有效控制好氧颗粒污泥体系溶解氧的反应器装置及方法与流程

本发明涉及一种有效控制好氧颗粒污泥体系溶解氧的反应器装置及方法，属于废水生物处理技术领域。

背景技术：

好氧颗粒污泥是在好氧条件下自发形成的微生物自固定形式，具有优异的沉降性能、较高的生物持留量、较低的污泥产率以及抗有机负荷冲击性能，大大弥补了传统活性污泥法的不足。2005年在德国慕尼黑召开的第一届好氧颗粒污泥研讨会对其做出明确定义，认为好氧颗粒污泥作为一种微生物聚集体，其颗粒不随水力剪切力的降低而凝聚并具有相比絮体污泥较快的沉降速度并认为好氧颗粒污泥技术是一项有发展前途的污水处理新技术。此后，研究热点主要集中在好氧颗粒污泥的形成机理、培养条件以及主要影响因素并加速其工程化应用。研究表明，好氧颗粒污泥由于溶解氧的传质阻力由内向外可形成厌氧-缺氧-好氧区，为多种功能微生物提供适宜的生态位，作用于好氧颗粒污泥体系的水力剪切力主要通过曝气提供，较大的水力剪切力是实现好氧污泥从絮状到颗粒状转化的重要条件，并能保证好氧颗粒污泥反应器长期稳定运行。

然而，目前为提供足够的水力剪切力以促进污泥颗粒化和稳定，sbr反应器多采用较高表面气速以促进疏水性胞外多聚物的分泌进一步强化污泥聚集形成高强度颗粒，较高表面气速的维持需要较高曝气量，这引起曝气阶段能源浪费并由于高曝气量引起的体系高溶解氧浓度使好氧颗粒污泥内部缺氧、厌氧区相对减少，不利于反硝化、除磷等兼性厌氧功能微生物的聚集和发挥作用，降低体系污染物去除性能。因此，在控制体系溶解氧的同时保证足够的水力剪切力在维持好氧颗粒污泥结构稳定的前提下提高了颗粒污泥内部缺氧、厌氧区，使大量脱氮除磷功能菌群持留，对体系高效脱氮除磷、降低运行能耗具有重要实际意义。

技术实现要素：

本发明涉及一种有效控制好氧颗粒污泥体系溶解氧的反应器装置，在控制体系溶解氧的同时保证足够的水力剪切力，实现好氧颗粒污泥结构稳定、污染物高效去除并降低运行能耗。

本发明具体采用的技术方案如下：

有效控制好氧颗粒污泥体系溶解氧的反应器装置，包括反应器主体、进水单元、曝气单元以及出水单元；

所述的反应器主体侧面设置有进水口和出水口，顶部通过法兰盖密封；反应器主体内液面以下设有连接至溶解氧在线监测仪表的溶解氧探头；

所述的曝气单元包括空气泵、第一转子流量计、第二转子流量计、第三转子流量计和多孔曝气头，多孔曝气头位于反应器主体的底部，并通过气管顺次连接第二转子流量计、第一转子流量计和空气泵，反应器主体顶部的法兰盖上连接两路排气管道，其中一路由第三转子流量计控制直接排入大气中，另一路通过引风机回流至第二转子流量计的进气口；

所述的进水单元和出水单元分别用于反应器主体的进水和出水。

作为优选，所述的进水单元，包括与反应器主体上部的进水口顺次相连的液体止回阀和潜水泵，潜水泵设置于进水桶内。

作为优选，所述的出水单元，包括蠕动泵与出水桶，蠕动泵两端分别通过管道连接出水口和出水桶。

作为优选，所述的反应器主体侧面由上至下在不同高度处设有若干个出水口。

作为优选，所述的反应器主体内还设有用于感应液位高度的液位计探头。

作为优选，还设有控制单元，用于进行中央控制。

进一步的，所述的控制单元采用plc控制器。

作为优选，所有管线穿过法兰盖进入反应器主体的开孔处，均利用石蜡进行密封。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一方案中的装置的培养好氧颗粒污泥的方法，具体为：在反应器主体内以sbr工艺对废水进行处理，运行前先接种污泥，接种mlss为4-6g/l；进水基质为城镇污水，进水cod浓度为300-800mg/l，运行过程中维持有机负荷1.5-3.0kgcod·m^-3·d^-1；采用4-8的高径比和30％-70％的排水比；sbr运行周期为4-6h，分为进水、曝气、沉淀、出水四个阶段，其中沉淀时间为5-60min；曝气时间为3-5h，在曝气过程中，通过控制第三转子流量计调节直接排入大气的空气量，使反应器中部分已经过曝气的气体重新回流至多孔曝气头中，为颗粒污泥体系提供足够的水力剪切力的同时控制溶解氧浓度。

