申请日2009.04.17
公开(公告)日2009.10.14
IPC分类号C02F3/12
摘要
生活污水常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥的培养方法属于污水处理领域，特征是SBR反应器采用2～10的高径比和50～67%的容积交换率，不调控水温。沉淀时间为30～50min，逐渐缩短为1～3min;或将沉淀时间设置为5～8min，逐渐缩短至1～3min。在生化反应过程中，以溶解氧浓度DO、氧化还原电位ORP和pH值作为实时控制参数，实时控制搅拌时间(反硝化、放磷)、曝气时间(有机物氧化、硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷)。本发明可提高硝化菌和聚磷菌的含量、以厌氧/好氧方式实现低COD生活污水常低温好氧颗粒污泥同时脱氮除磷，工艺简单、污泥产量低、反应效率高;污泥沉淀性能良好、反应器占地面积小;解决污水处理系统时间程序控制导致的运行效率低、氮、磷处理不稳定的问题。
权利要求书
1、一种处理生活污水常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥的培养方法，其 特征在于，包括以下步骤：
将A2/O工艺城市污水处理厂排放的剩余活性污泥作为种泥装入SBR反 应器中，SBR反应器的特征为：圆筒形，高径比为2～10，容积交换率为 50%～67%;
往生活污水中投加乙酸钠与丙酸钠的混合物或葡萄糖，调整COD∶N∶P 的质量比为360∶60∶6;
SBR反应器的运行方式为：进水——搅拌——曝气——沉淀——排水; 周期时间为8～12h;
进水：将进水阀门打开，将投加了乙酸钠与丙酸钠的混合物或葡萄糖的 废水从SBR反应器上部泵入，待水位达到预定值时，自动停止进水;
搅拌：SBR反应器装有搅拌器，进水结束后开始搅拌，进行反硝化、厌 氧放磷，模糊控制搅拌时间;
曝气：SBR反应器装有曝气器，搅拌结束后，开启空气压缩机和进气阀 门，将压缩空气输入，空气流量为0.02～0.20m3/h，进行有机物的降解、硝化、 反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷，氮磷去除停止时，模糊控制曝气时间，关 闭空气压缩机和进气阀门;
沉淀：曝气结束后，进水阀门、进气阀门、排水阀门均关闭，开始静止 沉淀，沉淀时间的设置方案为以下两种方案之一：1)初始沉淀时间为30～50 min，依据污泥沉淀性能的改善，逐渐缩短，最终为1～3min;2)初始沉淀时 间设置为5～8min，最终逐渐缩短为1～3min;
排水：沉淀之后，打开排水阀门，将处理水排到SBR反应器外;稳定运 行40～50天后，在SBR反应器内获得常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥，可 稳定运行250～300天，直至人为停止运行;
搅拌时间的模糊控制规则是：首先根据模糊控制规则探查反硝化结束时 间，即当氧化还原电位ORP的偏差达到负中或负大，并且ORP的一阶导数达 到负中或负大，同时pH的一阶导数达到负零或负小，此时反硝化结束;反硝 化结束后且ORP的一阶导数在-5～0mV/min波动，此时放磷结束，停止搅拌;
曝气时间的模糊控制规则是，当pH值的一阶导数由负数转变为正数时， 且曝气时间>4h，好氧颗粒污泥同时硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷结 束，停止曝气;
曝气时间的另一个可选模糊控制规则是，当溶解氧浓度DO的偏差为正 小或正中时，均维持原有的曝气量，当DO的偏差达到正大，且DO的一阶导 数达到正中或正大时，停止曝气。
说明书
生活污水常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥的培养方法
技术领域
