專利名稱：基于hpr在線監(jiān)測控制sbr曝氣歷時實現(xiàn)短程硝化反硝化的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及城市污水處理廠過程監(jiān)測與控制的污水處理技術(shù)領域，具體是涉及一 種基于氫離子變化速率(HPR)在線監(jiān)測控制SBR曝氣歷時實現(xiàn)短程硝化反硝化的方法，用 于實現(xiàn)短程生物脫氮工藝。
背景技術(shù)：
污水生物處理短程硝化反硝化與其它方法相比被公認為是一種經(jīng)濟、有效和最有 發(fā)展前途的脫氮方法。傳統(tǒng)生物脫氮方法首先在硝化過程中在兩類微生物氨氧化菌(AOBs) 和亞硝酸鹽氧化菌(NOBs)的作用下、利用氧作為電子受體、將氨氮依次氧化成亞硝酸鹽和 硝酸鹽，然后在反硝化過程中利用有機碳源作為電子共體將硝酸鹽還原成氮氣從廢水中去 除，亞硝酸鹽中間產(chǎn)物的形成和轉(zhuǎn)化是完全硝化和反硝化過程中必須經(jīng)歷環(huán)節(jié)。將硝化過 程終止在亞硝酸鹽階段隨后進行反硝化，實現(xiàn)短程硝化反硝化。與全程脫氮相比，短程脫氮 具有以下優(yōu)點硝化階段可減少25%的需氧量，降低能耗；反硝化階段可減少40%的有機 碳源，降低運行費用；反應時間縮短，反應器容積可減少30 - 40%左右；污泥產(chǎn)量降低等。 因此，在城市污水或工業(yè)廢水處理中實現(xiàn)短程脫氮，將使生物脫氮的處理效率顯著提高，降 低處理成本。短程脫氮的關(guān)鍵步驟是實現(xiàn)穩(wěn)定的氨氧化(即亞硝化)，要在保持氨氧化菌(AOBs) 正常生長和代謝的前提下，有效抑制亞硝酸鹽氧化菌(NOBs)的生長，或者將其從活性污泥 中淘洗去除。近年文獻報道的途徑主要有(1)采用污泥停留時間小于NOBs臨界倍增時 間的連續(xù)運行反應器將NOBs從反應器中淘洗去除；(2)控制溶解氧在低濃度水平，AOBs利 用其比NOBs更高的氧親合性競爭勝過NOBs (Blackburne et al, 2008a) ； (3)控制pH 值在較高水平，或采用高濃度游離氨基質(zhì)抑制NOBs的生長與代謝(Ciudad et al, 2007 ； Vadivelu et al, 2007) ； (4)控制曝氣歷時(Peng et al, 2004; Blackburne et al, 2008b)，在氨氧化過程完成前或結(jié)束時停止曝氣，阻止NOBs的生長與代謝。在較高溫度和 適宜PH值下應用 SBR處理高氨廢水(Volcke et al, 2007; Kim et al, 2008; Pambrun et al, 2008)，是當前實現(xiàn)短程脫氮的主流。Peng (2004)、Pambrun (2008)利用對SBR曝氣 歷時長度控制，在高溫(30°C -40°C)和高氨廢水中成功實現(xiàn)了亞硝化。Yang等(2007)應用 基于pH、0RP、D0的實時控制，在11. 9-26. 5°C下啟動短程硝化反硝化，并穩(wěn)定運行了 180d， 平均亞硝酸鹽積累率超過95%。Gao等(2009)發(fā)現(xiàn)，ORP和pH剖面曲線可以明顯識別出 短程硝化和全程硝化，過量曝氣時短程硝化有向全程硝化轉(zhuǎn)變的趨勢；通過采用實時控制 防止過度曝氣，獲得了穩(wěn)定的短程硝化反硝化，亞硝化積累率高于96%。Ma等(2009)通過 控制好氧區(qū)DO處于低水平(0. 4-0. 7mg/L)用生活污水在連續(xù)流前置反硝化工藝中實現(xiàn)了 短程硝化反硝化，但亞硝酸鹽累積破壞了污泥沉淀性能，且出水亞硝酸濃度過高。但Guo等 (2009)采用DO和pH特征點(拐點)控制SBR的好氧段長度，在低DO (0. 4-0. 8mg/L)和高 DO (3mg/L)下均實現(xiàn)了長期穩(wěn)定的短程硝化反硝化，在低DO下并未發(fā)生污泥膨脹的問題。