一种强化深度脱氮除磷的装置及其运行控制方法

1.本发明涉及一种城市污水深度脱氮除磷的装置及其运行控制方法，具体涉及一种缺氧/厌氧/好氧工艺强化深度脱氮除磷的装置及其运行控制方法，所属技术领域为污水深度处理的理论、技术与方法。适用于城镇生活污水的深度脱氮除磷处理。


背景技术：

2.目前国内运行的城镇污水处理厂普遍存在脱氮除磷效率低的问题，一半以上不能满足国家污水排放标准(gb18918-2002)规定的一级a排放标准。而大部分的城市污水具有c/n比低，生物脱氮过程碳源远远不足的问题。对于寒冷地区的小城镇污水处理厂，由于受气候条件、生活习惯以及经济发展水平各方面的影响，实现污水深度脱氮除磷更是难上加难。
3.国内广泛采用的a2/o脱氮除磷工艺存在很多问题。原水c/n低的情况，导致出水硝酸盐氮浓度较高，回流污泥比如携带较高浓度的硝酸盐氮。厌氧区前置，受回流污泥中携带的硝酸盐氮的影响，厌氧释磷和缺氧反硝化竞争有限碳源，导致释磷效率降低，甚至丧失释磷功能，除磷效率大为降低。此外，原水由厌氧区一点进入反应器，经过厌氧区之后，进入缺氧区的易降解碳源水平非常低，导致缺氧区反硝化速率也大为降低。
4.综上所述，现有a2/o工艺不能充分利用原水碳源，脱氮除磷效率不高，且由于反硝化不彻底，大量硝酸盐氮进入厌氧区导致反硝化过程与厌氧释磷过程竞争有限碳源，不利形成严格厌氧环境，进而影响厌氧释磷的问题。


技术实现要素：

5.本发明为了解决现有a2/o工艺不能充分利用原水碳源，脱氮除磷效率不高，且由于反硝化不彻底，大量硝酸盐氮进入厌氧区导致反硝化过程与厌氧释磷过程竞争有限碳源，不利形成严格厌氧环境，进而影响厌氧释磷的问题。进而提供一种适宜于城镇的缺氧/厌氧/好氧工艺强化深度脱氮除磷的装置及其运行控制方法。
6.本发明的技术方案是一种强化深度脱氮除磷的装置，它包括一级处理出水构筑物tw、主体构筑物、第一原水泵、第二原水泵、内循环泵、污泥回流泵、碳源输送泵、搅拌器、鼓风机、曝气装置、水流推进器、orp在线传感器、orp主机、电子计算机、plc控制系统、电动阀门、二次沉淀池e和碳源贮存箱tc；主体构筑物内由左至右依次为缺氧一区d1、缺氧二区d2、缺氧过渡区d3、厌氧一区a1、厌氧二区a2、好氧一区n1、好氧二区n2、好氧三区n3、好氧四区n4和好氧五区n5；第一原水泵将一级处理出水构筑物tw中的水向缺氧一区d1供水，第二原水泵将一级处理出水构筑物tw中的水向厌氧一区a1供水，好氧五区n5和缺氧一区d1之间设有内循环泵，将好氧五区n5出水回流至缺氧一区d1，二次沉淀池e和缺氧一区d1之间设污泥回流泵，将剩余污泥回流至缺氧一区d1，在碳源贮存箱tc和缺氧过渡区d3之间设碳源输送泵，将碳源贮存箱tc内的碳源输送到缺氧过渡区d3内；缺氧一区d1、缺氧二区d2、缺氧过渡区d3、厌氧一区a1和厌氧二区a2内分别设置有一个搅拌器，好氧一区n1、好氧二区n2、好氧
三区n3、好氧四区n4和好氧五区n5内分别设置有一个曝气装置，鼓风机与曝气装置连接并为好氧区供氧；每个反应区内的缺氧一区d1、缺氧二区d2、缺氧过渡区d3、厌氧一区a1和厌氧二区a2的侧壁上均设置有一个水流推进器，缺氧过渡区d3内设置有orp在线传感器，orp在线传感器与orp主机连接，orp主机输出的数据输入电子计算机，经电子计算机处理后的数据输入plc控制系统，电动阀门安装在碳源输送泵与碳源贮存箱tc之间的管道上，plc控制系统的输出信号作用于碳源投加泵控制电动阀门，碳源投加泵控制电动阀门负责开启碳源输送泵。
7.进一步地，缺氧一区d1、缺氧二区d2、缺氧过渡区d3、厌氧一区a1、厌氧二区a2、好氧一区n1、好氧二区n2、好氧三区n3、好氧四区n4和好氧五区n5的各反应区体积相等。
