申请日2007.11.16
公开(公告)日2009.08.19
IPC分类号C02F3/30; C02F3/12; G05B19/02
摘要
一种强化循环式活性污泥法脱氮的实时控制方法属于污水生物脱氮领域，适用于城市污水深度处理。循环式活性污泥法脱氮除磷效果多不理想。本发明步骤：进水同时开启主反应区搅拌器，进行缺氧条件下的反硝化过程，当pH值曲线上出现极大值且ORP曲线上出现拐点停止搅拌;上一搅拌阶段停止后，向混合液中供氧，进行有机物的降解和含氮化合物的硝化作用，当pH值曲线上出现极小值停止曝气;重复以上步骤，直到进水阶段结束，并以好氧曝气阶段为反应期的结尾阶段。下面的过程与传统CAST法类似，依次进入沉淀、排水、闲置阶段，依次重复所有步骤并定期排放污泥。整个工艺由实时控制系统完成，操作方便，费用低、耐冲击负荷强、不易发生污泥膨胀。
权利要求书
1、一种强化循环式活性污泥法脱氮的实时控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)进水：打开进水管(1)并开启选择器(2)内搅拌器(3)，由预先设定的时间控 制废水处理量，当达到预定时间后停止进水并停止搅拌器(3);进水同时开启污泥回流泵 (10)，在预先设定的回流量下，污泥由主反应区(4)末端回流至选择器(2);
2)进水/搅拌：实时控制器(12)包括时间继电器、数据采集卡以及计算机;开始进 水的同时，实时控制器(12)开启搅拌器(5)的时间继电器，进行缺氧条件下的反硝化 过程，反硝化进程由pH、ORP传感器(13)监控，并通过数据采集卡实时将所获得的数 据传输到计算机实施搅拌时间的实时控制，当pH值曲线上出现极大值，同时ORP曲线上 出现拐点，表明短程反硝化过程结束，此时断开搅拌器(5)的时间继电器，停止搅拌;
3)曝气：在实时控制器(12)调节下，上一搅拌阶段停止后，开启鼓风机(6)提供 的压缩空气进入曝气器(7)，向主反应区(4)混合液中供氧，进行有机物的降解和含氮 化合物的硝化作用，整个过程由pH、ORP传感器(13)监控，并通过数据采集卡实时将 所获得的数据传输到计算机实施曝气时间的实时控制，通过监测pH值变化曲线上的极值 点来判断硝化过程是否结束，当pH值曲线上出现极小值时，表明短程硝化过程结束，此 时停止曝气;
4)重复2)、3)两步，直到进水阶段结束，并以好氧曝气阶段为反应期的结尾阶段;
5)沉淀：最后一个好氧阶段结束后，由实时控制器(12)中的时间继电器根据预先 设定的时间控制沉淀时间，此时进水阀门、进气阀门、排水阀门和排泥阀门均关闭;此阶 段污泥回流仍在进行;
6)排水：沉淀阶段结束后，停止污泥回流，在实时控制器(12)调节下，无动力式 滗水器(8)开始工作，将处理后水经出水管(9)排出，排水时间由无动力式滗水器(8) 控制;
7)闲置：在实时控制器(12)调节下，整个反应系统内的所有阀门、继电器和计量 泵均关闭，反应池既不进水也不排水，处于待机状态;
8)系统依次重复1)、2)、3)、4)、5)、6)、7)各步骤，根据原水水质或水量变化自 动调节各步骤时长，整个系统交替经历好氧、缺氧、厌氧状态，间歇进水和出水，并排泥 管(11)定期排放剩余污泥。
说明书
一种强化循环式活性污泥法脱氮的实时控制方法
技术领域
本发明涉及一种强化循环式活性污泥法脱氮性能的实时控制方法，属于SBR法及其变 型工艺污水生物脱氮技术领域，适用于城市污水深度处理。
背景技术
