CN100503470C - A2/o氧化沟工艺同步硝化反硝化控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种A2/O氧化沟工艺同步硝化反硝化控制方法和装置，涉及的是生活污水生物脱氮技术领域。现有的A2/O氧化沟工艺存在总氮去除效率低下、能耗过大，且同步硝化反硝化的环境难以控制的问题。本发明通过DO在线监测仪(12)监测在氧化沟曝气池内形成的宏观好氧—缺氧环境，通过ORP在线监测仪(13)监测在氧化沟曝气池内形成的微观好氧—缺氧环境，利用计算机(21)控制变频鼓风机(14)控制曝气量，保证宏观和微观状态的硝化反应和反硝化反应同时进行。本发明实现了A2/O氧化沟工艺同步硝化反硝化总氮80%以上的去除率和氨氮90%以上的去除率，并且同步硝化反硝化生物脱氮过程可以稳定进行。
Description
技术领域
本发明提供一种A2/O氧化沟工艺同步硝化反硝化控制方法和装置，涉及的是生活污水脱氮、特别是一种生物脱氮的技术领域。
背景技术
氧化沟技术
氧化沟(oxidation ditch)又名连续循环曝气池(Continuous loop reactor)，是活性污泥法的一种变形。氧化沟最初应用于荷兰，目前已成为欧洲、大洋洲、南非和北美洲的一种重要污水处理技术。近年来，采用氧化沟处理厂的速度有了惊人的进展。目前在我国氧化沟工艺的污水处理厂数量的增长更加迅速，氧化沟工艺为目前国内外新建污水处理厂的首选工艺。
氧化沟具有特殊的水力学流态，既有完全混合式反应器的特点，又有推流式反应器的特点，沟内存在明显的溶解氧浓度梯度。氧化沟断面为矩形或梯形，平面形状多为椭圆形，沟内水深一般为2～5m，沟中水流平均速度为0.3m/s。氧化沟曝气混合设备有表面曝气机、曝气转刷或转盘、射流曝气器、导管式曝气器和提升管式曝气机等，近年来配合使用的还有水下推动器。
氧化沟工艺因其运行稳定、操作维护方便，出水水质优良。近年来改进的氧化沟工艺具有较好的脱氮除磷能力使该工艺成为国内外最实用的工艺之一。
生物脱氮技术
传统生物脱氮是在传统二级生物处理中将有机氮转化为氨氮的基础上，通过硝化菌的作用，将氨氮通过硝化作用转化为亚硝态氮、硝态氮，然后再利用反硝化菌将硝态氮和亚硝态氮转化为氮气，释放到大气中，从而达到从废水中脱氮的目的。
生物脱氮主要为三种反应，即氨化反应，硝化反应和反硝化反应：
未经处理的污水中，含氮化合物存在的主要形式为：(1)有机氮，如蛋白质、氨基酸、尿素、胺类化合物和氨基化合物类；(2)氨态氮(NH3、NH4 +)，一般以前者为主。
含氮化合物在微生物的作用下，相继产生以下反应。
(1)氨化反应
有机氮化合物，在氨化细菌的作用下，将有机氮化合物脱氨基转化为NH3，以氨基酸为例，其反应式为(1)：
氨化作用无论是在好氧还是在厌氧条件下，在酸性、中性还是在碱性条件下均能够进行，只是作用的微生物的种类作用的强弱不一。
(2)硝化反应
在硝化菌的作用下，氨态氮进一步氧化，分两阶段进行，首先在亚硝化菌的作用下，氨态氮转化为亚硝态氮。反应式为(2)：
随后，亚硝酸在硝化菌的作用下，进一步转化为硝酸盐氮，其反应式为(3)：
硝化反应的总反应式为(4)：
不考虑细胞合成，硝化过程所需要的碱度可通过式(5)计算：
从硝化反应总反应式可以看出，硝化作用需要大量的氧，同时消耗一定的碱度。会导致环境中pH值下降。
考虑细胞的合成利用一部分NH4 +，则氨氮硝化过程用式(6)表示：
根据公式(6)可知，转化每克氨氮，需要利用4.25克氧气，合成0.16克的新细胞，需要消耗7.07克碱度，同时利用0.08克无机碳源合成新细胞。
(3)反硝化反应
反硝化反应是指硝酸盐和亚硝酸盐在反硝化菌的作用下被还原为气态氮和氧化亚氮的过程。大多数反硝化菌是异养的兼性厌氧细菌，它能利用各种各样的有机物作为反硝化作用的电子供体，从而反硝化作用既能够将硝氮和亚硝氮还原为氮气，进行脱氮；又能够氧化分解废水中的有机物进行脱碳。反应式如(7)：