本发明的有益效果：

由于本发明采用气体回流控制溶解氧的运行方式，克服了高曝气量导致的高溶解氧条件下颗粒污泥内部厌氧、缺氧区减少，兼性厌氧微生物生态位不足的问题，可促进脱氮除磷等功能微生物的有效富集，实现反应器长期稳定运行。

由于采用气体回流控制溶解氧的运行方式，相比传统sbr法在保证水力剪切力的同时可有效降低曝气量，实现好氧颗粒污泥工艺的进一步节能降耗。

附图说明

图1为有效控制好氧颗粒污泥体系溶解氧的反应器装置的结构示意图；

图2位本发明中法兰盖上开孔位置示意图。

其中：空气泵1、第一转子流量计2.1、第二转子流量计2.2、第三转子流量计2.3、微孔曝气头2.4、控制单元3、潜水泵4、进水桶5、止回阀6、液位计探头7、蠕动泵8、出水桶9、出水口10、溶解氧探头11、溶解氧在线监测仪表12、气体回流孔13、进气口14、排气口15、监测孔16、控制孔17。

具体实施方式

以下通过实施例和附图对发明进一步说明。

如图1所示，一种有效控制好氧颗粒污泥体系溶解氧的反应器装置，包括进水单元、反应器主体、曝气单元、出水单元以及控制单元。

反应器主体为圆柱形，侧面上方设置进水口，侧面从上至下设置有多个间隔排布的出水口10，实际使用时可以选择其中一个出水。反应器主体顶部通过法兰盖密封，底部设置排泥口。如图2所示，法兰盖上开设有5个通孔，分别为气体回流孔13、进气口14、排气口15、监测孔16和控制孔17，用于穿设不同的管路，为了保证反应器内部的密闭环境，所有管线穿过法兰盖进入反应器主体的开孔处，均利用石蜡进行密封。

反应器主体内液面以下设有溶解氧探头11，并通过监测孔16连接至溶解氧在线监测仪表12，用于实时显示反应器内废水的溶解氧浓度(do)。

进水单元和出水单元分别用于反应器主体的进水和出水，其中进水单元，包括与反应器主体上部的进水口顺次相连的液体止回阀6和潜水泵4，潜水泵4设置于进水桶5内，进水桶5中存储有待处理的废水；出水单元，包括蠕动泵8与用于收集出水的出水桶9，蠕动泵8两端分别通过管道连接出水口10和出水桶9。

曝气单元包括空气泵1、第一转子流量计2.1、第二转子流量计2.2、第三转子流量计2.3和多孔曝气头2.4，多孔曝气头2.4位于反应器主体的底部，并通过气管穿过进气口14后顺次连接第二转子流量计2.2、第一转子流量计2.1和空气泵1。空气泵1通过多孔曝气头2.4将含氧空气鼓入废水中，以调节水中的do。反应器主体顶部的法兰盖上连接两路排气管道，其中一路穿过排气口15直接排入大气中，该管路由第三转子流量计2.3控制流通气量。另一路穿过气体回流孔13后通过引风机2.5回流至第二转子流量计2.2的进气口，然后通过多孔曝气头2.4重新对废水进行曝气。

反应器整体由控制单元3进行中央控制，控制单元3可采用单片机、plc等实现。控制单元3连接空气泵1、第一转子流量计2.1、第二转子流量计2.2、第三转子流量计2.3、微孔曝气头2.4、潜水泵4、液位计探头7、蠕动泵8，对各设备进行自动化控制。另外，也可以连接溶解氧在线监测仪表12，针对溶解氧数据进行闭环控制。

该反应器装置的运行工作流程如下:

