申请日2015.07.27
公开(公告)日2015.11.11
IPC分类号C02F3/30
摘要
多次进水SBR充分利用原水碳源处理城市生活污水的装置和方法，属于生化法污水生物处理领域。该装置包括原水箱、序批式反应器(SBR)、计算机。其方法为：城市生活污水进入SBR，接着进行搅拌、曝气，重复以上过程2～3次，在最后一次曝气结束后，继续进行搅拌，沉淀、排水。搅拌过程通过实时pH监测反硝化结束点，曝气过程通过实时DO、pH监测短程硝化结束点。本发明能够充分利用原水中的碳源进行脱氮，其中原水中的一部分有机物被直接利用，另一部分有机物贮存在污泥中作为内碳源在最后一次搅拌过程中被反硝化反应利用。本发明能够准确控制缺氧反硝化时间和好氧曝气时间，具有提高原水碳源利用率，提高总氮去除率，节省能耗等优点。
权利要求书
1.多次进水SBR充分利用原水碳源处理城市生活污水的装置，其特征在于，包括原 水箱(1)、原水进水泵(2)、序批式反应器SBR(3)、空气压缩机(4)、气体流量计(5)、 曝气头(6)、搅拌器(7)、排水阀(8)、排泥阀(9)、pH探头(10)、DO探头(11)、pH 测定仪(12)、DO测定仪(13)、计算机(14)、信号输入端口(15)、信号输出端口(16)、 过程控制器(17)、进水泵继电器(18)、曝气泵继电器(19)、搅拌器继电器(20)、排水阀 继电器(21)、排泥阀继电器(22)、过程控制器信号输出端口(23)、显示器(24);
原水箱(1)通过原水进水泵(2)与SBR(3)相连，SBR(3)分别与排水阀(8)和 排泥阀(9)连接;SBR(3)内部设置曝气头(6)、搅拌器(7)、pH探头(10)、DO探头 (11)，空气压缩机(4)通过气体流量计(5)与曝气头(6)连接，pH探头(10)、DO探 头(11)分别与pH测定仪(12)、DO测定仪(13)连接，测定仪上的数据信息通过信号输 入端口(15)与计算机(14)连接，数据信息显示在显示器(24)上，计算机(14)的信号 输出端口(16)经导线连接过程控制器(17)，过程控制器的进水泵继电器(18)、曝气泵继 电器(19)、搅拌器继电器(20)、排水阀继电器(21)、排泥阀继电器(22)分别与原水进 水泵(2)、空气压缩机(4)、搅拌器(7)、排水阀(8)、排泥阀(9)连接。
2.应用权利要求1所述装置处理城市生活污水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)启动装置，实现短程硝化：以城市污水处理厂的硝化污泥为接种污泥注入SBR， 其污泥浓度为2000-4000mg/L，同时，以城市生活污水作为原水注入原水箱，通过原水进水 泵打入SBR中;随后启动曝气系统对SBR中的城市生活污水进行硝化，反应过程中DO维 持在1.5-2mg/L，pH值维持在7.8-8.5;SBR排水比为0.5-0.7，每天运行4-5个周期，每个 周期包括进水，搅拌，曝气，沉淀，排水，闲置，在上述条件下运行SBR，当其出水亚硝 酸盐累积率大于95%且持续维持15天以上时，SBR短程硝化得以实现;
(2)运行装置：
(I)进水：根据进水量确定进水时间，并通过控制器对计时器进行设定，启动进水 泵，将原水箱中的生活污水注入SBR，当达到预先设定的时间后，进水泵自动关闭，进水 结束;
(II)搅拌：进水结束后搅拌器自动开启，SBR内开始进行反硝化反应;反硝化进 程由pH探头监控，并通过pH测定仪将数据信息通过数据采集卡输入到计算机中，数据作 为缺氧反硝化的实时控制参数;将数据信号输入过程控制器，通过滤波处理及计算，得出过 程实时控制变量，并通过控制策略对得出的实时控制变量进行比较，当满足下列两个条件中 的任意一条：pH曲线一阶导数由正变负，且搅拌时间大于0.5h;搅拌时间大于1.5h;证明 反硝化反应结束，搅拌器自动关闭;
