基于过程控制的SBR法反应过程N₂O气体收集装置与方法

专利名称：基于过程控制的SBR法反应过程N₂O气体收集装置与方法
技术领域：
本发明涉及SBR法生物处理的工艺及N2O气体收集装置，尤其是能够进行脱氮和过程控制的SBR工艺及装置，适用于工业污水和小城镇污水的生物处理过程。
背景技术：
20世纪70年代以来，世界范围内的水体富营养化问题日渐突现，生物处理技术成为解决水体富营养化的有效途径，但是污水处理过程中所产生的气体，尤其是温室气体(二氧化碳、甲烷和氮氧化物)问题，值得引起注意。其中，二氧化碳主要由异养菌在好氧及缺氧状态下产生；甲烷主要是在厌氧生物处理过程中产生；而氧化亚氮主要产生于生物脱氮过程。二氧化碳、甲烷和氧化亚氮是目前受人类活动影响较明显的三种主要温室气体，虽然这些气体占不到大气总量的0.04%，但其浓度的增加却是引起全球气候变化的重要原因。到目前为止，全世界对温室气体的源和汇进行了大量的试验研究工作，但由于研究方法和研究条件的限制，对某些生态系统仍缺乏细致、定量的研究。
SBR法，是一种结构形式简单、运行方式灵活多变、空间上完全混合、时间上理想推流的污水生物处理工艺。传统SBR法一个运行周期一般包括五阶段，即进水、反应、沉淀、排水和闲置阶段。SBR法的反应时间一般通过设定固定时间进行控制。为降低工艺运行的能量消耗，SBR法的反应时间可应用在线检测的控制参数根据原污水的水质水量变化准确的控制。同时通过改变SBR法的运行方式可进一步提高SBR法的处理效率。
在对SBR法处理工艺进行研究的同时，对生化反应过程中产生的N2O气体进行收集与检测，尤其是温室气体的产生量进行研究，不但具有一定的理论意义，而且具有重要的实际意义。SBR反应器的进一步优化和改进是解决对生化反应过程产生气体进行分析的前提和基础。发明内容
本发明的目的在于，通过提供一种基于过程控制的SBR法反应过程N2O气体收集装置与方法，有效地解决气体收集过程、SBR法污水处理过程及其在线过程控制同时进行的问题。
本发明是采用以下技术手段实现的:
基于过程控制的SBR法反应过程N2O气体收集装置，该装置包括污水处理SBR反应器、气体收集系统、恒温控制 装置、压力调节计量装置和在线检测系统；污水处理SBR反应器由反应器1、进水泵2、曝气 泵3、气体流量计4、胶结砂芯曝气头5、机械搅拌器6、取水样口 12、排泥管13、排水管14、放空管15、搅拌浆17组成；气体收集系统由反应器密封盖和收集管路组成；收集管路系统由可调节三通22、干燥管23、气体采样袋24、辅助支持气体气瓶25、分压表26组成；转换可调节三通22和开关辅助支持实现单管路和双管路收集系统的转化；恒温控制装置由温度控制器7和加热棒8组成；压力调节计量装置由压力计量瓶34、刻度标示35、压力调节胆36、压力计连接口 37和压力计接入口 30组成；在线检测系统由在线传感器、测定仪和数据传输线组成。
前述的反应器密封盖由取气口、辅助支持气接入口 20、气体收集管路接入口 21、法兰盘27、胶垫28、螺母29、压力计接入口 30、水封外套筒31、水封内套筒32和内套筒套封柱33组成。
前述的取气口 19采用可随时取下更换的胶盖密封；
基于过程控制的SBR法反应过程N2O气体收集方法，包括以下步骤:
准备步骤；将传感器探头安装于反应器上，连接气体收集管路，根据试验最先进行的阶段，选择相应的管路连接方式；此阶段保持取样口敞开。
进水步骤；首先打开进水阀门，启动进水泵2将待处理的废水注入SBR反应器，当达到指定液位时，关闭进水阀，停止进水泵；也可以通过过程实时控制系统设定进水时间，满足时间条件后关闭进水泵和进水阀门，进入下一工序；此阶段结束后，将取样口的密封胶帽盖好，并设定在线参数的实时采集，开启恒温控制装置；
