实现短程硝化的序批式生物膜反应器装置与方法
【专利摘要】本发明公开了实现短程硝化的序批式生物膜反应器装置与方法。所述装置包括：序批式生物膜反应器，原水箱，加碱箱，pH传感器，溶解氧（DO）传感器，可编程过程控制器。所述方法是在硝化过程中采用溶解氧-移动斜率作为硝化过程结束的指示参数，及时停止曝气，并在曝气结束后将序批式生物膜反应器内部溶液由底部排水管全部排空，防止生物膜上的亚硝态氮氧化细菌利用上一周期出水残留的亚硝态氮进行生长，从而实现序批式生物膜反应器的短程硝化。本发明将以溶解氧-移动斜率为指示参数作为序批式生物膜反应器氨氧化过程指示参数，具有硝化反应时间短，短程硝化效果稳定、曝气能耗小、运行管理灵活，出水浊度低、污泥产量小等优点。
【专利说明】实现短程硝化的序批式生物膜反应器装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及实现短程硝化的序批式生物膜反应器装置与方法，属于污水生物处理【技术领域】，适用于城市污水的深度处理。
【背景技术】
[0002]随着国民生活水平的提高，城市污水的排放总量度逐渐增大；由于水体“富营养化”等环境问题日益突出，日益增长的环境保护要求与当前环境污染现状矛盾日益加深，国家对于城市污水制定的处理排放标准也逐渐提高；这两方面都要求污水处理厂增加处理能力，提闻处理效果；
[0003]污水处理厂的提标改造是当前污水处理厂面临的紧要问题之一；因此研发高效、低能耗、投资少、适用于提标改造的生物脱氮工艺与装置是当今水处理领域的研究重点。
[0004]污泥产量大是活性污泥法的缺点之一，污泥产量的增加提高了污泥的处置成本，且污泥饼的最终处置方案往往进行卫生填埋，这有可能带来土壤污染的新问题。
[0005]短程硝化技术是当前脱氮领域的研究热点，其具有节省曝气、减少碳源投放、污泥产量小等特点，但如何实现短程硝化仍然是水处理领域面临的难题，对于如何将短程硝化技术应用于生物膜法更是研究较少，这限制了短程硝化技术在水处理领域更加广泛的应用。
[0006]序批式生物膜法具有占地面积小、硝化负荷高、污泥产量小等优点。其适用于污水处理厂的硝化段改造，可有效提高硝化能力，且投资少、占地小。但序批式生物膜法污泥龄较长的特点限制了短程硝化技术的应用。
[0007]国内外对如何将短程硝化技术应用于序批式生物膜法的研究较少，大多是采用高氨氮负荷、高游离氨浓度(FA)等方式实现短程硝化，并不适用于城市污水的处理。因此，当下需要迫切解决的一个技术问题就是:如何将短程硝化技术应用于序批式生物膜法处理城市污水。
【发明内容】
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[0008]本发明的目的在于解决序批式生物膜法难以实现短程硝化的难题，提供实现短程硝化的序批式生物膜反应器装置与方法。
[0009]本发明所提供的方法是在硝化过程中采用溶解氧-移动斜率作为硝化过程结束的指示参数，及时停止曝气，并在曝气结束后将序批式生物膜反应器内部溶液由底部排水管全部排空，防止生物膜上的亚硝态氮氧化细菌利用上一周期出水残留的亚硝态氮进行生长，从而实现序批式生物膜反应器的短程硝化。
[0010]本发明提供了实现短程硝化的序批式生物膜反应器装置(见图1)，包括:
序批式生物膜反应器4连接进水管2、碱液管10 ;进水管2上设置进水泵3 ;排水管17
上设置排水阀16 ;曝气管14上设置曝气阀门13 ;碱液管10上设置加碱泵11 ;原水箱I通过进水管2连接到序批式生物 膜反应器4 ;碱液箱9通过碱液管10连接到序批式生物膜反应器4 ;空气压缩机12通过曝气管14连接到序批式生物膜反应器4 ;在序批式生物膜反应器4内设置pH传感器7、溶解氧(DO)传感器、曝气砂头15、穿孔承托盘6、填料5 ;pH传感器7,DO传感器8与可编程过程控制器18连接；可编程过程控制器18内设置进水继电器19、DO传感接口 20、pH传感接口 21、空气压缩机继电器22、曝气继电器23、排水继电器24、力口碱继电器25 ;可编程过程控制器18连接进水泵3、空气压缩机12、曝气阀门13、排水阀16、加碱泵11。
