利用化学除磷强化低碳氮比城市污水内源反硝化的装置与方法

1.本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及利用化学除磷强化低碳氮比城市污水内源反硝化的装置与方法。


背景技术：

2.日前，我国经济飞速发展，城市化进程不断加快，人民生活质量逐步提高，导致城镇污水的排放量越来越多，氮磷等污染物含量超标造成的水体富营养化问题尤为突出，严重危害水体环境和人类健康。城镇污水处理厂主要以生物法脱氮为主，传统硝化反硝化技术广泛应用，但该技术需要充足的碳源来完成。城市污水存在碳氮比较低的特点，常规处理方法对原水碳源利用不充分，氮磷去除效果不好，而外加碳源又大大增加了运行能耗。
3.除磷的方式主要有化学除磷和生物除磷两种，但生物除磷不稳定，易受温度、停留时间等众多因素的影响，效果较差，而化学除磷较稳定且效果好。化学除磷主要是通过向生活污水中投加无机金属盐药剂，与磷酸盐反应生成非溶解性物质，同时金属盐具有化学絮凝作用，絮凝体经沉降或过滤加以去除从而达到除磷效果。
4.内源反硝化主要是利用厌氧段贮存的内碳源来将硝态氮还原为亚硝态氮，进一步还原为氮气。聚糖菌和聚磷菌在厌氧段都可以积累内碳源，同时进行厌氧释磷，聚磷菌对有机物的贮存能力远高于聚糖菌，而在缺氧段主要利用聚糖菌储存的内碳源来进行反硝化，聚糖菌的活性强弱直接影响内源反硝化效果。为抑制聚磷菌与聚糖菌竞争污水中有限的碳源，在厌氧末通过加药泵投加混凝剂进行化学除磷。混凝剂与磷酸盐生成沉淀，在好氧段聚磷菌缺少好氧吸磷的底物，无法进行多聚磷酸盐的合成，聚磷菌活性降低，以此减弱聚磷菌在厌氧段内碳源的储存能力，强化聚糖菌的代谢，使得聚糖菌可以利用更多的有机物合成内碳源，提升内源反硝化效果。
5.在此基础上提出利用化学除磷强化低碳氮比城市污水内源反硝化的装置与方法，通过抑制系统内的聚磷菌活性，强化聚糖菌的代谢，在缺氧段利用聚糖菌储存的内碳源进行内源反硝化。采用aoa运行模式结合内源反硝化可以减少曝气过程中有机物的浪费，充分利用原水碳源，实现低c/n比城市污水稳定高效的深度脱氮。


技术实现要素：

6.本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：利用化学除磷强化低碳氮比城市污水内源反硝化的装置，其特征在于：
7.包括城市污水原水箱(1)、aoa反应器(2)、加药装置(3)、出水箱(4)和计算机在线控制组(5)；其中所述城市污水箱(1)通过进水泵(2.1)与aoa反应器(2)连接；所述aoa反应器(2)设有进水阀(2.4)、转子流量计(2.3)、气泵(2.5)、曝气盘(2.6)、搅拌器(2.7)、ph/do检测器(2.8)、ph探头(2.9)、do探头(2.10)、氮磷检测器(2.11)、氮检测探头(2.12)、磷检测探头(2.13)、排水电磁阀(2.14)、排泥阀(2.15)和出水箱(4)；所述加药装置(3)设有溶解罐
(3.1)、搅拌器(3.2)和加药泵(3.3)；所述计算机在线控制组(5)设有plc控制柜(5.1)，实时接收和输出信号，监测aoa反应器(2)内的ph/do值和氨氮、亚硝态氮、硝态氮和磷酸盐的浓度，实时调控反应器各泵的启停以及加药装置的启停，及时调整运行参数。
8.2.应用所述装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.1)城市污水原水箱(1)内的污水经过进水泵(2.1)进入aoa反应器(2)，进水结束后，关闭进水泵(2.1)，开启搅拌器(2.7)，系统内的聚磷菌和聚糖菌将进水中的有机物储存为内碳源，聚磷菌进行厌氧释磷，持续进行厌氧搅拌1～1.5h，此阶段通过ph/do检测器(2.8)监测并保持do≤0.1mg/l；
