专利名称：强化循环式活性污泥法脱氮的教学试验设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及强化循环式活性污泥法脱氮的教学试验设备，属于SBR 法及其变型工艺污水生物脱氮技术领域，适用于城市污水深度处理。
背景技术：
污水生物脱氮技术是当今水污染控制领域中的一个重要研究方向，已引 起世界各国的普遍关注。由于常规的活性污泥工艺硝化作用不完全，反硝化 作用则几乎不发生，总氮的去除率仅在10% 30%之间。因此，对于城市污水， 若采用常规的活性污泥法处理，出水中还含有大量的氮和磷，随着地表水体 "富营养化"现象的日益突出，促使人们对常规活性污泥工艺进行改造，以提高 氮、磷的去除率。最具有代表性的就是A/0法、A2/0法等工艺，这些工艺在 废水脱氮除磷方面起到了一定作用，但同时也暴露出一些问题。如系统为维 持较高的硝化细菌的浓度，必须进行污泥回流和硝化液回流，增加了运行成 本和能源消耗，另一方面，工艺中增加了厌氧和缺氧段的处理构筑物，使得 整个工艺的基建投资和占地面积增加。因此，研究开发高效、低能耗的生物 脱氮工艺和装置已成为当前水处理界重要的研究课题。
生物脱氮过程主要由两段工艺共同完成，即通过硝化作用将氨氮转化为 硝酸盐氮，再通过反硝化作用将硝酸盐氮转化为氮气从水中逸出。在硝化阶 段，氨氮被转化成硝酸盐是由两类独立的细菌催化完成的两个不同反应，首 先由亚硝化菌(Nitrosomonas)将氨氮转化为亚硝酸盐(N02-)，然后由硝化 菌(Nitrobacter)将亚硝酸盐转化为硝酸盐(N03-)。传统生物脱氮过程中硝 化作用的最终产物是硝酸盐，反硝化作用以N03-为电子受体。实际上，从氮 的微生物转化过程来看，氨被氧化为硝酸盐是由两类独立的细菌催化完成的 两个不同反应，应该可以分开。对于反硝化菌，无论是亚硝酸盐还是硝酸盐 均可以作为最终受氢体，因而整个生物脱氮过程也可以经NH4+—N02-—N2 这样的途径完成，人们把经此途径进行脱氮的技术定义为短程硝化反硝化生 物脱氮工艺。从反应历程来看，短程硝化-反硝化比全程硝化-反硝化减少两步， 因而它节省了好氧阶段供氧量25%左右；节约反硝化所需碳源40%左右；减 少污泥生成量；减少硝化过程的投碱量；縮短反应时间，相应地减少了反应 器容积30% 40%左右。因此，该工艺对于实际工程应用具有重要意义。但是，到目前为止，经N02-途径在实际工程中实现生物脱氮的成功应用
并不多见。其主要原因是影响N02-积累的控制因素比较复杂，并且硝酸菌能 够迅速地将N02-转化为N03-，因此，造成已经实现的短程硝化脱氮工艺又 恢复为全程硝化过程。
循环式活性污泥法(CAST)是SBR法的一种变形工艺，在SBR的基础 上增设一个生物选择器，以期取得抑制丝状菌污泥膨胀发生和良好脱氮除磷 效果，然而在实践中该工艺的脱氮除磷效果多不理想。
所要解决的技术问题
在现有的CAST工艺中，进水-反应、沉淀、排水各阶段的时间是固定不 变的，例如一个典型的运行周期包括4个小时，其中2小时为进水-曝气阶段， 1小时为沉淀阶段，另外1小时为排水阶段，这样的运行方式是针对原水的平 均水质而确定的。而原水水质是波动变化并不是固定不变的，显然这种固定 的运行方式不是一种优化的方式。例如，当进水中污染物浓度比平均浓度增 高时，如果2个小时的进水时间不变，同时曝气量也不变，那么2个小时的 曝气反应时间就不足；同样，当进水中污染物浓度降低时，那么2个小时的 曝气反应时间就过多而浪费。而且，2个小时的曝气反应时间尽管可能满足硝 化反应的需要，但由于没有足够的缺氧反硝化时间，总氮的去除效率会受到 影响。此外，恒定的好氧曝气时间也不利于实现短程硝化。因此，为了实现 节能降耗，并保证工艺出水水质，需要一种可根据原水水质调节各阶段时间 的优化运行方式。
