本发明涉及一种强化连续流短程硝化-厌氧氨氧化稳定运行的调控装置，属于城市污水处理与资源化领域。
背景技术：
我国十分重视污水中氮污染物的去除。氮污染物是引起水体富营养化的重要元素，水体中总氮高于0.1mg/l便会可能导致水体富营养化现象的发生。而城市生活污水中氨氮浓度在50-70mg/l，在排入受纳水体前宜充分去除。目前我国污水处理厂多采用连续流工艺处理城市污水，实现氮素污染物的去除需要消耗大量的能量与化学药剂，在节能减排的要求下，污水处理高能耗、高运行成本的问题亟待解决。
传统的硝化反硝化脱氮工艺，主要分为两步。首先，污水中的氨氮经硝化作用转化为硝酸盐氮，然后再通过反硝化作用将硝酸盐氮转化为氮气从水中逸出。而在硝化阶段，氨氮首先由氨氧化菌(aob)氧化为亚硝酸盐氮，然后在亚硝酸盐氧化菌(nob)的作用下将亚硝酸盐氮氧化为硝酸盐氮。
短程硝化-厌氧氨氧化是一种新型的污水脱氮工艺，与常规的硝化反硝化工艺有显著区别。短程硝化的基本原理是将硝化过程控制在亚硝酸盐氮阶段，阻止亚硝酸盐氮的进一步氧化；厌氧氨氧化工艺是在厌氧氨氧化菌的作用下，直接将氨氮和亚硝酸盐氮转换为氮气。
传统生物脱氮途径为：
nh3+2o2+5h+→0.5n2+h2o+oh－①
短程硝化－厌氧氨氧化途径为
nh3+0.85o2→0.11no3－+0.44h2+0.14h++1.43h2o②
由式①②可以得出，脱氮过程理论上可节约57.5％的需氧量；经计算，短程硝化-厌氧氨氧化工艺耦合，可以节省62.5％的曝气能耗。
目前，制约短程硝化-厌氧氨氧化推广应用的瓶颈主要有两个。第一在于短程硝化启动较慢，且不易长期维持。实现短程硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的关键点在于如何阻止好氧阶段亚硝酸盐氮向硝酸盐氮的进一步转化。第二，该技术目前主要在间歇式活性污泥法(sbr)内成功实现，在连续流反应器中稳定运行的难度较大。原因在于连续流反应器中影响因素较多，难以实现短程硝化-厌氧氨氧化工艺的快速启动，即使实现也只能短期维持，不易长期稳定运行。目前，90％以上的城市污水处理厂采用的工艺为连续流工艺，这也阻碍了短程硝化-厌氧氨氧化工艺在实际污水处理厂中的推广应用。针对连续流短程硝化-厌氧氨氧化稳定运行的瓶颈问题，针对性地开发实时调控装置，对该工艺的优化及推广应用尤为重要。
技术实现要素：
本发明涉及一种维持连续流短程硝化-厌氧氨氧化反应器稳定运行的调控装置。该装置可强化短程硝化-厌氧氨氧化工艺的稳定运行，有效降低污水脱氮处理中曝气能耗高的问题，实现城市污水的高效处理。
本装置特征及实现步骤如下：
进水管(1)与原水实时在线监测探头(19)连接，用于监测进水水量及原水中氨氮浓度，好氧区ⅱ(5)、好氧区ⅳ(7)分别与一号氨氮实时在线监测探头(20)、二号氨氮实时在线监测探头(21)连接，用于监测连续流反应器好氧区ⅱ(5)、好氧区ⅳ(7)中水的氨氮浓度，一号溶解氧实时在线监测探头(22)、二号溶解氧实时在线监测探头(23)用于实时监测反应器好氧区ⅱ(5)、好氧区ⅳ(7)内的溶解氧浓度；一号鼓风机(9)、二号鼓风机(11)、三号鼓风机(13)、五号鼓风机(17)分别对好氧区ⅰ(4)、好氧区ⅱ(5)、好氧区ⅲ(6)、好氧区ⅳ(7)进行曝气，四号鼓风机(15)同时对好氧区ⅲ(6)和好氧区ⅳ(7)进行曝气。