10.2)由于铝盐对活性污泥本身有毒害作用，而铁盐成本低、来源广、除磷效果好，不仅可以与磷快速结合形成磷酸盐化合物，而且还能增强厌氧氨氧化活性，所以选择铁盐做混凝剂。混凝剂储存在溶解罐(3.1)中，并通过搅拌器(3.2)不断搅拌使之混合均匀，当磷酸盐浓度变化小于或等于0.1mg/l且维持半小时以上，说明厌氧段释磷完全，在厌氧末通过加药泵(3.3)投加混凝剂，投加量根据式(2)确定；
11.铁盐投加量数学模型：
12.fe
3+
+po
43-→
fepo4↓ꢀꢀꢀ
(1)
13.通过化学计量法分析，去除1mol(31g)磷需要1mol(56g)铁。铁盐除磷药剂的投加量与总磷去除率存在着良好的函数关系，通过origin数据分析得到总磷残留率(ρ
p
/ρ
p0
)与ρ
p
的投加量具有良好的相关性，相关系数r2＝0.973，该数学模型适用于一般铁盐混凝剂。
[0014][0015]
式中：ρp——污水中总磷残留质量浓度，mg/l；
[0016]
ρp0——污水中总磷初始质量浓度，mg/l；
[0017]
ρfe——铁盐药剂的质量浓度，mg/l；
[0018]
3)关闭搅拌器(2.7)，打开气泵(2.5)，通过转子流量计(2.3)将do控制为2.0～3.0mg/l，进行硝化反应。ph/do检测器(2.8)和氮磷检测器(2.11)将实时采集信号并传输至plc控制柜(5.1)和计算机在线控制组(5)，计算机在线控制组(5)将实时接收到的信号转化并输出到各检测器，根据监测数据实时调整系统运行参数，当监测到系统内氨氮浓度低于1mg/l时，关闭气泵(2.5)停止曝气；
[0019]
4)曝气结束后，开启搅拌器(2.7)，利用厌氧段储存的内碳源进行反硝化，去除好氧段产生的硝态氮。此阶段控制do≤0.1mg/l，反应时间为2～3.5h，ph/do检测器(2.8)和氮磷检测器(2.11)将实时采集信号并传输至plc控制柜(5.1)和计算机在线控制组(5)，进行实时数据监测和运行控制，当亚硝态氮浓度低于0.2mg/l且硝态氮浓度低于1.0mg/l时，关闭搅拌器(2.7)，停止搅拌；
[0020]
5)搅拌结束后，静置沉淀10～30min进行泥水分离，之后开启排水电磁阀(2.14)，将上清液排出aoa反应器(2)，此过程通过排泥阀(2.15)定期排泥；
[0021]
6)返回步骤1)；若执行步骤1)时系统内磷酸盐的浓度变化大于0.1mg/l，则继续执行步骤2)；若执行步骤1)时系统内磷酸盐的浓度变化小于或等于0.1mg/l时，启动成功，跳过步骤2)直接执行步骤3)。
[0022]
本发明具有以下优势：
[0023]
1)通过在厌氧末投加混凝剂，抑制聚磷菌活性，强化聚糖菌代谢，为后续脱氮提供良好环境。
[0024]
2)内源反硝化可充分利用原水中的有机碳源，实现城市污水深度脱氮。
[0025]
3)aoa运行模式有利于内碳源的贮存和利用，且该aoa反应器为单级系统，布置紧凑，通过实时在线控制技术进行参数调控，运行简单。
附图说明
[0026]
图1为利用化学除磷强化低碳氮比城市污水内源反硝化的控制装置。
[0027]
图2为利用化学除磷强化低碳氮比城市污水内源反硝化的运行方式。
[0028]
图3为利用化学除磷强化低碳氮比城市污水内源反硝化的控制策略。
[0029]
图1中：1——污水原水箱、2——aoa反应器、3——加药罐、4——出水箱、5——计算机在线控制组；2.1——进水泵、2.3——转子流量计、2.4——进水阀、2.5——气泵、2.6——曝气盘、2.7——搅拌器、2.8——ph/do检测器、2.9——ph探头、2.10——do探头、2.11——氮磷检测器、2.12——氮检测探头、2.13——磷检测探头、2.14——排水电磁阀、2.15——排泥阀；3.1——溶解罐、3.2——搅拌器、3.3——加药泵；5.1——plc控制柜。