污水生物脱氮技术是当今水污染控制领域中的一个重要研究方向，已引起世界各国的 普遍关注。由于常规的活性污泥工艺硝化作用不完全，反硝化作用则几乎不发生，总氮的 去除率仅在10%～30%之间。因此，对于城市污水，若采用常规的活性污泥法处理，出水中 还含有大量的氮和磷，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。最具有代表性的就是A/O法、A2/O法等工艺， 这些工艺在废水脱氮除磷方面起到了一定作用，但同时也暴露出一些问题。如系统为维持 较高的硝化细菌的浓度，必须进行污泥回流和硝化液回流，增加了运行成本和能源消耗， 另一方面，工艺中增加了厌氧和缺氧段的处理构筑物，使得整个工艺的基建投资和占地面 积增加。因此，研究开发高效、低能耗的生物脱氮工艺和装置已成为当前水处理界重要的 研究课题。
生物脱氮过程主要由两段工艺共同完成，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。在硝化阶段，氨氮被转化成硝酸盐是 由两类独立的细菌催化完成的两个不同反应，首先由亚硝化菌(Nitrosomonas)将氨氮转 化为亚硝酸盐(NO2-)，然后由硝化菌(Nitrobacter)将亚硝酸盐转化为硝酸盐(NO3-)。 传统生物脱氮过程中硝化作用的最终产物是硝酸盐，反硝化作用以NO3-为电子受体。实 际上，从氮的微生物转化过程来看，氨被氧化为硝酸盐是由两类独立的细菌催化完成的两 个不同反应，应该可以分开。对于反硝化菌，无论是亚硝酸盐还是硝酸盐均可以作为最终 受氢体，因而整个生物脱氮过程也可以经NH4+→NO2-→N2这样的途径完成，人们把经 此途径进行脱氮的技术定义为短程硝化反硝化生物脱氮工艺。从反应历程来看，短程硝化 -反硝化比全程硝化-反硝化减少两步，因而它节省了好氧阶段供氧量25%左右;节约反硝 化所需碳源40%左右;减少污泥生成量;减少硝化过程的投碱量;缩短反应时间，相应地 减少了反应器容积30%～40%左右。因此，该工艺对于实际工程应用具有重要意义。
但是，到目前为止，经NO2-途径在实际工程中实现生物脱氮的成功应用并不多见。 其主要原因是影响NO2-积累的控制因素比较复杂，并且硝酸菌能够迅速地将NO2-转化为 NO3-，因此，造成已经实现的短程硝化脱氮工艺又恢复为全程硝化过程。
循环式活性污泥法(CAST)是SBR法的一种变形工艺，在SBR的基础上增设一个生 物选择器，以期取得抑制丝状菌污泥膨胀发生和良好脱氮除磷效果，然而在实践中该工艺 的脱氮除磷效果多不理想。
所要解决的技术问题
在现有的CAST工艺中，进水-反应、沉淀、排水各阶段的时间是固定不变的，例如一 个典型的运行周期包括4个小时，其中2小时为进水-曝气阶段，1小时为沉淀阶段，另外 1小时为排水阶段，这样的运行方式是针对原水的平均水质而确定的。而原水水质是波动 变化并不是固定不变的，显然这种固定的运行方式不是一种优化的方式。例如，当进水中 污染物浓度比平均浓度增高时，如果2个小时的进水时间不变，同时曝气量也不变，那么 2个小时的曝气反应时间就不足;同样，当进水中污染物浓度降低时，那么2个小时的曝 气反应时间就过多而浪费。而且，2个小时的曝气反应时间尽管可能满足硝化反应的需要， 但由于没有足够的缺氧反硝化时间，总氮的去除效率会受到影响。此外，恒定的好氧曝气 时间也不利于实现短程硝化。因此，为了实现节能降耗，并保证工艺出水水质，需要一种 可根据原水水质调节各阶段时间的优化运行方式。
发明内容
