申請日2015.07.27

　　公開(公告)日2015.11.11

　　IPC分類號C02F3/30

　　摘要

　　多次進水SBR充分利用原水碳源處理城市生活污水的裝置和方法，屬于生化法污水生物處理領(lǐng)域。該裝置包括原水箱、序批式反應(yīng)器(SBR)、計算機。其方法為：城市生活污水進入SBR，接著進行攪拌、曝氣，重復以上過程2～3次，在最后一次曝氣結(jié)束后，繼續(xù)進行攪拌，沉淀、排水。攪拌過程通過實時pH監(jiān)測反硝化結(jié)束點，曝氣過程通過實時DO、pH監(jiān)測短程硝化結(jié)束點。本發(fā)明能夠充分利用原水中的碳源進行脫氮，其中原水中的一部分有機物被直接利用，另一部分有機物貯存在污泥中作為內(nèi)碳源在最后一次攪拌過程中被反硝化反應(yīng)利用。本發(fā)明能夠準確控制缺氧反硝化時間和好氧曝氣時間，具有提高原水碳源利用率，提高總氮去除率，節(jié)省能耗等優(yōu)點。

　　權(quán)利要求書

　　1.多次進水SBR充分利用原水碳源處理城市生活污水的裝置，其特征在于，包括原 水箱(1)、原水進水泵(2)、序批式反應(yīng)器SBR(3)、空氣壓縮機(4)、氣體流量計(5)、 曝氣頭(6)、攪拌器(7)、排水閥(8)、排泥閥(9)、pH探頭(10)、DO探頭(11)、pH 測定儀(12)、DO測定儀(13)、計算機(14)、信號輸入端口(15)、信號輸出端口(16)、 過程控制器(17)、進水泵繼電器(18)、曝氣泵繼電器(19)、攪拌器繼電器(20)、排水閥 繼電器(21)、排泥閥繼電器(22)、過程控制器信號輸出端口(23)、顯示器(24);

　　原水箱(1)通過原水進水泵(2)與SBR(3)相連，SBR(3)分別與排水閥(8)和 排泥閥(9)連接;SBR(3)內(nèi)部設(shè)置曝氣頭(6)、攪拌器(7)、pH探頭(10)、DO探頭 (11)，空氣壓縮機(4)通過氣體流量計(5)與曝氣頭(6)連接，pH探頭(10)、DO探 頭(11)分別與pH測定儀(12)、DO測定儀(13)連接，測定儀上的數(shù)據(jù)信息通過信號輸 入端口(15)與計算機(14)連接，數(shù)據(jù)信息顯示在顯示器(24)上，計算機(14)的信號 輸出端口(16)經(jīng)導線連接過程控制器(17)，過程控制器的進水泵繼電器(18)、曝氣泵繼 電器(19)、攪拌器繼電器(20)、排水閥繼電器(21)、排泥閥繼電器(22)分別與原水進 水泵(2)、空氣壓縮機(4)、攪拌器(7)、排水閥(8)、排泥閥(9)連接。

　　2.應(yīng)用權(quán)利要求1所述裝置處理城市生活污水的方法，其特征在于，包括以下步驟：

　　(1)啟動裝置，實現(xiàn)短程硝化：以城市污水處理廠的硝化污泥為接種污泥注入SBR， 其污泥濃度為2000-4000mg/L，同時，以城市生活污水作為原水注入原水箱，通過原水進水 泵打入SBR中;隨后啟動曝氣系統(tǒng)對SBR中的城市生活污水進行硝化，反應(yīng)過程中DO維 持在1.5-2mg/L，pH值維持在7.8-8.5;SBR排水比為0.5-0.7，每天運行4-5個周期，每個 周期包括進水，攪拌，曝氣，沉淀，排水，閑置，在上述條件下運行SBR，當其出水亞硝 酸鹽累積率大于95%且持續(xù)維持15天以上時，SBR短程硝化得以實現(xiàn);

　　(2)運行裝置：

　　(I)進水：根據(jù)進水量確定進水時間，并通過控制器對計時器進行設(shè)定，啟動進水 泵，將原水箱中的生活污水注入SBR，當達到預先設(shè)定的時間后，進水泵自動關(guān)閉，進水 結(jié)束;

