一種反硝化除磷過程中N₂O產生的減量控制裝置及方法

專利名稱：一種反硝化除磷過程中N₂O產生的減量控制裝置及方法
技術領域：
要求保護的技術方案所屬的技術領域為活性污泥法處理系統自動控制技術，屬于SBR法污水生物脫氮除磷技術領域，適用于反硝化除磷過程中溫室氣體產生的研究。
背景技術：
N2O能夠吸收中心波長為7. 78,8. 56和16. 98的長波紅外輻射，從而產生溫室效應，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在未來將越來越顯著，據報道大氣中N2O的體積分數每增加一倍，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%。·反硝化除磷是用厭氧、缺氧交替的環境代替傳統的厭氧、好氧環境，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用，以NO2-N為電子受體進行反硝化除磷與傳統NO3-N為電子受體相比，能夠減少所需碳源，縮短反應時間、降低能耗更具有經濟效益。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，從而達到脫氮除磷的目的。N2O是反硝化除磷的一個中間產物，對于這一過程中不同運行條件產生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的產生于逸散，本發明就為該內容的研究提供了設備和方法。自動控制在污水處理中的應用近年來隨著計算機技術的飛速發展，自動控制的研究與應用在許多領域有了長足的進步，但是在污水處理中的研究還較少，大型污水處理廠的應用基本處于空白狀態。本發明利用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在線檢測系統實時回饋信號，利用PLC程序控制PH、DO和溫度使反應器內數值恒定。當反應器內檢測值超過設定值時，程序會自動開啟或關閉加酸、加堿泵、曝氣閥、加熱設備的電源，恒定設定范圍。為研究反硝化除磷實驗過程中產N2O的影響因素時，提供穩定的PH、D0和溫度的運行條件。利用N2O微電極實時檢測系統記錄反應器內N2O產生量，每Is讀數考察N2O的變化情況。

發明內容
本發明的目的在于提供一種反硝化除磷過程中N2O產生的減量控制裝置及方法，用于研究反硝化除磷過程中N2O產生的影響因素，從而確定最佳的工藝參數，指導污水處理廠在滿足運行效果的前提下，優化工藝參數，達到最大化減少N2O產生量的目的。本發明所采用的技術方案是提供一種反硝化除磷過程中N2O產生的減量控制裝置，如圖1，包括SBR反應器、配水箱，其特征在于，通過PLC電腦自控系統程序模塊設定時間控制與配水箱相連的蠕動泵將配水定量注入SBR反應器、通過PLC電腦自控系統控制排泥系統開啟或關閉時間進行定量排泥排泥，N2O微電極與SBR反應器相連實時檢測信號回饋至N2O在線檢測系統，磁力攪拌器放置于SBR反應器底部，SBR反應器內部的底部設置曝氣頭，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探頭設置在SBR反應器的一側，實時檢測信號回饋至PLC電腦控制系統通過程序設定數值來控制加酸系統、加堿系統、加熱電阻、電磁閥的開啟與關閉，同時PLC電腦控制系統通過程序模塊控制亞硝酸鈉投加系統、排水閥的開啟，排水口與排水閥相連接，SBR反應器一側設置取樣口，頂部的右側設置排氣口。利用上述的裝置進行反硝化除磷過程中產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反應器內，保證SBR反應器內揮發性 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及無機成分，沉淀
15-30min直至污泥全部沉淀，泥水界面穩定，打開排水閥，排出上清液；步驟3，在配水箱內加入配水，由乙酸鈉和磷酸鹽配置成C0D:800mg/L、P03-P:0mg/L的廢水，作為反應器的原進水；步驟4，蠕動泵將預先配置好的合成廢水從配水箱中引致SBR反應器中，蠕動泵的進水時間由PLC電腦自控系統控制，在程序所設定的6min內完成進水階段；步驟5，磁力攪拌器開啟攪拌，轉速控制在150-200轉/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反應器上部排氣口排出，并通過PLC電腦自控系統控制厭氧釋磷時間為2h ；步驟6，控制亞硝酸鈉投加系統的PLC電腦自控系統自控程序開啟，質量濃度為2g/L亞硝酸鈉用蠕動泵在2min內以10ml/min流量定量投加入SBR反應器中；通過pH與溫度探頭，溶解氧探頭實時檢測系統內pH、溫度和溶解氧并通過PLC在線控制系統控制加酸系統、加堿系統、加熱電阻開啟與關閉；步驟7，亞硝酸鈉投加系統關閉，磁力攪拌器持續攪拌，調解轉速為200轉/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時磁力攪拌器關閉反硝化除憐結束，15min內完成沉淀；在沉淀時間到達后，PLC電腦自控系統開啟電動閥，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內種泥，其中聚磷菌濃度高達90%左右。技術原理反硝化除磷是指在傳統反硝化的基礎上富集培養一類微生物，它可以利用NO3-N代替O2作為電子受體，在除磷的同時實現脫氮。反硝化除磷系統將脫氮和除磷兩個過程合
