申请日2017.12.18
公开(公告)日2018.05.18
IPC分类号C02F3/30; C02F101/16
摘要
本发明涉及一种实现低浓度氨氮废水短程硝化的自动控制装置与方法，所述装置由短程硝化反应器、进水系统、出水系统、水浴循环系统和自动控制系统5部分组成。采用在线监控装置，根据短程硝化反应器内氨氮浓度进行合理曝气，既保证氨氧化细菌细菌的活性不受影响，提高短程硝化效率，又能够避免亚硝氮进一步氧化为硝氮，同时还可以精确控制短程硝化反应器的水力停留时间，避免出现因出水氨氮浓度过低而不能满足厌氧氨氧化基质需求的情况，也能在一定程度上减少因水力停留时间过长使亚硝氮进一步氧化为硝氮的可能性，同时保证短程硝化反应器的pH和溶解氧处于最优范围内。
权利要求书
1.一种实现低浓度氨氮废水短程硝化的自动控制装置,其特征在于所述装置由短程硝化反应器、进水系统、出水系统、水浴循环系统和自动控制系统5个部分组成。
2.如权利要求1所述的自动控制装置，其中短程硝化反应器设有进水口，出水口，曝气口，加酸口和加碱口，外层设有水浴加热夹套，短程硝化反应器底部设有圆形曝气盘，曝气盘与短程硝化反应器的曝气口通过乳胶管连接以供给氧气，短程硝化反应器顶端装有搅拌浆，短程硝化反应器盖上预留三个安装探头的圆孔，所有探头以竖直方式插入圆孔内，短程硝化反应器内壁设有挡板，位于探头正下方，以阻挡曝气时产生的气泡与探头直接接触而影响读数的准确性。
3.如权利要求1所述的自动控制装置，其中，进水系统包括进水瓶和进水蠕动泵。进水瓶与进水蠕动泵经泵管相连接，泵管的另一端接短程硝化反应器的进水口。进水蠕动泵经RS485通讯口与PLC连接，在每个反应周期开始后自动进水。
4.如权利要求1所述的自动控制装置，其中，出水系统包括出水蠕动泵和出水瓶。出水蠕动泵的塑料管一端连接短程硝化反应器的出水管，另一端通入出水瓶内。出水蠕动泵经RS485通讯口与PLC连接，在每个反应周期结束后自动出水。
5.如权利要求1所述的自动控制装置，其中，水浴循环系统由水浴锅和加压泵组成，恒温水流经水浴锅、加压泵和短程硝化反应器水浴加热夹套构成了闭合循环回路，短程硝化反应器内温度恒为30℃以确短程硝化的实现。水浴锅与加压泵连接，恒温水在加压泵的作用下泵入短程硝化反应器水浴进水口。短程硝化反应器的水浴进水口、水浴出水口与水浴加热夹套相通，水浴出水口与水 浴锅连接，恒温水重新回流至水浴锅内。即水浴锅内的恒温水经加压泵、水浴进水口流至水浴夹套，再由水浴夹套流至短程硝化反应器水浴出水口并回流至水浴锅内，形成循环水浴系统。
6.如权利要求1所述的自动控制装置，其中，自动控制系统包含有溶解氧、pH和水力停留时间的自动控制。其中溶解氧自控系统由氨氮在线监测探头，溶解氧在线监测探头，曝气泵和PLC共同控制，曝气泵与短程硝化反应器底部曝气盘经乳胶管连接。在线氨氮与溶解氧数据实时传输到PLC上，曝气泵经RS485通讯接口与PLC和控制器连接，保证短程硝化反应器内的溶解氧为设定浓度;pH自控系统由在线pH在线监测探头，加碱泵，加酸泵，PLC共同构成，酸液和碱液与加酸泵和加碱泵经泵管连接，泵管的另一端连接在短程硝化反应器的加酸口和加碱口。在线pH数据实时传输到PLC上，加酸泵与加碱泵经RS485通讯接口与PLC和控制器连接，保证短程硝化反应器内的pH在8.0-8.5范围内;水力停留时间自控系统由进水泵，氨氮在线监测探头和PLC共同控制，在线氨氮监测数据实时传输到PLC上，PLC启动计时器自动计时，并在反应结束时自动输出各个反应阶段的水力停留时间。