综上所述：传统生物脱氮一般包括硝化过程和反硝化过程两个阶段；硝化作用和反硝化作用分别由硝化菌和反硝化菌来完成，两类细菌对于环境条件的要求是不同的，这两个过程无法同时进行，只能串联先后进行。硝化菌为好氧自养菌，硝化反应在BOD5较低的好氧条件下才能够顺利进行，而反硝化菌为兼性厌氧异养菌，只能以有机物为作为碳源，所以只能在有一定有机物浓度且在缺氧的环境下方可顺利进行。在这种思想指导下的生物脱氮工艺，大多将缺氧区与好氧区分开，形成分级的硝化—反硝化工艺，创造硝化菌和反硝化菌生长的适宜环境条件，以便硝化作用和反硝化作用均能够独立进行。
传统生物脱氮采用A/O工艺以及后来又出现的各种改进工艺，如Bardenpho、Phoredox(A2O)、UCT、JBH、AAA工艺等，这些都是典型的硝化反硝化工艺。
生物脱氮是一个比较复杂的过程，受溶解氧，碳氮比，进水碱度，水温等因素的影响，生物脱氮难以高效稳定进行。在回流比为200％的情况下，A/O工艺TN的去除效率为60～70％。
同步硝化反硝化技术
同步硝化反硝化(Simultaneous nitrification and denitrification，SND)为硝化反应和反硝化两种生物反应在同一反应器中进行的微生物反应现象。这一现象发现于20年前，被称为好氧反硝化，随后被称为SND。最近几年来有许多关于SND的研究报道，如发生在SBR工艺中的SND，发生在传统延时曝气工艺中的SND，A2/O工艺中的SND以及氧化沟工艺中的SND。前人的研究多停留在SND现象的观察分析，而对于SND进行有效的利用和稳定控制方面的研究不太多。实现高效的同步硝化反硝化能够降低污水处理能耗，降低出水总氮(TN)和氨氮(NH4 +)的含量，提高出水水质。
城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)对城市污水处理厂出水中的氨氮和总氮排放提出了较高的要求，其中一级A规定出水氨氮小于5(8)mg/L，总氮小于15mg/L，氨氮的达标往往比较容易，通过延时曝气或增大曝气量即可实现完全硝化。而总氮的达标相对不易，部分污水中碳氮比较低造成反硝化碳源不足致使TN去除率较低，污水处理中除磷需要消耗部分碳源。另外好氧区的过量曝气也加重了碳源不足对反硝化的影响，而导致总氮去除效率不高。
由于氧化沟法采用的是延时曝气工艺，水力停留时间较长，关于氧化沟工艺中存在同步硝化反硝化生物脱氮的现象多有文献报道，但是大部分只停留在对同步硝化反硝化现象的发现，且报道的同步硝化反硝化效率较低，对总氮去除的贡献不高。
目前对于同步硝化反硝化的研究尚处于起步阶段，对同步硝化反硝化的优化控制比较困难，其原因在于：实现同步硝化反硝化的环境DO较低，往往在0.5
mg/L以下，如此DO变化范围较小，且变化剧烈，因而不适合作为控制参数。而且研究人员往往认为在好氧区中ORP与生物脱氮没有明显的关系，从而造成了对好氧区中ORP的忽视。
发明内容
本发明的目的是提供一种A2/O氧化沟工艺同步硝化反硝化控制方法和装置，以解决A2/O氧化沟工艺过量曝气造成生物脱氮过程总氮去除效率低下，且能耗过大问题，并克服同步硝化反硝化的环境DO较低难以控制，以及长期的忽视好氧区中ORP的问题，从而实现对同步硝化反硝化生物脱氮过程进行高效、稳定的控制。
(1)A2/O氧化沟工艺同步硝化反硝化控制方法采用的装置
一种A2/O氧化沟工艺同步硝化反硝化控制装置，主要由水箱1、氧化沟主体2以及二沉池3顺序串联而成，氧化沟主体2由厌氧区5、缺氧区6和设有曝气***的曝气池7组成，其特征在于：所述的曝气***由设在曝气池7中的曝气头17和设在曝气池7外的变频鼓风机14连接组成，且变频鼓风机14与计算机21连接；所述的曝气池7内设置有DO在线监测仪12和ORP在线监测仪13，且ORP在线监测仪13与计算机21连接；所述的二沉池3分别通过污泥回流泵11连接厌氧区5和缺氧区6。
(2)A2/O氧化沟工艺同步硝化反硝化控制方法