[0011]本发明还提供实现序批式生物膜反应器短程硝化的方法，包括:
[0012]I进水量占反应器有效容积比例设为40%?50%，填料体积占反应器有效容积比例设为60%?50% ;启动进水泵将原水加入序批式生物膜反应器；当达到设定进水量占反应器有效容积比例后关闭进水栗；
[0013]II启动空气压缩机和曝气阀门，可编程过程控制器实时接收pH传感器、DO传感器数值，溶解氧浓度控制在2.0?8.0mg/L ;通过开启/关闭加碱泵调节序批式生物膜反应器pH值在7?8.5范围内，每隔I?2min记录pH、DO浓度值，对相邻10?15个DO值求平均值，并计算其移动斜率(MSC)值，当DO-MSC值的在0.02?0.1范围内，且曝气时间超过60min，视为出现氨氧化过程结束点，关闭曝气阀门、关闭空气压缩机；
[0014]III排水量为序批式生物膜反应器内全部溶液体积，序批式生物膜反应器内溶液全部排空后关闭出水阀；
[0015]IV序批式生物膜反应器进入10?20min的闲置期；
[0016]检测工序II曝气结束时亚硝态氮质量浓度、硝酸态质量浓度，当亚硝态氮质量浓度*100%/(亚硝态氮质量浓度+硝态氮质量浓度)〈80%或曝气时间在O?180min内未出现氨氧化过程结束点，返回工序I ;当亚硝态氮质量浓度*100%/(亚硝态氮质量浓度+硝态氮质量浓度)> 80%且曝气时间.在O?ISOmin内出现氨氧化过程结束点则停止运行。
[0017]进一步地，所述的排水管设置在序批式生物膜反应器底部，设置在排水时可将反应器内部溶液完全排空的位置；
[0018]进一步地，其特征在于序批式生物膜反应器内所设置的填料为陶粒，其密度在
1.0?1.2g/cm3范围内，且填料在静水中不上浮。
[0019]综上，本发明提供的实现序批式生物膜反应器短程硝化的方法，针对序批式生物膜反应器难以实现短程硝化的现状，提出实现序批式生物膜反应器短程硝化的方法。
[0020]本发明的技术原理在于:利用氨氧化过程结束溶解氧浓度产生突跃的特点，以溶解氧-移动斜率作为硝化过程结束的指示参数，及时停止曝气减少亚硝态氮氧化细菌生长的机会；并在曝气结束后将序批式生物膜反应器内部溶液由底部排水管全部排空，防止生物膜上的亚硝态氮氧化细菌利用上一周期出水残留的亚硝态氮进行生长，最大可能地减少了亚硝态氮氧化菌的生长机会，这有利于生物膜上氨氧化细菌成为硝化细菌的优势菌种，提高序批式生物膜反应器硝化能力，提高其容积负荷，并形成稳定的短程硝化。
[0021]本发明具有以下优点:
[0022]I)本发明克服了序批式生物膜法污泥龄长、不易形成短程硝化的不利影响，利用溶解氧-移动斜率作为硝化过程结束的指示参数，及时排放富含亚硝态氮的污水，减少了亚硝态氮氧化细菌的生长机会，为如何实现序批式生物膜反应器短程硝化提供技术支持；
[0023]2)硝化反应时间短，容积负荷高，出水浊度低。生物膜是适合污泥龄较长的硝化细菌的生长场所，其容积负荷、溶解氧利用效率均高于活性污泥法，因此序批式生物膜反应器是一种高效的硝化装置；由反应器底部出水，经过填料的过滤作用，出水悬浮物少，浊度低；
[0024]3)污泥产量小，抗冲击能力强。生物膜上生物链较长，原生动物、后生动物的捕食作用降低了污泥产量，细菌附着生长在填料上，多层的微生物群落结构减小了有毒有害物质对微生物的毒害作用，有利于稳定高效的处理污水；
[0025]4)自动化水平高，节能降耗效果显著，由于序批式生物膜反应器采用了溶解氧-移动斜率作为硝化过程控制参数，可根据进水水质的波动及时停止曝气并有利于形成短程硝化，有效减少了曝气能耗、节省运行费用。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明的实现短程硝化的序批式生物膜反应器装置示意图。
