專利名稱：一種反硝化除磷過程中N₂O產(chǎn)生的減量控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
要求保護的技術(shù)方案所屬的技術(shù)領(lǐng)域為活性污泥法處理系統(tǒng)自動控制技術(shù)，屬于SBR法污水生物脫氮除磷技術(shù)領(lǐng)域，適用于反硝化除磷過程中溫室氣體產(chǎn)生的研究。
背景技術(shù)：
N2O能夠吸收中心波長為7. 78,8. 56和16. 98的長波紅外輻射，從而產(chǎn)生溫室效應(yīng)，其單分子增溫潛勢是CO2的310倍。雖然N2O在大氣中的含量很低，但對全球氣候的增溫效應(yīng)在未來將越來越顯著，據(jù)報道大氣中N2O的體積分數(shù)每增加一倍，將會使全球地表氣溫平均上升O. 4°C。N2O是一種長生命周期氣體，其在大氣中可以穩(wěn)定存在114a，因此可以向上遷移擴散至平流層并損耗那里的臭氧層。大氣中90%的N2O來自于微生物的硝化反硝化作用，其中污水生物脫氮處理過程人為的強化了微生物的這一作用，對于全球N2O貢獻占到了 25%?！し聪趸资怯脜捬?、缺氧交替的環(huán)境代替?zhèn)鹘y(tǒng)的厭氧、好氧環(huán)境，從而達到“一碳兩用”，最大限度的解決了目前污水處理中碳源不足的問題，能夠節(jié)省30%的曝氣量，同時減少50%的排泥量。目前隨著污水處理中短程硝化工藝的應(yīng)用，以NO2-N為電子受體進行反硝化除磷與傳統(tǒng)NO3-N為電子受體相比，能夠減少所需碳源，縮短反應(yīng)時間、降低能耗更具有經(jīng)濟效益。然而在亞硝酸鹽(N02_)為電子受體反硝化除磷過程中，亞硝酸鹽(N02_)首先被還原為一氧化氮(NO)，之后一氧化氮(NO)進一步被還原為氧化亞氮(N2O),最后氧化亞氮(N2O)被還原為氮氣(N2),同時在這個過程中磷酸鹽被聚磷菌吸收入細胞內(nèi)，從而達到脫氮除磷的目的。N2O是反硝化除磷的一個中間產(chǎn)物，對于這一過程中不同運行條件產(chǎn)生N2O積累的影響因素還不為人知。這就需要科研工作者深入研究，避免N2O的產(chǎn)生于逸散，本發(fā)明就為該內(nèi)容的研究提供了設(shè)備和方法。自動控制在污水處理中的應(yīng)用近年來隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，自動控制的研究與應(yīng)用在許多領(lǐng)域有了長足的進步，但是在污水處理中的研究還較少，大型污水處理廠的應(yīng)用基本處于空白狀態(tài)。本發(fā)明利用PLC編程的固定模式控制方式，通過電腦程序控制SBR進水時間、厭氧攪拌、缺氧攪拌、沉淀、排水、閑置時間等，利用PH、DO、ORP在線檢測系統(tǒng)實時回饋信號，利用PLC程序控制PH、DO和溫度使反應(yīng)器內(nèi)數(shù)值恒定。當反應(yīng)器內(nèi)檢測值超過設(shè)定值時，程序會自動開啟或關(guān)閉加酸、加堿泵、曝氣閥、加熱設(shè)備的電源，恒定設(shè)定范圍。為研究反硝化除磷實驗過程中產(chǎn)N2O的影響因素時，提供穩(wěn)定的PH、D0和溫度的運行條件。利用N2O微電極實時檢測系統(tǒng)記錄反應(yīng)器內(nèi)N2O產(chǎn)生量，每Is讀數(shù)考察N2O的變化情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種反硝化除磷過程中N2O產(chǎn)生的減量控制裝置及方法，用于研究反硝化除磷過程中N2O產(chǎn)生的影響因素，從而確定最佳的工藝參數(shù)，指導(dǎo)污水處理廠在滿足運行效果的前提下，優(yōu)化工藝參數(shù)，達到最大化減少N2O產(chǎn)生量的目的。