(III)曝气：空气压缩机自动开启，进入好氧阶段，pH探头、DO探头分别测定水 中的pH值、溶解氧浓度DO，通过pH测定仪、DO测定仪将数据信息通过数据采集卡输入 到计算机中，数据作为好氧短程硝化的实时控制参数;将数据信号输入过程控制器，通过滤 波处理及计算，得出过程实时控制变量，并通过控制策略对得出的实时控制变量进行比较， 当满足下列两个条件中的任意一条：pH曲线一阶导数由负变正，且曝气时间大于1h;DO 大于4mg/L，且曝气时间大于2h;证明好氧短程硝化结束，空气压缩机自动关闭;
(IV)重复I、II、III步骤2～3次;
(V)搅拌：曝气结束后搅拌器自动开启，SBR进入内源反硝化阶段，反硝化进程 由pH探头监控，并通过pH测定仪将数据通过数据采集卡输入到计算机中，处理后的数据 作为内源反硝化的实时控制参数;将数据信号输入过程控制器，通过滤波处理及计算，得出 过程实时控制变量，并通过控制策略对得出的实时控制变量进行比较，当满足下列两个条件 中的任意一条：pH曲线一阶导数由正变负，且搅拌时间大于1h;搅拌时间大于1.5h;证明 内源反硝化反应结束，搅拌器自动关闭;
(VI)沉淀：在计算机中设定沉淀时间为0.5h～1h，通过实时控制系统中的时间控制 器进行计时直到沉淀完成;
(VII)排水：在计算机中设定排水时间为5min～20min，通过实时控制系统中的时间 控制器进行计时，系统自动开启排水阀，达到设定的排水时间后排水阀自动关闭;
(VIII)闲置：排水结束后，根据计算机设定的闲置时间1h～2h，通过实时控制系 统中的时间控制器进行计时，当达到设定的闲置时间后系统自动进入下一个周期的运行。
说明书
多次进水SBR充分利用原水碳源处理城市生活污水的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种含氮废水的SBR生物处理工艺和装置，尤其是能够充分利用原水中的 碳源以及实现过程实时控制，属于城市生活污水生物处理技术领域。
背景技术
我国在2002年颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级 A标准要求排污单位出水水质为COD小于50mg/L，氨氮小于5mg/L，总氮小于15mg/L， 总磷小于0.5mg/L。国内许多污水厂不能实现总氮的达标排放，如何提高脱氮效果，是现 阶段城市污水处理领域的迫切需求。
污水生物脱氮通过硝化将NH4+-N转化为NO3--N，再通过反硝化将NO3--N转化为氮 气从水中逸出。反硝化阶段以NO3--N为电子受体，有机物作为电子供体，将硝氮转化为 氮气完成生物脱氮。短程硝化技术将硝化过程控制在亚硝阶段，可节省25%的曝气量和40% 的碳源。
传统的污水生物脱氮技术如A/O、A2/O工艺虽具有一定的脱氮效果，但由于其运行 过程的可控性较差，氮的去除率很难达到80%以上。另外若要保持系统中有较高的污泥浓 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。传统的SBR工艺的处 理装置只有一个SBR反应池，进水、反应、沉淀、排水等均在此反应池中进行，占地面积 小，是目前较常规的活性污泥法污水处理工艺。但传统的SBR处理工艺常会出现硝化和反 硝化作用不完全或者根据经验设定的反应时间过长浪费不必要的时间和能源浪费。
SBR工艺中传统的好氧/缺氧的运行方式，使得原水中的碳源在曝气过程中去除，浪费 了碳源，要达到深度脱氮的目的，还需在反硝化过程中投加大量碳源，增加了运行费用。 而缺氧/好氧的运行方式又因为出水中存在硝态氮和亚硝态氮使得出水总氮不能达标。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种多次进水SBR充分利用原水碳源处理城 市生活污水的装置，并通过实施过程控制合理分配每次搅拌、曝气的时间，能够在节省运 行费用的条件下达到深度脱氮的目的。
