一种精确控制反硝化方法和设备与流程

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种精确控制反硝化方法和设备。

背景技术：

硝酸盐的产品广泛应用于军火、机械、钢铁等行业，然而在生产和/或运用亚硝酸盐产品所排出的废水含有大量硝氮。硝酸盐和亚硝酸盐是植物和微生物的营养物质，然而，若将其排入水体中，一方面会引起水体富营养化，另一方面亚硝酸盐具有致癌，致畸性，致突变的危害。如果排出废水中的亚硝酸盐得不到有效地清理和回收，排出的废水将给人类健康带来巨大的威胁。因此，清理、回收排出废水中的亚硝酸盐对生态环境的健康发展极其重要。

生物脱氮因经济高效成为废水脱氮的首选方法。现有技术中，生物脱氮先通过氨化作用将有机氮转化为氨氮，再通过硝化作用将氨氮转化为硝氮(亚硝氮)，最后通过反硝化作用将硝氮(亚硝氮)转化为氮气。其中，反硝化作用是实现废水生物脱氮的关键环节。但是现有技术中，生物脱氮环节至少存在以下瓶颈：

1、现有技术中，反硝化细菌对亚硝酸敏感，当亚硝酸浓度高于200mg/l时，亚硝酸会对反硝化细菌产生抑制作用，从而在反硝化过程中不能形成高浓度的反硝化细菌，导致反硝化过程中的反应速率降低；

2、反硝化反应是致碱反应，即随着反硝化反应的进行，溶液中的碱性逐渐增强，当溶液中的碱性达到一定的强度，会导致反硝化细菌的活性下降，降低反硝化过程中的反应速率。

3、反硝化反应产生气体容易造成装置功能菌流失，从而导致反硝化反应的反应速率降低。

技术实现要素：

本发明其中一个目的是提出一种精确控制反硝化方法，以解决现有技术中反硝化过程中反应速率低的技术问题。本发明优选技术方案中能够达到的诸多有益效果，具体见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明的精确控制反硝化方法包括氨化环节、硝化环节、脱气环节和反硝化环节，其中，氨化环节，利用氨化细菌将污水中的有机氮转化为氨氮；

硝化环节，向污水中注入空气和/或氧气，利用硝化细菌将污水中的氨氮氧化为硝酸盐和/或亚硝酸盐，并且，硝化环节后的污水进入脱气环节；

脱气环节，通过挥发和/或消耗污水中的氧气，使得污水中的溶解氧降低；

反硝化环节，将经过脱气环节的污水与经过氨化环节的污水混合，利用混合液中的反硝化细菌将硝酸盐和/或亚硝酸盐转化为氮气，并且，反硝化环节后的部分污水再次进入硝化环节，一部分含氮量达标的污水排出。

进一步的，反硝化环节后的污水一部分用于下一个污水处理循环中的硝化环节，另一部分用于下一个污水处理环节中的氨化环节。

进一步的，硝化环节空气的注入量和/或脱气环节的水力停留时间基于反硝化环节污水中orp参数值进行调节控制。

进一步的，脱气环节中污水的orp值为：-50mv～70mv。

进一步的，反硝化环节中污水的orp值为：-50mv～80mv。

进一步的，脱气环节的水力停留时间为3min～10min。

进一步的，反硝化环节的水力停留时间为50min～300min；氨化环节的水力停留时间为30min～90min；硝化环节的水力停留时间为360min～520min。

本发明另外一个目的是提出一种精确控制反硝化设备，用以实现上述的精确控制反硝化方法，以解决现有技术中反硝化过程中反应速率低的技术问题。本发明优选技术方案中能够达到的诸多有益效果，具体见下文阐述。

本发明所述的精确控制反硝化设备包括厌氧区、缺氧区、好氧区和脱气回流区，其中，厌氧区底部与缺氧区底部连通，缺氧区顶部与好氧区顶部通过第一通道连通，脱气回流区与好氧区单向连通，脱气回流区与缺氧区连通。