8.进一步地，缺氧区总体积：缺氧过渡区d3：厌氧区总体积：好氧区总体积＝2：1：2：5；其中，缺氧区总体积＝缺氧一区d1的体积 缺氧二区d2的体积，厌氧区总体积＝厌氧一区a1的体积 厌氧二区a2的体积；好氧区总体积＝好氧一区n1的体积 好氧二区n2的体积 好氧三区n3的体积 好氧四区n4的体积 和好氧五区n5的体积。
9.本发明还提供了一种强化深度脱氮除磷的装置的运行控制方法，它包括以下步骤：
10.步骤一：启动阶段；
11.主体构筑物接种污泥后，首先对污泥进行为期20天的培养驯化，驯化结束后开始进行生活污水深度脱氮除磷的正常运行；
12.步骤二：正常连续运行；
13.缺氧过渡区d3，通过在线控制碳源的投加量，将前段累积的硝酸盐氮反硝化去除，并使碳源投加量最省；
14.硝酸盐氮反硝化去除的具体方法为：
15.步骤二一：利用在线orp测定传感器采集反应区氧化还原电位数据，经过orp主机，将数据输入电子计算机内；
16.步骤二二：在线控制碳源的投加量：
17.当实测opr数值≥-150mv时，plc控制系统输出信号控制碳源投加泵控制电动阀门为100％开启；
18.当实测-300mv≤opr数值≤-150mv时，plc控制器输出信号控制碳源投加泵控制电动阀门为50％开启；
19.当实测opr数值≤-300mv时，plc控制器输出信号控制碳源投加泵控制电动阀门关闭；
20.至此，实现了将前段累积的硝酸盐氮反硝化去除，并使碳源投加量最省。
21.进一步地，当进水氨氮浓度≤50mg/l，系统总水力停留时间10h，相应的，缺氧区2h，缺氧过渡区1h，厌氧区2h，好氧区5h；当进水氨氮浓度50～100mg/l，系统总水力停留时间12h，相应的，缺氧区2.4h，缺氧过渡区1.2h，厌氧区2.4h，好氧区6h。
22.进一步地，步骤一中生活污水深度脱氮除磷的正常运行时，缺氧一区d1的进水为污水总流量的50％，经第一原水泵进入缺氧一区d1；厌氧一区a1的进水量为污水总流量的50％，经第二原水泵进入厌氧一区a1。
23.进一步地，步骤一中生活污水深度脱氮除磷的正常运行时，二次沉淀池e至缺氧一
区d1的污泥回流量为进水量的75％-100％，经污泥回流泵回流至缺氧一区d1；好氧五区n5至缺氧一区d1的内循环流量为进水流量的100％，经内循环泵由好氧五区n5末端回流至缺氧一区d1。
24.进一步地，步骤一中的生活污水的化学需氧量为150～350mg/l，总氮为20～80mg/l。
25.本发明与现有技术相比具有以下改进效果：
26.1、本发明缺氧区置于厌氧区之前，优先利用50％原水提供的碳源进行反硝化，提高反硝化速率，且避免了回流污泥中携带的硝酸盐氮对厌氧释磷的影响。
27.2、本发明的原水分两部分进入反应器，分别从缺氧区和厌氧区进入反应器，可以充分利用原水碳源进行反硝化及厌氧释磷，进而提高了反硝化及释磷速率。
28.3、本发明在缺氧二区之后设置缺氧过渡区，并对缺氧过渡区实施碳源投加控制，能够将前面缺氧一区和缺氧二区累积的硝酸盐氮反硝化去除，实现氮的深度去除，并避免剩余硝酸盐氮进入厌氧区，有利于厌氧环境的保持，提高磷的释放率。
29.4、本发明的plc控制系统的设置，能够实时采集orp信号，并根据orp信号判断硝酸盐氮水平，及时调整外碳源投加量，不仅能够保证处理效果，还降低了10％-20％碳源投加费用。
30.5、本发明的plc控制系统根据缺氧三区orp信号，在线调整碳源投加泵转数，一般经过24h稳定运行之后，缺氧三区出水总氮维持在10mg/l以下，远低于国家一级排放标准所要求总氮浓度(≤15mg/l)，可达到深度脱氮。
31.6、本发明根据不同进水氨氮水平，设定不同的总水力停留时间以及每段的水力停留时间，可保证系统的硝化水平，即使寒冷地区冬季，仍然可保证系统的硝化效果达到95％以上。
附图说明
32.图1是本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
