专利名称：改良型四段进水a/o深度脱氮装置及过程控制方法
技术领域：
本发明涉及一种含氮废水的改良型分段进水A/O生物脱氮处理工艺和过
程控制装置，所属的技术领域为活性污泥法污水处理系统自动控制的理论、 方法与技术。适用于大、中、小型城镇生活污水及含氮工业废水的深度脱氮。
背景技术：
富营养化问题是当今世界各国面临的最主要的水污染问题之一，近年来尽 管我国城市污水的处理率不断提高，但是由氮、磷污染引起的水体富营养化 问题没有得到根本的解决，甚至有日益严重的趋势。我国的大型淡水湖泊和
近岸海域均达中度或重度的富营养污染。我国在2002年新颁布的《城镇污水 处理厂污染物排放标准》中增加了总氮、总磷最高允许排放浓度，同时也对 出水氨氮提出了更严格的要求，可见污水处理的主要矛盾已逐渐由有机污染 物的去除转变为氮磷污染物的去除。污水中的磷通常可以通过投加混凝剂去 除，但由于氮化合物(如NH4+及NCV)的分子量比较小，无法通过投加药剂 去除；另外，如果利用膜技术来去除氮化合物，仅反渗透膜技术是最有效的， 但该方法成本过于昂贵，难以推广应用；而其它的膜处理技术，如纳滤、微 滤等方法均无法有效去除污水中的氮化合物，因此氮的去除是污水深度处理 的难点和重点，只有利用生物脱氮技术才能彻底去除。
分段进水A/O工艺是基于A/0工艺发展起来的一种脱氮新工艺。该工艺 通常由2 5段缺氧/好氧顺序组成，原水分别从各段的缺氧区进入反应器，为 反硝化提供碳源。但是，由于最后一段的污水只进行硝化反应没有反硝化条 件，出水必然含有一定的硝酸盐氮。提高分段进水A/O工艺脱氮效率的一个 方法是提高系统污泥回流比，但污泥回流比必需有一定的限制，加大回流会 对系统的水力停留时间造成影响，增加二沉池的水力负荷和固体负荷，还会 将最后一段好氧区的溶解氧携带到第一段的缺氧区，给缺氧反硝化造成不利 影响。此外，对于低C/N比生活污水，需大量的外投加碳源来提高总氮去除 率。碳源通常投加在系统最后一段的缺氧区，后面再接接曝气区以去除剩余 碳源，以保证出水COD满足排放标准。这样， 一方面不能保证碳源投加量最 少，另一方面，增加了曝气运行费用。使得四段进水A/0事实上相当于三段
运行，使多点进水的意义大打折扣，且不能从根本上提高去除效果，运行费 用也比较高。
发明内容
本发明的目的是针对现有的四段进水A/0工艺本身的局限性，对工艺结 构进行改造，并通过实时过程控制，控制系统的硝化效果、反硝化效果和出 水COD浓度，使系统在节省运行费用的前提下，达到深度脱氮的目的。解决 ①分段进水A/O工艺结构限制导致总氮去除率受限的问题。②深度脱氮药剂 用量大，运行费用高且难以达到处理要求的问题③深度脱氮控制要求高、控 制结构复杂的问题。
本发明的技术原理
改良型四段进水A/0深度脱氮装置及过程控制方法，其特征在于在传统 四段进水A/O工艺的末端设置后缺氧区进行碳源投加，并采用碳源投加和曝 气过程控制装置，避免出水COD、硝酸盐氮和氨氮超标，达到深度脱氮目的。 具体原理如下
(1) 本发明的改良型四段进水A/0工艺，原污水分别分四段进入反应器， 在第四段的好氧区的末端，设置后缺氧区兼脱氧区，只进行搅拌，不进行曝 气，后缺氧区不进污水，只投加碳源。此外，在第四段的好氧区设置硝酸盐 氮内回流设施，将第四段产生的硝酸盐氮一部分回流到系统第一段的缺氧区， 一方面可以充分利用第一段缺氧区进水的碳源进行反硝化，另一方面可以减 少后缺氧区的碳源投加量，降低运行费用。