进一步的，脱气回流区与好氧区之间有第一单向连通装置，并且，第一单向连通装置中流体的流向是由好氧区进入脱气回流区。

进一步的，厌氧区底部与缺氧区的底部通过第二通道和第二单向连通装置连通，并且，第二单向连通装置中流体的流向是由缺氧区进入厌氧区。

进一步的，还包括控制器、orp感应组件和do感应组件，其中，orp感应组件分布在厌氧区、缺氧区、好氧区以及脱气回流区，do感应组件位于脱气回流区，并且，控制器与orp感应组件、do感应组件连接、第一单向连通装置和第二单向连通装置连接，以使控制器能够基于orp感应组件和do感应组件的感测信息控制经过第一单向连通装置和/或第二单向连通装置流量。

本发明提供的精确控制反硝化方法和设备至少具有如下有益技术效果：

本发明精确控制反硝化方法通过增加脱气环节，不仅能够有效降低硝化环节后污水中的do值，还有利于调节硝化环节后污水中的orp值，从而保证反硝化环节中的缺氧环境，使得反硝化环节中反硝化细菌能够在最佳生态环境中将亚硝酸盐和/或硝酸盐转化为氮气，提高反硝化反应的反应速率。

经过脱气环节后的污水与氨化环节后的污水混合，实现了污水经过硝化环节后，进入脱气环节到反硝化环节，然后回到硝化环节的污水回流。在污水回流的过程中，硝化环节产生的亚硝酸盐和/或硝酸盐能够及时随着污水进入脱气环节，并在脱气环节后进入反硝化环节。进入反硝化环节的亚硝酸盐和/或硝酸盐在反硝化细菌的作用下与反硝化环节溶液中的有机碳反应，使得亚硝酸盐和/或硝酸盐被还原为氮气，从而达到脱氮的目的。

脱气环节中污水中的硝化细菌不仅可以利用污水中的溶解氧继续发生硝化反应，提高硝酸盐和/或亚硝酸盐的浓度，从而能够进步一提高反硝化环节的反应速率。

硝化环节、脱气环节以及反硝化环节之间的回流，不仅能够将硝化环节产生的硝酸盐和/或亚硝酸盐及时带出硝化环节，避免硝化环节中亚硝酸的浓度超过200mg/l，还能够利用氨化环节后污水进入硝化环节的水流将反硝化环节产生的碱性物质带入硝化环节，使得反硝化环节污水的酸碱度适合于反硝化细菌，从而形成精确控制反硝化方法中各环节污水中的功能菌的生态环节，达到提高反硝化反应的反应速率的目的。

反硝化环节产生的碱性物质进入硝化环节后与硝化环节中产生的亚硝酸发生中和反应，从而使得硝化环节中的亚硝酸浓度降低，能够有效避免高浓度的亚硝酸对硝化细菌的抑制作用，从而为硝化环节中的硝化细菌提供更佳的生态环境。

需要说明的是亚硝酸盐中的亚硝酸根离子为弱酸根离子，故亚硝酸盐溶解在水中后会发生水解反应形成亚硝酸。因此，在一定情况下，溶液中亚硝酸盐的浓度越高，溶液中的亚硝酸的浓度越高。

本发明精确控制反硝化设备中脱气回流区的能够有效防止硝化环节和反硝化环节污水中的功能菌混合，防止精确控制反硝化设备中的功能菌之间形成竞争关系，避免功能菌之间出现相互抑制对方的生长和/或繁殖，从而有利于提高反硝化反应的反应速率。

此外，本发明优选技术方案还可以产生如下技术效果：

本发明优选技术方案的精确控制反硝化方法，反硝化环节、硝化环节以及脱气环节形成的回流，能够将反硝化环节、硝化环节中部分被污水带出的功能菌通过回流的方式带回，实现功能菌的重复利用，延长功能菌的寿命；

本发明优选技术方案的精确控制反硝化方法，反硝化环节后的一部分污水用于下一个污水处理环节中的氨化环节，能够将氨化环节进入到反硝化环节中的氨化细菌回流至氨化环节，有利于提高氨化环节的反应速率；

本发明优选技术方案的精确控制反硝化方法，脱气环节后污水的do值为不大于1mg/l，能够防止溶解氧随着污水进入反硝化环节中的污水中，破坏反硝化环节中污水的缺氧条件；

本发明优选技术方案的精确控制反硝化方法，以溶液orp参数代替现有技术中以溶解氧参数作为反硝化反应环境的监测参数，能够极大地提高监测精度，从而进一步提高反硝化反应的控制精度；