[0027]图2是本发明的实施例中短程硝化启动成功后序批式生物膜反应器某一反应周期(第55天)内污染物指标(氨氮、亚硝态氮、硝态氮)的变化曲线示意图。
[0028]图3是本发明的实施例中序批式生物膜反应器某一反应周期(第55天)过程控制参数pH、DO、DO-MSC的变化曲线示意图。
【具体实施方式】
[0029]序批式生物膜反应器4连接进水管2、碱液管10 ;进水管2上设置进水泵3 ;排水管17上设置排水阀16 ;曝气管14上设置曝气阀门13 ;碱液管10上设置加碱泵11 ;原水箱I通过进水管2连接到序批式生物膜反应器4 ;碱液箱9通过碱液管10连接到序批式生物膜反应器4 ;空气压缩机12通过曝气管14连接到序批式生物膜反应器4 ;在序批式生物膜反应器4内设置pH传感器 7、溶解氧(DO)传感器8、曝气砂头15、穿孔承托盘6、填料(陶粒)5 ；pH传感器7、DO传感器8与可编程过程控制器18连接；可编程过程控制器18内设置进水继电器19、DO传感接口 20、pH传感接口 21、空气压缩机继电器22、曝气继电器23、排水继电器24、加碱继电器25 ;可编程过程控制器18连接进水泵3、空气压缩机12、曝气阀门13、排水阀16、加碱泵11。
[0030]下面结合附图1和实施例对本发明做进一步说明:如图1所示，序批式生物膜反应器装置示意图包括:序批式生物膜反应器4连接进水管2、碱液管10 ;进水管2上设置进水泵3 ;排水管17上设置排水阀16 ;曝气管14上设置曝气阀门13 ;碱液管10上设置加碱泵11 ;原水箱I通过进水管2连接到序批式生物膜反应器4 ;碱液箱9通过碱液管10连接到序批式生物膜反应器4 ;空气压缩机12通过曝气管14连接到序批式生物膜反应器4 ;在序批式生物膜反应器4内设置pH传感器7、溶解氧(DO)传感器8、曝气砂头15、穿孔承托盘6、填料(陶粒)5 ;pH传感器7、DO传感器8与可编程过程控制器18连接；可编程过程控制器18内设置进水继电器19、D0传感接口 20、pH传感接口 21、空气压缩机继电器22、曝气继电器23、排水继电器24、加碱继电器25 ;可编程过程控制器18连接进水泵3、空气压缩机12、曝气阀门13、排水阀16、加碱泵11。
[0031]以某大学排放经过除碳预处理的污水为研究对象(pH=7-7.8，C0D=10-20mg/L,NH4+-N=52-91mg/L)。试验装置采用有效体积为12L的小试序批式生物膜反应器，每周期处理水量为6L，填料采用陶粒，堆积密度为1.lg/L，陶粒体积占反应器有效容积的50%。
[0032]本发明所述强化生物硝化效果的方法包括以下步骤:
[0033]I进水时间为lOmin，进水量占反应器有效容积比例为50%，通过可编程过程控制器控制进水泵，启动进水泵将污水从原水箱加入到序批式生物膜反应器，当进水量占反应器有效容积比例达到50%时关闭进水泵；
[0034]11启动空气压缩机和曝气阀门，可编程过程控制器实时接收pH传感器、DO传感器数值，溶解氧浓度控制在2.0?8.0mg/L ;通过开启/关闭加碱泵调节序批式生物膜反应器pH值在7?8.5范围内，每隔Imin记录pH、DO浓度值，对相邻10个DO值求平均值，并计算其移动斜率(MSC，n=5)值，当DO-MSC值的在0.02?0.1范围内，且曝气时间超过60min，视为出现氨氧化过程结束点，关闭曝气阀门、关闭空气压缩机；
[0035]III排水量占反应器有效容积比例设为50%，达到设定排水量占反应器有效容积比例后关闭出水阀；
[0036]IV序批式生物膜反应器进入IOmin的闲置期；