二為一，與傳統脫氮除磷工藝相比，可節省50%的碳源、30%的耗氧量，污泥產量減少50%。如果在硝化階段控制反應參數實現短程硝化，產生的NO2-N作為聚磷菌的電子受體，在硝化階段又可以節省大量的電耗，反硝化除磷階段節約碳源和反應時間，在實際污水處理中更具有應用價值。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。本發明在上述原理的基礎上，提出了基于pH、OPR、N20、溫度參數的N2O減量控制裝置，在實現自動化控制的同時對反硝化除磷的過程中N2O減量進一步優化。本發明具有以下優點I、通過PLC在線控制系統能夠實時控制反應器運行的各種參數，全程自動控制進水、攪拌、沉淀、排水、加酸、加堿、在線記錄數據，實現真正的“自動控制”。2、通過N2O在線檢測系統分析反硝化除磷過程中不同運行條件對聚磷菌產N2O的影響，在以理解產N2O的機理的基礎上確定最優的工藝參數。3、實現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”上都達到了完全去除。4、本系統可以恒定多種運行參數，可以考察單一條件對反硝化除磷過程中N2O排放的影響。5、本發明國內外首次開發并研究了反硝化除磷過程中產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產生的減量控制裝置結構示意圖；圖I中，I-配水箱；2_蠕動泵；3_排泥系統；4_SBR反應器；5_N20在線檢測系統；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；12-加堿系統；13-亞硝酸鈉投加系統；14-PLC電腦自動控制系統；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產生的減量控制策略示意圖。
具體實施例方式結合附圖和實施例對本發明做進一步說明如圖I所示，反硝化除磷過程中N2O產生的減量控制裝置設有SBR反應器4、配水箱I、通過PLC電腦自控系統14程序模塊設定時間控制與配水箱相連的蠕動泵2將配水定量注入SBR反應器4、通過PLC電腦自控系統14控制排泥系統3開啟或關閉時間進行定量排泥排泥，N2O微電極16與SBR反應器4相連實時檢測信號回饋至N2O在線檢測系統5，磁力攪拌器6放置于反應器4底部，SBR反應器4內部的底部設置曝氣頭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設置在主反應器4的一側，實時檢測信號回饋至PLC電腦控制系統14通過程序設定數值來控制加酸系統11、加堿系統12、加熱電阻15、電磁閥21的開啟與關閉，同時PLC電腦控制系統14通過程序模塊控制亞硝酸鈉投加系統13、排水閥19的開啟，排水口 17與排水閥19相連接，主反應器4 一側設置取樣口 18，頂部右側設置排氣口 23。實施例II、考察pH對反硝化除磷過程中N2O產生情況的影響研究
試驗方法取富含90%左右聚磷菌的活性污泥加入SBR反應器中，淘洗后使固體濃度在1500-2000mg/L之間，通過PLC控制系統控制進水時間為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2h，厭氧釋磷反應結束后亞硝酸鈉投加系統開啟，質量濃度為2g/L亞硝酸鈉用蠕動泵在2min內以10ml/min流量定量投加入SBR反應器中，通過pH與溫度探頭，溶解氧探頭實時檢測系統內pH、溫度和溶解氧并通過PLC在線控制系統控制加酸系統、加堿系統、加熱電阻維持系統溫度在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/!時關閉磁力攪拌器反硝化除磷結束,沉淀15min ;在沉淀時間到達后，PLC電腦自控系統開啟電動閥排水，排干排水口以上的上清液，按照上述步驟在該裝置內考察不同pH對反硝化除磷過程中N2O產生情況的影響，在pH設定在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產生情況的影響研究