　　(II)攪拌：進水結(jié)束后攪拌器自動開啟，SBR內(nèi)開始進行反硝化反應(yīng);反硝化進 程由pH探頭監(jiān)控，并通過pH測定儀將數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)采集卡輸入到計算機中，數(shù)據(jù)作 為缺氧反硝化的實時控制參數(shù);將數(shù)據(jù)信號輸入過程控制器，通過濾波處理及計算，得出過 程實時控制變量，并通過控制策略對得出的實時控制變量進行比較，當滿足下列兩個條件中 的任意一條：pH曲線一階導數(shù)由正變負，且攪拌時間大于0.5h;攪拌時間大于1.5h;證明 反硝化反應(yīng)結(jié)束，攪拌器自動關(guān)閉;

　　(III)曝氣：空氣壓縮機自動開啟，進入好氧階段，pH探頭、DO探頭分別測定水 中的pH值、溶解氧濃度DO，通過pH測定儀、DO測定儀將數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)采集卡輸入 到計算機中，數(shù)據(jù)作為好氧短程硝化的實時控制參數(shù);將數(shù)據(jù)信號輸入過程控制器，通過濾 波處理及計算，得出過程實時控制變量，并通過控制策略對得出的實時控制變量進行比較， 當滿足下列兩個條件中的任意一條：pH曲線一階導數(shù)由負變正，且曝氣時間大于1h;DO 大于4mg/L，且曝氣時間大于2h;證明好氧短程硝化結(jié)束，空氣壓縮機自動關(guān)閉;

　　(IV)重復I、II、III步驟2～3次;

　　(V)攪拌：曝氣結(jié)束后攪拌器自動開啟，SBR進入內(nèi)源反硝化階段，反硝化進程 由pH探頭監(jiān)控，并通過pH測定儀將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡輸入到計算機中，處理后的數(shù)據(jù) 作為內(nèi)源反硝化的實時控制參數(shù);將數(shù)據(jù)信號輸入過程控制器，通過濾波處理及計算，得出 過程實時控制變量，并通過控制策略對得出的實時控制變量進行比較，當滿足下列兩個條件 中的任意一條：pH曲線一階導數(shù)由正變負，且攪拌時間大于1h;攪拌時間大于1.5h;證明 內(nèi)源反硝化反應(yīng)結(jié)束，攪拌器自動關(guān)閉;

　　(VI)沉淀：在計算機中設(shè)定沉淀時間為0.5h～1h，通過實時控制系統(tǒng)中的時間控制 器進行計時直到沉淀完成;

　　(VII)排水：在計算機中設(shè)定排水時間為5min～20min，通過實時控制系統(tǒng)中的時間 控制器進行計時，系統(tǒng)自動開啟排水閥，達到設(shè)定的排水時間后排水閥自動關(guān)閉;

　　(VIII)閑置：排水結(jié)束后，根據(jù)計算機設(shè)定的閑置時間1h～2h，通過實時控制系 統(tǒng)中的時間控制器進行計時，當達到設(shè)定的閑置時間后系統(tǒng)自動進入下一個周期的運行。

　　說明書

　　多次進水SBR充分利用原水碳源處理城市生活污水的裝置和方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明涉及一種含氮廢水的SBR生物處理工藝和裝置，尤其是能夠充分利用原水中的 碳源以及實現(xiàn)過程實時控制，屬于城市生活污水生物處理技術(shù)領(lǐng)域。

　　背景技術(shù)

　　我國在2002年頒布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中一級 A標準要求排污單位出水水質(zhì)為COD小于50mg/L，氨氮小于5mg/L，總氮小于15mg/L， 總磷小于0.5mg/L。國內(nèi)許多污水廠不能實現(xiàn)總氮的達標排放，如何提高脫氮效果，是現(xiàn) 階段城市污水處理領(lǐng)域的迫切需求。