當前，關(guān)于低/中溫和低氨廢水實現(xiàn)短程硝化反硝化研究的焦點是基于PH、DO和ORP等在 線監(jiān)測控制曝氣歷時。DO和pH在線測量技術(shù)成熟，在廢水處理工程中被廣泛應用。近年來，有關(guān)氧 利用速率(Oxygen Uptake Rate, OUR)測量(呼吸測量)和質(zhì)子產(chǎn)生速率(Hydrogen ion Production Rate, HPR)測量(滴定測量)的研究與開發(fā)日益受到青睞，開展了許多關(guān)于OUR、 HPR單獨或聯(lián)合測量應用于廢水生物處理的硝化過程監(jiān)測(Gapes et al, 2003)、EBI3R過 程監(jiān)測(Guisasola et al, 2006，2007)以及過程模擬(Pratt et al, 2004; Jubany et al, 2005; Sina and Vanrol leghem, 2007)等研究工作。OUR和HPR作為過程監(jiān)測變量， 與pH和DO不同的是能夠反映過程動力學信息。截至目前，尚未見以HPR作為實時監(jiān)測信 號控制曝氣歷時實現(xiàn)短程硝化反硝化的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種應用Hra在線監(jiān)測控制SBR曝氣歷時實現(xiàn)短程硝化反硝 化的方法。
本發(fā)明目的是這樣實現(xiàn)的
一種基于HPR在線監(jiān)測控制SBR曝氣歷時實現(xiàn)短程硝化反硝化的方法，按以下步驟進
行
(1)運行SBR廢水處理系統(tǒng)，在SBR中接種活性污泥，以實現(xiàn)廢水的COD去除和脫氮除 磷，此時的脫氮方法為全程硝化反硝化；
(2)應用自動滴定測量儀在線監(jiān)測HPR，將自動滴定測量儀連接到SBR上，實時監(jiān)測反 應器內(nèi)的HPR，與此同時，計算機比較當前時刻的HPR與Δ t時間前的HPR，并隨著HPR的實 時測量不斷向前推進，直到滿足At判斷法的條件時，計算機發(fā)出指令，控制曝氣裝置停止 曝氣；所述At判斷法即設定一個固定值m，當HPR (t-At) - HPR (t)彡m時，滿足曝氣 應該停止的條件，便在t時刻停止曝氣，At通常取數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘之間，m可通過具體的 批式實驗校核得到，其與活性污泥的種群組成、活性、濃度以及廢水性質(zhì)等密切相關(guān)，通常 取幾到幾百μ mol. Γ1. mirr1。步驟(2)中自動滴定測量儀為專利申請?zhí)?00910104312. 9所公開的廢水生物處 理中質(zhì)子變化速率的在線滴定測量裝置，其是這樣測得HPR的分別測量測量室進、出口溶 液的PH值，并傳輸給計算機進行數(shù)據(jù)處理，每隔1 10秒，該計算機以進口溶液的pH值pHl 為參考值，計算得到出口溶液的PH值pH2與pHl的差值，當該計算差值為正并大于事前設 定值Δ pH時，計算機以該差值的比例，或差值的比例、積分和微分的線性組合為控制信號， 控制微量泵向測量室中投加酸液，當差值為負并小于一Δ pH時，計算機自動控制微量泵向 測量室中投加堿液，酸堿每投加一次，計算機記錄一次酸投加量或堿投加量，所述事前設定 Δ pH為0. 01 0. 05 ；每隔10 120秒，計算機計算該時間段內(nèi)酸累計投加量Sl和堿累計 投加量S2，將該時間段內(nèi)的I S1-S2 I進行線性擬合，其斜率Δ I S1-S2 | / Δ t為HPR。(3)基于(2)所提出的方法，在SBR每個周期都實時控制曝氣歷時，及時停止曝氣， 經(jīng)過若干周期運行后，SBR廢水處理系統(tǒng)便實現(xiàn)了短程硝化反硝化生物脫氮。有益效果(1)以!PR作為在線監(jiān)測信號，對氨氧化結(jié)束點的判斷比pH等信號更加靈敏，更易于控 制策略的實施。(2) HPR還可用于氨氧化過程的動力學研究，可在線估計氨氮過程濃度等。(3)在以pH或DO作為監(jiān)測信號時，pH或DO電極在反應器內(nèi)的位置會影響到讀 數(shù)的代表性，當反應器內(nèi)混合不均等問題出現(xiàn)時，PH讀數(shù)的代表性就很差，容易造成控制誤 差。但用本發(fā)明提供的IPR作為控制方法時能從很大程度上避免這類問題的發(fā)生。