(2) 为避免后缺氧区碳源投加过量出水COD超标，以及碳源投加不足， 出水硝酸盐超标，在最后好氧区设置硝酸盐在线传感器在线监测出水硝酸盐 浓度，并配以氧化还原电位(ORP)传感器，避免硝酸盐传感器控制失灵，在线 采集的数据经过程控制器，输出结果作用于碳源投加计量泵，控制碳源投加 量。此外，在第四段的好氧区设置氨氮在线仪，实时监测出水氨氮浓度，并 将在线采集的氨氮浓度数值输入到过程控制器，控制器的输出作用于空压机， 控制系统曝气量，以保证硝化效果，避免硝化不彻底出水含有大量的氨氮的 情况发生，降低TN去除率。
以上结构上的改进和过程控制装置的使用，可以保证系统在较低的运行 费用下，达到深度脱氮的目的。
本发明提供的改良型分段进水A/O深度脱氮工艺及过程控制装置，污 水贮水箱1由进水管和反应器2连接，反应器2经出水管和和沉淀池3连接， 沉淀池污泥经污泥回流泵4回流到反应器进口端。反应器2由第一段缺氧格 室5、第一段好氧格室6、第二段缺氧格室7、第二段好氧格室8、第三段缺 氧格室9、第三段好氧格室10、第四段缺氧格室11、第四段好氧格室12组成， 其特征在于，
在好氧格室12后设置后缺氧区兼脱氧区13，在好氧格室12设置硝化液 内循环管路14，连接内循环泵15将硝化液回流到第一段缺氧格室5，在第四 段好氧格室12安装氨氮在线传感器16，在后缺氧区13安装在线硝酸盐传感 器17和ORP传感器18,在线采集的数字信号经导线与计算机19的氨氮信号 输入接口20，硝酸盐信号输入接口21， ORP信号输入接口 22连接，计算机 的输出接口 23经导线连接过程控制器24的数字输入接口 25，过程控制器25 的输出接口 26将控制信号输出并作用于空压机的变频调速器27，控制空压机 28曝气量，过程控制器24的输出接口 29将控制信号输出并作用于碳源投加 计量泵30的变频调速器31,控制碳源投加量。
本发明提供的一种改良型四段进水A/0深度脱氮工艺及其过程控制方 法，其特征在于，
在传统四段进水A/O工艺系统的末端设置一个后缺氧区兼脱氧区，不曝 气，只进行缺氧搅拌，在第四段好氧区12设置硝酸盐氮内循环回流管14，通 过内循环回流泵15将硝酸盐氮混合液回流到系统首段缺氧区5。
在第四段好氧区12内设置氨氮在线传感器16，在线采集氨氮数据，通过 导线将数字信号输入过程控制器，滤波处理，计算，得到过程实时控制变量， 经过程控制器输出接口26输出，作用于空压机的变频调速器27，控制空压机 28的出风量。当氨氮浓度^:1.5mg/L时，加大曝气量；当氨氮浓度^).5mg/L时， 减小曝气量。
在后好氧区13内设置硝酸盐氮在线传感器17， ORP在线传感器18，在 线采集硝酸盐氮和ORP的数字信号，信号通过导线输入到过程控制器，经滤 波处理，计算，得到过程控制变量，经过程控制器输出接口29输出，作用于 碳源投加计量泵30的变频调速器31，控制外碳源投加计量泵的投药量，控制 系统硝酸盐氮的去除。在上述硝酸盐氮去除的控制过程中，为避免控制失效，
控制过程必须满足下列条件当在线硝酸盐氮浓度^).5mg/L或绝对ORP值 ^100mV，停止投加碳源;当在线硝酸盐氮浓度22mg/L或在线ORP的绝对值 ^-80mV,开始投加碳源。
这种改良型四段进水A/0深度脱氮工艺实时控制方法，其特征在于， 在改良型四段进水A/0反应器第四段好氧区12安装氨氮在线传感器，采 集氨氮数字信号，作为改良型四段A/0工艺硝化过程曝气量控制的实时控制 参数。将采集氨氮值数字信号经变送器输入模拟数字转换器A/D，转换成数 字信号，在上位机上显示在线参数的具体数值；再将数字信号输入过程实时 控制器，首先经过滤波处理，与控制策略进行比较，得到过程实时控制变量。 再将输出信号经数字模拟转换器D/A转换成电流信号，直接作用于空压机的 变频调速器，调整空压机的出风量。