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試驗方法取富含90%左右聚磷菌的活性污泥加入SBR反應器中，淘洗后使固體濃度在1500-2000mg/L之間，通過PLC控制系統控制進水時間為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2h，厭氧釋磷反應結束后亞硝酸鈉投加系統開啟，質量濃度為2g/L亞硝酸鈉用蠕動泵在2min內以10ml/min流量定量投加入SBR反應器中，通過pH與溫度探頭，溶解氧探頭實時檢測系統內pH、溫度和溶解氧并通過PLC在線控制系統控制加酸系統、加堿系統、加熱電阻維持系統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/!時關閉磁力攪拌器反硝化除磷結束,沉淀15min ;在沉淀時間到達后，PLC電腦自控系統開啟電動閥排水，排干排水口以上的上清液，按照上述步驟在該裝置內考察不同溫度對反硝化除磷過程中N2O產生情況的影響，在溫度設定在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。
權利要求
1.ー種反硝化除磷過程中N2O產生的減量控制裝置，包括SBR反應器(4)、配水箱(1)，其特征在于，通過PLC電腦自控系統(14)程序模塊設定時間控制與配水箱相連的蠕動泵(2)將配水定量注入SBR反應器(4)、通過PLC電腦自控系統(14)控制排泥系統(3)開啟或關閉時間進行定量排泥排泥，N2O微電極(16)與SBR反應器(4)相連實時檢測信號回饋至N2O在線檢測系統(5)，磁力攪拌器(6)放置于SBR反應器(4)底部，SBR反應器(4)內部的底部設置曝氣頭(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)設置在SBR反應器(4)的一偵牝實時檢測信號回饋至PLC電腦控制系統(14)通過程序設定數值來控制加酸系統(11)、加堿系統(12)、加熱電阻(15)、電磁閥(21)的開啟與關閉，同時PLC電腦控制系統(14)通過程序模塊控制亞硝酸鈉投加系統(13)、排水閥(19)的開啟，排水ロ(17)與排水閥(19)相連接，SBR反應器(4) 一側設置取樣ロ(18)，頂部的右側設置排氣ロ(23)。
2.ー種利用權利要求I所述的裝置進行反硝化除磷過程中N2O產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反應器(4)內，保證SBR反應器(4)內揮發性固體濃度在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及無機成分，沉淀15-30min直至污泥全部沉淀，泥水界面穩定，打開排水閥(17)，排出上清液； 步驟3，在配水箱內加入配水，由こ酸鈉和磷酸鹽配置成C0D:800mg/L、P0/-P:40mg/L的廢水，作為反應器的原進水； 步驟4，蠕動泵將預先配置好的合成廢水從配水箱中引致SBR反應器中，蠕動泵的進水時間由PLC電腦自控系統控制，在程序所設定的6min內完成進水階段； 步驟5，磁力攪拌器開啟攪拌，轉速控制在150-200轉/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反應器上部排氣ロ排出，并通過PLC電腦自控系統控制厭氧釋磷時間為2h ； 步驟6，控制亞硝酸鈉投加系統的PLC電腦自控系統自控程序開啟，質量濃度為2g/L亞硝酸鈉用蠕動泵在2min內以10ml/min流量定量投加入SBR反應器中；通過pH與溫度探頭，溶解氧探頭實時檢測系統內pH、溫度和溶解氧并通過PLC在線控制系統控制加酸系統、加堿系統、加熱電阻開啟與關閉； 步驟7，亞硝酸鈉投加系統關閉，磁力攪拌器持續攪拌，調解轉速為200轉/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時磁力攪拌器關閉反硝化除磷結束，15min內完成？幾淀；在沉淀時間到達后，PLC電腦自控系統開啟電動閥，排干排水ロ以上的上清液。
3.根據權利要求2所述的反硝化除磷過程中N2O產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內種泥，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產生的減量控制裝置及方法，屬于活性污泥法處理系統自動控制技術，SBR法污水生物脫氮除磷技術領域。本發明針對現有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生N2O的技術問題，裝置以SBR反應器為主體，包括配水箱、蠕動泵、磁力攪拌器、加酸加堿系統、與計算機相連的在線控制系統、N2O在線檢測系統。在線控制系統與進水蠕動泵、排泥系統、加酸系統、加堿系統、溫控裝置、攪拌器、排水閥、曝氮氣系統電磁閥上的繼電器，以及ORP、pH、溶解氧傳感器相連；N2O在線檢測系統與N2O微電極相連。整個過程都是利用電腦PLC控制系統自動完成的，通過N2O在線檢測系統對氮的轉化情況進行定量分析，確定出反硝化除磷過程中產生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 優先權日2012年7月29日
發明者彭永臻, 苗志加, 王淑瑩, 薛桂松, 翁冬晨 申請人:北京工業大學