圖1為SBR實驗運行裝置示意圖2為實施控制策略前SBR曝氣階段HPR和pH響應曲線圖。
具體實施例方式實施例1
實施例1
(1)首先把自動滴定測量儀5與SBR相連，形成帶監(jiān)測系統(tǒng)的SBR實驗運行裝置系統(tǒng)， 如圖1。其中SBR以同心圓的形式分為內(nèi)外兩室，內(nèi)室1為反應器，裝有曝氣裝置2和攪 拌裝置3，外面圓環(huán)形的腔室4除在底部和頂部各有一進水口和出水口外，其余密閉，用潛 水泵不斷把裝置外恒溫水浴鍋中的水經(jīng)底部進水口泵入腔室，經(jīng)頂部出水口流回恒溫水浴 鍋，形成閉路循環(huán)，以保持恒溫；自動滴定測量儀5為專利申請?zhí)?00910104312. 9所公開的 廢水生物處理中質(zhì)子變化速率的在線滴定測量裝置。(2)試驗采用的SBR總有效體積8L，采用鼓風微孔曝氣方式，用空氣流量計調(diào)節(jié)曝 氣量，采用機械攪拌裝置進行攪拌。溫度穩(wěn)定至20°C，DO濃度低于2mg/L，每個周期按照快 速進水(廢水)、缺氧攪拌30min、曝氣、排泥、沉淀、出水、閑置的工況運行。(3)應用自動滴定測量儀5測量的HPR和pH值監(jiān)測結(jié)果見圖2，因尚未實施曝氣 歷時控制，故圖2中數(shù)據(jù)是全程硝化過程的測量結(jié)果。pH值在約130min呈現(xiàn)由下降轉(zhuǎn)為 上升的轉(zhuǎn)折點，該點被稱為“氨谷”，即指示著氨氧化結(jié)束，常被用于生物短程脫氮曝氣時段 的控制(Ma et al, 2009)；幾乎與此同時，HTO開始從較高平臺陡降，說明HPR陡降點亦指 示著氨氧化結(jié)束。從PH同HPR的對比中可以看出，兩者均能作為氨氧化結(jié)束的指示信號。 氨氧化的結(jié)束點在PH曲線上表現(xiàn)為pH值由下降或穩(wěn)定轉(zhuǎn)為上升的極值點，在HPR曲線上 表現(xiàn)為HPR由一個平臺(約15 μ mol. IAmirT1)向另一個平臺(0)陡降的突躍，因平臺的判 斷較之點的判斷更加容易，顯然，后者作為控制變量較前者更加靈敏，從這個層面講，用HPR 進行控制優(yōu)于用PH進行控制。！PR從一個較高水平快速下降到一個較低水平，意味著氨氧 化(產(chǎn)生質(zhì)子)的速率快速下降，混合液中NH4+-N快速下降到較低水平。從理論上講，即使 在NH4+-N濃度較低時，氨氧化反應仍將繼續(xù)，同時其產(chǎn)物亞硝酸鹽氧化速率將加速上升； 所以，只有在HPR發(fā)生陡降時就停止曝氣，才能有效實現(xiàn)短程硝化。(4)結(jié)合圖2分析At判斷法的可行性。At判斷法，即設定一個固定值m，當HPR (t-At) -HPR (t)彡m時，認為氨氧化結(jié)束，需要立即停止曝氣。如優(yōu)化的At取5min， m取 5ymol. IAmirTSiHPR (t_5)_ HPR (t)彡 5 μ mol. Λ mirT1 時，便可在 t 時刻停止 曝氣。計算機的程序中運算的數(shù)據(jù)為=HPR (0)- HPR (5)=0，HPR (1)- HPR (6)=0，……
5HPR (50)- HPR (SS)=-SymoLr1-Iiiin-1, HPR (51)- HPR (56) =-5 μ mol. L-1. min-1,......