33.具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括一级处理出水构筑物tw、主体构筑物、第一原水泵1、第二原水泵2、内循环泵3、污泥回流泵4、碳源输送泵5、搅拌器6、鼓风机7、曝气装置8、水流推进器9、orp在线传感器10、orp主机11、电子计算机12、plc控制系统13、电动阀门14、二次沉淀池e和碳源贮存箱tc；主体构筑物内由左至右依次为缺氧一区d1、缺氧二区d2、缺氧过渡区d3、厌氧一区a1、厌氧二区a2、好氧一区n1、好氧二区n2、好氧三区n3、好氧四区n4和好氧五区n5；第一原水泵1将一级处理出水构筑物tw中的水向缺氧一区d1供水，第二原水泵2将一级处理出水构筑物tw中的水向厌氧一区a1供水，好氧五区n5和缺氧一区d1之间设有内循环泵3，将好氧五区n5出水回流至缺氧一区d1，二次沉淀池e和缺氧一区d1之间设污泥回流泵4，将剩余污泥回流至缺氧一区d1，在碳源贮存箱tc和缺氧过渡区d3之间设碳源输送泵5，将碳源贮存箱tc内的碳源输送到缺氧过渡区d3内；缺氧一区d1、缺氧二区d2、缺氧过渡区d3、厌氧一区a1和厌氧二区a2内分别设置有一个搅拌器6，好氧一区n1、好氧二区n2、好氧三区n3、好氧四区n4和好氧五区n5内分别设置有一个曝气装置8，
鼓风机7与曝气装置8连接并为好氧区供氧；每个反应区内的缺氧一区d1、缺氧二区d2、缺氧过渡区d3、厌氧一区a1和厌氧二区a2的侧壁上均设置有一个水流推进器9，缺氧过渡区d3内设置有orp在线传感器10，orp在线传感器10与orp主机11连接，orp主机11输出的数据输入电子计算机12，经电子计算机12处理后的数据输入plc控制系统13，电动阀门14安装在碳源输送泵5与碳源贮存箱tc之间的管道上，plc控制系统13的输出信号作用于碳源投加泵控制电动阀门14，碳源投加泵控制电动阀门14负责开启碳源输送泵5。
34.本实施方式将缺氧区置于厌氧区之前，并在缺氧区进水，可以充分利用原水碳源进行反硝化，提高氮的去除效率。在缺氧区之后设置缺氧过渡区，并对缺氧过渡区进行碳源投加控制，可以进一步去取硝酸盐氮的浓度，降低硝酸盐氮对厌氧释磷的负面影响，提高释磷率，同时，由于实施orp在线控制碳源投加，碳源投加量可最省。本发明不仅可以实现生物反应系统对原水碳源的充分利用，降低碳源的投加量，由于缺氧区前置，并将原水分两部分进入系统，可以充分利用原水碳源反硝化，降低进入厌氧区的硝酸盐氮的量，避免硝酸盐氮还原与厌氧释磷对碳源的竞争，避免了脱氮与除磷过程的矛盾，进而实现系统深度脱氮除磷。
35.具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的缺氧一区d1、缺氧二区d2、缺氧过渡区d3、厌氧一区a1、厌氧二区a2、好氧一区n1、好氧二区n2、好氧三区n3、好氧四区n4和好氧五区n5的各反应区体积相等。如此设置，保证系统针对不同的水质，给定总的水量停留时间，方便进行容积设计，并保证在较低温度下，也能实现氨氮达标排放，进而达到深度脱氮除磷的目的。其他结构和组成与具体实施方式一相同。
36.具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的缺氧区总体积：缺氧过渡区d3：厌氧区总体积：好氧区总体积＝2：1：2：5；
37.其中，缺氧区总体积＝缺氧一区d1的体积 缺氧二区d2的体积，
38.厌氧区总体积＝厌氧一区a1的体积 厌氧二区a2的体积；
39.好氧区总体积＝好氧一区n1的体积 好氧二区n2的体积 好氧三区n3的体积 好氧四区n4的体积 和好氧五区n5的体积。如此设置，保证系统针对不同的水质进行容积设计，并保证在较低温度下，方便在不同区域实施不同的曝气策略，实现氨氮达标排放，进而达到深度脱氮除磷的目的。其他结构和组成与具体实施方式一或二相同。