反硝化过程的控制是以在线硝酸盐氮和ORP作为控制变量。在后缺氧区 13安装硝酸盐氮和ORP在线传感器，在线采集硝酸盐氮和ORP数值。通常， ORP的变化范围为-300 300mV，硝酸盐氮的变化范围是0~100mg/L。考虑到 准确性，设置ORP的范围为-400 -400mV，硝酸盐氮的变化范围是 0~100mg/L，此范围内信号均作为正确信号处理。在线采集的硝酸盐氮和ORP 数字信号经变送器输入模拟数字转换器A/D,转换成数字信号，在上位机上 显示在线参数的具体数值；再将数字信号输入过程实时控制器，首先经过滤 波处理，与控制策略进行比较，得到过程实时控制变量。再将输出信号经数 字模拟转换器D/A转换成电流信号，直接作用于碳源投加计量泵的变频调速 器，调整碳源投加量。
本发明的有益效果
本发明对传统四段进水A/O工艺结构改进，通过增设后缺氧区兼脱氧区， 在第四段好氧区增设硝酸盐氮内循环设施，可以避免工艺结构本身给脱氮效 率带来的限制。此外，通过在线过程控制装置，可以保证系统硝化、反硝化 效果，且降低系统运行费用。
本发明改良型四段进水A/0深度脱氮工艺及过程控制装置与方法，同现 有技术相比，具有下列优点-
(1) 在系统末端设置后缺氧区兼脱氧区，可以针对系统前面产生的 硝酸盐氮进行碳源投加，降低出水硝酸盐氮浓度，提高TN去除率。且可以避
免大量的溶解氧随回流污泥回流到系统第一段的缺氧区，给缺氧反硝化造成 不利影响。
(2) 在系统第四段好氧区增设硝酸盐氮内循环设施，可以将部分硝
酸盐氮回流到系统首段， 一方面可以充分利用第一段的反硝化容量，另一方 面可以减少进入到后好氧区的硝酸盐氮的量，减少碳源投加量，降低运行费用。
(3) 在第四段好氧区设置氨氮在线传感器在线采集氨氮数值， 一方 面可以保证硝化效果，使得出水氨氮浓度满足要求，另一方面可以针对系统 运行情况实时调整曝气量，节省曝气运行费用。
(4) 在后缺氧区设置硝酸盐氮在线传感器和ORP在线传感器，可以 根据硝酸盐氮的在线数值，实时调整碳源投加量，保证出水硝酸盐氮达到一 个很低的水平。在线采集的ORP数值作为另一过程控制参数，其可以避免硝 酸盐氮传感器出现误差导致的系统误控制。系统设置出水硝酸盐氮为一个较 低且非零的水平，可以避免出水COD浓度超出出水标准，且使系统投加的碳 源量最少，运行费用最省。
(5) 整个控制系统结构简单，在线测量装置较少，运行操作简单。 本发明可广泛应用于中小城镇城市污水、工业废水的深度脱氮处理。
图1是改良型四段进水A/0深度脱氮工艺及过程控制装置示意图 图2是实施改良型四段进水A/0和过程控制后1天内进水氨氮和出水氨 氮浓度变化图
图1中，1-污水贮水箱，2-反应器，3-沉淀池，4-污泥回流泵，5-第一段 缺氧格室，6-第一段好氧格室，7-第二段缺氧格室，8-第二段好氧格室，9-第 三段缺氧格室，10-第三段好氧格室，11-第四段缺氧格室，12-第四段好氧格 室，13-后缺氧区兼脱氧区，14-硝化液内循环管路，15-连接内循环泵，16-氨 氮在线传感器，17-在线硝酸盐传感器，18-ORP传感器，19-计算机，20-氨氮 信号输入接口， 21-硝酸盐信号输入接口， 22-ORP信号输入接口， 23-计算机 的输出接口， 24-过程控制器，25-过程控制器输入接口， 26-过程控制器输出
接口27-空压机的变频调速器，28-空压机，29-过程控制器的输出接口， 30-碳源投加计量泵，31-变频调速器。
具体实施例方式