7.权利要求1-6之一所述的装置，其特征是：通过在线监测与自动控制系统，将短程硝化反应器内的溶解氧，pH与水力停留时间控制在最适范围内，以实现低浓度氨氮废水稳定的短程硝化。
8.权利要求1-6之一所述的自动控制装置的自动控制方法，其特征在于，溶解氧的浓度根据在线监测的氨氮数据实时调整，在较高氨氮浓度(30-50mg/L)条件下，溶解氧设定在0.15-0.3mg/L之间，在较低氨氮浓度(0-30mg/L)条件下，溶解氧在0.1-0.15mg/L之间。溶解氧在线监测探头的数值实时传输至PLC，PLC根据设定值开启或停止曝气装置以达到预设溶解氧值，根据短程硝化反应器内氨氮浓度进行合理曝气，既保证氨氧化细菌细菌的活性不受影响，提高短程硝化效率，又能够避免亚硝氮进一步氧化为硝氮。
9.如权利要求8所述的自动控制方法，pH的浓度根据在线监测的pH数据实时调整,短程硝化反应器内pH的设定值为8.0-8.5，pH在线监测探头的数值实时传输至PLC，当短程硝化反应器内pH值小于8.0时，PLC启动加碱泵直至pH升至8.0，当短程硝化反应器内pH值小于8.5时，PLC启动加酸泵直至pH降至8.5。
10.如权利要求8所述的自动控制方法，水力停留时间根据在线监测的氨氮数据实时调整，当短程硝化反应器内氨氮浓度为反应开始时的一半，PLC自动控制一个反应周期结束，计算并输出反应时长和水力停留时间值，精确控制短程硝化反应器的水力停留时间，可以避免出现因出水氨氮浓度过低而不能满足厌氧氨氧化基质需求的情况，也能在一定程度上减少因水力停留时间过长使亚硝氮进一步氧化为硝氮的可能性。
说明书
一种实现低浓度氨氮废水短程硝化的自动控制装置与方法
技术领域
本发明属于废水生物处理技术领域，涉及一种实现短程硝化的自动控制装置与方法。
背景技术
近年来，为了克服传统生物脱氮工艺流程复杂、能耗高、运行管理不便、产生污泥量大等弊端，以短程硝化-厌氧氨氧化为代表的新型生物脱氮技术成为了国际上水处理领域研究的热点和前沿。短程硝化-厌氧氨氧化工艺是将水中一半的氨氮氧化为亚硝酸氮，并阻止其被进一步氧化为硝酸盐，然后直接以亚硝酸氮作为电子受体，以水体中剩余的氨氮为电子供体进行反应实现氮素的去除。因此如何实现前体亚硝酸氮的有效积累，是厌氧氨氧化反应是否顺利进行的关键因素。目前，控制半硝化的主要思路是利用氨氧化细菌与亚硝酸盐氧化菌生理特性的不同，增加氨氧化细菌的生长和截留或抑制亚硝酸盐氧化菌的生长。在过去的20年内，短程硝化技术已广泛用于处理高氨氮废水处理，技术已经相对成熟，由于这类污水的游离氨和游离亚硝酸浓度高，配合溶解氧等条件控制，实现短程硝化相对较容易。而对于低浓度氨氮废水而言，游离氨与游离亚硝酸浓度低，不足以抑制亚硝酸盐氧化菌生长，短程硝化难以实现。