　　污水生物脫氮通過硝化將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N，再通過反硝化將NO3--N轉(zhuǎn)化為氮 氣從水中逸出。反硝化階段以NO3--N為電子受體，有機物作為電子供體，將硝氮轉(zhuǎn)化為 氮氣完成生物脫氮。短程硝化技術(shù)將硝化過程控制在亞硝階段，可節(jié)省25%的曝氣量和40% 的碳源。

　　傳統(tǒng)的污水生物脫氮技術(shù)如A/O、A2/O工藝雖具有一定的脫氮效果，但由于其運行 過程的可控性較差，氮的去除率很難達到80%以上。另外若要保持系統(tǒng)中有較高的污泥濃 度，必須進行污泥回流和硝化液回流，增加了運行成本和能源消耗。傳統(tǒng)的SBR工藝的處 理裝置只有一個SBR反應(yīng)池，進水、反應(yīng)、沉淀、排水等均在此反應(yīng)池中進行，占地面積 小，是目前較常規(guī)的活性污泥法污水處理工藝。但傳統(tǒng)的SBR處理工藝常會出現(xiàn)硝化和反 硝化作用不完全或者根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定的反應(yīng)時間過長浪費不必要的時間和能源浪費。

　　SBR工藝中傳統(tǒng)的好氧/缺氧的運行方式，使得原水中的碳源在曝氣過程中去除，浪費 了碳源，要達到深度脫氮的目的，還需在反硝化過程中投加大量碳源，增加了運行費用。 而缺氧/好氧的運行方式又因為出水中存在硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮使得出水總氮不能達標。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提供一種多次進水SBR充分利用原水碳源處理城 市生活污水的裝置，并通過實施過程控制合理分配每次攪拌、曝氣的時間，能夠在節(jié)省運 行費用的條件下達到深度脫氮的目的。

　　為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種多次進水SBR充分利用原水碳源處理城市生活污水 的裝置，包括原水箱(1)、原水進水泵(2)、序批式反應(yīng)器SBR(3)、空氣壓縮機(4)、 氣體流量計(5)、曝氣頭(6)、攪拌器(7)、排水閥(8)、排泥閥(9)、pH探頭(10)、 DO探頭(11)、pH測定儀(12)、DO測定儀(13)、計算機(14)、信號輸入端口(15)、 信號輸出端口(16)、過程控制器(17)、進水泵繼電器(18)、曝氣泵繼電器(19)、攪拌 器繼電器(20)、排水閥繼電器(21)、排泥閥繼電器(22)、過程控制器信號輸出端口(23)、 顯示器(24)。

　　原水箱(1)通過原水進水泵(2)與SBR(3)相連，SBR(3)分別與排水閥(8) 和排泥閥(9)連接。SBR(3)內(nèi)部設(shè)置曝氣頭(6)、攪拌器(7)、pH探頭(10)、DO 探頭(11)，空氣壓縮機(4)通過氣體流量計(5)與曝氣頭(6)連接，pH探頭(10)、 DO探頭(11)分別與pH測定儀(12)、DO測定儀(13)連接，測定儀上的數(shù)據(jù)信息通 過信號輸入端口(15)與計算機(14)連接，數(shù)據(jù)信息顯示在顯示器(24)上，計算機(14) 的信號輸出端口(16)經(jīng)導線連接過程控制器(17)，過程控制器的進水泵繼電器(18)、 曝氣泵繼電器(19)、攪拌器繼電器(20)、排水閥繼電器(21)、排泥閥繼電器(22)分 別與原水進水泵(2)、空氣壓縮機(4)、攪拌器(7)、排水閥(8)、排泥閥(9)連接。

　　本發(fā)明同時提供多次進水SBR充分利用原水碳源處理城市生活污水的方法，包括以下 步驟：

　　(1)啟動裝置，實現(xiàn)短程硝化：以城市污水處理廠的硝化污泥為接種污泥注入SBR，其污泥濃 度為2000-4000mg/L，同時，以城市生活污水作為原水注入原水箱，通過原水進水泵打入 SBR中;隨后啟動曝氣系統(tǒng)對SBR中的城市生活污水進行硝化，反應(yīng)過程中DO維持在 1.5-2mg/L，pH值維持在7.8-8.5;SBR排水比為0.5-0.7，每天運行4-5個周期，每個周期 包括進水，攪拌，曝氣，沉淀，排水，閑置，在上述條件下運行SBR，當其出水亞硝酸鹽 累積率大于95%且持續(xù)維持15天以上時，SBR短程硝化得以實現(xiàn);