本发明优选技术方案的精确控制反硝化设备，脱气回流区为活性污泥提供了缓冲空间，从而可以减缓活性污泥的流速，一方面，可以有效延长硝化反应的时间，为硝化菌在污水中的繁殖生长提供足够的时间，提高污水中硝化菌的浓度，从而提高进入反硝化环节污水中的硝酸盐和亚硝酸盐的浓度，达到加快反硝化反应的目的。

本发明优选技术方案的精确控制反硝化设备，控制器和orp感应组件和do感应组件的设置，实现了精确控制反硝化设备的精确控制，有利于提高反硝化污水处理的效率和污水处理装置的容积效能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明精确控制反硝化方法一种优选实施方式的流程图；

图2是本发明精确控制反硝化设备一种优选实施方式的俯视图；

图3是本发明精确控制反硝化设备一种优选实施方式的剖面图；

图4是本发明精确控制反硝化设备一种优选实施方式的控制关系图。

图中1-厌氧区；2-缺氧区；21-第二单向连通装置；23-第一通道；3-好氧区；34-第一单向连通装置；4-脱气回流区；5-控制器；6-orp感应组件；7-do感应组件；8-曝气装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明所述的“功能菌”是指反硝化反应中所需的氨化细菌、硝化细菌、和反硝化细菌的总称。

参照图1，一种精确控制反硝化方法，包括如下环节：

s1、氨化环节，利用氨化细菌将污水中的有机氮转化为氨氮；

s2、硝化环节，向污水中注入空气和/或氧气，利用硝化细菌将污水中的氨氮氧化为硝酸盐和/或亚硝酸盐，并且，硝化环节后的污水进入脱气环节；

s3、脱气环节，通过挥发和/或消耗污水中的氧气，使得污水中的溶解氧降低；

s4、反硝化环节，将经过脱气环节的污水与经过氨化环节的污水混合，利用混合液中的反硝化细菌将硝酸盐和/或亚硝酸盐转化为氮气，并且，经过反硝化环节后的部分污水再次进入硝化环节，一部分含氮量达标的污水排出。

具体的，氨化环节中有机氮在氨化细菌的作用下发生氨化反应，使得有机氮转为氨氮、二氧化碳，并且，产生的氨氮随着污水进入硝化环节。进入硝化环节的氨氮在氧气和硝化细菌的作用下发生硝化反应，使得污水中的氨氮转化为硝酸盐和/或亚硝酸盐，并且，产生的硝酸盐和/或亚硝酸盐跟随污水进入脱气环节，使得污水中的氧气被进一步消耗和/或排出，达到降低污水中溶解氧的目的。经过脱气环节后的污水与氨化环节后的污水混合，污水中的反硝化细菌利用污水中的有机碳提供电子，将污水中的硝酸盐和/或亚硝酸盐作为电子受体，使得硝酸盐和/或亚硝酸盐被还原为氮气，从而达到脱氮的目的。

作为本发明一种优选的实施方式，经过反硝化环节脱氮后的污水进入硝化环节，使得硝化环节的污水中的氮含量被稀释，含氮量被稀释后的污水，一部分经过硝化反应后进入脱气环节，另一部分含氮量达标的污水排除。

作为一种可替代的实施方式，经过反硝化环节脱氮后的污水，一部分含氮量达标的污水直接排除，另一部分污水再次进入硝化环节。

需要说明的是，本发明所述的精确控制反硝化方法是根据污水中氮元素由有机氮转化为氮气这个过程中的先后顺序作为精确控制反硝化方法的先后顺序。本发明所述的精确控制反硝化方法形成了硝化环节、脱气环节和反硝化环节的污水处理循环流，每经过一次循环，污水中的氮元素便会被转化为氮气排出，从而使得污水中的氮元素在盖循环中不断降低，直到污水中的氮含量达标，实现污水的脱氮处理。

作为本发明一种优选的实施方式，反硝化环节后的污水一部分用于下一个污水处理循环中的硝化环节，另一部分用于下一个污水处理环节中的氨化环节。

需要说明的是，实际污水处理过程中，氨化环节、硝化环节、脱气环节以及反硝化环节在空间上并不存在绝对的界限，故将反硝化环节后的一部分污水采用回流的方式再次进入氨化环节，一方面部分随着污水流失的氨化细菌通过回流的方式再次回到氨化环节，提高氨化细菌的生命周期和氨化环节中氨化细菌的浓度，另一方面，能够将原氨化环节中部分没有转化的有机氮再次回流至氨化环节，提高有机氮转化为氨氮的转化率，使得反硝化污水处理的脱氮率提高。