目前低氨氮浓度短程硝化的控制主要集中在四个方面，一是根据氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化菌的生长特性，控制溶解氧、水力停留时间、污泥停留时间、pH和碱度等为氨氧化细菌的最佳生长条件，使氨氧化细菌的生长速度超越亚硝酸盐氧化菌，逐渐占据优势地位，但由于亚硝酸盐氧化菌适应性极强很难实现。第二是将已驯化好的短程硝化污泥投加于低浓度短程硝化体系，生物添加效果明显，但是菌种难以在短程硝化反应器内持留，随出水流失，因此在长期的运行过程中不稳定或需不断补充已驯化好的污泥;第三是间歇曝气的方式，在好氧条件与缺氧条件来回转换时亚硝酸盐氧化菌会受到抑制，目前该方法的机理尚不清晰，在实际运行过程中，由于氨氮浓度较低导致水力停留时间大大缩短，实际操作不可行;第四是建立在线监测与控制体系，在线监测与控制体系能够实时监测短程硝化反应过程并相应的改变参数条件，目前已成为研究的热点。
本发明中短程硝化反应器配有在线监测探头，包括氨氮在线监测探头，溶解氧在线监测探头和pH在线监测探头，探头采集数据传输至PLC，后经控制元件使短程硝化反应器pH保持在8.0-8.5之间，短程硝化反应器内溶解氧恒小于0.3mg/L，且在较高氨氮浓度(30-50mg/L)条件下，溶解氧在0.15-0.3mg/L之间，在较低氨氮浓度(0-30mg/L)条件下，溶解氧在0.1-0.15mg/L之间，短程硝化反应器的水力停留时间由反应状态决定，当短程硝化反应器内氨氮浓度为反应开始时的一半，停止反应并自动计算并输出水力停留时间值。应用自动监测与控制体系能够根据短程硝化反应器内氨氮浓度合理曝气，避免亚硝氮进一步氧化为硝氮，同时精确控制短程硝化反应器的水力停留时间，这是传统的条件控制中做不到的。
发明内容
为了克服目前低氨氮浓度城镇废水短程硝化难以实现的问题，本发明提出一种新的自动控制装置与方法，为实现城镇废水短程硝化提供了有效的工艺模式。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是实现低浓度氨氮废水短程硝化的自动控制装置与方法，其特征在于：利用在线监控装置，可以根据短程硝化反应器内氨氮浓度进行合理曝气，既保证氨氧化细菌细菌的活性不受影响，又能够避免亚硝氮进一步氧化为硝氮，同时还可以精确控制短程硝化反应器的水力停留时间，避免出现因出水氨氮浓度过低而不能满足厌氧氨氧化基质需求的情况，也能在一定程度上减少因水力停留时间过长使亚硝氮进一步氧化为硝氮的可能性，在线监控还可以保证短程硝化反应器的pH处于最优范围。
该装置由短程硝化反应器，进水系统，出水系统，水浴循环系统和自动控制系统5个部分组成。其中，进水系统与短程硝化反应器的进水口相连接，出水系统与短程硝化反应器的出水口相连接，水浴循环系统与短程硝化反应器的水浴夹套串联。自动控制系统与进水系统中的进水泵，出水系统中的出水泵和短程硝化反应器的三个在线监测探头相串联。
短程硝化反应器外形为圆柱形，由有机玻璃制成，其有效容积为8L，短程硝化反应器设有进水口，出水口，曝气口，加酸口和加碱口。优选的，出水口设置在短程硝化反应器的中部，其余的进水口，加碱口与加酸口位置并无限定。外层设有水浴加热夹套，维持短程硝化反应器温度为30℃。短程硝化反应器底部设有圆形曝气盘，曝气盘与短程硝化反应器的曝气口通过乳胶管连接以供给氧气，短程硝化反应器顶端装有搅拌浆，搅拌有利于短程硝化反应器内部基质的传递及均匀反应，装置运行时搅拌速率设置为200-300rpm。短程硝化反应器盖上预留三个安装探头的圆孔，分别插入氨氮在线监测探头、pH在线监测探头和溶解氧在线监测探头，所有探头以竖直方式插入圆孔内，短程硝化反应器内壁设有挡板，位于探头正下方，以阻挡曝气时产生的气泡与探头直接接触而影响读数的准确性。