一种A2/O氧化沟工艺同步硝化反硝化控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将含有聚磷菌、反硝化菌和硝化菌的活性污泥添加到氧化沟主体2内，进行菌种的驯化和培养，使氧化沟主体2内的活性污泥浓度维持在4000mg/L～6000mg/L；
2)将原污水从水箱1泵至厌氧区5，与连接厌氧区5的污泥回流泵11回流的30％回流污泥混合，在厌氧区平均停留0.5小时后进入缺氧区6；
在厌氧区5中，活性污泥中的聚磷菌吸收挥发性有机酸，并进行磷的释放；
3)上述厌氧区5中排出的泥水进入缺氧区6后，和连接缺氧区6的污泥回流泵11回流的70％回流污泥混合，在缺氧区6平均停留1.5小时后进入氧化沟曝气池7；
在缺氧区6中，活性污泥中的反硝化菌利用水中易降解有机物进行反硝化反应，将回流污泥带入的NO3 -还原为氮气；
4)上述缺氧区6排出的泥水进入氧化沟曝气池7中后，启动变频鼓风机14为位于曝气池7中的曝气头17提供氧气，对处理水进行鼓风曝气，计算机21根据DO在线监测仪12和ORP在线监测仪13的示数调整变频鼓风机14的功率，将DO在线监测仪12的示数控制在0.8mg/L至0.1mg/L范围内，并将ORP在线监测仪13的示数控制在-30mv～30mv范围内，处理水在氧化沟曝气池7中平均水力停留时间18小时后排水进入二沉池3中；
DO在线监测仪12的示数表示在氧化沟曝气池7内形成的溶解氧梯度，将该溶解氧梯度控制在0.8mg/L至0.1mg/L范围内，就在氧化沟曝气池7内形成了溶解氧梯度为0.8mg/L至0.1mg/L范围内的宏观好氧—缺氧环境，保证宏观状态的硝化反应和反硝化反应同时进行，避免DO过低造成的硝化不充分和DO过高造成的反硝化受抑制；
ORP在线监测仪13的示数为在氧化沟曝气池7内的氧化还原电位，将氧化沟曝气池7内的氧化还原电位控制在-30mv～30mv范围内，是为了维持氧化沟曝气池7内微观的氧化还原状态，保证微观状态的硝化反应和反硝化反应同时进行，具体来说就是：当ORP>30mv，微观好氧区所占整个活性污泥絮体容积较大，微观好氧环境占主导，硝化占优势，应该降低曝气量，防止曝气池中活性污泥过度氧化及NO3 -的积累，当ORP<-30mv，微观缺氧区所占整个活性污泥絮体容积较大，微观缺氧环境占主导，硝化将会受到影响，NH4 +因硝化受抑制而积累，这时增大曝气量，提高硝化效果；
在氧化沟曝气池7中主要进行以下四种反应：异氧菌利用有机物进行的碳氧化反应、硝化菌硝化反应、反硝化菌反硝化反应、聚磷菌吸收磷反应；
5)从氧化沟曝气池7中溢流出的处理水进入二沉池3进行泥水分离，上清液排出***，回流污泥按3：7的比例分别回流至厌氧区5和缺氧区6。
发明的有益效果
本发明通过DO在线监测仪监测在氧化沟曝气池内形成的宏观好氧—缺氧环境，通过ORP在线监测仪监测在氧化沟曝气池内形成的微观好氧—缺氧环境，利用计算机控制变频鼓风机控制曝气量，保证宏观和微观状态的硝化反应和反硝化反应同时进行。
本发明的方法硝化反硝化反应在曝气池中同时进行，硝化过程消耗碱度，反硝化过程产生碱度，反硝化过程补偿了硝化过程一半的碱度，不需要另外投加碱也不会影响***硝化对碱度的需求，同步硝化反硝化对总氮去除的贡献占全部总氮去除的50％以上，节约了反硝化所需的碳源，这对低碳氮比的城市污水处理更具适应性。本发明实现的稳定同步硝化反硝化曝气池中平均溶解氧浓度在0.5mg/L以下，与传统硝化需要溶解氧浓度在2.0mg/L以上相比，大大降低了曝气能耗，实现了总氮80％以上的去除率和氨氮高达90％以上的去除率，解决了含氮富营养化污水处理的问题以及污水脱氮效率不稳定和达标率低的问题，还解决了污水处理运行过程中出现的出水氨氮、总氮浓度难以控制的实际问题，解决了对氧化沟工艺同步硝化反硝化技术参数的优化与控制的问题。
附图说明
图1A2/O氧化沟工艺同步硝化反硝化控制方法采用的装置示意图；