HPR (120)- HPR (125) =2 μ mol. L-1. min-1, HPR (121)- HPR (126) =2. 5 μ mol. L-1. min-1,
HPR (122) - HPR (127) =3ymol. L-1. min-1......直到 HPR (126) - HPR (131) =6 μ mol. Γ1·
miiT1時，m大于了設定值δμπιοΙ.Ι^.π ιΓ1，說明在131min處應該停止曝氣了，而此時也正 是圖2中pH值發(fā)生轉(zhuǎn)折的時刻。 (5)依據(jù)(4)的分析，制定了曝氣歷時控制策略，即在!PR測量的同時計算機程序 進行著At判斷，當滿足HPR (t-At)-HPR (t)彡m的條件時，自動滴定測量儀5的計算 機便發(fā)出指令，停止曝氣，以此控制SBR好氧階段曝氣歷時。經(jīng)過60多天的運行SBR內(nèi)亞 硝酸鹽積累率(NAR)達到88%并穩(wěn)定下來，出水NH4+-N在4mg/L以下，去除率大于90% ；出 水COD在6mg/L以下，去除率在95%以上。至此，在SBR內(nèi)實現(xiàn)了穩(wěn)定的短程硝化反硝化。
權(quán)利要求
一種基于HPR在線監(jiān)測控制SBR曝氣歷時實現(xiàn)短程硝化反硝化的方法，按以下步驟進行(1)運行SBR廢水處理系統(tǒng)，在SBR中接種活性污泥，以實現(xiàn)廢水的COD去除和脫氮除磷，此時的脫氮方法為全程硝化反硝化；(2)應用自動滴定測量儀在線監(jiān)測HPR，將自動滴定測量儀連接到SBR上，實時監(jiān)測反應器內(nèi)的HPR，與此同時，計算機比較當前時刻的HPR與Δt時間前的HPR，并隨著HPR的實時測量不斷向前推進，直到滿足Δt判斷法的條件時，計算機發(fā)出指令，控制曝氣裝置停止曝氣；所述Δt判斷法即設定一個固定值m，當HPR(t Δt)－HPR(t)≥m時，滿足曝氣應該停止的條件，便在t時刻停止曝氣；(3)基于(2)所提出的方法，在SBR每個周期都實時控制曝氣歷時，及時停止曝氣，經(jīng)過運行后，SBR廢水處理系統(tǒng)便實現(xiàn)了短程硝化反硝化生物脫氮。
2.根據(jù)權(quán)利1所述基于HPR在線監(jiān)測控制SBR曝氣歷時實現(xiàn)短程硝化反硝化的方法， 其特征在于所述步驟(2)是這樣測得HPR的分別測量測量室進、出口溶液的pH值，并傳 輸給計算機進行數(shù)據(jù)處理，每隔1 10秒，該計算機以進口溶液的pH值pHl為參考值，計算 得到出口溶液的PH值pH2與pHl的差值，當該差值為正并大于事前設定Δ pH時，計算機以 該差值的比例，或差值的比例、積分和微分的線性組合為控制信號，控制微量泵向測量室中 投加酸液，當差值為負并小于一Δ pH時，計算機自動控制微量泵向測量室中投加堿液，酸 堿每投加一次，計算機記錄一次酸投加量或堿投加量，所述事前設定Δ pH為0. 01 0. 05 ； 每隔10 120秒，計算機計算該時間段內(nèi)酸累計投加量Sl和堿累計投加量S2，將該時間段 內(nèi)的I S1-S2 I進行線性擬合，其斜率Δ I S1-S2 I / At為HPR。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于HPR在線監(jiān)測控制SBR曝氣歷時實現(xiàn)短程硝化反硝化的方 法，其特征在于所述SBR內(nèi)溫度為中低溫，DO濃度低于2mg/L。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于HPR在線監(jiān)測控制SBR曝氣歷時實現(xiàn)短程硝化反硝化的方法自動滴定測量儀與SBR連接，實時監(jiān)測反應器內(nèi)的HPR，同時，計算機比較當前時刻與Δt時間前的HPR，并隨著HPR的實時測量不斷向前推進，直到滿足Δt判斷法的條件時，計算機發(fā)出指令，控制曝氣裝置停止曝氣；Δt判斷法即設定一個固定值m，當HPR(t-Δt)－HPR(t)≥m時，滿足曝氣應該停止的條件，便在t時刻停止曝氣；在SBR每個周期都實時控制曝氣歷時，及時停止曝氣，經(jīng)過若干周期運行后，SBR廢水處理系統(tǒng)便實現(xiàn)了短程硝化反硝化生物脫氮。本發(fā)明為實現(xiàn)短程硝化反硝化生物脫氮提供了一種新方法，同時還可用于硝化反硝化生物脫氮過程的動力學研究。
文檔編號C02F3/30GK101948176SQ201010296670
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者盧培利, 張代鈞, 張欣, 肖芃穎 申請人:重慶大學