原水实时在线监测器探头(19)、一号氨氮实时在线监测探头(20)、二号氨氮实时在线监测探头(21)、一号溶解氧实时在线监测探头(22)、二号溶解氧实时在线监测探头(23)传送信号至plc控制系统(24)，经信号处理后产生控制信号，随后将控制信号传送至一号鼓风机(9)、二号鼓风机(11)、三号鼓风机(13)、四号鼓风机(15)、五号鼓风机(17)内的鼓风机变频器，控制鼓风机的启动，从而控制好氧区ⅰ(4)、好氧区ⅱ(5)、好氧区ⅲ(6)、好氧区ⅳ(7)的曝气量和溶解氧。原水进入连续流反应器(2)，经一系列反应后，经出水管(29)进入沉淀池(3)，沉淀池(3)的上部有装置出水口(30)，出水进入下一处理单元硝化反硝化滤池，沉淀池底部设有污泥回流管道(31)，浓缩污泥可通过污泥回流泵(18)回流至反应器好氧区ⅰ(4)。一号电动阀(25)、二号电动阀(26)位于好氧区ⅱ(5)、好氧区ⅲ(6)中间，用于调整连续流反应器有效容积；三号电动阀(36)、四号电动阀(37)位于好氧区ⅰ(4)前端，用于极端进水水质水量情况下超越出水，保护装置中厌氧氨氧化污泥。好氧区ⅰ(4)、好氧区ⅱ(5)、好氧区ⅲ(6)、好氧区ⅳ(7)均投加1.5×1.5×1.5cm的聚氨酯填料(38)。
连续流反应器启动及好氧区ⅰ(4)、好氧区ⅱ(5)、好氧区ⅲ(6)、好氧区ⅳ(7)中聚氨酯填料(38)的挂膜过程：将1.5×1.5×1.5cm的0.1mm孔径的聚氨酯填料固定在填料框架(39)上，分别投加至好氧区ⅰ(4)、好氧区ⅱ(5)、好氧区ⅲ(6)、好氧区ⅳ(7)中，填料比为20％。接种短程硝化反硝化和厌氧氨氧化絮体污泥，将进水c/n比调整在0.5-1，连续培养2-3个月，待生物膜上污泥浓度达到1.5-2.5mg/cm3，标志着启动及挂膜过程结束。
运行方式：运行初期，进水水质为配水，氨氮浓度50-70mg/l，c/n为0.5-1。当出水氨氮<5mg/l、总氮<15mg/l后，逐渐增加生活污水的配比直至进水完全为生活污水，连续流反应器成功启动。
生活污水进水为连续进水，原水由进水管(1)进入连续流反应器(2)。分别经过好氧区ⅰ(4)、好氧区ⅱ(5)、好氧区ⅲ(6)、好氧区ⅳ(7)。
各个隔室中水力停留时间为1.5-2h，在每一个隔室内，均同时发生氨氧化反应和厌氧氨氧化反应。氨氧化菌主要存在于絮体中，而厌氧氨氧化菌主要存在于生物膜中。氨氧化菌(aob)将原水中氨氮氧化为亚硝态氮，厌氧氨氧化菌利用水中剩余氨氮和氨氧化菌(aob)生成的亚硝态氮为底物，生成氮气和硝氮，从而去除进水中的氮素。各区内均设置机械搅拌，旨在增大反应传质效果，提升反应效率。
附图说明
图1是连续流反应装置结构示意图
图2a是连续流反应器聚氨酯生物膜填料框架结构示意图俯视图
图2b是连续流反应器聚氨酯生物膜填料框架结构示意图主视图
具体实施方式
本装置在短程硝化控制上设计包括保障系统、调控系统和预警系统三部分在内的调控装置，具体安排如下：调控装置第一部分为保障系统，指在plc控制系统(24)中设置溶解氧浓度范围(0.05-0.5mg/l)作为保障范围。溶解氧过高时会抑制厌氧氨氧化菌活性，同时引起亚硝酸盐氧化菌(nob)的竞争菌生长，与厌氧氨氧化菌竞争亚硝酸盐，导致厌氧氨氧化菌得不到充足底物而死亡。在连续流反应器调控系统运行的过程中，需通过溶解氧实时在线监测探头(23)实时监测好氧区ⅳ(7)内溶解氧浓度，保证好氧区ⅳ(7)内溶解氧浓度处于保障范围(0.05-0.5mg/l)内。当溶解氧浓度超过0.5mg/l限值时，减小三号鼓风机(13)、四号鼓风机(15)、五号鼓风机(17)功率；保障系统旨在避免过曝气对连续流反应器内厌氧氨氧化菌造成抑制。