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種反硝化除磷過程中N2O產(chǎn)生的減量控制裝置，如圖1，包括SBR反應(yīng)器、配水箱，其特征在于，通過PLC電腦自控系統(tǒng)程序模塊設(shè)定時間控制與配水箱相連的蠕動泵將配水定量注入SBR反應(yīng)器、通過PLC電腦自控系統(tǒng)控制排泥系統(tǒng)開啟或關(guān)閉時間進行定量排泥排泥，N2O微電極與SBR反應(yīng)器相連實時檢測信號回饋至N2O在線檢測系統(tǒng)，磁力攪拌器放置于SBR反應(yīng)器底部，SBR反應(yīng)器內(nèi)部的底部設(shè)置曝氣頭，其中曝氣頭通過曝氮氣管路與流量計、電磁閥、氮氣罐連接，PH與溫度探頭、溶解氧探頭、ORP探頭設(shè)置在SBR反應(yīng)器的一側(cè)，實時檢測信號回饋至PLC電腦控制系統(tǒng)通過程序設(shè)定數(shù)值來控制加酸系統(tǒng)、加堿系統(tǒng)、加熱電阻、電磁閥的開啟與關(guān)閉，同時PLC電腦控制系統(tǒng)通過程序模塊控制亞硝酸鈉投加系統(tǒng)、排水閥的開啟，排水口與排水閥相連接，SBR反應(yīng)器一側(cè)設(shè)置取樣口，頂部的右側(cè)設(shè)置排氣口。利用上述的裝置進行反硝化除磷過程中產(chǎn)N2O的減量化控制的方法，主要包括以下步驟步驟1，將富含聚磷菌的活性污泥接種在SBR反應(yīng)器內(nèi)，保證SBR反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)性 固體濃度在1500-2000mg/L之間；步驟2，對接種后污泥淘洗3遍，去除污泥中的一些雜質(zhì)及無機成分，沉淀
15-30min直至污泥全部沉淀，泥水界面穩(wěn)定，打開排水閥，排出上清液；步驟3，在配水箱內(nèi)加入配水，由乙酸鈉和磷酸鹽配置成C0D:800mg/L、P03-P:0mg/L的廢水，作為反應(yīng)器的原進水；步驟4，蠕動泵將預(yù)先配置好的合成廢水從配水箱中引致SBR反應(yīng)器中，蠕動泵的進水時間由PLC電腦自控系統(tǒng)控制，在程序所設(shè)定的6min內(nèi)完成進水階段；步驟5，磁力攪拌器開啟攪拌，轉(zhuǎn)速控制在150-200轉(zhuǎn)/min，開啟氮氣罐閥門，控制流量為O. ImVh曝氮氣15min，氮氣通過曝氣頭分散成細小氣泡經(jīng)反應(yīng)器上部排氣口排出，并通過PLC電腦自控系統(tǒng)控制厭氧釋磷時間為2h ；步驟6，控制亞硝酸鈉投加系統(tǒng)的PLC電腦自控系統(tǒng)自控程序開啟，質(zhì)量濃度為2g/L亞硝酸鈉用蠕動泵在2min內(nèi)以10ml/min流量定量投加入SBR反應(yīng)器中；通過pH與溫度探頭，溶解氧探頭實時檢測系統(tǒng)內(nèi)pH、溫度和溶解氧并通過PLC在線控制系統(tǒng)控制加酸系統(tǒng)、加堿系統(tǒng)、加熱電阻開啟與關(guān)閉；步驟7，亞硝酸鈉投加系統(tǒng)關(guān)閉，磁力攪拌器持續(xù)攪拌，調(diào)解轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/min，攪拌混勻泥水混合物；步驟8，當N2O探頭在線檢測信號值低于O. lmgN20-N/L時磁力攪拌器關(guān)閉反硝化除憐結(jié)束，15min內(nèi)完成沉淀；在沉淀時間到達后，PLC電腦自控系統(tǒng)開啟電動閥，排干排水口以上的上清液。步驟I所述污泥為已運行300天以上富集聚磷菌的強化生物除磷系統(tǒng)內(nèi)種泥，其中聚磷菌濃度高達90%左右。技術(shù)原理反硝化除磷是指在傳統(tǒng)反硝化的基礎(chǔ)上富集培養(yǎng)一類微生物，它可以利用NO3-N代替O2作為電子受體，在除磷的同時實現(xiàn)脫氮。反硝化除磷系統(tǒng)將脫氮和除磷兩個過程合
