一种基于实时控制的两级式短程硝化内源反硝化除磷工艺的制作方法

本发明属于污水处理与再生技术领域，具体涉及一种基于实时控制的两级式短程硝化内源反硝化除磷工艺。

背景技术：

污水氮磷营养物的过量排放导致水体富营养化，极大影响了自然生态环境和人体健康。目前我国城市污水厂多采用活性污泥法脱氮除磷，但由于污水碳源含量低，脱氮除磷微生物竞争激烈，导致处理出水难稳定达标。

近年发现的短程硝化-反硝化除磷技术，为解决这一问题提供了可能。短程硝化是利用氨氧化菌（aob）硝化氨氮（nh4⁺-n）获得产物亚硝酸盐（no2^--n）的过程，与传统全程硝化相比，可节省50%曝气能耗。而反硝化除磷则是以硝酸盐（no3^--n）或no2^--n为电子受体进行吸磷，其主导微生物为反硝化除磷菌（dpaos）。将短程硝化和反硝化除磷过程耦合，利用no2^--n做反硝化除磷的电子受体，则可实现氮磷的同步高效去除。事实上，在缺氧和好氧脱氮的过程中，还存在着一种反硝化聚糖菌（dgaos）也参与了脱氮，该类细菌的代谢与dpaos相似，都是在厌氧（an）段利用有机碳源合成内碳源—聚羟基脂肪酸酯（phas），再在缺氧（a）环境下分解phas反硝化脱氮并生成糖原，只是不除磷。因此，如能强化dpaos和dgaos这类内源贮存微生物在an段的内源合成和利用，则能实现短程硝化内源反硝化除磷脱氮。

短程硝化内源反硝化除磷系统效率不高的主要原因是亚硝化率不稳定、no2^--n型dpaos占比不高以及dgaos与dpaos之间的竞争难控制等。然而，这些问题都与进水水质波动和反应进程不可控有关。本发明以低碳源生活污水为研究对象，采用两级sbr反应器，配以在线监控及控制系统（plc），通过分析短程硝化、内源合成、反硝化除磷脱氮进程与反应器内的氧化还原电位（orp）、ph和溶解氧（do）变化之间的关系，实时调控反应器运行，将不同功能菌群在时间和空间上分级强化，优化内源储存及消耗，提高no2^--n型dpaos富集比例，实现稳定的短程硝化内源反硝化除磷脱氮，为污水厂的节能降耗运行提供技术支持。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种基于实时控制的两级式短程硝化内源反硝化除磷工艺，该工艺是一种针对低碳源生活污水节能高效的处理工艺，通过实时控制一套两级式sbr系统进行高效的短程硝化内源反硝化除磷而实现。

本发明为实现上述目的采用如下技术方案，一种基于实时控制的两级式短程硝化内源反硝化除磷工艺，所用装置由两个分级的、不同工况运行的sbr反应器和一个中间集水池组成，第一级为sbr1反应器，第二级为sbr2反应器，其中sbr1反应器以预缺氧/厌氧/好氧（prea/an/o）工艺进行短程硝化和好氧除磷反应，出水仅含高浓度no2^--n；sbr2反应器以厌氧/缺氧/好氧（an/a/o）工艺运行，其中a段时从中间集水池吸取sbr1反应器的no2^--n出水，进行反硝化除磷，工艺最终处理水由sbr2反应器排水阀排放。sbr1反应器和sbr2反应器为柱状反应器，sbr1反应器与sbr2反应器的有效容积比为2:3，sbr1反应器排水口在器壁1/2有效水深处，sbr2反应器排水口在器壁1/3有效水深处，sbr1反应器和sbr2反应器周期末的排水比分别为1/2和2/3。为保证两sbr反应器的运行周期衔接，其间设一中间集水池暂存sbr1反应器含的no2^--n出水，集水池容积不低于2倍sbr1反应器排水量，池内设一连接sbr2反应器的吸水口，sbr2反应器可在a段时通过蠕动泵从池内吸水，进行反硝化除磷。sbr1反应器和sbr2反应器每周期初始取水均取自同一污水箱，取水水量和水质相同。两级sbr反应器内均放置一套连接plc的在线orp、ph和do监测仪器，对各sbr反应器中的反应进程实时反映，并根据特征数值实时控制。本工艺将aob、no2^--n型dpaos和dgaos等功能菌在时间和空间上分开培养，并通过在线监测和调控系统实现了反应进程的可控，利于短程硝化内源反硝化除磷效果的强化，工艺运行主要包括以下步骤：