[0037]检测工序II曝气结束·时亚硝态氮质量浓度、硝酸态质量浓度，当亚硝态氮积累率=亚硝态氮质量浓度*100%/ (亚硝态氮质量浓度+硝态氮质量浓度)〈80%或曝气时间在O?ISOmin内未出现氨氧化过程结束点，返回工序I ;当亚硝态氮质量浓度*100%/(亚硝态氮质量浓度+硝态氮质量浓度)> 80%且曝气时间在O?180min内出现氨氧化过程结束点则停止运行。
[0038]由图2序批式生物膜反应器处理含氨氮污水的某一反应周期(第55天)的污染物变化图可以看出，氨氮氧化速率很大，氨氧化活性强，氨氧化终产物以亚硝态氮为主，亚硝态氮积累率>80%，且在120min附近氨氮全部被氧化；与此对应的图3该反应周期过程控制参数pH、DO、DO-MSC的变化曲线示意图显示DO在120min附近出现突跃，DO-MSC迅速提高到0.3,pH的下降速度放缓,DO-MSC值与氨氧化降解过程结束点对应良好，可作为氨氧化过程控制参数。
[0039]本发明所述序批式生物膜反应器运行温度在20?30°C范围内；通过检测硝化阶段溶解氧-移动斜率变化点，并及时停止曝气，序批式生物膜反应器经过52天的运行，亚硝态氮质量浓度*100%/ (亚硝态氮质量浓度+硝态氮质量浓度)由启动初期的小于10%提高到80%，成功启动了短程硝化；系统运行稳定后，在温度为25°C时，序批式生物膜反应器的容积负荷为0.3KgNH4+-N/(m3 -d);序批式生物膜反应器出水氨氮浓度为l_5mg/L，出水亚硝态氮浓度为45-83mg/L，出水硝态氮为l_9mg/L，出水浊度为1-10NTU。
【权利要求】
1.实现短程硝化的序批式生物膜反应器装置，其特征在于包括:序批式生物膜反应器连接进水管、排水管、碱液管；进水管上设置进水泵；排水管上设置排水阀；曝气管上设置曝气阀门；碱液管上设置加碱泵；原水箱通过进水管连接到序批式生物膜反应器；碱液箱通过碱液管连接到序批式生物膜反应器；空气压缩机通过曝气管连接到序批式生物膜反应器；在序批式生物膜反应器内设置PH传感器、DO传感器、曝气砂头、穿孔承托盘、填料；pH传感器、DO传感器与可编程过程控制器连接；可编程过程控制器内设置进水继电器、DO传感接口、PH传感接口、空气压缩机继电器、曝气继电器、排水继电器和加碱继电器；可编程过程控制器连接进水泵、空气压缩机、曝气阀门、排水阀和加碱泵。
2.应用权利要求1所述装置实现短程硝化的序批式生物膜反应器的方法，其特征在于，包括以下步骤: I进水量占反应器有效容积比例设为40%?50%，填料体积占反应器有效容积比例设为60%?50% ;启动进水泵将原水加入序批式生物膜反应器；当达到设定进水量占反应器有效容积比例后关闭进水泵； II启动空气压缩机和曝气阀门，可编程过程控制器实时接收PH传感器、DO传感器数值，溶解氧DO浓度控制在2.0?8.0mg/L ;通过开启或关闭加碱泵调节序批式生物膜反应器pH值在7?8.5范围内，每隔I?2min记录pH、D0浓度值，计算DO浓度的移动斜率MSC值，当DO-MSC值的在0.02?0.1范围内，且曝气时间超过60min，视为出现氨氧化过程结束点，关闭曝气阀门、关闭空气压缩机； III排水量为序批式生物膜反应器内全部溶液体积,序批式生物膜反应器内溶液全部排空后关闭出水阀； IV系统进入10?20分钟的闲置期； 检测工序II曝气结束时亚硝态氮质量浓度、硝酸态质量浓度，当亚硝态氮质量浓度*100%/(亚硝态氮质量浓度+硝态氮质量浓度)〈80%或曝气时间在O?180min内未出现氨氧化过程结束点，返回工序I ;当亚硝态氮质量浓度*100%/ (亚硝态氮质量浓度+硝态氮质量浓度)> 80%且曝气时间在O?ISOmin内出现氨氧化过程结束点则停止运行。
【文档编号】C02F3/30GK103435161SQ201310393480
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月3日 优先权日:2013年9月3日
【发明者】王淑莹, 张宇坤, 董怡君 申请人:北京工业大学