二為一，與傳統(tǒng)脫氮除磷工藝相比，可節(jié)省50%的碳源、30%的耗氧量，污泥產(chǎn)量減少50%。如果在硝化階段控制反應(yīng)參數(shù)實現(xiàn)短程硝化，產(chǎn)生的NO2-N作為聚磷菌的電子受體，在硝化階段又可以節(jié)省大量的電耗，反硝化除磷階段節(jié)約碳源和反應(yīng)時間，在實際污水處理中更具有應(yīng)用價值。但是在以NO2-N為電子受體反硝化除磷過程中有大量的N2O的產(chǎn)生，如果不加控制會逸散入大氣中，造成溫室氣體的污染。本發(fā)明在上述原理的基礎(chǔ)上，提出了基于pH、OPR、N20、溫度參數(shù)的N2O減量控制裝置，在實現(xiàn)自動化控制的同時對反硝化除磷的過程中N2O減量進一步優(yōu)化。本發(fā)明具有以下優(yōu)點I、通過PLC在線控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r控制反應(yīng)器運行的各種參數(shù)，全程自動控制進水、攪拌、沉淀、排水、加酸、加堿、在線記錄數(shù)據(jù)，實現(xiàn)真正的“自動控制”。2、通過N2O在線檢測系統(tǒng)分析反硝化除磷過程中不同運行條件對聚磷菌產(chǎn)N2O的影響，在以理解產(chǎn)N2O的機理的基礎(chǔ)上確定最優(yōu)的工藝參數(shù)。3、實現(xiàn)了反硝化除磷過程中N2O的“零排放”，對于氮的去除不僅從“量”上而且從 “質(zhì)”上都達到了完全去除。4、本系統(tǒng)可以恒定多種運行參數(shù)，可以考察單一條件對反硝化除磷過程中N2O排放的影響。5、本發(fā)明國內(nèi)外首次開發(fā)并研究了反硝化除磷過程中產(chǎn)N2O減量化控制的裝置與方法。


圖I :一種反硝化除磷過程中N2O產(chǎn)生的減量控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖I中，I-配水箱；2_蠕動泵；3_排泥系統(tǒng)；4_SBR反應(yīng)器；5_N20在線檢測系統(tǒng)；6-磁力攪拌器；7_曝氣頭；8_溫度和pH探頭；9_溶解氧探頭；10-0RP探頭；11_加酸系統(tǒng)；12-加堿系統(tǒng)；13-亞硝酸鈉投加系統(tǒng)；14-PLC電腦自動控制系統(tǒng)；15-加熱電阻；16_N20微電極；17-排水閥；18-取樣口 ；19_電動閥；20_氮氣罐；21_電磁閥；22_流量計；23_排氣□。圖2 :反硝化除磷過程中N2O產(chǎn)生的減量控制策略示意圖。
具體實施例方式結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明如圖I所示，反硝化除磷過程中N2O產(chǎn)生的減量控制裝置設(shè)有SBR反應(yīng)器4、配水箱I、通過PLC電腦自控系統(tǒng)14程序模塊設(shè)定時間控制與配水箱相連的蠕動泵2將配水定量注入SBR反應(yīng)器4、通過PLC電腦自控系統(tǒng)14控制排泥系統(tǒng)3開啟或關(guān)閉時間進行定量排泥排泥，N2O微電極16與SBR反應(yīng)器4相連實時檢測信號回饋至N2O在線檢測系統(tǒng)5，磁力攪拌器6放置于反應(yīng)器4底部，SBR反應(yīng)器4內(nèi)部的底部設(shè)置曝氣頭7，其中曝氣頭7通過曝氮氣管路與流量計22、電磁閥21、氮氣罐20連接，PH與溫度探頭8、溶解氧探頭9、0RP探頭10設(shè)置在主反應(yīng)器4的一側(cè)，實時檢測信號回饋至PLC電腦控制系統(tǒng)14通過程序設(shè)定數(shù)值來控制加酸系統(tǒng)11、加堿系統(tǒng)12、加熱電阻15、電磁閥21的開啟與關(guān)閉，同時PLC電腦控制系統(tǒng)14通過程序模塊控制亞硝酸鈉投加系統(tǒng)13、排水閥19的開啟，排水口 17與排水閥19相連接，主反應(yīng)器4 一側(cè)設(shè)置取樣口 18，頂部右側(cè)設(shè)置排氣口 23。實施例II、考察pH對反硝化除磷過程中N2O產(chǎn)生情況的影響研究