为实现上述目的，本发明提供一种多次进水SBR充分利用原水碳源处理城市生活污水 的装置，包括原水箱(1)、原水进水泵(2)、序批式反应器SBR(3)、空气压缩机(4)、 气体流量计(5)、曝气头(6)、搅拌器(7)、排水阀(8)、排泥阀(9)、pH探头(10)、 DO探头(11)、pH测定仪(12)、DO测定仪(13)、计算机(14)、信号输入端口(15)、 信号输出端口(16)、过程控制器(17)、进水泵继电器(18)、曝气泵继电器(19)、搅拌 器继电器(20)、排水阀继电器(21)、排泥阀继电器(22)、过程控制器信号输出端口(23)、 显示器(24)。
原水箱(1)通过原水进水泵(2)与SBR(3)相连，SBR(3)分别与排水阀(8) 和排泥阀(9)连接。SBR(3)内部设置曝气头(6)、搅拌器(7)、pH探头(10)、DO 探头(11)，空气压缩机(4)通过气体流量计(5)与曝气头(6)连接，pH探头(10)、 DO探头(11)分别与pH测定仪(12)、DO测定仪(13)连接，测定仪上的数据信息通 过信号输入端口(15)与计算机(14)连接，数据信息显示在显示器(24)上，计算机(14) 的信号输出端口(16)经导线连接过程控制器(17)，过程控制器的进水泵继电器(18)、 曝气泵继电器(19)、搅拌器继电器(20)、排水阀继电器(21)、排泥阀继电器(22)分 别与原水进水泵(2)、空气压缩机(4)、搅拌器(7)、排水阀(8)、排泥阀(9)连接。
本发明同时提供多次进水SBR充分利用原水碳源处理城市生活污水的方法，包括以下 步骤：
(1)启动装置，实现短程硝化：以城市污水处理厂的硝化污泥为接种污泥注入SBR，其污泥浓 度为2000-4000mg/L，同时，以城市生活污水作为原水注入原水箱，通过原水进水泵打入 SBR中;随后启动曝气系统对SBR中的城市生活污水进行硝化，反应过程中DO维持在 1.5-2mg/L，pH值维持在7.8-8.5;SBR排水比为0.5-0.7，每天运行4-5个周期，每个周期 包括进水，搅拌，曝气，沉淀，排水，闲置，在上述条件下运行SBR，当其出水亚硝酸盐 累积率大于95%且持续维持15天以上时，SBR短程硝化得以实现;
(2)运行装置，实现原水碳源充分利用：
(I)进水：根据进水量确定进水时间，并通过控制器对计时器进行设定，启动进水泵，将原水 箱中的生活污水注入SBR，当达到预先设定的时间后，进水泵自动关闭，进水结束;
(II)搅拌：进水结束后搅拌器自动开启，SBR内开始进行反硝化反应。反硝化进程由pH 探头监控，并通过pH测定仪将数据信息通过数据采集卡输入到计算机中，数据作为缺氧 反硝化的实时控制参数;将数据信号输入过程控制器，通过滤波处理及计算，得出过程实 时控制变量，并通过控制策略对得出的实时控制变量进行比较，当满足下列两个条件中的 任意一条：pH曲线一阶导数由正变负，且搅拌时间大于0.5h;搅拌时间大于1.5h。证明反 硝化反应结束，搅拌器自动关闭;
(III)曝气：空气压缩机自动开启，进入好氧阶段，pH探头、DO探头分别测定水中的pH 值、溶解氧浓度DO，通过pH测定仪、DO测定仪将数据信息通过数据采集卡输入到计算 机中，数据作为好氧短程硝化的实时控制参数;将数据信号输入过程控制器，通过滤波处 理及计算，得出过程实时控制变量，并通过控制策略对得出的实时控制变量进行比较，当 满足下列两个条件中的任意一条：pH曲线一阶导数由负变正，且曝气时间大于1h;DO大 于4mg/L，且曝气时间大于2h。证明好氧短程硝化结束，空气压缩机自动关闭;
(IV)重复I、II、III步骤2～3次;
(V)搅拌：曝气结束后搅拌器自动开启，SBR进入内源反硝化阶段，反硝化进程由pH探头监 控，并通过pH测定仪将数据通过数据采集卡输入到计算机中，处理后的数据作为内源反 硝化的实时控制参数;将数据信号输入过程控制器，通过滤波处理及计算，得出过程实时 控制变量，并通过控制策略对得出的实时控制变量进行比较，当满足下列两个条件中的任 意一条：pH曲线一阶导数由正变负，且搅拌时间大于1h;搅拌时间大于1.5h。证明内源 反硝化反应结束，搅拌器自动关闭;