曝气步骤；打开进气阀门，启动曝气泵，调节至适量的曝气量对反应系统进行曝气，由曝气泵提供的压缩空气由进气管进入胶结砂芯曝气头，以微小气泡向活性污泥混合液高效供氧，并且使污水和活性污泥充分接触，同时收集气体，达到曝气时间后，关闭进气阀及曝气泵，转化气体收集管路并更换气体采样袋，待进入下一工序；
搅拌步骤；在搅拌过程中进入缺氧反硝化脱氮过程或者厌氧阶段，此阶段需开启辅助支持气将气体收集管路转换至单管路，此过程同时进行数据的在线采集，达到搅拌时间前，排放剩余污泥，而后关闭搅拌器，系统进入下一工序；
沉淀和排水步骤；进入沉淀阶段前，停止气体收集和在线参数的采集，关闭所有气体阀门，开始静止沉淀，达到预先设定的沉淀时间后，打开排水；
闲置步骤；排水结束后，进入闲置阶段，待达到设定时间后，准备进入下一周期。
本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果:
本发明一种基于过程控制的SBR法反应过程N2O气体收集装置与方法，污水处理过程与气体收集过程同时完成。气体收集的管路系统及压力调节系统不受SBR法运行方式的影响。SBR法的任何运行方式均可使用此收集系统。与同类设备相比，此装置具有运行稳定，所需设备简单，操作灵活，造价低廉的特点。本发明可广泛应用于各种废水处理过程产生气体的收集，特别适用于实验室规模的污水处理和微生物的纯菌培养等。


图1是基于过程 控制的SBR法反应过程N2O气体收集装置示意图2是装置顶部A-A剖面图3是装置顶部B-B剖面图4是压力调节计量装置图5是实际反应器上探头插入口俯视图6是探头插入口剖面图7是探头连接盖平面图8是工艺运行示意图。
图中:1_反应器；2_进水泵；3_曝气泵；4_气体流量计；5_胶结砂芯曝气头；6-机械搅拌器；7_温度控制器；8_加热棒；9-pH探头；IO-DO探头；11-0RP探头；12-取水样口 ；13-排泥管；14-排水管；15-放空管；16_水封；17-搅拌浆；18-压力调节计；19-取气口 ；20-辅助支持气接入口 ；21_气体收集管路接入口 ；22_可调节三通；23-干燥管；24-气体采样袋；25_辅助支持气体气瓶；26_分压表；27_法兰盘；28_胶垫；29_螺母；30_压力计接入口 b ;31_水封外套筒；32_水封内套筒；33_内套筒套封柱；34_压力计量瓶；35_刻度标示；36_压力调节胆；37_压力计连接口 a ;38-pH探头插入口 ；39_D0探头插入口 ；40_0RP探头插入口 ；41-|父圈；42-探头。
具体实施例方式以下结合说明书附图对本发明的具体实施方式
加以说明。通过本实施例要解决以下问题；请参阅图1所示，为基于过程控制的SBR法反应过程N2O气体收集装置示意图；从图中可以看出，该装置包括污水处理SBR反应器、气体收集系统、恒温控制装置、压力调节计量装置和在线检测系统；污水处理SBR反应器由反应器1、进水泵2、曝气泵3、气体流量计4、胶结砂芯曝气头5、机械搅拌器6、取水样口 12、排泥管13、排水管14、放空管15、搅拌浆17组成；具体连接方式为:反应器I下部的胶结砂芯曝气头5 (在反应器内部)通过曝气管路经过气体流量计4与曝气泵3相连，气体流量计和曝气泵在反应器外部；反应器底部设放空管15、侧壁设置取水样口 12三个、排水管14 一个、排泥管13 —个，在与取水样管和排水管相对的一侧；为保证混合均匀，反应器设搅拌器，搅拌桨17在反应器内部，在胶结砂芯曝气头上方，搅拌器电机6在反应器的外部，设置在反应器顶部；进水泵在反应器外部，通过进水管路为反应器提供水源。