　　(2)運行裝置，實現(xiàn)原水碳源充分利用：

　　(I)進水：根據(jù)進水量確定進水時間，并通過控制器對計時器進行設(shè)定，啟動進水泵，將原水 箱中的生活污水注入SBR，當達到預先設(shè)定的時間后，進水泵自動關(guān)閉，進水結(jié)束;

　　(II)攪拌：進水結(jié)束后攪拌器自動開啟，SBR內(nèi)開始進行反硝化反應(yīng)。反硝化進程由pH 探頭監(jiān)控，并通過pH測定儀將數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)采集卡輸入到計算機中，數(shù)據(jù)作為缺氧 反硝化的實時控制參數(shù);將數(shù)據(jù)信號輸入過程控制器，通過濾波處理及計算，得出過程實 時控制變量，并通過控制策略對得出的實時控制變量進行比較，當滿足下列兩個條件中的 任意一條：pH曲線一階導數(shù)由正變負，且攪拌時間大于0.5h;攪拌時間大于1.5h。證明反 硝化反應(yīng)結(jié)束，攪拌器自動關(guān)閉;

　　(III)曝氣：空氣壓縮機自動開啟，進入好氧階段，pH探頭、DO探頭分別測定水中的pH 值、溶解氧濃度DO，通過pH測定儀、DO測定儀將數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)采集卡輸入到計算 機中，數(shù)據(jù)作為好氧短程硝化的實時控制參數(shù);將數(shù)據(jù)信號輸入過程控制器，通過濾波處 理及計算，得出過程實時控制變量，并通過控制策略對得出的實時控制變量進行比較，當 滿足下列兩個條件中的任意一條：pH曲線一階導數(shù)由負變正，且曝氣時間大于1h;DO大 于4mg/L，且曝氣時間大于2h。證明好氧短程硝化結(jié)束，空氣壓縮機自動關(guān)閉;

　　(IV)重復I、II、III步驟2～3次;

　　(V)攪拌：曝氣結(jié)束后攪拌器自動開啟，SBR進入內(nèi)源反硝化階段，反硝化進程由pH探頭監(jiān) 控，并通過pH測定儀將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡輸入到計算機中，處理后的數(shù)據(jù)作為內(nèi)源反 硝化的實時控制參數(shù);將數(shù)據(jù)信號輸入過程控制器，通過濾波處理及計算，得出過程實時 控制變量，并通過控制策略對得出的實時控制變量進行比較，當滿足下列兩個條件中的任 意一條：pH曲線一階導數(shù)由正變負，且攪拌時間大于1h;攪拌時間大于1.5h。證明內(nèi)源 反硝化反應(yīng)結(jié)束，攪拌器自動關(guān)閉;

　　(VI)沉淀：在計算機中設(shè)定沉淀時間為0.5h～1h，通過實時控制系統(tǒng)中的時間控制器進行計 時直到沉淀完成;

　　(VII)排水：在計算機中設(shè)定排水時間為5min～20min，通過實時控制系統(tǒng)中的時間控制器進 行計時，系統(tǒng)自動開啟排水閥，達到設(shè)定的排水時間后排水閥自動關(guān)閉;

　　(VIII)閑置：排水結(jié)束后，根據(jù)計算機設(shè)定的閑置時間1h～2h，通過實時控制系統(tǒng)中的時間 控制器進行計時，當達到設(shè)定的閑置時間后系統(tǒng)自動進入下一個周期的運行。