(VI)沉淀：在计算机中设定沉淀时间为0.5h～1h，通过实时控制系统中的时间控制器进行计 时直到沉淀完成;
(VII)排水：在计算机中设定排水时间为5min～20min，通过实时控制系统中的时间控制器进 行计时，系统自动开启排水阀，达到设定的排水时间后排水阀自动关闭;
(VIII)闲置：排水结束后，根据计算机设定的闲置时间1h～2h，通过实时控制系统中的时间 控制器进行计时，当达到设定的闲置时间后系统自动进入下一个周期的运行。
本发明的技术原理如下：
城市生活污水第一次进入SBR后，搅拌过程利用原水中的有机物在反硝化菌的作用下 去除上一周期剩余的亚硝态氮。之后每次进水，反硝化细菌利用原水中的有机物为电子供 体，亚硝态氮为电子受体，将之前曝气产生的亚硝态氮还原为氮气，此过程为外源反硝化 过程，反硝化过程会不断产生碱度，pH不断上升，反硝化结束以后，多次SBR进入厌氧 发酵产酸阶段，pH会由上升变为下降，出现特征点。根据pH曲线的变化趋势和特征点可 以准确判断反硝化反应的进程，当满足反硝化结束的条件时，停止搅拌，节省过度搅拌造 成的能源浪费。
反硝化完成后，开始曝气，反应器内的活性污泥利用空气压缩机鼓入的氧气氧化城市 生活污水中剩余的有机物和氨氮，有机物首先被好氧异养菌降解，而后氨氮被亚硝化菌氧 化为亚硝态氮，反应完成后，反应器内的溶解氧将不会再被微生物所利用，所以DO会出 现跃升现象。亚硝化反应是一个产酸的反应，会中和污水中的碱度导致pH下降，当亚硝 化反应结束时产酸停止，此时CO2被大量吹脱，pH值由下降变为上升，出现特征点。根 据DO、pH曲线的变化趋势和特征点，采用实时控制可以精确操控曝气时间，避免过度曝 气而浪费能源。
缺氧搅拌过程中能将进水中的一部分有机物贮存在污泥内部成为内碳源，在每周期最 后一次进水、搅拌、曝气结束后，继续搅拌，细菌体内的内碳源会水解产生可利用的碳源 进行内源反硝化反应。此过程反应速率较外源反硝化速率慢，pH不断缓慢上升，反硝化结 束后pH由上升变为下降，出现特征点。根据pH曲线的变化趋势和特征点，可以判断内源 反硝化反应的进程，当满足内源反硝化结束的条件时，停止搅拌，进入沉淀阶段。沉淀完 成后排水、闲置，再进入下一个周期。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.脱氮效果好。出水氨氮小于5mg/L，总氮小于15mg/L，可以达到2002年国家颁布的排污 标准中的一级A标准要求。
2.充分利用了原水中的有机碳源，其中一部分被直接用于反硝化反应，一部分在搅拌过 程中贮存在污泥内部成为内碳源，在反应最后的缺氧搅拌阶段水解产生可利用的碳源 来进行反硝化。无需投加外碳源，节省了外加碳源的费用，同时由于污水中的有机物 被作为反硝化的碳源，这就节约了氧化这些有机物所需要的氧气，既节约了空气压缩 机的能耗，也减轻了有机物对硝化过程的影响。
3.SBR中好氧曝气阶段进行短程硝化反应，将硝化过程控制在亚硝阶段，可节省25%的 曝气量和40%的碳源。
4.采用过程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亚硝化反应和反硝化反应不完全，以及曝气或搅拌 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反应时间，实现智能化的控制，在保证出水水质的前提 下优化节能，且能够有效应对原水水质变化的负荷冲击。
5.主体装置是一个SBR，使有机物和含氮化合物在一个反应器内得到去除，减少了缺氧 池、沉淀池等构筑物，从而降低了整个工艺的占地面积和基建投资。