气体收集系统由反应器密封盖和收集管路组成；具体连接方式如下:取气口 19采用可随时取下更换的胶盖密封；取气孔中释放出来的气体经过收集管路系统的可调节三通22、经过干燥管23干燥、进入气体采样袋24 ;采用辅助支持气体气瓶25、分压表26控制反应器内的气压平衡；转换可调节三通22和开关辅助支持实现单管路和双管路收集系统的转化；管路连接时，应使用内壁光滑无吸附作用的软管或钢管。恒温控制装置由温度控制器7和加热棒8组成；加热棒8在反应器的内部，靠近反应器侧壁，但不接触侧壁，温度控制器7在反应器外部。压力调节计量装置由压力计量瓶34、刻度标示35、压力调节胆36、压力计连接口37和压力计接入口 30组成；具体连接方式如图2、3、4，在反应器顶部设置压力计接入口 30，通过软管与压力计连接口 37相连，压力计连接口 37下部与压力调节胆相连，并通过软管与压力计量瓶34相连，压力计量瓶34上标有刻度标示35。在线检测系统由在线传感器、测定仪和数据传输线组成。如图5反应器的侧壁从上至下依次设置pH探头插入口 38、DO探头插入口 39、ORP探头插入口、分别插入pH探头、DO探头10、ORP探头11，以检测反应过程中 pH值、溶解氧和氧化还原电位；如图6、7，探头插入孔内设胶圈41使探头42固定。
如图2、3，反应器密封盖在反应器顶部，通过胶垫28与反应器相连，通过法兰盘27和螺母29固定，反应器密封盖上部设置取气口、辅助支持气接入口 20、气体收集管路接入口 21、压力计接入口 30 ;为保证搅拌器密封，在反应器密封盖上设置水封，水封内套筒32在水封外套筒31内部，内套筒套封柱33水封内套筒32内部，固定搅拌桨。
一种基于过程控制的SBR法反应过程N2O气体收集方法，可完成污水处理过程的气体收集及气体的前处理过程，反应器运行方式的变化对气体收集过程无任何影响。在污水处理及气体收集的同时，可完成过程控制参数的在线检测。主要包括以下步骤:
准备步骤；将传感器探头安装于反应器上，连接气体收集管路，根据试验最先进行的阶段，选择相应的管路连接方式。此阶段保持取样口敞开。
进水步骤；首先打开进水阀门，启动2-进水泵将待处理的废水注入SBR反应器，当达到指定液位时，关闭进水阀，停止进水泵。也可以通过过程实时控制系统设定进水时间，满足时间条件后关闭进水泵和进水阀门，进入下一工序。此阶段结束后，将取样口的密封胶帽盖好，并设定在线参数的实时采集，开启恒温控制装置。
曝气步骤；打开进气阀门，启动曝气泵，调节至适量的曝气量对反应系统进行曝气，由曝气泵提供的压缩空气由进气管进入胶结砂芯曝气头，以微小气泡向活性污泥混合液高效供氧，并且使污水和活性污泥充分接触，同时收集气体。通过检测反应过程的PH值、溶解氧值的变化，判断反应的进程，当PH值曲线由下降转上升、溶解氧曲线出现快速跃升时，即表征反应已结束，达到曝气时间，之后关闭进气阀及曝气泵，转化气体收集管路并更换气体采样袋。待进入下一工序。
搅拌步骤；在搅拌过程中主要进入缺氧反硝化脱氮过程或者厌氧阶段，此阶段需开启辅助支持气将气体收集管路转换至单管路，此过程同时进行数据的在线采集，当PH值曲线由上升转下降、即表征反应已结束，达到搅拌时间，并排放剩余污泥，而后关闭搅拌器，系统进入下一工序。
沉淀和排水步骤；进入沉淀阶段前，停止气体收集和在线参数的采集，关闭所有气体阀门，开始静止沉淀，达到预先设定的沉淀时间后，打开排水。
闲置步骤；排水结束后，进入闲置阶段。待达到设定时间后，准备进入下一周期。
气体收集的过程如下:
