CN100336744C - 分段进水生物脱氮方法中进水流量分配的优化方法 - Google Patents

Abstract

分段进水生物脱氮方法中进水流量分配的优化方法，它涉及分段进水生物脱氮工艺的优化运行方法。为了解决现有分段进水生物脱氮工艺中进水流量的分配问题，本发明是这样实现的：污水以分段的形式进入反应器的缺氧区中，优先供给反硝化菌进行反硝化反应，然后再进入好氧区进行有机物的降解和硝化反应，沿反应器在空间上构成了缺氧、好氧、缺氧、好氧交替运行结构，反应池中每一段的进水流量根据下式进行分配：Q_总＝λ_max ^n-1X+λ_max ^n-2X+…+λ_maxX+X，其中λ_max＝0.31439x-0.88946。

Description

分段进水生物脱氮方法中进水流量分配的优化方法

技术领域：

本发明涉及分段进水生物脱氮工艺的优化运行方法，特别是分段进水生物脱氮工艺进水流量分配的优化方法。

背景技术：

分段进水生物脱氮工艺是近年来新开发的生物脱氮方法，见图1，它具有如下优点：

①具有很高的总氮去除率。分段进水生物脱氮工艺的理论脱氮率用如下公式计算： $\mathrm{\η}=(1-\frac{\mathrm{\α}}{1+r})\×100\%,$ 其中α为最后一段进水量占总进水量的百分比，r为污泥回流比。通过实验研究发现，在一定进水C/N比的条件下，无需内回流设施即可达到高于95％的总氮去除率。

②硝化液从各段的好氧区直接流入下一段的缺氧区，完全省去了传统生物脱氮技术的内循环步骤，从而简化了工艺流程，易于操作运行和管理。

③污水直接进入缺氧区，最大程度地充分利用了进水中的有机碳源。

④泥水混合液间接地经历缺氧、好氧、缺氧、好氧的环境，能够有效地抑制丝状菌的生长与繁殖，较好地防止了丝状菌污泥膨胀的发生。

⑤有机底物沿池长均匀分布，负荷均衡，即一定程度缩小了供氧速率与耗氧速率之间的差距，有利于降低能耗，又能够充分发挥活性污泥微生物的降解功能。

⑥污水分段进入，提高了反应器对水质水量冲击负荷的适应能力。另外，由于活性污泥生物量的大部分是在分段进水工艺的前面几段，故在暴雨季节可减少活性污泥被冲失的危险。

⑦混合液中活性污泥浓度沿池长逐步降低，出流混合液浓度较低，减轻了二沉池的负荷，有利于提高二沉池的固液分离效果。

⑧污水沿池分段进入而污泥回流至首端，***的固体停留时间(SRT)比相同容积的推流***长。分段进水***在不增加反应池出流污泥浓度的情况下，使污泥龄得以增加。

⑨反硝化反应的出水直接进入硝化反应池，在一定程度上补充了硝化对碱度的要求。

⑩易于对原有的污水二级处理设施进行改造以达到生物脱氮的目的。只需将污水改为分段进入到反应器内，同时将污水进入的一段反应区段改为缺氧方式运行，其他设施如格栅、初沉池、二沉池、污泥回流设施等均无需任何改动，就可以达到目的。

然而，由于反应器的构成和污水的分段引入，分段进水生物脱氮工艺的最佳设计和运行是一项非常困难的任务。每一段中缺氧区与好氧区的容积比、每段间的容积比以及进水流量的分配是分段进水工艺设计的重要参数。废水特性，特别是进水C/N比(碳氮比)严重地影响着工艺的设计与运行。进水流量的分配直接决定了出水总氮浓度和总氮去除率，因此探求分段进水工艺进水流量分配的优化方法就显得尤为重要。

发明内容：

为了解决现有分段进水生物脱氮工艺中进水流量的分配问题，本发明提供一种分段进水生物脱氮方法中进水流量分配的优化方法，它是这样实现的：污水以分段的形式进入反应器的缺氧区中，优先供给反硝化菌进行反硝化反应，然后再进入好氧区进行有机物的降解和硝化反应，沿反应器在空间上构成了缺氧、好氧、缺氧、好氧交替运行结构，反应池中每一段的进水流量根据下式进行分配：Q_总＝λ_max ^n-1X+λ_max ^n-2X+…+λ_maxX+X，其中λ_max＝0.31439x-0.88946，式中：Q_总为总进水流量，n为段数，λ_max为最大流量比值，X为最后一段的进水流量，x为进水C/N比值。