本发明中所述的循环式活性污泥法脱氮实时控制方法，其特征在于：
增加缺氧搅拌阶段，并采用变时长好氧/缺氧的方式运行，而控制好氧曝气和缺氧搅拌 的时间由实时过程控制策略来实现。同时，由于短程硝化反硝化具有节省反应时间、节省 能源消耗等优点，所以该方法不仅提高了处理效率、降低了运行成本，而且在进水污染物 浓度发生较大变化时，由于采用了在线实时过程控制仍能准确地控制交替好氧/缺氧时间， 使整个系统的抗冲击负荷能力大大提高。
本发明提供的装置：包括选择器2、主反应区4、接入选择器2的进水管1、选择器内 搅拌器3、主反应区4内的滗水器8和底部所设曝气器7、连接在曝气器7上的鼓风机6、 连接在滗水器8上的出水管9、将污泥由主反应区4回流至选择器2的回流污泥泵10以及 排放剩余污泥的排泥管11，其特征在于，还在主反应区4设有主反应区内搅拌器5、实时 控制器12，连接实时控制器12的pH、ORP传感器13;所述的实时控制器12包括时间继 电器、数据采集卡以及计算机，
本发明提供的一种强化循环式活性污泥法脱氮的实时控制方法，其特征在于，包括以 下步骤：
1)进水：打开进水管1并开启选择器2内搅拌器3，由预先设定的时间控制废水处理 量，当达到预定时间后停止进水并停止搅拌器3;进水同时开启污泥回流泵10，在预先设 定的回流量下，污泥由主反应区4末端回流至选择器2;
2)进水/搅拌：实时控制器12包括时间继电器、数据采集卡以及计算机;开始进水的 同时，实时控制器12开启搅拌器5的时间继电器，进行缺氧条件下的反硝化过程，反硝 化进程由pH、ORP传感器13监控，并通过数据采集卡实时将所获得的数据传输到计算机 实施搅拌时间的实时控制，当pH值曲线上出现极大值，同时ORP曲线上出现拐点，表明 短程反硝化过程结束，此时断开搅拌器5的时间继电器，停止搅拌;
3)曝气：在实时控制器12调节下，上一搅拌阶段停止后，开启鼓风机6提供的压缩 空气进入曝气器7，向主反应区4混合液中供氧，进行有机物的降解和含氮化合物的硝化 作用，整个过程由pH、ORP传感器13监控，并通过数据采集卡实时将所获得的数据传输 到计算机实施曝气时间的实时控制，通过监测pH值变化曲线上的极值点来判断硝化过程 是否结束，当pH值曲线上出现极小值时，表明短程硝化过程结束，此时停止曝气;
4)重复2、3两步，直到进水阶段结束，并以好氧曝气阶段为反应期的结尾阶段;
5)沉淀：最后一个好氧阶段结束后，由实时控制器12中的时间继电器根据预先设定 的时间控制沉淀时间，此时进水阀门、进气阀门、排水阀门和排泥阀门均关闭;此阶段污 泥回流仍在进行;
6)排水：沉淀阶段结束后，停止污泥回流，在实时控制器12调节下，无动力式滗水 器8开始工作，将处理后水经出水管9排出，排水时间由无动力式滗水器8控制;
7)闲置：在实时控制器12调节下，整个反应系统内的所有阀门、继电器和计量泵均 关闭，反应池既不进水也不排水，处于待机状态;
8)系统依次重复1)、2)、3)、4)、5)、6)、7)各步骤，根据原水水质或水量 变化自动调节各步骤时长，整个系统交替经历好氧、缺氧、厌氧状态，间歇进水和出水， 并排泥管11定期排放剩余污泥，
本发明设计的强化循环式活性污泥法脱氮性能的实时控制方法，包括CAST反应器和 实时控制系统。该装置主要包括长方体反应池(池体分为两部分，前端为选择器，后端为 主反应区)，放置在反应池主反应区内的曝气器、选择器及主反应区的搅拌器和DO、ORP、 pH传感器，进水管，出水管，回流污泥系统，鼓风机，曝气器，滗水器，实时控制系统。 本发明中所用滗水器为无动力式滗水器，由液面的收水装置和与之相连的排水装置及传动 装置组成。