调控装置第二部分为调控系统，分为三级：氨氮实时在线监测探头(21)实时监测好氧区ⅳ(7)内氨氮实际浓度[nh4+-n]反，作为反馈，根据[nh4+-n]反浓度变化适时调整连续流反应器(2)曝气，此为调控系统的第一级调控系统。第一级调控系统可实时了解连续流反应器内实际氨氮去除效果，并根据处理效果调节连续流反应器反应程度。一级调控系统以[nh4+-n]反为依据，通过plc系统调整三号鼓风机(13)、四号鼓风机(15)、五号鼓风机(17)中的鼓风机变频器调节反应器好氧区ⅲ(6)、好氧区ⅳ(7)内曝气量。
设定[nh4+-n]反阈值，为[4.5,8.5]mg/l。当[nh4+-n]反<4.5mg/l，则plc控制系统(24)控制三号鼓风机(13)、四号鼓风机(15)、五号鼓风机(17)停止曝气，使好氧区ⅲ(6)、好氧区ⅳ(7)形成厌氧或缺氧环境，产生厌氧氨氧化或反硝化反应。防止过曝气的同时依靠反硝化反应去除亚硝态氮，从而抑制亚硝氧化菌(nob)增长，使连续流反应器维持在短程硝化阶段，节约能源。
当[nh4+-n]反>8.5mg/l，说明连续流反应器内尚存在部分氨氮，短程硝化反应不完全。则在三号鼓风机(13)、五号鼓风机(17)已经开启的情况下，plc控制系统(24)控制四号鼓风机(15)启动曝气，加大好氧区ⅲ(6)、好氧区ⅳ(7)内曝气量，加速氧化氨氮为亚硝态氮。
氨氮实时在线监测探头(20)实时监测好氧区ⅱ(5)内氨氮实际浓度[nh4+-n]2，根据此浓度，可了解连续流反应器氨氮变化趋势和污染物去除能力，提前对连续流反应器运行条件进行调整，此为调控系统的第二级调控系统。通过提前测量与计算，可更为精准地根据实际情况调节曝气量，减小第一级调控的延时问题，使出水波动减小，反应器运行更加稳定。第二级调控系统以[nh4+-n]2为依据，通过plc控制系统(24)调整一号鼓风机(9)、二号鼓风机(11)中的鼓风机变频器调节反应器好氧区ⅰ(4)、好氧区ⅱ(5)内曝气量。
设定[nh4+-n]2阈值，为[25,35]mg/l。当[nh4+-n]2<25mg/l，则调整鼓风机(9)、(11)功率，减小对好氧区ⅰ(4)、好氧区ⅱ(5)内曝气量，使好氧区ⅰ(4)、好氧区ⅱ(5)溶解氧降低，降低氨氧化活性。当[nh4+-n]2>35mg/l，则调高一号鼓风机(9)、二号鼓风机(11)功率，加大好氧区ⅰ(4)、好氧区ⅱ(5)内曝气量，提高氨氧化活性。
plc控制系统(24)通过氨氮实时在线监测探头(19)连续监测进水管(1)中进水流量及氨氮浓度，同时通过氨氮实时在线监测探头(20)连续监测好氧区ⅱ(5)中氨氮浓度，每分钟读取一次数据，取最近30min的数据进行模拟计算，认为连续流反应器中每个隔室氨氮去除量一定，经式③、④计算，得好氧区ⅳ(7)内氨氮预测浓度[nh4+-n]预，根据此浓度，进一步稳定连续流反应器运行条件，此为调控系统的第三级调控系统。设定[nh4+-n]预阈值，为[4.5,8.5]mg/l。依据[nh4+-n]预调节连续流反应器曝气量，可以提前对进水水质波动做出反应，脱离“结果导向”思维，从源头进行控制，最大限度保障连续流反应器稳定运行，同时减少能源消耗。[nh4+-n]预计算式如下：
其中，
qi瞬：进水管(1)30分钟内第i分钟进水流量，m3/h；
q30总：进水管(1)30分钟总流量，m3/h；
k：反应器处理变化系数，通常选择1.8；
q瞬'：第31分钟进水管(1)进水流量，m3/h。
若[nh4+-n]预<4.5mg/l，则plc控制系统(24)控制四号鼓风机(15)、五号鼓风机(17)停止曝气，使好氧区ⅳ(7)形成厌氧或缺氧环境，产生厌氧氨氧化或反硝化反应。既可以防止过曝气，又可以依靠反硝化反应去除亚硝态氮，从而抑制亚硝氧化菌(nob)增长，使连续流反应器维持在短程硝化阶段，节约能源。