以某大学家属区排放的实际生活污水作为实验对象(COD-220 350mg/L,TN=44 75mg/L)。所采用的多段进水A/0生物脱氮反应器溶解 320L，采用四段改良型A/0工艺，每段容积80L，第一、二、三段各段缺氧 区溶解30L，好氧区溶积50L;第四段缺氧区30L，好氧区40L，后缺氧区体 积10L。在第四段好氧区设置硝酸盐氮内循环设施。系统设置1台空压机，最 大出风量为8r^/h，最小出风量为0。反应器首先进行污泥培养驯化，驯化结束 后各段的污泥浓度为第I段为5 5.5g/L,第II段为4 4.5g/L，第m段位2.8 3.2g/L。反应器日处理水量960L，各段进水量均为240 L/d，反应温度为20。C。
系统运行初，将空压机的出口曝气量调整为3mVh，进水COD浓度为 180 200mg/L，氨氮浓度为50 55mg/L。第III段后好氧区采集的DO浓度信号均 在2.5 3.5mg/L范围内，在此稳定浓度的进水条件下，让系统稳定运行7d， 然后开始实时改变进水负荷，并开启过程控制系统，对曝气量和外碳源投加 量进行过程控制。
模拟生活污水的水质变化规律，以1天内水质变化和相应的出水来说明 改良型四段A/O深度脱氮工艺及过程控制装置的工作情况
传统四段A/0工艺系统总体积320L，每段容积80L。每段缺氧区容积30L， 好氧区容积50L。改造后第一、二、三段各段缺氧区溶解30L，好氧区溶积 50L;第四段缺氧区30L，好氧区40L，后缺氧区体积10L。在第四段好氧区 设置硝酸盐氮内循环设施，并设内循环回流量等于总进水流量，即960L/d。
在第四段好氧区12内设置氨氮在线传感器，在线釆集氨氮数据，通过导 线将数字信号输入过程控制器，滤波处理，计算，得到过程实时控制变量， 经过程控制器输出接口输出，作用于空压机的变频调速器，控制空压机的出 风量。当氨氮浓度^1.5mg/L时，加大曝气量；当氨氮浓度^).5mg/L时，减小 曝气量。
在后好氧区内设置硝酸盐氮在线传感器，ORP在线传感器，在线采集硝 酸盐氮和ORP的数字信号，信号通过导线输入到过程控制器，经滤波处理， 计算，得到过程控制变量，经过程控制器输出接口输出，作用于碳源投加计
量泵的变频调速器，控制外碳源投加计量泵的投药量，控制系统硝酸盐氮的 去除。在上述硝酸盐氮去除的控制过程中，满足下列条件当在线硝酸盐氮
浓度S0.5mg/L或绝对ORP值^100mV，停止投加碳源；当在线硝酸盐氮浓度 ^2mg/L或在线ORP的绝对值2-80mV，开始投加碳源。
图2为采用改良四段进水A/O深度脱氮工艺及过程控制装置与方法后，
系统对氨氮的去除效果图。图中可以看出，进水氨氮变化较大，而出水氨氮 最大1.5mg/L，平均值小于lmg/L，出水硝酸盐氮浓度最大2mg/L，平均值小 于1.0mg/L;总氮浓度最大3.2mg/L，平均值小于2mg/L。
本发明的改良型四段进水A/0深度脱氮工艺及过程控制装置实施例參见 图1，污水贮水箱1由进水管和反应器2连接，反应器2经出水管和和沉淀池 3连接，沉淀池污泥经污泥回流泵4回流到反应器进口端。反应器2由第一段 缺氧格室5、第一段好氧格室6、第二段缺氧格室7、第二段好氧格室8、第 三段缺氧格室9、第三段好氧格室10、第四段缺氧格室ll、第四段好氧格室 12组成，其特征在于，
在好氧格室12后设置后缺氧区兼脱氧区13，在好氧格室12设置硝化液 内循环管路14，连接内循环泵15将硝化液回流到缺氧格室5，在好氧格室12 安装氨氮在线传感器16，在后缺氧区13安装在线硝酸盐传感器17和ORP传 感器18，在线采集的数字信号经导线与计算机19的氨氮信号输入接口 20， 硝酸盐信号输入接口21， ORP信号输入接口22连接，计算机的输出接口23 经导线连接过程控制器24的数字输入接口 25，过程控制器25的输出接口 26 将控制信号输出并作用于空压机的变频调速器27,控制空压机28曝气量，过 程控制器24的输出接口 29将控制信号输出并作用于碳源投加计量泵30的变 频调速器31，控制碳源投加量。