1）首先接种a/o工艺污水厂污泥，硝化和除磷效果良好，接种后使sbr1反应器和sbr2反应器内在an段的污泥浓度（mlss）分别为3000~3500mg/l和3500~4000mg/l，sbr2的mlss稍高于sbr1反应器，利于缓冲sbr2反应器在a段吸取中间集水池水时对反应器中生物量的稀释。

2）在水温18~20℃条件下，运行sbr1反应器进行短程硝化和好氧除磷，获得高浓度no2^--n出水的具体方法为：采用cod质量浓度为300~355mg/l、nh4^--n质量浓度为78-90mg/l、no2^--n质量浓度为0~0.5mg/l、no3^--n质量浓度为0~0.7mg/l、tn质量浓度为93~102mg/l、tp质量浓度为5.5~6.5mg/l、ph为7.0~7.3的实际生活污水，运行周期包括prea段、进水段（5min）、an段、o段、沉淀段（30min）、排水段（5min）和闲置段，过程中反应器内的ph、orp和do数值传输至控制系统plc，并通过其对反应进程的实时控制。周期开始时，prea段不进水，旨在缺氧去除上一周期污泥中残留的no2^--n，以优化an段厌氧释磷和phas合成。prea段的反应时间由orp和ph数值决定，当orp下降至最低，ph上升至最高，二者均稳定时，表明反硝化完成，控制prea段结束。开启an段，反应器从污水箱一次性吸取污水4l，污水碳源不断被水解微生物降解为挥发性脂肪酸（vfas），好氧除磷菌（paos）再利用vfas合成phas并释磷，因此，ph先出现短暂下降，而后随着vfas被paos利用和磷酸根（po4³⁺）释出，ph开始逐渐上升，orp持续下降；当paos合成phas即将完成，释磷逐渐结束，vfas也产出变缓，二者引起的ph升降相互抵消，开始出现“平台”，orp继续下降。此ph“平台”的出现标志着paos内源贮存和po4³⁺释放的最高点，继续厌氧反应paos则会为维持生存而分解phas吸磷。因此，当ph上升至“平台”出现，控制an段结束。开启o段，do浓度维持在0.1~0.3mg/l，paos开始利用phas吸磷，aob开始硝化nh4⁺-n，orp先快后缓地升高至稳定“平台”，ph值因残余vfas降解先短暂升高后持续降低，当ph和do值均突升，表明除磷和硝化完成，控制o段结束，同时排泥维持srt=10d。而后沉淀30min，排水5min共4l至中间集水池，系统闲置。sbr1反应器维持以上工况直至出水亚硝化率（no2^--n/nox^--n）达95%以上，tp浓度低于0.5mg/l，no2^--n浓度40-45mg/l。