本发明采用污水分段进入的方法，在缺氧区中反硝化菌利用进水中的有机碳源作为电子受体将上一段或回流污泥带入的亚硝酸盐或硝酸盐进行反硝化反应以脱氮，同时降解进水中的有机碳源，污水经缺氧区后进入其后的好氧硝化区。由于部分甚至全部的有机碳源已经在缺氧区中被反硝化反应所利用，所以好氧区的硝化反应会保持较高的反应速率。硝化反应生成的亚硝酸盐和硝酸盐在下一段的缺氧区中被反硝化菌反硝化掉，同时消耗进水中的有机碳源。在最后一段的好氧区内的泥水混合液进入二沉池进行泥水分离。混合液进入二沉池后由于重力原因，污泥沉入底部，经污泥回流泵回流至反应器首端，保证了反应器中生物量的浓度。部分剩余污泥从二沉池底部排出，保证了整个处理***中微生物量的平衡。上清液通过三角堰经过出水口排放，从而达到污水净化和生物脱氮的目的。当各段完全反应时，出水总氮仅由最后一段进水产生。应对好氧区末端的溶解氧浓度进行控制，一般保持在2mg/L即可，否则过高的剩余溶解氧进入到下一段的缺氧区中会对反硝化反应产生不利的影响，部分有机碳源被好氧性地去除。

采用生物方法进行脱氮包含硝化反应和反硝化反应两个步骤。硝化反应是将氨氮转化为硝酸盐氮的过程，它包括两个基本反应步骤：由亚硝酸菌(Nitrosomonas)参与的将氨氮转化为亚硝酸盐的反应；由硝酸菌(Nitrobacter)参与的将亚硝酸盐转化为硝酸盐的反应。反硝化反应是将硝化过程中生成的硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气的过程。反硝化过程中反硝化菌利用各种有机基质作为电子供体，以硝酸盐作为电子受体进行缺氧呼吸。

在分段进水生物脱氮工艺中，每一段硝化反应所产生的硝酸盐量完全反硝化所需要的有机基质由下一段进水所提供。因此工艺达到最高脱氮率应该满足以下两个方面：

①上一段硝化反应进行完全产生的硝酸盐在下一段被完全反硝化掉，即不产生硝酸盐的积累；

②最后一段的进水流量最小。

根据上述两点，在工艺最后两段间必然存在一个最大流量比值λ_max使上一段硝化反应生成的硝酸盐被完全反硝化掉，且最后一段进水流量最小。同理，在第一、二段，第二、三段，第三、四段等等之间，也存在一个最大流量比值(λ₁、λ₂、λ₃...)使缺氧区中无硝酸盐累积，且后一段进水量最小。这样的话，在一个四段或五段工艺中，就存在三至四个流量的比值。如果分别考察这几个流量比值的最大值，其工作无疑是繁琐的。在理论上，如果每一段硝化反应均完全进行，这几个比值应该是相等的。但是在分段进水工艺中，污泥回流至首端而污水分段进入，产生污泥浓度的梯度分布。由于污泥浓度的不同，每一段的同化作用亦不同，产生的后果是第一、二段间的流量比值λ₁大于第二、三段间的流量比值λ₂，而第二、三段间的流量比值λ₂又大于第三、四段间的流量比值λ₃等等。但是这些流量比值的数值均应该稍大于λ_max，特别是当λ_max值较高时。从***优化运行、操作管理方便和自动控制的角度来考虑，采用统一的流量比值是一种较佳的可选运行方案。

流量比值λ_max是由进水的C/N比所决定，其数值可通过实验来求得，且在某一进水C/N比的条件下，λ_max的数值是唯一的。在通过实验确定不同C/N比的条件下的λ_max数值后，可获得进水C/N比与工艺所能达到的最大进水流量分配系数的关系。本发明通过实验得出了以下的关系(图2)：

λ_max＝0.31439x-0.88946，R＝0.99975，N＝13，其中：x为进水C/N比值，R为线性回归系数，N为采样点个数。

确定λ_max后即可通过如下公式确定每一段的进水流量分配。

Q_总＝λ_max ^n-1X+λ_max ^n-2X+…+λ_maxX+X(n为段数，X为最后一段的进水流量)。

本发明通过理论分析和试验验证，提供了一种流量分配的优化方法以达到较高的总氮去除率和较易的工艺运行管理。通过实验得出了不同进水C/N比条件下工艺所能达到的最大流量比值、COD和氨氮以及总氮去除率，为实际应用提供了技术支持，具有简单易行、可控性高、操作管理方便的特点。

附图说明：

图1为典型分段进水生物脱氮工艺流程示意图，其中AX代表缺氧池，OX代表好氧池，SC代表二沉池；图2为进水流量分配系数与进水C/N比的关系图。

具体实施方式：

具体实施方式一：本实施方式是这样实现的：污水以分段的形式进入反应器的缺氧区中，优先供给反硝化菌进行反硝化反应，然后再进入好氧区进行有机物的降解和硝化反应，沿反应器在空间上构成了缺氧、好氧、缺氧、好氧交替运行结构，反应池中每一段的进水流量根据下式进行分配：Q_总＝λ_max ^n-1X+λ_max ^n-2X+…+λ_maxX+X，式中：Q_总为总进水流量，n为段数，λ_max为最大流量比值，X为最后一段的进水流量；其中λ_max＝0.31439x-0.88946(x为进水C/N比值)。