若[nh4+-n]预>8.5mg/l，说明进水氨氮浓度较高，需调整连续流反应器曝气量，则plc控制系统(24)控制三号鼓风机(13)、五号鼓风机(17)启动曝气，使好氧区ⅲ(6)、好氧区ⅳ(7)内氧化氨氮为亚硝态氮。
调控装置第三部分为预警系统。预警系统是进水氨氮浓度超过了连续流反应器所能调控的限度时候，发生预警信号并实施相关措施。以30分钟为限，若[nh4+-n]预在30分钟内持续大于8.5mg/l，说明进水氨氮浓度异常或连续流反应器内氨氮浓度过高，超过了其所能处理的最大负荷。因此启动氨氮高负荷预警。此时系统核算下一处理单元硝化反硝化滤池氨氮去除负荷，向其发出信号，令其准备处理高氨氮废水；同时plc控制系统(24)传送信号至控制继电器(34)、控制继电器(35)，令三号电动阀(36)打开、四号电动阀(37)关闭，将不能处理的高氨氮废水排出装置，避免过高的氨氮浓度抑制厌氧氨氧化。
若[nh4+-n]预在30分钟内持续小于4.5mg/l，则启动氨氮低负荷预警。plc控制系统(24)传送信号至三号鼓风机(13)、四号鼓风机(15)、五号鼓风机(17)内鼓风机变频器，停止三号鼓风机(13)、四号鼓风机(15)、五号鼓风机(17)曝气；plc控制系统(24)传送信号至搅拌器(27)、(28)内搅拌器变速器，令搅拌器(27)、(28)停止工作；同时传送信号至控制继电器(32)、控制继电器(33)，令二号电动阀(26)打开、一号电动阀(25)关闭，使连续流反应器参与脱氮反应的有效容积减小一半。此时溶解氧实时在线监测探头(22)实时监测反应器好氧区ⅱ(5)内的溶解氧浓度，保证好氧区ⅱ(5)内溶解氧浓度处于保障范围(0.05-0.5mg/l)内。当溶解氧浓度超过0.5mg/l限值时，则减小二号鼓风机(11)功率。
氨氮去除负荷计算公式如下：
式中，nrr：氨氮去除负荷，kg/m3·d；
[nh4+-n]in：系统进水氨氮浓度，mg/l；
[nh4+-n]ef：系统出水氨氮浓度，mg/l；
hrt：水力停留时间，h；
v：反应器有效容积，m3；
q：反应器进水流量，m3/h。
由式⑤、⑥可看出，在实际污水处理过程中，进水水量、氨氮浓度都是不可调的，唯一能考虑调整的只有反应容积。为使本装置连续流反应器处理负荷在合理范围内，将其设计为容积可调式，使连续流反应器对水质水量变化的适应范围扩大一倍，保证其稳定运行。此举可避免好氧区ⅲ(6)、好氧区ⅳ(7)内过曝气导致溶解氧过高抑制厌氧氨氧化菌活性，同时减少不必要的曝气、搅拌能耗。
氨氮负荷预警解除机制：当[nh4+-n]反恢复在阈值[4.5,8.5]mg/l后，解除氨氮高负荷预警，plc控制系统(24)传送信号至控制继电器(34)、控制继电器(35)，令四号电动阀(37)打开、三号电动阀(36)关闭，仍采用原运行方式继续运行；当[nh4+-n]预恢复在阈值[4.5,8.5]mg/l后，解除氨氮低负荷预警，plc控制系统(24)传送信号至控制继电器(33)、控制继电器(32)，令一号电动阀(25)打开、二号电动阀(26)关闭；同时传送信号至鼓风机(13)、(17)内的鼓风机变频器，令鼓风机(13)、(17)开始曝气；plc控制系统(24)传送信号至搅拌器(27)、(28)内的搅拌器变速器，令搅拌器(27)、(28)开始工作。预警系统可根据水质水量的变化最大限度地保证连续流反应器稳定运行，同时节约能源，符合实际工业应用稳定、节能的运行思想。
综上，本发明协调了污水脱氮处理中曝气能耗高的问题，节省曝气，节约能源，同时稳定连续流反应器中活性污泥运行条件，维持连续流反应器在进水氨氮浓度波动时的运行稳定性，提升了总氮去除效率。