实用新型内容
本实用新型目的是提供一种强化循环式活性污泥法脱氮的教学试验设 备，增加缺氧搅拌阶段，并采用变时长好氧/缺氧的方式运行，而控制好氧曝 气和缺氧搅拌的时间由实时过程控制策略来实现。同时，由于短程硝化反硝 化具有节省反应时间、节省能源消耗等优点，所以该方法不仅提高了处理效 率、降低了运行成本，而且在进水污染物浓度发生较大变化时，由于采用了 在线实时过程控制仍能准确地控制交替好氧/缺氧时间，使整个系统的抗冲击 负荷能力大大提高。
本实用新型提供的设备包括选择器、主反应区、接入选择器的进 水管、选择器内搅拌器、主反应区内的滗水器和底部所设曝气器、 连接在曝气器上的鼓风机、连接在滗水器上的出水管、将污泥由主反 应区回流至选择器的回流污泥泵以及排放剩余污泥的排泥管，其特征在于，还在主反应区设有主反应区内搅拌器、实时控制器，连接实时控 制器的pH 、 ORP传感器；所述的实时控制器包括时间继电器、数据采集 卡以及计算机，
应用本实用新型的实时控制方法，包括以下步骤
1) 进水打开进水管并开启选择器内搅拌器，由预先设定的时间控制 废水处理量，当达到预定时间后停止进水并停止搅拌器；进水同时开启污泥 回流泵，在预先设定的回流量下，污泥由主反应区末端回流至选择器；
2) 进水/搅拌实时控制器包括时间继电器、数据采集卡以及计算机; 开始进水的同时，实时控制器开启搅拌器的时间继电器，进行缺氧条件 下的反硝化过程，反硝化进程由pH 、 ORP传感器监控，并通过数据采集 卡实时将所获得的数据传输到计算机实施搅拌时间的实时控制，当pH值曲线 上出现极大值，同时ORP曲线上出现拐点，表明短程反硝化过程结束，此时 断开搅拌器的时间继电器，停止搅拌；
3) 曝气在实时控制器调节下，上一搅拌阶段停止后，开启鼓风机 提供的压縮空气进入曝气器，向主反应区混合液中供氧，进行有机物的降 解和含氮化合物的硝化作用，整个过程由pH、 ORP传感器监控，并通过 数据采集卡实时将所获得的数据传输到计算机实施曝气时间的实时控制，通 过监测pH值变化曲线上的极值点来判断硝化过程是否结束，当pH值曲线上 出现极小值时，表明短程硝化过程结束，此时停止曝气；
4) 重复2、 3两步，直到进水阶段结束，并以好氧曝气阶段为反应期的 结尾阶段；
5) 沉淀最后一个好氧阶段结束后，由实时控制器中的时间继电器 根据预先设定的时间控制沉淀时间，此时进水阀门、进气阀门、排水阀门和 排泥阀门均关闭；此阶段污泥回流仍在进行；
6) 排水沉淀阶段结束后，停止污泥回流，在实时控制器调节下，无 动力式滗水器开始工作，将处理后水经出水管排出，排水时间由无动力式 滗水器控制；
7) 闲置在实时控制器调节下，整个反应系统内的所有阀门、继电器和 计量泵均关闭，反应池既不进水也不排水，处于待机状态；8)系统依次重复O 、 2) 、 3) 、 4) 、 5) 、 6) 、 7)各步骤，根据原 水水质或水量变化自动调节各步骤时长，整个系统交替经历好氧、缺氧、厌 氧状态，间歇进水和出水，并排泥管定期排放剩余污泥.