SBR法运行过程中主要在生化反应过程中进行N2O气体的收集，好氧段和缺氧段/厌氧段气体收集的过程使用不同的管路系统。好氧反应时曝气量较大，易引起反应器上部压力的升高，同时需要使用大体积采样袋方可完成气体的收集。为充分降低好氧段反应器上部的压力，采用双管路收集的方式。缺氧段/厌`氧段产生的气体量少，对反应器内混合液进行分析测定取样时，有可能引起反应器上部气体压力的降低，当低于常压时，可能破化反应器上部水封，因此，可通入微量的辅助气，以保证反应器上部压力略高于常压，缺氧段/压氧段采用单管路配有辅助支持气体的管路系统。由于缺氧段/厌氧段产气量和支持气量较小，此阶段宜选用较小的气体采样袋。
SBR法好氧段的运行过程:根据设计的水量原污水进入SBR反应器，启动气泵进行曝气，同时开启在线传感器进行在线控制参数的传输，此阶段好氧去除水中有机物，然后将水中氨氮氧化为硝态氮，即进行硝化反应。曝气过程中所产生及剩余的气体，经过双管路系统收集于气体采样袋。气体采样袋体积由曝气时所采用曝气量的大小决定。当曝气量较小不能够使活性污泥与污水充分混合时，开启搅拌器。曝气结束后，根据SBR法所设定的运行方式，进入下一工况。SBR法缺氧段/压氧段的运行过程:缺氧段/压氧段开始前，首先开启支持气，同时将气体收集管路转换至单管路系统，而后开启搅拌器。缺氧段/压氧段产生的气体和支持气收集于气体采样袋中。缺氧段/压氧段结束后，根据SBR法所设定的运行方式，进入下
一工况。SBR法反应段结束后，停止气体的收集，依次进入沉淀、排水、闲置阶段，并以一定的周期依次重复以上步骤，并根据污泥龄定期排放剩余污泥。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，SBR法的工艺运行方式见图
5。所选择的SBR反应器有效容积15L，工作容积14L，反应器内混合液的COD浓度维持在20(T300mg/L，NH4+-N浓度在55 60mg/L，反应器内初始的污泥浓度在2200 2400mg.L-1，曝气量恒定在100L/h，泥龄维持在13d左右，反应温度29°C。外加碳源采用污水乙醇。主要对收集气体所产生的N2O进行测定。SBR法工艺运行及气体收集过程具体过程如下:进水应用本发明所提供的基于过程控制的SBR法反应过程N2O气体收集装置，首先打开进水阀门，启动进水泵将待处理的废水注入SBR反应器，通过过程实时控制系统设定进水时间为3分钟，进水泵的流量为4L/min。达到进水时间后，关闭进水泵和进水阀门，开启恒温控制装置。进入曝气和气体收集阶段，同时进行在线数据采集，所测定的在线参数为pH、DO和ORP。气体收集管路采用双管路。好氧曝气打开进气阀门，启动曝气泵，曝气量恒定在100L/h，为防止泥水混合不均，曝气同时开启搅拌，整个过程由过程实时控制系统实施控制。其间分时段收集气体，并采集水样测定水质参数。此阶 段去除原污水中的有机物，将氨氮和有机氮转化为亚硝酸盐和硝酸盐，完成硝化作用。当达到曝气时间后，关闭曝气泵及进气阀，停止曝气转换收集气路为单气路，开启辅助支持气，排除一定的剩余污泥，然后系统进入缺氧段。缺氧搅拌关闭曝气后，投加适量乙醇进行反硝化。其间分时段收集气体，并采集水样测定水质参数。达到搅拌时间后，关闭搅拌器，系统进入沉淀阶段。停止气体收集，关闭温度控制器。沉淀、排水和闲置阶段当搅拌工序结束时，静止沉淀阶段开始，沉淀时间为I小时。达到设定时间后，打开排水阀门，进入排水阶段，排水时间设定为10分钟。闲置时间为6分钟。下一周期开始。利用SBR法生化反应过程气体收集装置，生活污水最终处理出水中COD小于50mg/L、总氮小于5mg/L，N2O含量占进水TN量5%。
权利要求