4）在水温18~20℃条件下，sbr2反应器富集dgaos和no2^--n型dpaos进行内源反硝化除磷脱氮的具体方法为：采用cod质量浓度为300~355mg/l、nh4^--n质量浓度为78~90mg/l、no2^--n质量浓度为0~0.5mg/l、no3^--n质量浓度为0~0.7mg/l、tn质量浓度为93~102mg/l、tp质量浓度为5.5~6.5mg/l、ph为7.0~7.3的实际生活污水，运行周期包括进水段（5min）、an段、进no2^--n水段（5min）、a段、o段、沉淀段（30min）、排水段（5min）和闲置段，过程中反应器内的ph、orp和do数值传输至控制系统plc，并通过其对反应进程的实时控制。周期开始时，进水段（5min）和an段同时开始，反应器从污水箱一次性吸取污水4l，污水碳源不断被水解微生物降解为vfas，再被dpaos和dgaos合成内源phas，po4³⁺逐渐被释放。因此，ph先出现短暂下降，而后随着vfas被利用和po4³⁺释出，ph开始逐渐上升，orp持续下降；当dpaos合成phas即将完成，po4³⁺释出趋缓，vfas产出和消耗也变慢，仅剩dgaos继续合成phas，此时ph出现第一个短暂“平台”；当dpaos完成释磷，po4³⁺浓度达稳定最高，vfas继续被dgaos利用，导致ph的继续上升，直到dgaos内源贮备完成，ph出现第二个最高稳定“平台”，同时orp也降至最低稳定“平台”，标志着dpaos和dgaos的内源全部贮备完成，控制an段结束。开启a段，与进no2^--n水段（5min）同时进行，反应器一次性从中间集水池取水4l，dpaos和dgaos开始利用phas反硝化吸磷和脱氮，在考虑进水稀释作用的前提下，当orp上升至最高，ph降低至最低，二者均稳定时，表明反硝化除磷完成，控制a段结束。开启o段，do浓度维持在0.1~0.3mg/l，aob开始硝化nh4^--n产生no2^--n，dgaos同时利用phas反硝化no2^--n，因此，orp先快后缓地升高，ph值持续降低，当orp降至稳定“平台”，ph和do均突升，表明硝化和内源脱氮完成，控制o段结束，同时排泥维持srt=22d。而后沉淀30min,排水5min共8l，系统闲置。维持此工况，直至sbr2反应器出水nh4^--n质量浓度低于2.0mg/l，tn质量浓度低于15mg/l，tp质量浓度低于0.5mg/l，no2^--n型dpaos占paos比例80%以上。

本发明工艺利用短程硝化和反硝化除磷耦合的节能优势，将污水中有限碳源充分转化为dpaos和dgaos的胞内碳源phas贮存，为后续反硝化吸磷和脱氮提供能量，数控系统将两级反应进程可控化，使运行效果更稳定、节能。

附图说明：

图1是基于实时控制两级式短程硝化内源反硝化除磷装置示意图；

图中：1-污水箱，2-电磁排水阀，3-控制系统plc，4-蠕动泵，5-搅拌机，6-orp、ph和do在线监测仪，7-电磁气阀，8-微孔曝气盘，9-空压机，10-中间集水池；

图2是本发明工艺sbr1反应器中的ph、orp和do浓度数据及污染物浓度变化情况；

图3是本发明工艺sbr2反应器中的ph、orp和do浓度数据及污染物浓度变化情况；

图4是本发明工艺sbr1反应器和sbr2反应器中no2^--n型dpaos占paos比例对比；

图5是本发明工艺sbr2反应器中污泥的phas和糖原的周期变化情况。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围并不局限于此。本发明所述的基于实时控制的两级式短程硝化内源反硝化除磷工艺，其思路为：

为解决no2^--n型内源反硝化除磷进程难控制、效率不稳定的问题，本发明采用两级式sbr系统，分级富集亚硝化和内源反硝化除磷功能菌群，并通过在线监测控制系统对各反应器内的反应进程进行实时控制，实现了高效亚硝化和no2^--n型反硝化除磷比率。

如图1所示，一种基于实时控制的两级式短程硝化内源反硝化除磷装置，主要由污水箱1、电磁排水阀2、控制系统plc3、蠕动泵4、搅拌机5、orp、ph和do在线监测仪6、电磁气阀7、纳米微孔曝气盘8、空压机9和中间集水池10组成。该装置中的两个sbr反应器均由有机玻璃制成，其中第一级sbr1反应器有效容积为8l，其电磁排水阀2位于器壁1/2有效水深处，周期排水4l；第二级sbr2反应器有效容积为12l，其电磁排水阀2位于器壁1/3有效水深处，周期排水8l。两级sbr系统均从一个污水箱1中取水，其间设一10l的中间集水池10，暂时贮存sbr1反应器的排水，中间集水池10中的贮水可通过设于底部的吸水口泵入sbr2反应器中。sbr1反应器以预缺氧/厌氧/好氧（prea/an/o）工艺运行，进行短程硝化和好氧除磷，srt控制在10d，产生含no2^--n的出水；sbr2反应器以厌氧/缺氧/好氧（an/a/o）工艺运行，srt控制在22d，a段时抽取中间集水池10中sbr1反应器的no2^--n出水，进行反硝化除磷，o段进一步硝化和内源反硝化脱氮。