本发明涉及一种污水 处理工艺及其控制装置与方法，特别是一种处理低COD/N/P实际 生活污水的好氧颗粒污泥常低温同时脱氮除磷工艺及其智能控制装置和方法。
背景技术
随着我国污水处理事业的蓬勃发展，国家对污水排放要求也越来越严格，但是由氮、 磷污染引起的水体富营养化问题不仅没有解决，而且有日益严重的趋势。我国在2002年 最新颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中要求所有城镇污水处 理厂出水排入稀释能力较小的河流作为城镇景观用水和一般回用水等用途时，执行一级标 准的A标准，即TN<15mg/L、NH4-N<5mg/L(水温低于12℃时<8mg/L)、TP<0.5mg/L。 由此可见，污水处理的主要矛盾已由有机污染物的去除转变为氮、磷污染物的去除。目前， 我国几乎所有的城镇污水处理厂都面临着同一个难题，即脱氮和除磷无法同时达到最佳效 果，究其原因主要为：1、污水COD/N/P比值偏低，碳源不足成为反硝化脱氮和生物除磷 的限制性因素;2、硝化菌、反硝化菌和聚磷菌对泥龄、环境条件等的要求不同，硝化菌 和聚磷菌的数量较少且无法同时处于各自最佳的生存状态。此外，在高纬度地区秋冬季水 温较低，微生物代谢活性减弱，氮、磷去除率进一步降低。因此，研发高效、低耗、常低 温稳定运行的污水除磷脱氮工艺和方法成为亟待开展的课题。
传统的和现今流行的污水生物处理工艺按照微生物的存在状态可以分为悬浮生长系统 和附着生长系统两大类。前者的代表是活性污泥法，其缺陷是污泥浓度低、容积负荷低、 对冲击负荷敏感;反应器和二沉池占地面积庞大;容易发生污泥膨胀、剩余污泥多且处理 难度大等等。后者的代表有生物膜法，其缺陷是载体或填料的投资较大;在运行工况下， 单位体积内的生物量相对恒定，污泥负荷难以提高，再加上载体或填料的体积，实际反应 器体积也比较大。这两大类系统都存在着基建投资高，占地面积大，运行管理费用高等必 须要克服的缺点。目前研发紧凑集成、高效节能的新型工艺成为热点，其中尤以好氧颗粒 污泥工艺较为突出，它属于微生物自固定化的范畴，具有占地面积小、高生物量、高容积 负荷、良好的污泥沉淀性能、低污泥产率、不需要沉淀池、不需额外增加投资、微生物相 丰富、富集强化功能菌群等明显优点。因此实现好氧颗粒污泥工艺具有重要意义，将大大 改进传统工艺模式。
几乎所有的好氧颗粒污泥均在SBR反应器中获得。好氧颗粒污泥SBR工艺同时具备 好氧颗粒污泥和SBR两者的特点，但是已有的好氧颗粒污泥SBR工艺采用的是传统的时 间程序控制方法，由于原水存在时变性、非线性、复杂性和不确定性等特点，不能根据水 质的变化及时调整曝气、搅拌等工艺操作，造成出水不达标、能源浪费、效率低下。因此， 污水处理工艺的智能化和自动控制迫在眉睫。
模糊控制(Fuzzy Control)是智能控制的重要组成部分与支柱。自Zadeh提出模糊集 合理论和Mamdani(1975)发表了第一篇关于模糊控制的论文以来，模糊控制在工程中的 应用日益广泛与深入。由于污水水质、水量变化很大，在污水处理中的研究与应用仍处于 探索状态，主要集中在絮状污泥为主体的SBR法上，例如《SBR法去除有机物和脱氮除 磷在线模糊控制的基础研究》(哈尔滨工业大学博士学位论文，作者高景峰，2001年)和 专利CN1387099A，但是缺少关于生物除磷、同时脱氮除磷的模糊控制的相关研究。由于 好氧颗粒污泥兼具絮状污泥和生物膜的共同特点，其生化反应(去除有机物、脱氮和除磷 等)特征不同于絮状污泥。迄今为止，国内外尚无任何关于好氧颗粒污泥反应器处理生活 污水常低温同时脱氮除磷及其模糊控制的相关报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种处理生活污水常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥的培养方法 及其模糊控制装置，从而提高硝化细菌、聚磷菌的含量、提高容积负荷、解决低COD/N/P 生活污水常低温氮磷高效达标排放的问题;大幅提高污泥的沉降性能、缩短沉淀时间、缩 小占地面积;解决现有污水处理系统时间程序控制导致的运行效率低、氮磷去除不稳定的 问题。
