16為ORP傳感器、17為計算機、18為數據線、19為過程控制器、20為進水泵繼電器、21為進水管閥門繼電器、22為氣泵繼電器、23為攪拌器繼電器、24為出水管閥門繼電器、25為取樣口、26為出水閥門、27為溢流管；
[0032]圖2為本發明的一種低碳源城市汙水高效脫氮除磷工藝的實時控制流程圖；
[0033]圖3為本發明【具體實施方式】中脈衝式SBR運行過程中典型的pH、0RP和DO變化規律示意圖；
[0034]圖中:A1、A2、A3表示硝化反應結束終點，B1、B2表示反硝化反應結束終點；
[0035]圖4為本發明【具體實施方式】中脈衝式SBR運行過程中典型的汙染物質變化規律示意圖；
[0036]圖5為本發明【具體實施方式】中脈衝式SBR的運行工序示意圖。
【具體實施方式】
[0037]以下結合附圖和技術方案對本發明做進一步詳細的說明。
[0038]參照圖1所示為一種低碳源城市汙水高效脫氮除磷工藝的控制裝置的結構示意圖，其中，原水箱I通過進水管連接進水泵2和進水閥門3 ；SBR反應器4連接進水管、出水管、曝氣管、溢流管27和取樣口 25 ;出水管上設置出水閥門26 ;曝氣管與轉子流量計6和氣泵5連接。[0039]在SBR反應器內置攪拌器8、黏砂塊曝氣頭7、加熱棒9、溶解氧濃度DO傳感器12、pH傳感器14和氧化還原電位ORP傳感器16 ;上述傳感器經數據線分別與DO測定儀11、ρΗ測定儀13和ORP測定儀14連接後與計算機17的數據信號輸入接口連接；計算機17通過數據信號線18與過程控制器19連接；過程控制器的進水泵繼電器20、進水管閥門繼電器21、氣泵繼電器22、攪拌器繼電器23和出水管閥門繼電器24分別於進水泵2、進水閥門3、氣泵5、攪拌器8和出水閥門3連接。
[0040]參照圖2所示的一種低碳源城市汙水高效脫氮除磷工藝的實時控制流程圖，具體包括:
[0041]I進水根據設計進水量確定進水時間，並通過過程控制器控制進水泵和進水閥門的開閉，系統啟動後，啟動進水泵和進水閥門將待處理汙水注入SBR反應器，當達到預先設定的時間後自動關閉進水慄和進水閥I?，進水結束；
[0042]II厭氧攪拌進水結束後，攪拌器自動開啟，系統進入厭氧攪拌階段，由在線ORP傳感器實時監控系統中的ORP值，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中，當過程控制得到表徵厭氧釋磷完成的信號後，進入第III道工序；
[0043]III曝氣啟動氣泵，空氣通過曝氣管、轉子流量計和黏砂塊曝氣頭擴散到SBR反應器中，系統進入好氧硝化階段；由在線DO傳感器和pH傳感器分別監測水中的DO和pH值，採集的DO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，並通過數據採集卡實時將所獲得的數據信息輸入到計算機中進行濾波和求導處理，得到過程控制變量，並通過控制策略對得出的實時控制變量進行對比，當滿足好氧硝化結束條件時，結束好氧硝化過程，氣泵自動關閉，曝氣停止，然後系統將讀取控制器預先設定的脈衝次數，根據事先設定的脈衝次數是3次，目前僅為第2次進水，沒有達到設定的脈衝次數，系統自動進入第IV道工序；
[0044]IV加原水缺氧攪拌根據第二段進水量確定進水時間，並通過過程控制器自動開啟進水泵和進水管閥門，當達到設定進水時間後自動關閉進水泵和進水管閥門；第二段進水完畢後，系統進入缺氧反硝化階段，反硝化過程有在線ORP傳感器和pH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，處理後的數據作為缺氧反硝化的實時控制參數，當過程實時控制其得到表徵反硝化完成的信號後，系統返回第III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V道工序;