本发明的工作原理及过程：
利用微生物对污水进行脱氮处理时，在硝化过程中，由于硝化反应消耗碱度，因此伴 随着氨氮的氧化，混合液的pH值逐渐降低，当氨氮氧化完毕时，如果继续进行曝气，则 pH值会转而呈现逐渐升高的趋势，表现在pH曲线上就是一个极小值点(“谷点”);在 反硝化过程中，由于该过程不断产生碱度，pH值呈逐渐升高的趋势，伴随着硝态氮的还原， 使得反应系统内氧化态物质不断减少，因此氧化还原电位(ORP)值不断下降，当混合液 内硝态氮还原完毕，也即反硝化过程结束时，pH值升至最高点，如果继续缺氧搅拌的环境， pH值就会转而下降，ORP值则会急剧下降，表现在pH值曲线上是一个极大值(“峰点”)， 表现在ORP曲线上是一个(“拐点”)。那么可以通过监测污水生物处理过程中的pH、 ORP变化曲线来控制不同反应条件的时间长度，这可以通过数学的方法来实现，当pH值 变化曲线出现极小值点时，pH值变化曲线的一阶导数为零，并且是由负值变为正值;当 pH值变化曲线出现极大值点时，pH值变化曲线的一阶导数同样为零，与前者不同的是此 时pH值由正值变为负值;而对于ORP变化曲线来说，当反硝化结束时，ORP曲线的二阶 导数为零，由正值变为负值。据此原理，在好氧硝化结束和缺氧反硝化结束时及时停止曝 气和搅拌以方便地实现污水生物脱氮过程的实时控制。
(1)进水同时开启主反应区搅拌器，进行缺氧条件下的反硝化过程，当pH值曲线上 出现极大值且ORP曲线上出现拐点，表明短程反硝化过程结束，此时停止搅拌;
(2)上一搅拌阶段停止后，向混合液中供氧，进行有机物的降解和含氮化合物的硝 化作用，当pH值曲线上出现极小值，表明短程硝化过程结束，此时停止曝气;
(3)重复(1)、(2)两步，直到进水阶段结束，并以好氧曝气阶段为反应期的结 尾阶段。
(4)反应过程结束后，下面的过程与传统CAST法类似，依次进入沉淀、排水、闲 置阶段，并以一定的周期依次重复以上步骤，并定期排放剩余的活性污泥。
发明的有益效果
本发明设计的强化循环式活性污泥法脱氮性能的实时控制方法与现有技术相比，具有 下列优点：
(1)采用实时控制策略控制生物脱氮过程中的好氧曝气和缺氧搅拌时间，从根本上 解决了曝气或搅拌时间不足所引起的硝化或反硝化不完全和曝气或搅拌时间过长所带来 的运行成本的提高和能源的浪费。并且能够根据原水水质水量的变化实时控制各个生化反 应所需的好氧曝气时间、缺氧搅拌时间，实现具有智能化的控制，保证出水水质的前提下 优化节能。
(2)实时控制曝气和搅拌时间，避免了过度曝气(短程硝化已完成，仍继续曝气) 现象的发生，不为硝酸盐菌在亚硝酸盐积累条件下提供充足的溶解氧，使反应器内硝化产 生的亚硝酸盐氮及时经缺氧搅拌还原为氮气，不为硝酸菌提供生长所需的底物，从根本上 抑制硝酸菌的生长。因此，从根本上减小了短程硝化向传统全程硝化转化的可能性，使短 程硝化类型更稳定、持久。
(3)主体装置采用CAST工艺，使有机物和含氮化合物在一个反应池内得到去除， 减少了缺氧池和沉淀池等处理构筑物，从而降低了基建投资和整个工艺的占地面积。
(4)脱氮方法采用的是短程硝化生物脱氮工艺，因而它节省了好氧阶段供氧量25% 左右;节约反硝化所需碳源40%左右;减少污泥生成量;缩短反应时间，相应地减少了反 应器容积30%～40%左右。
(5)整个工艺由实时控制系统完成，具有管理操作方便，费用低、耐冲击负荷强和 不易发生污泥膨胀的优点。