1.一种基于过程控制的SBR法反应过程N2O气体收集装置，该装置包括污水处理SBR反应器、气体收集系统、恒温控制装置、压力调节计量装置和在线检测系统；其特征在于:所述的污水处理SBR反应器由反应器(I)、进水泵(2)、曝气泵(3)、气体流量计(4)、胶结砂芯曝气头(5)、机械搅拌器(6)、取水样口(12)、排泥管(13)、排水管(14)、放空管(15)、搅拌浆(17)组成； 所述的气体收集系统由反应器密封盖和收集管路组成；所述的收集管路系统由可调节三通(22)、干燥管(23)、气体采样袋(24)、辅助支持气体气瓶(25)、分压表(26)组成； 转换可调节三通(22)和开关辅助支持实现单管路和双管路收集系统的转化； 恒温控制装置由温度控制器(7)和加热棒(8)组成； 所述的压力调节计量装置由压力计量瓶(34)、刻度标示(35)、压力调节胆(36)、压力计连接口(37)和压力计接入口(30)组成； 所述的在线检测系统由在线传感器、测定仪和数据传输线组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于过程控制的SBR法生化反应过程气体收集装置，其特征在于:所述的反应器密封盖由取气口、辅助支持气接入口(20)、气体收集管路接入口(21)、法兰盘(27)、胶垫(28)、螺母(29)、压力计接入口 (30)、水封外套筒(31)、水封内套筒(32)和内套筒套封柱(33)组成。
3.根据权利要求2所述的一种基于过程控制的SBR法生化反应过程气体收集装置，其特征在于:所述的取气口(19)采用可随时取下更换的胶盖密封。
4.一种基于过程控制的SBR法反应过程 N2O气体收集方法，其特征在于包括以下步骤: 准备步骤；将传感器探头安装于反应器上，连接气体收集管路，根据试验最先进行的阶段，选择相应的管路连接方式；此阶段保持取样口敞开； 进水步骤；打开进水阀门，启动进水泵(2)将待处理的废水注入SBR反应器，当达到指定液位时，关闭进水阀，停止进水泵；也可以通过过程实时控制系统设定进水时间，满足时间条件后关闭进水泵和进水阀门，进入下一工序；此阶段结束后，将取样口的密封胶帽盖好，并设定在线参数的实时采集，开启恒温控制装置； 曝气步骤；打开进气阀门，启动曝气泵，调节至适量的曝气量对反应系统进行曝气，由曝气泵提供的压缩空气由进气管进入胶结砂芯曝气头，以微小气泡向活性污泥混合液高效供氧，并且使污水和活性污泥充分接触，同时收集气体，达到曝气时间后，关闭进气阀及曝气泵，转化气体收集管路并更换气体采样袋，待进入下一工序； 搅拌步骤；在搅拌过程中进入缺氧反硝化脱氮过程或者厌氧阶段，此阶段需开启辅助支持气将气体收集管路转换至单管路，此过程同时进行数据的在线采集，达到搅拌时间前，排放剩余污泥，而后关闭搅拌器，系统进入下一工序； 沉淀和排水步骤；进入沉淀阶段前，停止气体收集和在线参数的采集，关闭所有气体阀门，开始静止沉淀，达到预先设定的沉淀时间后，打开排水； 闲置步骤；排水结束后，进入闲置阶段，待达到设定时间后，准备进入下一周期。
全文摘要
本发明公开了一种基于过程控制的SBR法反应过程N2O气体收集装置和收集方法，污水处理SBR反应器由反应器(1)、进水泵(2)、曝气泵(3)、气体流量计(4)、胶结砂芯曝气头(5)、机械搅拌器(6)、取水样口(12)、排泥管(13)、排水管(14)、放空管(15)、搅拌浆(17)组成；气体收集系统由反应器密封盖和收集管路组成；转换可调节三通(22)和开关辅助支持实现单管路和双管路收集系统的转化；收集方法包括准备步骤，进水步骤，曝气步骤，搅拌步骤，沉淀和排水步骤和闲置步骤。与同类设备相比，此装置具有运行稳定，所需设备简单，操作灵活，造价低廉的特点。特别适用于实验室规模的污水处理和微生物的纯菌培养等。
文档编号C02F3/12GK103145243SQ20131003860
公开日2013年6月12日 申请日期2013年1月31日 优先权日2013年1月31日
发明者刘秀红, 杨庆, 谷鹏超, 李健伟, 贾方旭 申请人:北京工业大学