具体实施方式
[0030]
为了便于理解本发明，下面结合附图和实例详细说明本发明的实施方案。
[0031]
利用化学除磷强化低碳氮比城市污水内源反硝化的装置主要包括城市污水原水箱(1)、aoa反应器(2)、加药装置(3)、出水箱(4)和计算机在线控制组(5)；其中所述城市污水箱(1)通过进水泵(2.1)与aoa反应器(2)连接；所述aoa反应器(2)设有进水阀(2.4)、转子流量计(2.3)、气泵(2.5)、曝气盘(2.6)、搅拌器(2.7)、ph/do检测器(2.8)、ph探头(2.9)、do探头(2.10)、氮磷检测器(2.11)、氮检测探头(2.12)、磷检测探头(2.13)、排水电磁阀(2.14)、排泥阀(2.15)和出水箱(4)；所述加药装置(3)设有溶解罐(3.1)、搅拌器(3.2)和加药泵(3.3)；所述计算机在线控制组(5)设有plc控制柜(5.1)，实时接收和输出信号，监测aoa反应器(2)内的ph/do值和氨氮、亚硝态氮、硝态氮和磷酸盐的浓度，实时调控反应器各泵的启停以及加药装置的启停，及时调整运行参数。
[0032]
利用化学除磷强化低碳氮比城市污水内源反硝化的方法，主要包括以下步骤：
[0033]
1)城市污水原水箱(1)内的污水经过进水泵(2.1)进入aoa反应器(2)，进水结束后，关闭进水泵(2.1)，开启搅拌器(2.7)，系统内的聚磷菌和聚糖菌将进水中的有机物储存为内碳源，聚磷菌进行厌氧释磷，持续进行厌氧搅拌1～1.5h，此阶段通过ph/do检测器(2.8)监测并保持do≤0.1mg/l；
[0034]
2)由于铝盐对活性污泥本身有毒害作用，而铁盐成本低、来源广、除磷效果好，不仅可以与磷快速结合形成磷酸盐化合物，而且还能增强厌氧氨氧化活性，所以选择铁盐做混凝剂。例子中用的是氯化铁，但不局限于此。混凝剂储存在溶解罐(3.1)中，并通过搅拌器(3.2)不断搅拌使之混合均匀，当磷酸盐浓度变化小于或等于0.1mg/l且维持半小时以上，说明厌氧段释磷完全，在厌氧末通过加药泵(3.3)投加混凝剂，投加量根据式(2)确定；
[0035]
铁盐投加量数学模型：
[0036]
铁盐除磷反应过程：
[0037]
fe
3+ + po
43-ꢀ→ꢀ
fepo4↓ꢀ
(1)
[0038]
通过化学计量法分析，去除1mol(31g)磷需要1mol(56g)铁。铁盐除磷药剂的投加量与总磷去除率存在着良好的函数关系，通过origin数据分析得到总磷残留率(ρ
p
/ρ
p0
)与ρ
p
的投加量具有良好的相关性，相关系数r2＝0.973，该数学模型适用于一般铁盐混凝剂。
[0039][0040]
式中：ρp——污水中总磷残留质量浓度，mg/l；
[0041]
ρp0——污水中总磷初始质量浓度，mg/l；
[0042]
ρfe——铁盐药剂的质量浓度，mg/l；
[0043]
3)混凝剂投加完毕后，关闭搅拌器(2.7)，打开气泵(2.5)，通过转子流量计(2.3)将do控制为2.0～3.0mg/l，进行硝化反应。ph/do检测器(2.8)和氮磷检测器(2.11)将实时采集信号并传输至plc控制柜(5.1)和计算机在线控制组(5)，计算机在线控制组(5)将实时接收到的信号转化并输出到各检测器，根据监测数据实时调整系统运行参数，当监测到系统内氨氮浓度低于1mg/l时，关闭气泵(2.5)停止曝气；
[0044]