試驗方法取富含90%左右聚磷菌的活性污泥加入SBR反應(yīng)器中，淘洗后使固體濃度在1500-2000mg/L之間，通過PLC控制系統(tǒng)控制進水時間為6min加入乙酸與磷酸鹽的配水，磁力攪拌器開始攪拌，開啟氮氣罐閥門，控制流量為O. lL/h曝氮氣15min，厭氧釋磷反應(yīng)2h，厭氧釋磷反應(yīng)結(jié)束后亞硝酸鈉投加系統(tǒng)開啟，質(zhì)量濃度為2g/L亞硝酸鈉用蠕動泵在2min內(nèi)以10ml/min流量定量投加入SBR反應(yīng)器中，通過pH與溫度探頭，溶解氧探頭實時檢測系統(tǒng)內(nèi)pH、溫度和溶解氧并通過PLC在線控制系統(tǒng)控制加酸系統(tǒng)、加堿系統(tǒng)、加熱電阻維持系統(tǒng)溫度在25。。，pH值分別為6. 0,6. 5,7. 0,7. 5,8. 0,8. 5，當N2O探頭在線檢測信號值低于O. ImgN2O-N/!時關(guān)閉磁力攪拌器反硝化除磷結(jié)束,沉淀15min ;在沉淀時間到達后，PLC電腦自控系統(tǒng)開啟電動閥排水，排干排水口以上的上清液，按照上述步驟在該裝置內(nèi)考察不同pH對反硝化除磷過程中N2O產(chǎn)生情況的影響，在pH設(shè)定在6. 5-8. 5之間時不僅總氮去除率100%，溶解在水中的N2O去除率也達到了 100%，同時除磷效率也可達到90%以上。實施案例22、考察溫度對反硝化除磷過程中N2O產(chǎn)生情況的影響研究
·
試驗方法取富含90%左右聚磷菌的活性污泥加入SBR反應(yīng)器中，淘洗后使固體濃度在1500-2000mg/L之間，通過PLC控制系統(tǒng)控制進水時間為6min加入乙酸與磷酸鹽的配水，磁力攪拌器開始攪拌，開啟氮氣罐閥門，控制流量為O. lL/h曝氮氣15min。厭氧釋磷反應(yīng)2h，厭氧釋磷反應(yīng)結(jié)束后亞硝酸鈉投加系統(tǒng)開啟，質(zhì)量濃度為2g/L亞硝酸鈉用蠕動泵在2min內(nèi)以10ml/min流量定量投加入SBR反應(yīng)器中，通過pH與溫度探頭，溶解氧探頭實時檢測系統(tǒng)內(nèi)pH、溫度和溶解氧并通過PLC在線控制系統(tǒng)控制加酸系統(tǒng)、加堿系統(tǒng)、加熱電阻維持系統(tǒng)pH值恒定為7. 5，溫度分別為5、10、15、20、25、30°C，當N2O探頭在線檢測信號值低于O. ImgN2O-N/!時關(guān)閉磁力攪拌器反硝化除磷結(jié)束,沉淀15min ;在沉淀時間到達后，PLC電腦自控系統(tǒng)開啟電動閥排水，排干排水口以上的上清液，按照上述步驟在該裝置內(nèi)考察不同溫度對反硝化除磷過程中N2O產(chǎn)生情況的影響，在溫度設(shè)定在5-30°C之間時總氮去除率達到100%，溶解在水中的N2O去除率也達到了 100%，同時除磷效率也可達到91%以上。
權(quán)利要求
1.ー種反硝化除磷過程中N2O產(chǎn)生的減量控制裝置，包括SBR反應(yīng)器(4)、配水箱(1)，其特征在于，通過PLC電腦自控系統(tǒng)(14)程序模塊設(shè)定時間控制與配水箱相連的蠕動泵(2)將配水定量注入SBR反應(yīng)器(4)、通過PLC電腦自控系統(tǒng)(14)控制排泥系統(tǒng)(3)開啟或關(guān)閉時間進行定量排泥排泥，N2O微電極(16)與SBR反應(yīng)器(4)相連實時檢測信號回饋至N2O在線檢測系統(tǒng)(5)，磁力攪拌器(6)放置于SBR反應(yīng)器(4)底部，SBR反應(yīng)器(4)內(nèi)部的底部設(shè)置曝氣頭(7)，其中曝氣頭(7)通過曝氮氣管路與流量計(22)、電磁閥(21)、氮氣罐(20)連接，pH與溫度探頭(8)、溶解氧探頭(9)、ORP探頭(10)設(shè)置在SBR反應(yīng)器(4)的一偵牝?qū)崟r檢測信號回饋至PLC電腦控制系統(tǒng)(14)通過程序設(shè)定數(shù)值來控制加酸系統(tǒng)(11)、加堿系統(tǒng)(12)、加熱電阻(15)、電磁閥(21)的開啟與關(guān)閉，同時PLC電腦控制系統(tǒng)(14)通過程序模塊控制亞硝酸鈉投加系統(tǒng)(13)、排水閥(19)的開啟，排水ロ(17)與排水閥(19)相連接，SBR反應(yīng)器(4) 一側(cè)設(shè)置取樣ロ(18)，頂部的右側(cè)設(shè)置排氣ロ(23)。