基于实时控制的两级式短程硝化内源反硝化除磷的方法，主要包括以下步骤：

1）sbr1反应器中的搅拌机5开始搅拌闲置后的沉淀污泥，控制转速150r/min，启动prea段，去除污泥中残余的no2^--n，该段不进污水。反应器中的orp、ph和do在线监测仪6在线采集sbr1反应器中各项指标变化，并将信号传递至控制系统plc3。运行过程中，do一直保持0mg/l，orp不断降低，ph不断升高，当orp和ph分别降低和升高至稳定，二者采集的曲线形成“平台”时，表明残余的no2^--n质量浓度已达最低，prea段结束。

2）启动sbr1的an段，4l含氮磷的生活污水由污水箱1通过蠕动泵4打入sbr1反应器，搅拌机5持续搅拌。orp开始持续下降，ph先出现短暂下降，而后再开始逐渐上升，当一个ph“平台”出现，an结束，开始曝气。

3）启动o段，控制do=0.1~0.3mg/l，orp开始先快后缓地升高，最后稳定在最高平台，ph值先短暂升高后持续降低，直至最低点后突然上升，同时do值也突升，控制该段结束以ph和do折点出现为准。系统维持此工况直至sbr1反应器出水亚硝化率（no2^--n/nox^--n）达到95%以上，tp质量浓度低于0.5mg/l，no2^--n质量浓度44~50mg/l，周期排水由电磁排水阀2排入中间集水池10暂存。sbr1反应器沉淀30min，排水5min共4l进入闲置段。

4）sbr2反应器启动an段，经蠕动泵4从污水箱1中抽取4l原污水，搅拌机5持续搅拌，orp逐渐降低至最低平台，ph值先短时降低，后持续上升直至出现第二个高值“平台”。当orp最低平台和第二个ph高值“平台”同时出现时，控制an段结束。

5）启动a段，sbr2反应器经蠕动泵4从中间集水池10中吸取sbr1反应器含no2^--n排水4l，开始反硝化除磷，orp逐渐升高，ph值逐渐降低，当orp高值和ph低值平台同步出现，反应完成，控制a段结束。

6）启动o段，控制do=0.1~0.3mg/l，orp开始先快后缓地升高，最后稳定在最高“平台”，ph值先短暂升高后持续降低，直至最低点后突然上升，同时do值也突升，控制该段结束以ph和do折点出现为准。系统维持此工况直至sbr2反应器出水tp质量浓度低于0.5mg/l，nh4^--n质量浓度低于5.0mg/l，tn质量浓度低于15mg/l，周期排水由电磁排水阀（2）排放。sbr2反应器沉淀30min，排水5min进入闲置段。

具体实施例：

基于实时控制的两级式短程硝化内源反硝化除磷装置的构型：主要由污水箱1、电磁排水阀2、控制系统plc3、蠕动泵4、搅拌机5、orp、ph和do在线监测仪6、电磁气阀7、纳米微孔曝气盘8、空压机9和中间集水池10组成。该装置中的两个sbr反应器均由有机玻璃制成，其中第一级sbr1反应器有效容积为8l，其电磁排水阀2位于器壁1/2有效水深处，周期排水4l；第二级sbr2反应器有效容积为12l，其电磁排水阀2位于器壁1/3有效水深处，周期排水8l。两级sbr系统均从一个污水箱1中取水，其间设一8l的中间集水池10，暂时贮存sbr1反应器的排水，中间集水池10中的贮水可通过设于底部的吸水口泵入sbr2反应器中。sbr1反应器以预缺氧/厌氧/好氧（prea/an/o）工艺运行，进行短程硝化和好氧除磷，srt控制在10d，产生含no2^--n的出水；sbr2反应器以厌氧/缺氧/好氧（an/a/o）工艺运行，srt控制在22d，a段时抽取中间集水池10中sbr1反应器的no2^--n出水，进行反硝化除磷，o段进一步硝化和内源反硝化脱氮。

sbr1反应器有效容积8l，排水阀位于侧壁，周期排水量4l，进入一有效容积为10l的中间集水池暂存，池中设有连接sbr2反应器的吸水口，sbr2反应器a可从该池取水。sbr2反应器有效容积12l，排水阀位于侧壁，周期排水量8l。sbr1反应器和sbr2反应器共用同一污水箱，周期取水水量和水质相同。