4)曝气结束后，开启搅拌器(2.7)，利用厌氧段储存的内碳源进行反硝化，去除好氧段产生的硝态氮。此阶段控制do≤0.1mg/l，反应时间为2～3.5h，ph/do检测器(2.8)和氮磷检测器(2.11)将实时采集信号并传输至plc控制柜(5.1)和计算机在线控制组(5)，进行实时数据监测和运行控制，当亚硝态氮浓度低于0.2mg/l且硝态氮浓度低于1.0mg/l时，关闭搅拌器(2.7)，停止搅拌；
[0045]
5)搅拌结束后，静置沉淀10～30min进行泥水分离，之后开启排水电磁阀(2.14)，将上清液排出aoa反应器(2)，此过程通过排泥阀(2.15)定期排泥。
[0046]
6)返回步骤1)；若执行步骤1)时系统内磷酸盐的浓度变化大于0.1mg/l，则继续执行步骤2)；若执行步骤1)时系统内磷酸盐的浓度变化小于或等于0.1mg/l时，启动成功，跳过步骤2)直接执行步骤3)；
[0047]
具体运行操作如下：
[0048]
以实验室周边某住宅小区生活污水为处理对象，考察该aoa系统的脱氮性能。
[0049]
1)实验期间进水水质如下：
[0050][0051]
2)实验期间运行参数如下：
[0052]
aoa反应器(有效容积10l)；
[0053]
进水/厌氧段：泵入城市污水，控制搅拌器转速为60～80r/min，do≤0.1mg/l；
[0054]
混凝剂投加量：本实验中，进水磷酸盐浓度为5mg/l，混凝剂投加量为46mg/l，根据运行期间的磷酸盐浓度调整加药量。
[0055]
好氧段：控制do为2.0～3.0mg/l，自动调整曝气时间，一般为0.5～1.5h；
[0056]
缺氧段：控制搅拌器转速为60～80r/min，do≤0.1mg/l，自动调整反应时间，一般为2～3.5h。在运行中计算得到缺氧段内源反硝化速率(ednr)≥1.0mg-n/(g-vss
·
h)；
[0057]
内源反硝化速率(ednr)计算公式：
[0058]
式中：ednr指内源反硝化速率，mg-n/(g-vss
·
h)；
[0059]
no
3-a1
和no
3-a2
分别表示缺氧条件下反应初始和结束时的no
3-‑
n浓度，mg/l；mlvss表示参与反应的污泥浓度，mg/l；
[0060]
t1和t2分别指缺氧反应初始和结束时的时间，h。
[0061]
静置沉淀排水：静置沉淀10～30min后排水。
[0062]
系统快速启动并运行稳定后，出水cod浓度为7-24mg/l，nh
4+-n≤1.0mg/l，no
3-‑
n浓度≤1.0mg/l，no
2-‑
n浓度≤0.2mg/l，出水tn浓度≤2mg/l，出水tp浓度≤0.5mg/l，各项技术指标均达到城镇污水处理厂一级a排放标准。
[0063]
以上是本发明的具体实施例，便于该技术领域的技术人员能更好的理解和应用本发明，但本发明的实施不限于此，因此该技术领域的技术人员对本发明所做的简单改进都在本发明保护范围之内。

技术特征：
1.利用化学除磷强化低碳氮比城市污水内源反硝化的装置，其特征在于：包括城市污水原水箱(1)、aoa反应器(2)、加药装置(3)、出水箱(4)和计算机在线控制组(5)；其中所述城市污水原水箱(1)通过进水泵(2.1)与aoa反应器(2)连接；所述aoa反应器(2)设有进水阀(2.4)、转子流量计(2.3)、气泵(2.5)、曝气盘(2.6)、搅拌器(2.7)、ph/do检测器(2.8)、ph探头(2.9)、do探头(2.10)、氮磷检测器(2.11)、氮检测探头(2.12)、磷检测探头(2.13)、排水电磁阀(2.14)、排泥阀(2.15)和出水箱(4)；所述加药装置(3)设有溶解罐(3.1)、搅拌器(3.2)和加药泵(3.3)；所述计算机在线控制组(5)设有plc控制柜(5.1)，实时接收和输出信号，监测aoa反应器(2)内的ph/do值和氨氮、亚硝态氮、硝态氮和磷酸盐的浓度，实时调控反应器各泵的启停以及加药装置的启停，及时调整运行参数。