2.ー種利用權(quán)利要求I所述的裝置進行反硝化除磷過程中N2O產(chǎn)生的減量控制的方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟1，將富含聚磷菌的活性污泥接種在SBR反應(yīng)器(4)內(nèi)，保證SBR反應(yīng)器(4)內(nèi)揮發(fā)性固體濃度在1500-2000mg/L之間； 步驟2，對接種后污泥淘洗3遍，去除污泥中的一些雜質(zhì)及無機成分，沉淀15-30min直至污泥全部沉淀，泥水界面穩(wěn)定，打開排水閥(17)，排出上清液； 步驟3，在配水箱內(nèi)加入配水，由こ酸鈉和磷酸鹽配置成C0D:800mg/L、P0/-P:40mg/L的廢水，作為反應(yīng)器的原進水； 步驟4，蠕動泵將預(yù)先配置好的合成廢水從配水箱中引致SBR反應(yīng)器中，蠕動泵的進水時間由PLC電腦自控系統(tǒng)控制，在程序所設(shè)定的6min內(nèi)完成進水階段； 步驟5，磁力攪拌器開啟攪拌，轉(zhuǎn)速控制在150-200轉(zhuǎn)/min，開啟氮氣罐閥門，控制流量為0. ImVh曝氮氣15min，氮氣通過曝氣頭分散成細小氣泡經(jīng)反應(yīng)器上部排氣ロ排出，并通過PLC電腦自控系統(tǒng)控制厭氧釋磷時間為2h ； 步驟6，控制亞硝酸鈉投加系統(tǒng)的PLC電腦自控系統(tǒng)自控程序開啟，質(zhì)量濃度為2g/L亞硝酸鈉用蠕動泵在2min內(nèi)以10ml/min流量定量投加入SBR反應(yīng)器中；通過pH與溫度探頭，溶解氧探頭實時檢測系統(tǒng)內(nèi)pH、溫度和溶解氧并通過PLC在線控制系統(tǒng)控制加酸系統(tǒng)、加堿系統(tǒng)、加熱電阻開啟與關(guān)閉； 步驟7，亞硝酸鈉投加系統(tǒng)關(guān)閉，磁力攪拌器持續(xù)攪拌，調(diào)解轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/min，攪拌混勻泥水混合物； 步驟8，當N2O探頭在線檢測信號值低于0. lmgN20-N/L時磁力攪拌器關(guān)閉反硝化除磷結(jié)束，15min內(nèi)完成？幾淀；在沉淀時間到達后，PLC電腦自控系統(tǒng)開啟電動閥，排干排水ロ以上的上清液。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反硝化除磷過程中N2O產(chǎn)生的減量控制的方法，其特征在干，步驟I所述污泥為已運行300天以上富集聚磷菌的強化生物除磷系統(tǒng)內(nèi)種泥，其中聚磷菌濃度高達90%左右。
全文摘要
一種反硝化除磷過程中N2O產(chǎn)生的減量控制裝置及方法，屬于活性污泥法處理系統(tǒng)自動控制技術(shù)，SBR法污水生物脫氮除磷技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明針對現(xiàn)有SBR工藝中采用亞硝酸鈉作為電子受體進行反硝化除磷的過程中產(chǎn)生N2O的技術(shù)問題，裝置以SBR反應(yīng)器為主體，包括配水箱、蠕動泵、磁力攪拌器、加酸加堿系統(tǒng)、與計算機相連的在線控制系統(tǒng)、N2O在線檢測系統(tǒng)。在線控制系統(tǒng)與進水蠕動泵、排泥系統(tǒng)、加酸系統(tǒng)、加堿系統(tǒng)、溫控裝置、攪拌器、排水閥、曝氮氣系統(tǒng)電磁閥上的繼電器，以及ORP、pH、溶解氧傳感器相連；N2O在線檢測系統(tǒng)與N2O微電極相連。整個過程都是利用電腦PLC控制系統(tǒng)自動完成的，通過N2O在線檢測系統(tǒng)對氮的轉(zhuǎn)化情況進行定量分析，確定出反硝化除磷過程中產(chǎn)生N2O的主要機理和影響因素。
文檔編號C02F3/30GK102849850SQ201210268298
公開日2013年1月2日 申請日期2012年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月29日
發(fā)明者彭永臻, 苗志加, 王淑瑩, 薛桂松, 翁冬晨 申請人:北京工業(yè)大學(xué)