本实用新型设计的装置主要包括长方体反应池(池体分为两部分，前端 为选择器，后端为主反应区)，放置在反应池主反应区内的曝气器、选择器 及主反应区的搅拌器和ORP、 pH传感器，进水管，出水管，回流污泥系统， 鼓风机，曝气器，滗水器，实时控制系统。本实用新型中所用滗水器为无动 力式滗水器，由液面的收水装置和与之相连的排水装置及传动装置组成。
本实用新型的工作原理及过程
利用微生物对污水进行脱氮处理时，在硝化过程中，由于硝化反应消耗 碱度，因此伴随着氨氮的氧化，混合液的pH值逐渐降低，当氨氮氧化完毕时， 如果继续进行曝气，则pH值会转而呈现逐渐升高的趋势，表现在pH曲线上 就是一个极小值点("谷点")；在反硝化过程中，由于该过程不断产生碱 度，pH值呈逐渐升高的趋势，伴随着硝态氮的还原，使得反应系统内氧化态 物质不断减少，因此氧化还原电位(ORP)值不断下降，当混合液内硝态氮 还原完毕，也即反硝化过程结束时，pH值升至最高点，如果继续缺氧搅拌的 环境，pH值就会转而下降，ORP值则会急剧下降，表现在pH值曲线上是一 个极大值("峰点")，表现在ORP曲线上是一个("拐点")。那么可以 通过监测污水生物处理过程中的pH、 ORP变化曲线来控制不同反应条件的时 间长度，这可以通过数学的方法来实现，当pH值变化曲线出现极小值点时， pH值变化曲线的一阶导数为零，并且是由负值变为正值；当pH值变化曲线 出现极大值点时，pH值变化曲线的一阶导数同样为零，与前者不同的是此时 pH值由正值变为负值；而对于ORP变化曲线来说，当反硝化结束时，ORP 曲线的二阶导数为零，由正值变为负值。据此原理，在好氧硝化结束和缺氧 反硝化结束时及时停止曝气和搅拌以方便地实现污水生物脱氮过程的实时控 制。
本实用新型具有下列优点 (1)采用实时控制策略控制生物脱氮过程中的好氧曝气和缺氧搅拌时 间，从根本上解决了曝气或搅拌时间不足所引起的硝化或反硝化不完全和曝 气或搅拌时间过长所带来的运行成本的提高和能源的浪费。并且能够根据原水水质水量的变化实时控制各个生化反应所需的好氧曝气时间、缺氧搅拌时 间，实现具有智能化的控制，保证出水水质的前提下优化节能。
(2) 实时控制曝气和搅拌时间，避免了过度曝气(短程硝化已完成，仍 继续曝气)现象的发生，不为硝酸盐菌在亚硝酸盐积累条件下提供充足的溶 解氧，使反应器内硝化产生的亚硝酸盐氮及时经缺氧搅拌还原为氮气，不为 硝酸菌提供生长所需的底物，从根本上抑制硝酸菌的生长。因此，从根本上 减小了短程硝化向传统全程硝化转化的可能性，使短程硝化类型更稳定、持 久。
(3) 主体装置采用CAST工艺，使有机物和含氮化合物在一个反应池内 得到去除，减少了缺氧池和沉淀池等处理构筑物，从而降低了基建投资和整 个工艺的占地面积。
(4) 脱氮方法采用的是短程硝化生物脱氮工艺，因而它节省了好氧阶段
供氧量25%左右；节约反硝化所需碳源40%左右；减少污泥生成量；縮短反
应时间，相应地减少了反应器容积30% 40%左右。
(5) 整个工艺由实时控制系统完成，具有管理操作方便，费用低、耐冲 击负荷强和不易发生污泥膨胀的优点。
图l是本实用新型装置示意1.进水管；2.选择器；3.选择器内搅拌器；4.主反应区；5.主反应区 内搅拌器；6.鼓风机；7.曝气器；8.滗水器；9.出水管；10.回流污泥泵； 11.排泥管；12.实时控制器；13.pH、 ORP传感器