图中：1—水箱、2—氧化沟主体、3—二沉池、4—进水泵、5—厌氧区、6—缺氧区、7—曝气池、8—进水口、9—回流污泥口、10—搅拌器、11—回流污泥泵、12—DO在线监测仪、13—ORP在线监测仪、14—变频鼓风机、15—空气流量计、16—空气管、17—曝气头、18—氧化沟溢流堰、19—活动插板、20—剩余污泥泵、21—计算机。
图2二沉池示意图；
图中：22—二沉池溢流堰、23—排水管、24—二沉池取样管、25—二沉池进水管、26—二沉池中心筒、27—剩余污泥管、28—回流污泥管。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：
(1)A2/O氧化沟工艺同步硝化反硝化控制方法采用的装置
A2/O氧化沟工艺同步硝化反硝化控制方法采用的装置为一种A2/O氧化沟装置，如附图1所示，主要由水箱1、氧化沟主体2、二沉池3顺序串联而成；氧化沟主体2沿水流方向依次为厌氧区5、缺氧区6和氧化沟曝气池7，水箱1和氧化沟主体的厌氧区5通过进水泵4连接，氧化沟主体2的氧化沟曝气池7通过溢流堰18以及二沉池进水管25与二沉池3连接，厌氧区5和缺氧区6内部分别设有搅拌器10，厌氧区5和缺氧区6各自通过一台回流污泥泵11与二沉池3连接，氧化沟曝气池7通过其内设置的沟壁使水流形成多次改变方向的水流氧化沟，氧化沟曝气池7内部在水流转向的位置处设有搅拌器10，氧化沟曝气池7内部还设有多个曝气头17，各曝气头17通过空气管16与氧化沟曝气池5外部的空气流量计15和变频鼓风机14相连接，二沉池3为中心进水周边出水辐流式沉淀池，二沉池3池壁上设有高度不同的取样口24，二沉池3顶部设有三角出水堰22，二沉池3底部设有2个排泥口，其中一个回流污泥口28连接回流污泥泵11，另一剩余污泥口27连接排除剩余污泥的剩余污泥泵20。
所述的厌氧区5和缺氧区6之间设有活动的插板19，该插板19置于厌氧区5和缺氧区6之间不同的位置，可以调整厌氧区5和缺氧区6的容积比例。
在所述的曝气池7出口处设置有ORP在线监测仪13，在曝气池7内各曝气头17前后设置有DO在线监测仪12，各曝气头17通过空气管与氧化沟曝气池7外部的变频鼓风机14相连接，ORP在线监测仪13和变频鼓风机14分别通过数据线与计算机21连接。
(2)A2/O氧化沟工艺同步硝化反硝化控制方法
一种A2/O氧化沟工艺同步硝化反硝化控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将含有厌氧聚磷菌、反硝化菌和硝化菌的活性污泥添加到氧化沟主体2内，进行菌种的驯化和培养，使氧化沟主体2内的活性污泥浓度维持在4000mg/L～6000mg/L；
2)将原污水从水箱1泵至厌氧区5，与连接厌氧区5的污泥回流泵11回流的30％回流污泥混合，在厌氧区平均停留40～60分钟后进入缺氧区6；
3)上述厌氧区5中排出的泥水进入缺氧区6后，和连接缺氧区6的污泥回流泵11回流的70％回流污泥混合，在缺氧区6平均停留60～80分钟后进入氧化沟曝气池7；
4)上述缺氧区6排出的泥水进入氧化沟曝气池7中后，启动变频鼓风机14为位于曝气池7中的曝气头17提供氧气，对处理水进行鼓风曝气，计算机21根据DO在线监测仪12和ORP在线监测仪13的示数调整变频鼓风机15的功率，将DO在线监测仪12的示数控制在0.8mg/L至0.1mg/L范围内，并将ORP在线监测仪13的示数控制在-30mv～30mv范围内，处理水在氧化沟曝气池7中平均水力停留时间18小时后排水进入二沉池3中；
5)从氧化沟曝气池7中溢流出的被处理水进入二沉池3进行泥水分离，上清液从溢流堰22排出，部分污泥按3：7的比例分别回流至厌氧区5和缺氧区6，剩余污泥通过剩余污泥泵20排出***。
实施例一
以北京某污水处理厂曝气沉砂池出水为原水，进水COD、氨氮、总氮和总磷值(COD＝251.2～489.4mg/L，NH4 +＝35.5～51.2mg/L，TN＝49.4～65.4mg/L，TP＝5.4～8.7mg/L)。厌氧区和缺氧区和氧化沟的水力停留时间(HRT)分别为0.5h，1.5h和18h，回流比为100％，氧化沟曝气池内的平均流速约为1cm/s，循环一次需时5～7分钟。用氧化还原电位(ORP)作为氧化沟工艺生物脱氮同步硝化反硝化(SND)的控制参数对该工艺SND进行了试验。