进水系统包括进水瓶和进水蠕动泵。进水瓶与进水蠕动泵经泵管相连接，泵管的另一端接短程硝化反应器的进水口。进水蠕动泵经RS485通讯口与PLC连接，在每个反应周期开始后自动进水。
出水系统包括出水蠕动泵和出水瓶。出水蠕动泵的塑料管一端连接短程硝化反应器的出水管，另一端通入出水瓶内。出水蠕动泵经RS485通讯口与PLC连接，在每个反应周期结束后自动出水。
水浴循环系统由水浴锅和加压泵组成，恒温水流经水浴锅、加压泵和短程硝化反应器水浴加热夹套构成了闭合循环回路，短程硝化反应器内温度恒为30℃以确短程硝化的实现。水浴锅与加压泵连接，恒温水在加压泵的作用下泵入短程硝化反应器水浴进水口。短程硝化反应器的水浴进水口、水浴出水口与水浴加热夹套相通，水浴出水口与水浴锅连接，恒温水重新回流至水浴锅内。即水浴锅内的恒温水经加压泵、水浴进水口流至水浴夹套，再由水浴夹套流至短程硝化反应器水浴出水口并回流至水浴锅内，形成循环水浴系统。
自动控制系统包含有溶解氧、pH和水力停留时间的自动控制。其中溶解氧自控系统由氨氮在线监测探头，曝气泵和PLC共同控制，曝气泵与短程硝化反应器底部曝气盘经乳胶管连接。在线氨氮与溶解氧数据实时传输到PLC上，曝气泵经RS485通讯接口与PLC和控制器连接，保证短程硝化反应器内的溶解氧为设定浓度;pH自控系统由在线pH在线监测探头，加碱泵，加酸泵，PLC共同构成，酸液和碱液与加酸泵和加碱泵经泵管连接，泵管的另一端连接在短程硝化反应器的加酸口和加碱口。在线pH数据实时传输到PLC上，加酸泵与加碱泵经RS485通讯接口与PLC和控制器连接，保证短程硝化反应器内的pH在8.0-8.5范围内;水力停留时间自控系统由进水泵，氨氮在线监测探头和PLC共同控制，在线氨氮监测数据实时传输到PLC上，PLC启动计时器自动计时，并在反应结束时自动输出各个反应阶段的水力停留时间。
本发明所用到的硝化污泥不拘于此来源，凡是具有硝化功能的污泥均可用于启动短程硝化反应器。
实现低浓度氨氮废水短程硝化的自动控制的方法包括以下步骤：
1.硝化短程硝化反应器的启动
将硝化污泥(所述硝化污泥可以以氨氮为电子供体，以氧气为电子受体反应生成氧气-和NO3-，优选的，来自污水处理厂好氧反应装置内的硝化污泥)接种至短程硝化反应器内，控制短程硝化反应器的温度为30℃。短程硝化反应器进水氨氮浓度为50mg/L，水力停留时间初始值为24h，并根据短程硝化反应器的活性调整。
2.水力停留时间的自动化控制
采用序批式反应器(SBR)运行短程硝化工艺时，反应共分为四个阶段，进水，反应，沉淀和出水。进水时长，沉淀时长和出水时长是固定的，反应阶段时长由短程硝化反应器的运行状态决定，当SBR的进水泵停止时，PLC开始自动计时，当短程硝化反应器内氨氮浓度为反应开始时的一半，停止反应并自动计算并输出反应时长，PLC根据四个阶段的时间输出水力停留时间值。应用自动监测与控制体系能依据反应状态调整水力停留时间，以避免出现因水力停留时间过长使反应产生的亚硝氮进一步氧化为硝氮的现象，这是传统的条件控制中做不到的。
3.溶解氧的自动调节