利用潜水泵4将进水桶5中的废水基质抽入反应器中，当液位计探头7探测到液位达到目标高度时，停止潜水泵4工作。然后运行sbr工艺，曝气阶段利用空气泵1鼓入空气进行曝气，此过程中通过溶解氧探头11和溶解氧在线监测仪表12实时监测水体中的溶解氧浓度。在曝气过程中，do和曝气量根据反应器有机负荷并参照《序批式活性污泥污水处理工程技术规范(hj577-2010)》相关标准计算求得，由第一转子流量计2.1调节。体系水力剪切力根据通过多孔曝气头2.4扩散到反应器主体中气体的表面气速间接确定，表面气速通过第三转子流量计2.3控制从法兰盖排气孔15逸出气体的流量使反应器内低含氧量的气体通过回流孔13回流至第二转子流量计2.2入口，与新鲜空气混合进行曝气。由于此部分空气已经经过了一次或多次的曝气循环，因此其中的氧含量大大降低，可以在提高气速和污泥体系水力剪切力的同时，控制水中的do含量。最后，利用第二转子流量计2.2整体控制通过多孔曝气头2.4的曝气气体流量。反应器出水通过蠕动泵8抽入出水桶9中。

利用该装置进行好氧颗粒污泥培养时，采用sbr工艺运行反应器，运行周期分为进水—曝气—沉淀—出水四个阶段，具体工艺如下：运行前先接种污泥，接种污泥取自市政污水处理厂曝气池；接种mlss为4-6g/l；进水基质为城镇污水，进水cod浓度为300-800mg/l，维持有机负荷1.5-3.0kgcod·m^-3·d^-1；采用4-8的高径比，有利于颗粒化污泥筛选作用；采用30％-70％的排水比；运行周期为4-6h，保证污染物去除效率的同时增加污水处理量；沉降时间为5-60min，有利于絮体污泥的洗出及污泥颗粒化；曝气时间为3-5h。

当前好氧颗粒污泥工艺为保证体系足够的水力剪切力导致体系较高曝气量和溶解氧浓度，不利于颗粒污泥兼氧微生物的富集。相较之下，本发明在曝气阶段，在曝气过程中，通过控制第三转子流量计2.3调节直接排入大气的空气量，使反应器中部分已经过曝气的气体重新回流至多孔曝气头2.4中，为颗粒污泥体系提供足够的水力剪切力的同时控制溶解氧浓度。一般根据实际运行需要，控制空气泵1气流量40-200l/h，通过控制出气口第三转子流量计2.3的气流量实现进气口第二转子流量计2.2的气流量介于400-600l/h，保证反应器表面气速1.0-2.5cm/s。

实施例

本实施例中处理城镇污水的好氧颗粒污泥工艺采用一个有效容积为4.0l的序批式反应器(sbr)，反应器的主体为圆柱形的有机玻璃筒，筒高50cm，内径10cm，高径比为5，其结构如图1所示，不再赘述。反应器运行程序由一套plc控制器进行控制。

本实施例接种污泥取自市政污水处理厂曝气池，香农指数为4.96，意味着颗粒中有较高的菌群丰度，门水平菌群结构分析发现，变形菌门以及拟杆菌门占到了65％以上，这些细菌都是好氧颗粒污泥中的重要菌群，能帮助装置实现好氧颗粒污泥的快速颗粒化。接种mlss为5g/l，进水基质为城镇生活污水，进水cod浓度为650mg/l，运行过程中维持有机负荷2kgcod·m^-3·d^-1。

采用上述反应器处理城镇污水培养好氧颗粒污泥的操作过程如下：在plc控制器的控制下，反应器按照进水—曝气—沉淀—出水的顺序运行。反应器初始的运行条件为：周期4h，其中：进水5min、曝气225min、沉降5min、排水5min。

曝气过程中，控制第一转子流量计2.1读数为90l/h，通过控制排气口15处第三转子流量计2.3使反应器内部分气体通过气体回流口13回流至进气口14，使第二转子流量计2.2读数为500l/h，保证反应器表面气速1.8cm/s，为颗粒污泥体系提供足够水力剪切力的同时将溶解氧控制在4-6mg/l范围，体积交换比为50％。

由于采用气体回流控制溶解氧的运行方式，克服了高曝气量导致的高溶解氧条件下颗粒污泥内部厌氧、缺氧区减少，兼性厌氧微生物生态位不足的问题，可促进脱氮除磷等功能微生物的有效富集，实现反应器长期稳定运行。相比传统sbr法在保证水力剪切力的同时可有效降低曝气量，实现好氧颗粒污泥工艺的进一步节能降耗。