[0045]V沉澱和排水根據計算機中設定的沉澱時間控制系統中的時間控制器，直到沉澱完成自動打開出水管閥門，處理後的水經過出水管排出反應器外，達到設定的排水時間後自動關閉出水管閥門；
[0046]VI閒置排水結束後，根據計算機中設定的閒置時間進行反應器的閒置，通過實時過程控制器控制系統中的時間控制器，當達到預定的閒置時間後系統自動進入下一個周期的第I道工序。 [0047]下面結合具體的實例對本發明中所述的方案作進一步介紹:
[0048]以某大學家屬區排放的實際生活汙水作為實驗對象(C0D=106.11~202.54mg/L,ΤΝ=55.38~73.99mg/L)，所採用的SBR反應器有效容積為10L，運行工序如圖5所示，採用遞減進水模式，進水量分配比為Q1:Q2:Q3=5:3:2，總進水量為Q,6=5L，根據進水量設定進水時間分別為5min,3min和2min,沉澱時間為30min,排水時間為5min,閒置時間為Ih,厭氧攪拌時間通過在線ORP傳感器實時監測，待過程控制器得到表徵厭氧釋磷結束點的信號後，開啟曝氣；曝氣時間通過在線PH傳感器和DO傳感器實時監測，待過程控制其得到表徵好氧硝化結束的信號後，自動停止曝氣；缺氧攪拌時間通過在線PH傳感器和ORP傳感器實時監測，待過程控制器得到表徵缺氧反硝化結束的信號後，開啟曝氣階段。
[0049]具體的，脈衝式SBR運行過程中典型的pH、ORP和DO變化規律示意圖和汙染物質變化規律示意圖分別見圖3和圖4所示。進水完畢後反應器內的汙泥濃度為3.5~4.0g/L，曝氣量恆定在60L/h，汙泥齡維持在20d左右，反應器內部溫度為28± 1°C。反應結束後，平均出水COD濃度為35.32mg/L,平均COD去除率為86.0%，平均出水磷酸鹽濃度為0.1lmg/L，平均磷酸鹽去除率為99.2%，平均出水氨氮濃度為1.2mg/L，平均氨氮去除率為98.2%，平均出水總氮濃度為7.84mg/L，平均總氮去除率為86.5%，亞硝酸鹽積累率維持在99.2%以上。
【權利要求】
1.低碳源城市汙水高效脫氮除磷裝置，其特徵在於:原水箱(1)通過進水管連接進水泵(2 )和進水閥門(3 )與SBR反應器(4 )連接；SBR反應器(4 )還設有出水管、曝氣管、溢流管(27)和取樣口(25);出水管上設置出水閥門(26);曝氣管與轉子流量計(6)和氣泵(5)連接； 在SBR反應器內置攪拌器(8)、黏砂塊曝氣頭(7)、加熱棒(9)、溶解氧濃度DO傳感器(12)、pH傳感器(14)和氧化還原電位ORP傳感器(16);溶解氧濃度DO傳感器(12)、pH傳感器(14)和氧化還原電位ORP傳感器(16)經數據線分別與DO測定儀(11)、ρΗ測定儀(13)和ORP測定儀(14)連接後與計算機(17)的數據信號輸入接口連接；計算機(17)通過數據信號線(18)與過程控制器(19)連接；過程控制器的進水泵繼電器(20)、進水管閥門繼電器(21)、氣泵繼電器(22)、攪拌器繼電器(23)和出水管閥門繼電器(24)分別與進水泵(2)、進水閥門(3)、氣泵(5)、攪拌器(8)和出水閥門(26)連接。