作为本发明一种优选的实施方式，脱气环节后，污水的do值为不大于1mg/l。具体的，反硝化反应是在缺氧条件下发生的，而经过硝化环节后的污水中含有大量的氧气，为了给反硝化环节提供缺氧环境，故需要降低进入反硝化环节污水中的溶解氧。优选的，当脱气环节后污水的do值为不大于1mg/l时，使得脱气环节后的污水与氨化环节后的污水混合后，为反硝化细菌提供最佳的溶液环境。

具体的，污水经过脱水环节后进入到脱气环节时的do值为2mg/l～3mg/l。进入脱气环节的污水经过脱气环节脱气处理，使得污水中的do值不大于1mg/l。具体污水中溶解氧通过挥发和/或被功能菌呼吸的方式被消耗，具体的可以通过调节污水在脱气环节的停留时间，实现脱气环节污水排除时污水中的do值的大小。停留时间越长，污水中的相对越小。

作为本发明一种优选的实施方式，脱气环节中污水的orp值为-50mv～70mv，反硝化环节中污水的orp值为-50mv～80mv。本发明脱气环节中污水的orp值，例如是-50mv、-30mv、-10mv、10mv、30mv、50mv。本发明反硝化环节中污水的orp值，例如是-50mv、-20mv、10mv、30mv、50mv、80mv。当然本发明反硝化环节和脱气环节中污水的orp值也可以为其他值。

作为本发明一种优选技术方案，以溶液orp参数代替现有技术中以溶解氧参数作为反硝化反应环境的监测参数，能够消除现有技术中感测溶液氧参数值存在的盲区，从而能够明显地提高对反硝化反应环境参数的监测精度，从而提高反硝化反应的控制精度。

作为本发明一种优选实施方式，厌氧区1、缺氧区2、好氧区3以及脱气回流区4中orp值和/或do值可以通过控制各区域的水力停留时间来实现。

需要说明的是，现有技术中的污水处理是将溶解氧作为污水处理环境监测指标。由于在试剂污水处理过程中，硝化环节因为空气和/或氧气的注入，从而使得硝化环节中影响氧化还原电位的主要因数是污水中的溶解氧，故而溶解氧的含量能够比较准确地反应硝化环节中污水中的氧化还原电位。但是，反硝化环节和氨化环节中溶解氧的含量降低，使得溶解氧对氧化还原电位的影响较小，进而使得其他影响氧化还原电位大小的因数不可忽略，故而溶解氧的含量不能够准确的反应污水中氧化还原电位的大小。因此，本发明将orp值作为污水处理环境监测指标，并基于各个污水处理环节感测到的orp值调节空气和/或氧气的注入量，或者是调节脱气回流环节的水力停留时间。

具体的，脱气环节的水力停留时间为3min～10min，反硝化环节的水力停留时间为50min～300min；硝化环节的水力停留时间为360min～520min；氨化环节的水力停留时间为30min～90min。

需要说明的是，脱气环节的水力停留时间根据脱气环节污水中氧气的消耗和/或挥发速率调节，优选的，脱气环节的水力停留时间为3min、5min、7min、9min、10min。反硝化环节、氨化环节以及硝化环节的水力停留时间基于所需处理污水水质情况进行调节。优选的，反硝化环节的水力停留时间为50min、100min、150min、200min、250min、300min；硝化环节的水力停留时间为360min、400min、440min、480min、520min；氨化环节的水力停留时间为30min、50min、70min、90min。具体的，各环节的水力停留时间可以通过控制各环节进水和出水的速率实现精确调节。

参照图2和图3，一种精确控制反硝化设备，包括厌氧区1、缺氧区2、好氧区3和脱气回流区4，其中，厌氧区1底部与缺氧区2底部连通，缺氧区2顶部与好氧区3顶部通过第一通道23连通，脱气回流区4与好氧区3单向连通，脱气回流区4与缺氧区2连通。