短程硝化反应器内的溶解氧的设定值在0.15-0.3mg/L之间，在较高氨氮浓度(30-50mg/L)条件下，溶解氧设定在0.15-0.3mg/L之间，在较低氨氮浓度(0-30mg/L)条件下，溶解氧在0.1-0.15mg/L之间。溶解氧在线监测探头的数值实时传输至PLC，PLC根据设定值开启或停止曝气装置以达到预设溶解氧值。若在线监测溶解氧值大于0.3mg/L时，则关闭曝气泵直至溶解氧降为0.15mg/L，若溶解氧值小于0.15mg/L，增大曝气量值至溶解氧升至0.15mg/L。当短程硝化反应器内氨氮浓度为0-30mg/L，设定溶解氧在0.1-0.15mg/L之间，若此时在线监测溶解氧值大于0.15mg/L时，则关闭曝气泵至溶解氧降为0.1mg/L，若溶解氧值小于0.1mg/L，增大曝气量至溶解氧升至0.1mg/L。根据短程硝化反应器内实时的氨氮浓度和溶解氧浓度增大或减小曝气量，使溶解氧保持在设定浓度。
4.pH的自动调节
短程硝化反应器内pH的设定值为8.0-8.5，pH在线监测探头的数值实时传输至PLC，当短程硝化反应器内pH值小于8.0时，PLC启动加碱泵直至pH升至8.0，当短程硝化反应器内pH值小于8.5时，PLC启动加酸泵直至pH降至8.5。
5.短程硝化的建立与稳定运行
利用在线监测探头，实时监测短程硝化反应器内溶解氧、pH、氨氮和亚硝氮的浓度，并结合自动控制程序实时控制，短程硝化反应器处于稳定状态下正常运行。
技术原理
短程硝化反应是将硝化过程控制在亚硝化阶段，阻止其被进一步氧化为硝酸盐。通过将短程硝化与厌氧氨氧化和反硝化技术联用，有效的提高氮去除负荷，减少剩余污泥产量，并大大减少水处理成本。传统的硝化过程包含两步，首先氨氧化细菌(氨氧化细菌)将废水中氨氮氧化为为亚硝氮，随后亚硝氮在亚硝酸盐氧化菌(亚硝酸盐氧化菌)的作用下转变为硝酸氮。因此为了实现亚硝化积累，需要最大限度促进氨氧化细菌的生长，提高其活性，与此同时抑制或洗脱亚硝酸盐氧化菌。目前控制半硝化的主要思路是利用氨氧化细菌与亚硝酸盐氧化菌生理特性的不同，控制反应工艺参数，如溶解氧、污泥停留时间、pH、温度和碱度等以增加氨氧化细菌的生长和截留或抑制亚硝酸盐氧化菌的生长。
利用在线监控装置，可以根据短程硝化反应器内氨氮浓度进行合理曝气，既保证氨氧化细菌细菌的活性不受影响，又能够避免亚硝氮进一步氧化为硝氮，同时还可以精确控制短程硝化反应器的水力停留时间，避免出现因出水氨氮浓度过低而不能满足厌氧氨氧化基质需求的情况，也能在一定程度上减少因水力停留时间过长使亚硝氮进一步氧化为硝氮的可能性，在线监控还可以保证短程硝化反应器的pH处于最优范围，这些是传统条件所做不到的，更为精确地控制条件使短程硝化得以稳定运行。
本发明的实现低浓度氨氮废水短程硝化的自动控制装置与方法与现有工艺相比有如下优点：
1、该工艺与传统生物脱氮工艺相比，氮去除负荷高，无需额外投加有机碳源，无需曝气，剩余污泥量小，占地面积小，工艺流程简单，基建与运行费用低。
2根据氨氮浓度调节曝气量，既保证氨氧化细菌细菌的活性不受影响，又能够避免亚硝氮进一步氧化为硝氮。
3利用在线监控系统可以精确控制短程硝化反应器的水力停留时间，避免出现因出水氨氮浓度过低而不能满足厌氧氨氧化基质需求的情况，也能在一定程度上减少因水力停留时间过长使亚硝氮进一步氧化为硝氮的可能性。
4短程硝化是一个产酸的反应，体系的pH会随着反应逐渐降低，采用在线监控得以使pH时时保持在最佳范围内，更有利于短程硝化的建立。