采用的实验污水水质为：cod质量浓度为300~355mg/l、nh4^--n质量浓度为78~90mg/l、no2^--n质量浓度为0~0.5mg/l、no3^--n质量浓度为0~0.7mg/l、tn质量浓度为93~102mg/l、tp质量浓度为5.5~6.5mg/l、ph为7.0~7.3。

工艺运行工况和控制过程如下：

1）sbr1反应器以prea段、进水段、an段、o段、沉淀段、排水段和闲置段周期运行，维持系统mlss=3000~3500mg/l，srt=10d，运行开始时，prea段不进污水，搅拌机以转速150r/min搅拌沉淀污泥，反应时间以orp降至38mv、ph升至7.20，二者均形成稳定“平台”为标志，控制prea段结束，历时约50min；an段开始时同时进水，一次性从污水箱取污水4l，反应时间以ph升至7.27一短暂“平台”为标志，控制an段结束，历时约100min；o段维持do=0.1~0.3mg/l，反应时间以ph和do同时突升为标志，控制o段结束，历时约150min，立即排泥水混合物800ml，而后沉淀30min，排水5min共4l至中间集水池，系统闲置。过程中，prea段末的cod、nh4⁺-n、tp、no3^--n和no2^--n浓度分别为40.3mg/l、0.2mg/l、0.2mg/l、0mg/l和19.6mg/l，an段末的cod、nh4⁺-n、tp、no3^--n和no2^--n浓度分别为67.3mg/l、49.2mg/l、22.8mg/l、0.2mg/l和0.3mg/l，最终o段末出水的cod、nh4⁺-n、tp、no3^--n和no2^--n浓度分别为42.2mg/l、0.2mg/l、0.4mg/l、2.0mg/l和42.1mg/l，亚硝化率为95.4%，除磷途径为好氧除磷，no2^--n-dpaos仅占45.4%。

2）sbr2反应器以进水段、an段、a段、o段、沉淀段、排水段和闲置段周期运行，维持系统初始mlss=3500~4000mg/l，srt=22d，运行开始时，an段和进水段同时开始，一次性从污水箱取污水4l，反应时间以ph由7.1升至7.4第二个稳定“平台”为标志，控制an段结束，历时约160min；a段自中间集水池抽水4l，反应时间以orp升至-58mv、ph值降至7.04，二者均形成稳定“平台”为标志，控制a段结束，历时约70min；o段维持do=0.1~0.3mg/l，反应时间以ph和do同时突升为标志，控制o段结束，历时约120min，排泥400ml，而后沉淀30min，排水5min共8l，系统闲置。过程中，an段末的phas和糖原浓度分别为3.5和2.6mmolc/g·vss，cod、nh4⁺-n、tp、no3^--n和no2^--n浓度分别为52.3mg/l、43.3mg/l、24.1mg/l、0.2mg/l和0.3mg/l；a段末的phas和糖原浓度分别为0.9和2.3mmolc/g·vss，cod、nh4⁺-n、tp、no3^--n和no2^--n浓度分别为50.1mg/l、31.3mg/l、2.3mg/l、0.2mg/l和0.2mg/l；o段末的phas和糖原浓度分别为0.6和2.9mmolc/g·vss，出水cod、nh4⁺-n、tp、no3^--n和no2^--n浓度分别为48.3mg/l、0.5mg/l、0.1mg/l、1.3mg/l和12.2mg/l，指标均符合一级a排放标准，主导paos为no2^--n-dpaos，占总除磷菌的89.7%。

本发明工艺利用短程硝化和反硝化除磷耦合的节能优势，将污水中有限碳源充分转化为dpaos和dgaos的胞内碳源phas贮存，为后续反硝化吸磷和脱氮提供能量，数控系统将两级反应进程可控化，使运行效果更稳定、节能。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。