40.具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种强化深度脱氮除磷的装置的运行控制方法，它包括以下步骤：
41.步骤一：启动阶段；
42.主体构筑物接种污泥后，首先对污泥进行为期20天的培养驯化，驯化结束后开始进行生活污水深度脱氮除磷的正常运行；
43.步骤二：正常连续运行；
44.缺氧过渡区d3，通过在线控制碳源的投加量，将前段累积的硝酸盐氮反硝化去除，并使碳源投加量最省；
45.硝酸盐氮反硝化去除的具体方法为：
46.步骤二一：利用在线orp测定传感器10采集反应区氧化还原电位数据，经过orp主机11，将数据输入电子计算机12内；
47.步骤二二：在线控制碳源的投加量：
48.当实测opr数值≥-150mv时，plc控制系统13输出信号控制碳源投加泵控制电动阀门14为100％开启；
49.当实测-300mv≤opr数值≤-150mv时，plc控制器输出信号控制碳源投加泵控制电动阀门14为50％开启；
50.当实测opr数值≤-300mv时，plc控制器输出信号控制碳源投加泵控制电动阀门14关闭；
51.至此，实现了将前段累积的硝酸盐氮反硝化去除，并使碳源投加量最省。
52.具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式是基于具体实施方式二和具体实施方式三中关于各反应区设定相应体积比的前提下，当进水氨氮浓度≤50mg/l，相应的，系统总水力停留时间10h，缺氧区2h，缺氧过渡区1h，厌氧区2h，好氧区5h；当进水氨氮浓度50～100mg/l，相应的，系统总水力停留时间12h，缺氧区2.4h，缺氧过渡区1.2h，厌氧区2.4h，好氧区6h。进水氨氮浓度≥100mg/l的城市污水，不适合本装置。
53.如此设置，便于针对寒区的水质，实施优化的运行参数的调控。其他结构和组成与具体实施方式一至四中任意一项相同。
54.具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中生活污水深度脱氮除磷的正常运行时，缺氧一区d1的进水为污水总流量的50％，经第一原水泵1进入缺氧一区d1；厌氧一区a1的进水量为污水总流量的50％，经第二原水泵2进入厌氧一区a1。如此设置，流量分配简单容易控制，且无论进水c/n是否充足，均不会出现碳源浪费的情况，提高氮磷去除率。其他结构和组成与具体实施方式一至五中任意一项相同。
55.具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中生活污水深度脱氮除磷的正常运行时，
56.二次沉淀池e至缺氧一区d1的污泥回流量为进水量的75％-100％，经污泥回流泵4回流至缺氧一区d1；
57.好氧五区n5至缺氧一区d1的内循环流量为进水流量的100％，经内循环泵3由好氧五区n5末端回流至缺氧一区d1。如此设置，可保证随内循环回流的硝酸盐氮的量充足，且不会因为内循环流量过大导致循环泵能量消耗过大而浪费电能。其他结构和组成与具体实施方式一至六中任意一项相同。
58.具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中的生活污水的化学需氧量为150～350mg/l，总氮为20～80mg/l。如此设置，便于符合城市污水实际水质的参数。其他结构和组成与具体实施方式一至七中任意一项相同。
59.实施例：