本发明的技术方案如下：
将A2/O工艺城市污水处理厂排放的剩余活性污泥作为种泥装入SBR反应器中，SBR 反应器的特征为：圆筒形，高径比为2～10，容积交换率为50%～67%;
往生活污水中投加乙酸钠与丙酸钠的混合物或葡萄糖，调整COD∶N∶P的质量比为 360∶60∶6;
SBR反应器的运行方式为：进水——搅拌——曝气——沉淀——排水;周期时间为 8～12h;
进水：将进水阀门打开，将投加了乙酸钠与丙酸钠的混合物或葡萄糖的废水从SBR反 应器上部泵入，待水位达到预定值时，自动停止进水;
搅拌：SBR反应器装有搅拌器，进水结束后开始搅拌，进行反硝化、厌氧放磷，模糊 控制搅拌时间;
曝气：SBR反应器装有曝气器，搅拌结束后，开启空气压缩机和进气阀门，将压缩空 气输入，空气流量为0.02～0.20 m3/h，进行有机物的降解、硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝 化吸磷，氮磷去除停止时，模糊控制曝气时间，关闭空气压缩机和进气阀门;
沉淀：曝气结束后，进水阀门、进气阀门、排水阀门均关闭，开始静止沉淀，沉淀时 间的设置方案为以下两种方案之一：1)初始沉淀时间为30～50min，依据污泥沉淀性能的 改善，逐渐缩短，最终为1～3min;2)初始沉淀时间设置为5～8min，最终逐渐缩短为1～3 min;
排水：沉淀之后，打开排水阀门，将处理水排到SBR反应器外;稳定运行40～50天后， 在SBR反应器内获得常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥，可稳定运行250～300天，直至人 为停止运行;
搅拌时间的模糊控制规则是：首先根据模糊控制规则探查反硝化结束时间，即当氧化 还原电位ORP的偏差达到负中或负大，并且ORP的一阶导数达到负中或负大，同时pH 的一阶导数达到负零或负小，此时反硝化结束;反硝化结束后且ORP的一阶导数在-5～0 mV/min波动，此时放磷结束，停止搅拌;
曝气时间的模糊控制规则是，当pH值的一阶导数由负数转变为正数时，且曝气时间 >4h，好氧颗粒污泥同时硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷结束，停止曝气;
曝气时间的另一个可选模糊控制规则是，当溶解氧浓度DO的偏差为正小或正中时， 均维持原有的曝气量，当DO的偏差达到正大，且DO的一阶导数达到正中或正大时，停 止曝气。
本发明的获得的常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥为棕黄色球形或椭球形颗粒，直径 0.3～1.5mm，结构密实，内有空隙，微生物以球菌或短杆菌为主，丝状菌很少，有大量的 钟虫、浮游累枝虫和纤毛虫附着好氧颗粒污泥生长。荧光原位杂交结果表明本试验中好氧 颗粒污泥的氨氧化菌位于颗粒的最外层，占总菌12%左右，聚磷菌位于颗粒的内层，占总 菌的40%左右，两者的数量均远高于絮状污泥。同时脱氮除磷效果依靠外层的氨氧化菌， 内层的聚磷菌、反硝化聚磷菌以及反硝化菌共同作用完成，其中聚磷菌由于数量大以及异 养的特点使磷的去除较快，磷的去除是由好氧吸磷和反硝化吸磷过程同时进行而完成的; 而硝化菌的数量相对较少，因此硝化为限速步骤。
由于本发明采用相对较大高径比，逐步降低沉淀时间的操作方式，克服了现有SBR反 应器由于高径比过低而不能培养好氧颗粒污泥的问题，处理低浓度实际生活污水，仍能在 SBR反应器内快速培养获得常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥并稳定维持。