试验阶段COD、BOD5、NH4 +、TN的平均进水浓度为337.8mg/L，177.4mg/L，52.7mg/L和38.5mg/L，平均出水浓度为45.3mg/L，12.5mg/L，13.2mg/L，4.2mg/L，平均去除率为86.5％，93.0％，75.0％和89％。
ORP在30mv以上时，出水中的总无机氮(TIN)中95％以上为NO3 -，该状况下，出水中的总无机氮(TIN)中80％以上为NO3 -，出水氨氮均能达标(小于5mg/L)，约有2/3的天数TN>15mg/L，硝化效果良好，反硝化效率较低。ORP在-30mv以下时，约有3/4的天数TN>5mg/L，硝化不充分，出水中的总无机氮(TIN)中78％以上为NH4 +，ORP越低，硝化越不充分；ORP在-30～30mv时，TN去除率在88％以上，SND作用去除的NO3 -占总的NO3 -去除的90％以上。SND作用对TN去除的百分比在80％以上。
Claims (2)
1.一种A2/O氧化沟工艺同步硝化反硝化控制装置，由水箱(1)、氧化沟主体(2)以及二沉池(3)顺序串联而成，氧化沟主体(2)由厌氧区(5)、缺氧区(6)和设有曝气***的曝气池(7)组成，其特征在于：
所述的曝气***由设在曝气池(7)中的曝气头(17)和设在曝气池(7)外的变频鼓风机(14)连接组成，且变频鼓风机(14)与计算机(21)连接；
所述的曝气池(7)内设置有DO在线监测仪(12)和ORP在线监测仪(13)，且ORP在线监测仪(13)与计算机(21)连接；
所述的二沉池(3)分别通过污泥回流泵(11)连接厌氧区(5)和缺氧区(6)。
2.一种A2/O氧化沟工艺同步硝化反硝化控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将含有聚磷菌、反硝化菌和硝化菌的活性污泥添加到氧化沟主体(2)内，进行菌种的驯化和培养，使氧化沟主体(2)内的活性污泥浓度维持在4000mg/L～6000mg/L；
2)将原污水从水箱(1)泵至厌氧区(5)，与连接厌氧区(5)的污泥回流泵(11)回流的30％回流污泥混合，在厌氧区平均停留0.5小时后进入缺氧区(6)；
3)上述厌氧区(5)中排出的泥水进入缺氧区(6)后，和连接缺氧区(6)的污泥回流泵(11)回流的70％回流污泥混合，在缺氧区(6)平均停留1.5小时后进入氧化沟曝气池(7)；
4)上述缺氧区(6)排出的泥水进入氧化沟曝气池(7)中后，启动变频鼓风机(14)为位于曝气池(7)中的曝气头(17)提供氧气，对处理水进行鼓风曝气，计算机(21)根据DO在线监测仪(12)和ORP在线监测仪(13)的示数调整变频鼓风机(14)的功率，将DO在线监测仪(12)的示数控制在0.8mg/L至0.1mg/L范围内，并将ORP在线监测仪(13)的示数控制在-30mv～30mv范围内，处理水在氧化沟曝气池(7)中平均水力停留时间18小时后排水进入二沉池(3)中；
5)从氧化沟曝气池(7)中溢流出的处理水进入二沉池(3)进行泥水分离，上清液排出***，回流污泥按3：7的比例分别回流至厌氧区(5)和缺氧区(6)。
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| 新型反应器(SUFR)去除城市污水中氮和磷的试验研究. 豆俊峰，罗固源，罗富金，阙添进.上海环境科学，第23卷第3期. 2004 |
| 新型反应器(SUFR)去除城市污水中氮和磷的试验研究. 豆俊峰，罗固源，罗富金，阙添进.上海环境科学，第23卷第3期. 2004 * |
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