60.以某实际生活污水作为试验对象，进入污水处理系统的原水水质为cod＝200～320mg/l，tn34～42mg/l，tp4.2-5.4mg/l。系统设置2台进水泵，一台污泥回流泵，一台内循环泵。反应器接种污泥为采用a2/o工艺运行的城市污水处理厂二沉池回流污泥，启动后，进行为期20天的培养驯化，驯化后开始正常试验。反应器的日处理水量为1000l/d，对应的系统平均停留时间hrt为10h，d1、d2、d3、a1、a2、n1、n2、n3、n4、n5各反应区体积相等，分别为100l，缺氧区总体积(d1 d2)/缺氧过渡区(d3)/厌氧区总体积(a1 a2)/好氧区总体积(n1 n2 n3 n4 n5)＝2/1/2/5。缺氧一区和厌氧一区的进水量均为500l/d。反应温度为20℃，污泥回流量为进水量的75％，即750l/d。系统稳定后，未对缺氧过渡区进行碳源投加，连续取
样一周，出水氨氮保持为0.43～2.48mg/l；缺氧过渡区硝酸盐氮为8.92～14.56mg/l；厌氧一区磷酸盐浓度12.9～18.8mg/l，平均为14.3mg/l；出水总氮(tn)浓度为13.2～18.45mg/l，出水总磷(tp)为1.45～2.56mg/l。出水tn部分时间可以满足一级a排放标准，出水tp则完全不能满足一级a排放标准。然后，对系统实施过程控制，进行碳源投加控制。利用在线orp测定传感器10采集反应区氧化还原电位数据，经过orp主机，将数据输入计算机。plc控制系统在线调整碳源投加量。经过24小时稳定运行后，对系统进行1周的连续采样。出水氨氮保持为0.53～2.25mg/l；缺氧过渡区硝酸盐氮为1.92～7.56mg/l；厌氧一区磷酸盐浓度15.9～28.8mg/l，平均为23.42mg/l；出水总氮(tn)浓度为3.2～8.98mg/l，出水总磷(tp)为0.25～0.76mg/l。从试验结果可以看出，系统出水氨氮、tn和tp均完全满足一级a排放标准，且远低于国家一级排放标准所要求的氨氮浓度(≤5mg/l)和总氮浓度(≤15mg/l)。值得注意的是，由于设置缺氧过渡区，并对缺氧过渡区实施碳源投加控制，厌氧一区的磷释放率明显提高。由未控制碳源投加前的14.3mg/l提高到23.42mg/l。
61.本发明在第三段的缺氧区设置orp在线传感器，输出信号作用于plc控制器，plc控制器以在线采集的orp信号作为外碳源投加的控制参数，调整碳源投加泵的转速，一方面提高反硝化效率，一方面节省碳源投加量，降低运行费用。
62.结合图1说明本发明的工作原理：
63.本发明的缺氧/厌氧/好氧工艺强化深度脱氮除磷的装置和运行控制方法，原污水分两点分别在缺氧区进入反应器，第一点污水可以为回流污泥以及内循环硝化液中携带的大量硝酸盐氮提供反硝化的碳源，将硝酸盐氮还原成氮气从系统逸出，使得进入厌氧区的硝酸盐氮降到最低，保证厌氧环境，降低厌氧释磷和反硝化过程对碳源的竞争。第二点进水在厌氧一区进入系统，可以为厌氧磷释放提供充足的碳源。缺氧区设置一区、二区和过渡区，厌氧设置一区和二区，可以更好的形成推流流态，增加反应过程的浓度梯度，进而提高反应速率。与传统a2/o工艺相比，缺氧区前置，可以大大降低硝酸盐氮对厌氧释磷的负面影响。原水分2点进入反应器，可以更加充分的利用原水碳源进行反硝化和厌氧释磷。设置缺氧过渡区，并针对缺氧一区和二区累积的硝酸盐氮进行碳源投加控制，一方面可以降低进入厌氧区的硝酸盐氮的量，另一方面可以大大降低碳源投加量，降低运行成本。
64.d1、d2、d3、a1、a2、n1、n2、n3、n4、n5各反应区体积相等，缺氧区总体积(d1 d2)/缺氧过渡区(d3)/厌氧区总体积(a1 a2)/好氧区总体积(n1 n2 n3 n4 n5)＝2/1/2/5。
65.当进水氨氮浓度≤50mg/l，系统总水力停留时间10h，缺氧区2h，缺氧过渡区1h，厌氧区2h，好氧区5h；当进水氨氮浓度50～100mg/l,系统总水力停留时间12h,缺氧区2.4h,缺氧过渡区1.2h,厌氧区2.4h,好氧区6h。以上时间及结构的改进，可以保证系统针对不同的水质进行容积设计，并保证在较低温度下，也能实现氨氮达标排放，进而达到深度脱氮除磷的目的。
66.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。