2.应用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)城市污水原水箱(1)内的污水经过进水泵(2.1)进入aoa反应器(2)，进水结束后，关闭进水泵(2.1)，开启搅拌器(2.7)，系统内的聚磷菌和聚糖菌将进水中的有机物储存为内碳源，聚磷菌进行厌氧释磷，持续进行厌氧搅拌1～1.5h，此阶段通过ph/do检测器(2.8)监测并保持do≤0.1mg/l；2)选择铁盐做混凝剂；混凝剂储存在溶解罐(3.1)中，并通过搅拌器(3.2)不断搅拌使之混合均匀，当磷酸盐浓度变化小于或等于0.1mg/l且维持半小时以上，说明厌氧段释磷完全，在厌氧末通过加药泵(3.3)投加混凝剂，投加量根据式(2)确定；铁盐投加量数学模型：铁盐除磷反应过程：fe
3+ + po
43-ꢀ→ꢀ
fepo4↓ꢀ
(1)通过化学计量法分析，去除1mol即31g磷需要1mol即56g铁；铁盐除磷药剂的投加量与总磷去除率存在着良好的函数关系，通过origin数据分析得到总磷残留率(ρ
p
/ρ
p0
)与ρ
p
的投加量具有良好的相关性，相关系数r2＝0.973；式中：ρp——污水中总磷残留质量浓度，mg/l；ρp0——污水中总磷初始质量浓度，mg/l；ρfe——铁盐药剂的质量浓度，mg/l；3)关闭搅拌器(2.7)，打开气泵(2.5)，通过转子流量计(2.3)将do控制为2.0～3.0mg/l，进行硝化反应；ph/do检测器(2.8)和氮磷检测器(2.11)将实时采集信号并传输至plc控制柜(5.1)和计算机在线控制组(5)，计算机在线控制组(5)将实时接收到的信号转化并输出到各检测器，当监测到氨氮浓度低于1mg/l时，关闭气泵(2.5)停止曝气；4)曝气结束后，开启搅拌器(2.7)，利用厌氧段储存的内碳源进行反硝化，去除好氧段产生的硝态氮；此阶段控制do≤0.1mg/l，反应时间为2～3.5h，ph/do检测器(2.8)和氮磷检测器(2.11)将实时采集信号并传输至plc控制柜(5.1)和计算机在线控制组(5)，进行实时数据监测和运行控制，当亚硝态氮浓度低于0.2mg/l且硝态氮浓度低于1.0mg/l时，关闭搅拌器(2.7)，停止搅拌；5)静置沉淀10～30min进行泥水分离，之后开启排水电磁阀(2.14)，将上清液排出aoa反应器(2)，此过程通过排泥阀(2.15)定期排泥；
6)返回步骤1)；若执行步骤1)时系统内磷酸盐的浓度变化大于0.1mg/l，则继续执行步骤2)；若执行步骤1)时系统内磷酸盐的浓度变化小于或等于0.1mg/l时，启动成功，跳过步骤2)直接执行步骤3)。

技术总结
利用化学除磷强化低碳氮比城市污水内源反硝化的装置与方法，属于污水生化处理技术领域。该装置包括污水原水箱、AOA生物反应器、加药装置、出水箱和计算机在线控制组。污水进入AOA反应器后，聚糖菌(GAOs)和聚磷菌(PAOs)在厌氧段积累内碳源，同时进行厌氧释磷。为抑制聚磷菌与聚糖菌竞争污水中有限的碳源，在厌氧末通过加药泵投加混凝剂进行化学除磷，在好氧段，聚磷菌缺少好氧吸磷的底物，不再进行多聚磷酸盐的合成，以此抑制聚磷菌在厌氧段内碳源的储存能力，通过抑制系统内聚磷菌的活性，强化聚糖菌的代谢。在缺氧段利用聚糖菌储存的内碳源，进行内源反硝化。此发明可以实现低C/N比城市污水稳定高效的深度脱氮。城市污水稳定高效的深度脱氮。城市污水稳定高效的深度脱氮。


技术研发人员：彭永臻 石夏莲 吴悠 王淑莹 张琼
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/8/14