需要说明的是，实际污水处理过程中，氨化环节、硝化环节、脱气环节以及反硝化环节在空间上并不存在绝对的界限。具体的，厌氧区1为氨化环节的主要区域，缺氧区2为反硝化环节的主要区域，好氧区3为硝化环节的主要区域。

参照图2，脱气回流区4与好氧区3之间有第一单向连通装置34，并且，第一单向连通装置34中流体的流向是由好氧区3进入脱气回流区4。

参照图3，厌氧区1底部与缺氧区2的底部通过第二通道12和第二单向连通装置21连通，并且，第二单向连通装置21中流体的流向是由缺氧区2进入厌氧区1。

作为本发明一种优选的实施方式，厌氧区1设置有污水入口，好氧区3设置有污水出口。具体的，待处理污水由厌氧区1中的污水入口进入精确控制反硝化设备，进入污水经过脱氮处理后通过好氧区3中的污水出口排出精确控制反硝化设备。

具体的，污水在经过精确控制反硝化设备各个区域的顺序如下：

待处理污水进入厌氧区与经过第二单向连通装置21进入的污水混合后进入氨化环节，经过氨化环节后的污水由厌氧区进入缺氧区。

在缺氧区中，经过氨化环节的污水先与经过脱气环节的污水混合发生反硝化反应，即在缺氧区2中进行反硝化环节。

经过反硝化环节后的污水，一部分经过第一通道23进入好氧区3，并在好氧区3中进入硝化环节，另一部分经过第二单向连通装置21回流至厌氧区1再次进入氨化环节。

进入好氧区3的污水，一部分氮含量达标的污水从好氧区3中的污水出口排出，另一部分经过第一单向连通装置34进入脱气回流区4，并在脱气回流区4进入脱气环节。

脱器回流区4中的污水经过脱气环节后，由脱气回流区4进入缺氧区2与厌氧区1进入缺氧区2的污水混合发生反硝化反应，以达到脱氮的目的。

需要说明的是，污水在脱氮过程中的循环中，虽然经过氨化环节的污水先与经过脱气环节的污水混合发生反硝化反应，但是，氨化环节后污水中的氨氮在与脱气环节后的污水混合后并没有参与反硝化反应。因此，将经过脱气环节的污水与经过氨化环节的污水混合进行反硝化反应后，再将污水导入好氧区3进入硝化环节并不与精确控制反硝化方法中先进行硝化环节，再进行反硝化环节矛盾。

参照图4，还包括控制器5、orp感应组件6和do感应组件7，其中，orp感应组件6分布在厌氧区1、缺氧区2、好氧区3以及脱气回流区4，do感应组件7位于脱气回流区4，并且，控制器5与orp感应组件6、do感应组件7连接、第一单向连通装置34和第二单向连通装置21连接，以使控制器5能够基于orp感应组件6和do感应组件7的感测信息控制经过第一单向连通装置34和/或第二单向连通装置21流量。

作为本发明一种优选的实施方式，第一单向连通装置34和第二单向连通装置21设置为变频泵。具体的，控制器5基于orp感应组件6和do感应组件7的感测信息调节变频泵的转速，从而达到调节脱气回流区4和第二单向连通装置21中的流量。从而实现对厌氧区1、缺氧区2、好氧区3以及脱气回流区4中水力停留时间的调节，实现对反硝化污水处理的精确调控。

具体的，当脱气回流区4中的orp值较大时，降低好氧区3与脱气回流区4之间变频泵的转速。当厌氧区1中的orp值较大时，降低缺氧区2与厌氧区1之间变频泵的转速。当脱气回流区4中的orp值较小时，提高好氧区3与脱气回流区4之间变频泵的转速。当厌氧区1中的orp值较小时，提高缺氧区2与厌氧区1之间变频泵的转速。

作为本发明一种优选的实施方式，好氧区3中设置有曝气装置8，并且，控制器5与曝气装置8连接，以使控制器5能够通过控制曝气装置8实现对好氧区3中氧气的调节。优选的，曝气装置8包含有风机，控制器5与风机连接，当好氧区3中氧气较少时，控制器5控制风机，使得风机的鼓风量增加，从而提高好氧区3中的氧气浓度。当好氧区3中氧气浓度较高时，控制器5控制风机，使得风机的鼓风量减少，从而达到降低好氧区3中的氧气浓度的目的。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。