　　本發(fā)明的技術(shù)原理如下：

　　城市生活污水第一次進入SBR后，攪拌過程利用原水中的有機物在反硝化菌的作用下 去除上一周期剩余的亞硝態(tài)氮。之后每次進水，反硝化細菌利用原水中的有機物為電子供 體，亞硝態(tài)氮為電子受體，將之前曝氣產(chǎn)生的亞硝態(tài)氮還原為氮氣，此過程為外源反硝化 過程，反硝化過程會不斷產(chǎn)生堿度，pH不斷上升，反硝化結(jié)束以后，多次SBR進入?yún)捬?發(fā)酵產(chǎn)酸階段，pH會由上升變?yōu)橄陆�，出現(xiàn)特征點。根據(jù)pH曲線的變化趨勢和特征點可 以準確判斷反硝化反應(yīng)的進程，當滿足反硝化結(jié)束的條件時，停止攪拌，節(jié)省過度攪拌造 成的能源浪費。

　　反硝化完成后，開始曝氣，反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥利用空氣壓縮機鼓入的氧氣氧化城市 生活污水中剩余的有機物和氨氮，有機物首先被好氧異養(yǎng)菌降解，而后氨氮被亞硝化菌氧 化為亞硝態(tài)氮，反應(yīng)完成后，反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧將不會再被微生物所利用，所以DO會出 現(xiàn)躍升現(xiàn)象。亞硝化反應(yīng)是一個產(chǎn)酸的反應(yīng)，會中和污水中的堿度導致pH下降，當亞硝 化反應(yīng)結(jié)束時產(chǎn)酸停止，此時CO2被大量吹脫，pH值由下降變?yōu)樯仙�，出現(xiàn)特征點。根 據(jù)DO、pH曲線的變化趨勢和特征點，采用實時控制可以精確操控曝氣時間，避免過度曝 氣而浪費能源。

　　缺氧攪拌過程中能將進水中的一部分有機物貯存在污泥內(nèi)部成為內(nèi)碳源，在每周期最 后一次進水、攪拌、曝氣結(jié)束后，繼續(xù)攪拌，細菌體內(nèi)的內(nèi)碳源會水解產(chǎn)生可利用的碳源 進行內(nèi)源反硝化反應(yīng)。此過程反應(yīng)速率較外源反硝化速率慢，pH不斷緩慢上升，反硝化結(jié) 束后pH由上升變?yōu)橄陆担�出現(xiàn)特征點。根據(jù)pH曲線的變化趨勢和特征點，可以判斷內(nèi)源 反硝化反應(yīng)的進程，當滿足內(nèi)源反硝化結(jié)束的條件時，停止攪拌，進入沉淀階段。沉淀完 成后排水、閑置，再進入下一個周期。

　　與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

　　1.脫氮效果好。出水氨氮小于5mg/L，總氮小于15mg/L，可以達到2002年國家頒布的排污 標準中的一級A標準要求。

　　2.充分利用了原水中的有機碳源，其中一部分被直接用于反硝化反應(yīng)，一部分在攪拌過 程中貯存在污泥內(nèi)部成為內(nèi)碳源，在反應(yīng)最后的缺氧攪拌階段水解產(chǎn)生可利用的碳源 來進行反硝化。無需投加外碳源，節(jié)省了外加碳源的費用，同時由于污水中的有機物 被作為反硝化的碳源，這就節(jié)約了氧化這些有機物所需要的氧氣，既節(jié)約了空氣壓縮 機的能耗，也減輕了有機物對硝化過程的影響。

　　3.SBR中好氧曝氣階段進行短程硝化反應(yīng)，將硝化過程控制在亞硝階段，可節(jié)省25%的 曝氣量和40%的碳源。

　　4.采用過程實時控制策略控制生物脫氮過程中的好氧曝氣和缺氧攪拌時間，從根本上解 決了曝氣或攪拌時間不足所引起的亞硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)不完全，以及曝氣或攪拌 時間過長所帶來的運行成本的提高和能源的浪費。并且能夠根據(jù)原水水質(zhì)水量的變化 實時控制各個生化反應(yīng)所需的反應(yīng)時間，實現(xiàn)智能化的控制，在保證出水水質(zhì)的前提 下優(yōu)化節(jié)能，且能夠有效應(yīng)對原水水質(zhì)變化的負荷沖擊。

　　5.主體裝置是一個SBR，使有機物和含氮化合物在一個反應(yīng)器內(nèi)得到去除，減少了缺氧 池、沉淀池等構(gòu)筑物，從而降低了整個工藝的占地面積和基建投資。