在分段进水生物脱氮方法中，每相邻两段间存在一个最大流量比值λ_max使上一段硝化产生的硝酸盐在下一段被完全反硝化掉且后面段进水流量最小。

在分段进水生物脱氮方法中，上一段完全硝化产生的硝酸盐在下一段被完全反硝化掉，即不产生硝酸盐的积累且最后一段的进水流量X最小。

在分段进水生物脱氮方法中，采用统一的流量比值应以最后两段间的最大流量比值λ_max为准。

具体实施方式二：本发明的实施过程比较简单。在实施过程中，可先通过实验确定最后两段间的最大流量比值系数λ，然后将此比值应用到其它段中。在总进水流量Q一定的情况下，设定最后一段的进水流量为X，有如下关系(以四段工艺为例)：Q＝λ³X+λ²X+λX+X。根据此公式，即可得出每一段的进水流量。

本实施方式以啤酒废水、NH₄Cl、MgSO₄、CaCl₂、KH₂PO₄和NaHCO₃与自来水配制的模拟生活污水为研究对象，对分段进水生物脱氮技术进行了实验研究工作。工艺运行参数为：采用四段进水的分段进水工艺，反应器容积80L，二沉池容积30L，总进水流量240L/d，污泥龄为18天。

试验完成了进水C/N比分别为4.48、5.3、5.9、6.8、7.625、8.25、9.13、10.05、10.75、11.68、12.4、14和15.5(进水总氮浓度为42mg/L)条件下，考察工艺所能达到的最大流量比值系数、出水总氮浓度和总氮去除率，列于表1。

表1

C/N比	λ	出水总氮浓度(mg/L)	COD去除率(％)	氨氮去除率(％)	总氮去除率(％)
						4.485.35.96.87.6258.259.1310.0510.7511.6812.41415.5	0.500.751.001.251.501.752.002.252.502.753.003.504.00	12.959.2416.6004.4552.9202.2001.6771.2000.9700.7870.5560.3870.287	95939594939593929294939193	100100100100100100100100100100100100100	69.1778.0084.2989.3993.0594.7696.0197.1497.6998.1398.6899.0899.32

由上表可以看出，在无内循环的条件下，分段进水生物脱氮工艺在一定进水C/N比的条件下，处理后出水的化学需氧量COD_Cr去除率达到90～95％，氨氮去除率均达到100％，在进水C/N比高于9的条件下即可达到高于95％总氮去除率。

若采用传统的等比例进水的方法，在C/N比等于6和大于6的条件下，即可满足每段反硝化碳源的充足，根据公式计算得到的去除率仅为83.33％，而与进水C/N比无关，这样就限制了分段进水工艺的优势的发挥，未达到工艺的优化运行，与在C/N比为9的条件下可达到的95％的总氮去除率相去甚远，更加体现了本发明的优势。

具体实施方式三：本实施方式以哈尔滨工业大学二校区生活小区污水作为处理对象，对本发明的应用性和实施性进行了试验验证，并取得了令人满意的效果。小区内生活污水C/N比比值变化不大，介于7.25～9.1之间，在实施过程中，对原水水质先进行测定其C/N比，后根据上表确定流量比值系数λ。在长达三个月的试验过程中，总氮去除率一直保持在92.5％以上，达到了较强的脱氮效能和运行效果，进一步证明了本发明具有很强的应用性和实施性。本发明通过引入流量比值系数，简化了工艺的运行管理，并为分段进水生物脱氮工艺的智能控制提供了最为重要的控制参数。

Claims (3)

1、分段进水生物脱氮方法中进水流量分配的优化方法，污水以分段的形式进入反应器的缺氧区中，优先供给反硝化菌进行反硝化反应，然后再进入好氧区进行有机物的降解和硝化反应，沿反应器在空间上构成了缺氧、好氧、缺氧、好氧交替运行结构，其特征在于反应池中每一段的进水流量根据下式进行分配：Q_总＝λ_max ^n-1X+λ_max ^n-2X+…+λ_maxX+X，其中λ_max＝0.31439x-0.88946，式中：Q_总为总进水流量，n为段数，λ_max为最大流量比值，X为最后一段的进水流量，x为进水C/N比值。

2、根据权利要求1所述的分段进水生物脱氮方法中进水流量分配的优化方法，其特征在于在分段进水生物脱氮方法中，每相邻两段间存在一个最大流量比值λ_max使上一段硝化产生的硝酸盐在下一段被完全反硝化掉且后面段进水流量最小。

3、根据权利要求1所述的分段进水生物脱氮方法中进水流量分配的优化方法，其特征在于在分段进水生物脱氮方法中，上一段完全硝化产生的硝酸盐在下一段被完全反硝化掉，即不产生硝酸盐的积累且最后一段的进水流量X最小。

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