图2是本实用新型实时控制策略示意图 具体实施方式
以下结合附图及实施例详细说明本实用新型
本实用新型提供的装置包括选择器2、主反应区4、接入选择器2的进 水管l、选择器内搅拌器3、主反应区4内的滗水器8和底部所设曝气器7、 连接在曝气器7上的鼓风机6、连接在滗水器8上的出水管9、将污泥由主反 应区4回流至选择器2的回流污泥泵10以及排放剩余污泥的排泥管11，其特 征在于，还在主反应区4设有主反应区内搅拌器5、实时控制器12，连接实 时控制器12的pH、 ORP传感器13;所述的实时控制器12包括时间继电器、 数据采集卡以及计算机。本实用新型可广泛应用于中小城镇城市污水的处理，特别适用于己采用
CAST工艺的污水处理厂或准备采用CAST工艺的污水处理厂。首先应具备 ORP和pH值在线检测设备，待系统稳定运行之后，观测ORP和pH值在去 除有机物、硝化与反硝化生化反应过程中的变化规律，根据参数变化的特征 规律，将实时控制的软件、硬件系统与ORP、 pH值在线检测相结合，并根据 实际运行情况调整某些参数和控制规则，例如污泥回流比可以由20%调节至 30%、沉淀时间可由2小时调节至1.5小时等，以取得理想的出水水质。 实施例
以某大学家属区排放的实际生活污水作为实验对象(pH=6.5 7.8， COD=260~500mg/L， TN=30 65mg/L)。所选择的CAST反应器有效容积72L， 反应器内混合液的MLSS在3.5 4.0g丄-l，反应温度25'C。利用强化循环式 法脱氮的实时控制装置，步骤O中预定迸水时间和回流比分别为4小时和 20%,步骤5)中沉淀时间为l小时，最终出水中COD小于50mg/L、总氮小 于5 mg/L，远低于国家一级排放标准所要求的总氮浓度。
权利要求1. 一种强化循环式活性污泥法脱氮的教学试验设备，包括选择器(2)、主反应区(4)、接入选择器(2)的进水管(1)、选择器内搅拌器(3)、主反应区(4)内的滗水器(8)和底部所设曝气器(7)、连接在曝气器(7)上的鼓风机(6)、连接在滗水器(8)上的出水管(9)、将污泥由主反应区(4)回流至选择器(2)的回流污泥泵(10)以及排放剩余污泥的排泥管(11)，其特征在于，还在主反应区(4)设有主反应区内搅拌器(5)、实时控制器(12)，连接实时控制器(12)的pH、ORP传感器(13)；所述的实时控制器(12)包括时间继电器、数据采集卡以及计算机。
专利摘要一种强化循环式活性污泥法脱氮的教学试验设备属于污水生物脱氮领域。该设备包括选择器(2)、主反应区(4)、接入选择器的进水管(1)、选择器内搅拌器(3)、主反应区内的滗水器(8)和底部所设曝气器(7)、连接在曝气器(7)上的鼓风机(6)、连接在滗水器(8)上的出水管(9)、将污泥由主反应区(4)回流至选择器的回流污泥泵(10)以及排放剩余污泥的排泥管(11)，其特征在于，还在主反应区(4)设有主反应区内搅拌器(5)、实时控制器(12)，连接实时控制器的pH、ORP传感器(13)；所述的实时控制器包括时间继电器、数据采集卡以及计算机。本实用新型实时控制，操作方便，费用低、耐冲击负荷强和不易发生污泥膨胀的优点。
文档编号C02F3/12GK201130472SQ200720190190
公开日2008年10月8日 申请日期2007年11月16日 优先权日2007年11月16日
发明者江 常, 彭永臻, 王少坡, 甘一萍, 娟 马 申请人:北京工业大学