在SBR反应器内设置pH值、溶解氧浓度DO传感器和氧化还原电位ORP传感器， 上述传感器经导线与pH测定仪、DO测定仪和ORP测定仪连接后与计算机的数据信号输 入接口连接，计算机的数据信号输出接口，经导线连接执行机构，执行机构的进水继电器、 出水继电器、电动搅拌机继电器和曝气继电器经接口分别与进水阀门、出水阀门、电动搅 拌机和曝气器进气阀门电连接。
SBR污水处理系统中，由pH传感器、溶解氧浓度DO传感器和氧化还原电位ORP传 感器在线监控，采集pH值、溶解氧浓度DO和氧化还原电位ORP的信号;将采集的pH 值、DO和ORP信号经变送器输入模拟数字转换元件A/D，转换成数字信号;将数字信号 输入计算机，经过控制变量偏差的计算、模糊化计算、与事先输入的模糊控制规则比较， 采用Mamdani模糊推算法进行模糊控制推理、经非模糊化计算后，得到模糊控制变量;再 将模糊控制变量经数字模拟转换元件D/A转换成控制信号;控制信号控制执行机构，实现 模糊控制反应器五个步骤的进水时间、搅拌时间、曝气时间、沉淀时间、排水时间。
搅拌时间的模糊控制规则是：首先根据模糊控制规则探查反硝化结束时间，在此基础 上，当ORP的一阶导数在-5～0mV/min波动时，判断厌氧放磷结束，停止搅拌。
对反硝化时间的判断而言，只有当ORP的偏差达到NM(负中)或NB(负大)，并 且ORP的一阶导数达到NM(负中)或NB(负大)，同时pH的一阶导数达到NO(负零) 或NS(负小)，此时反硝化结束。这种控制规则既避免了刚开始反硝化的时候，ORP的 一阶导数达到NM(负中)或NB(负大)，且pH的一阶导数达到NB(负大)，容易误 判为应该结束反硝化，这主要是通过将ORP的偏差控制在NM(负中)或NB(负大)达 到的。为避免误判应该结束反硝化，采用了三输入的模糊控制系统，要求此时ORP的一阶 导数必须达到NM(负中)或NB(负大)，避免误判。这也就是同时应用ORP和pH曲 线的转折点共同模糊判断反硝化时间。
因生活污水碱度充足，曝气时间的模糊控制规则是，当pH的一阶导数由负数转变为 正数时，且曝气时间>4h，推断好氧颗粒污泥在好氧条件下同时硝化、反硝化、好氧吸磷、 反硝化吸磷结束，停止曝气。
曝气时间的另一个可选模糊控制规则是，当DO的偏差为PS(正小)和PM(正中) 时，无论DO的一阶导数如何，均维持原有的曝气量，避免因曝气时间不够而使出水达不 到排放标准。只有当DO的偏差达到PB(正大)，且DO的一阶导数达到PM(正中)或 PB(正大)才认为好氧颗粒污泥同时硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷结束，应该停 止曝气。
本发明益处：
1、本发明克服了现有SBR反应器高径比过低不利于培养好氧颗粒污泥的问题，采用 两种调控沉淀时间的方式，处理COD/N/P较低的低浓度生活污水，成功培养获得常低温同 时脱氮除磷好氧颗粒污泥。解决了现有活性污泥法污泥沉降性能较差、沉淀时间过长、效 率低下、反应器占地面积大、基建投资过高的问题。
2、常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥的成功培养，大幅提高了氨氧化菌、聚磷菌的 比例;好氧颗粒污泥特殊的层状结构，氨氧化细菌分布在颗粒的最外侧，聚磷菌在氨氧化 内侧向颗粒内部生长。在低COD/N/P、常温和低温条件下，厌氧放磷后，好氧条件下完成 硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷，实现好氧颗粒污泥厌氧/好氧同时脱氮除磷，氮磷 达标排放，简化了工艺流程、减少了碳源投加量、降低了污泥产量、提高了反应效率。
4、采用实时控制装置和方法，能够根据原水水质水量的变化实时控制搅拌时间(反 硝化和放磷)和曝气时间(有机物降解、硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷)，实现 具有智能化的控制，保证出水水质的前提下使系统稳定、优化、节能。