2.利用權利要求1的低碳源城市汙水高效脫氮除磷裝置高效脫氮除磷工藝及過程控制方法，其特徵在於，為一種脈衝式SBR運行工藝，採用實時過程控制耦合缺好氧交替的運行方式穩定實現了系統的短程硝化反硝化，並採用三段遞減進水方式充分利用了原水中的碳源，高效去除了汙水中的有機物和氮磷汙染物質，具體包括如下: I進水根據設計進水量確定進水時間，並通過過程控制器控制進水泵和進水閥門的開閉，系統啟動後，啟動進水泵和進水閥門將待處理汙水注入SBR反應器，當達到預先設定的時間後自動關閉進水慄和進水閥門，進水結束； II厭氧攪拌進水結束後，攪拌器自動開啟，系統進入厭氧攪拌階段，由在線ORP傳感器實時監控系統中的ORP值，並通過數據採集實時將所獲得的ORP值數據信息傳輸到計算機中，當過程控制得到表徵厭氧釋磷完成的信號後，進入第III道工序； III曝氣啟動氣泵，空氣通過曝氣管、轉子流量計和黏砂塊曝氣頭擴散到SBR反應器中，系統進入好氧硝化階段；由在線DO傳感器和pH傳感器分別監測水中的DO和pH值，採集的DO和pH值信息實時輸入到計算機中進行濾波和求導處理，得到過程控制變量，並通過控制策略對得出的實時控制變量進行對比，當滿足好氧硝化結束條件時，結束好氧硝化過程，氣泵自動關閉，曝氣停止； IV加原水缺氧攪拌根據第二段進水量確定進水時間，並通過過程控制器自動開啟進水泵和進水管閥門，當達到設定進水時間後自動關閉進水泵和進水管閥門；第二段進水完畢後，系統進入缺氧反硝化階段，反硝化過程由在線ORP傳感器和pH傳感器監控，實時將所獲得的數據信息傳輸到計算機進行處理，處理後的數據作為缺氧反硝化的實時控制參數，當過程實時控制其得到表徵反硝化完成的信號後，進入第V道工序； V曝氣開啟氣泵對系統進行第二次曝氣，重複第III道工序中的曝氣過程，實時監測系統中的DO和pH值，並通過過程控制器控制曝氣過程； VI加原水缺氧攪拌重複第IV道工序，投加第三批原水，此時反應器已滿負荷運行，實時監測系統中的ORP和pH值，並通過過程控制器控制反硝化過程； VII曝氣重複第V道工序中的曝氣過程，進行第三次曝氣，實時監測系統中的DO和pH值，並通過過程控制器控制曝氣過程；當曝氣結束後，同時關閉氣泵和攪拌器，系統進入第VDI道工序； 珊沉澱和排水根據計算機中設定的沉澱時間控制系統中的時間控制器，直到沉澱完成自動打開出水管閥門，處理後的水經過出水管排出反應器外，達到設定的排水時間後自動關閉出水管閥門； IX閒置排水結束後，根據計算機中設定的閒置時間進行反應器的閒置，通過實時過程控制器控制系統中的時間控制器，當達到預定的閒置時間後系統自動進入下一個周期的第I道工序。
3.按照權利要求2的方法，其特徵在於，第II道工序中厭氧釋磷完成的條件為ORP穩定在-200mV以下，且超過lOmin。
4.按照權利要求2的方法，其特徵在於，第III道工序中好氧硝化結束的條件為:pH的一階導數由負變正，且曝氣時間t>2h時；*D0>2mg/L，且曝氣時間t>2h時。
5.按照權利要求2的方法，其特徵在於，第V和第VII道工序中好氧硝化結束的條件為:pH的一階導數絕對值小於0.002min_1,且曝氣時間t>0.5h時；或D0>2mg/L，且曝氣時間t>lh 時。
6.按照權利要求2的方法，其特徵在於，第IV和第VI道工序中缺氧反硝化結束的條件為:pH的一階導數由正變負或ORP的一階導數由-25~-20mV/min突然變為小於_30mV/min時，且攪拌時間t>0.5h時。
7.按照權利要求2的方法，其特徵在於，上述工序I進水、IV的進水、VI的進水，逐次遞減。
【文檔編號】C02F3/30GK103936151SQ201410144042
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月10日 優先權日:2014年4月10日
【發明者】彭永臻, 劉文龍, 苗圓圓, 王淑瑩 申請人:北京工業大學