采用改良型四段进水A/0深度脱氮及过程控制装置和方法后，最终出水 氨氮小于2mg/L，总氮小于3mg/L，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(35mg/L)。
权利要求
1、改良型四段进水A/O深度脱氮装置，污水贮水箱(1)由进水管和反应器(2)连接，反应器(2)经出水管和和沉淀池(3)连接，沉淀池污泥经污泥回流泵(4)回流到反应器进口端；反应器(2)依次由第一段缺氧格室(5)、第一段好氧格室(6)、第二段缺氧格室(7)、第二段好氧格室(8)、第三段缺氧格室(9)、第三段好氧格室(10)、第四段缺氧格室(11)、第四段好氧格室(12)组成，其特征在于在好氧格室(12)后设置后缺氧区兼脱氧区(13)，在好氧格室(12)设置硝化液内循环管路(14)，内循环泵(15)连接到缺氧格室(5)，在好氧格室(12)安装氨氮在线传感器(16)，在后缺氧区(13)安装在线硝酸盐传感器(17)和氧化还原电位传感器(18)，各在线传感器的数字信号分别与计算机(19)的氨氮信号输入接口(20)，硝酸盐信号输入接口(21)，氧化还原电位信号输入接口(22)连接，计算机的输出接口(23)经导线连接过程控制器(24)的数字输入接口(25)，过程控制器(24)的输出接口(26)将控制信号输出并作用于空压机的变频调速器(27)，空压机的变频调速器(27)与空压机(28)连接，过程控制器(24)的输出接口(29)将控制信号输出并作用于碳源投加计量泵(30)的变频调速器(31)。
2、 一种应用权利要求1所述的改良型四段进水A/O深度脱氮装置的工艺 过程控制方法，其特征在于在第四段好氧区(12)内设置氨氮在线传感器(16)，在线采集氨氮数据，通 过导线将数字信号输入过程控制器，滤波处理，计算，得到过程实时控制变 量，经过程控制器的曝气量输出接口(26)输出，作用于空压机的变频调速器 (27)，控制空压机(28)的曝气量，当氨氮浓度》1.5mg/L时，加大曝气量；当 氨氮浓度《0.5mg/L时，减小曝气量；在后好氧区B内设置硝酸盐氮在线传感器(17)，氧ftJ^原电位在线传感 器(1S)，在线采集硝酸盐氮和氧化还原电位的数字信号，信号通过导线输入到 过程控制器(24)，经滤波处理，计算，得到过程控制变量，经过程控制器的碳 源投加量输出接口(29)输出，作用于碳源投加计量泵(30)的变频调速器(31)， 控制外碳源投加计量泵的投药量，控制系统硝酸盐氮的去除；并同时满足下列条件当在线硝酸盐氮浓度《0.5mg/L或绝对ORP值《 -lOOmV，停止投加碳源；当在线硝酸盐氮浓度》2mg/L或在线ORP的绝对值 》-80mV，开始投加碳源。
全文摘要
改良型四段进水A/O深度脱氮装置及过程控制方法属于活性污泥法污水处理领域。现有工艺不能达到深度脱氮，且运行费用高，操作较复杂。本发明在第四段好氧区末端设置一个后缺氧区兼脱氧区，此区域针对前面各段累积的硝酸盐氮进行碳源投加，在第四段好氧区增设硝酸盐氮内循环设施，将一部分硝酸盐氮回流到系统第一段的缺氧区，以充分利用第一段缺氧区的反硝化容量并降低后缺氧区的硝酸盐氮负荷，减少碳源投量。此外，在第四段好氧区设置氨氮在线传感器，在后缺氧区设置硝酸盐氮和ORP在线传感器，采集的在线信号来控制系统的曝气量和外碳源投加量。本发明可提高四段进水A/O工艺的硝化反硝化效果，碳源投量省，运行费用低，控制结构简单。
文档编号C02F3/12GK101104541SQ200710118070
公开日2008年1月16日 申请日期2007年6月28日 优先权日2007年6月28日
发明者孙亚男, 彭永臻, 伟 王, 王淑莹 申请人:北京工业大学