利用氨氮提高城市污水脱氮效率的SBR深度脱氮方法与流程

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种利用氨氮提高城市污水脱氮效率的sbr深度脱氮方法。

背景技术：

随着经济发展和城市化进程的加快，城市对水资源的需求量不断增加，开发利用城市污水，使其实现资源化，对于保障城市安全供水和环境资源的可持续利用具有重大的战略意义。目前，限制污、废水回用的主要瓶颈仍然是水质问题，对于城市污水的回用，其首要问题就是要确保城市污水厂出水氮磷的达标。污水中的磷通常可以采用加药法去除，但污水中的氮由于其化合物的分子量较小，一般不能采用投加药剂法去除。采用反渗透膜技术除氮，虽然方法有效，但成本昂贵，难于推广。因此，氮的有效去除是污水深度处理的难点和重点。污水的生物脱氮，是目前最为经济有效和运用广泛的处理技术，如何进一步提高现行生物脱氮工艺效率，研究开发经济高效的生物脱氮新方法与新技术，是亟待解决的重要课题。

目前，工程中广泛应用的生物脱氮工艺仍然是建立在传统生物脱氮理论基础上的组合工艺，如以缺氧/好氧为代表的空间顺序连续流工艺和以sbr工艺为代表的时间顺序间歇流工艺。特别是sbr工艺，由于其运行方式灵活，可以根据需要实现好氧、缺氧及厌氧状态交替的环境条件，已成为相对连续流工艺更有优势的脱氮技术。

生物脱氮过程主要分为两步反应过程，即先通过好氧硝化作用将氨氮氧化为硝态氮(硝酸盐氮和亚硝酸盐氮)，然后再通过缺氧反硝化作用，以有机物为电子供体将硝态氮还原为氮气，最终氮气从水中逸出。

采用sbr工艺进行深度脱氮时，其基本的运行方式通常是：原水进入系统后，先通过好氧运行去除水中的有机物，并将氨氮氧化为硝态氮，即进行硝化反应；然后再通过投加适量的碳源，在缺氧搅拌的条件下，完成硝态氮还原为氮气的反硝化脱氮反应过程。显然，人们通常不希望在反硝化系统中还存在有未被硝化的氨氮成分，因为这常被认为会影响系统处理后的水质。

然而，本课题组最近通过试验发现，在反硝化系统中如果存在有适量的氨氮成分(氨氮含量大于被还原降解硝态氮量9％以上)，会明显增强反硝化菌的活性，进而明显提高反硝化速率，并且在反硝化降解硝态氮的过程中，还能同时降解占被还原降解的硝态氮量8％以上(均值)的氨氮成分。

为了优化sbr工艺的脱氮过程，本发明提供一种利用氨氮提高城市污水脱氮效率的sbr深度脱氮方法。

技术实现要素：

本发明基于“适量的氨氮对常规生物反硝化过程具有明显促进作用”的发现，并结合“以ph、do(溶解氧)和orp(氧化还原电位)参数在线控制sbr脱氮过程的方法”，通过进一步反复试验研究开发而成，目的是进一步挖掘传统sbr工艺的脱氮潜能，提高脱氮效率。

本发明的基本依据

(1)反硝化过程中存在有适量氨氮成分(大于被还原降解硝态氮量9％以上)时，能够使反硝化速率有较大幅度提高；

(2)在生物脱氮的反硝系统中含有氨氮时，反硝化过程除还原降解硝态氮成分外，还同时能够去除约占被降解硝态氮量8％以上(均值)的氨氮成分；

(3)在sbr硝化反应结束时，在线监测的ph和do历时曲线上能够出现明显的特征点予以指示，在sbr反硝化反应结束时，在线监测的ph和orp历时曲线上也能够出现明显的特征点予以指示。

本发明要求sbr反应器及其控制装置具有以下特征

sbr反应器连接有进水管、碳源投加管、曝气管、出水管和排泥管；sbr反应器由进水泵经进水阀、进水管供水，由碳源投加泵经碳源投加阀、碳源投加管投加碳源，由鼓风机经曝气进气阀、曝气管进行曝气；在sbr反应器出水管和排泥管上也设置相应的排水阀和排泥阀。

在sbr反应器中设置有搅拌器、液位传感器、ph传感器、do传感器和orp传感器；液位传感器和ph、do、orp传感器的检测信号分别经采样、转换和处理后与控制器相连。根据预先设定的系统运行控制策略，通过过程控制器中的继电器对系统的运行过程实施在线控制。

系统运行的控制参数有：sbr反应器周期的总充水比例δ、一周期的两次充水量占总充水量的比例λ1和λ2(充水方案)、一次充水时间t1及结束充水时反应器中的液位h1、好氧过程中ph和do信号的采样间隔t2、二次充水时间t3、碳源投加时间t4、结束充水及投加碳源时反应器中的液位h2、搅拌过程中ph和orp信号的采样间隔t5、反硝化结束时orp对时间平均变化率korpi突然减小时的临界值korpk、短时曝气时间t6、沉淀时间t7、排水时间t8、排泥时间t9、闲置时间t10等。

反应过程的每一道工序，包括各种泵和阀门的启闭，曝气和搅拌系统的启闭，充水、投加碳源、排水、排泥、闲置等过程，均可根据控制策略由控制系统实时在线控制完成。

本发明的技术方案

根据上述基本依据，本发明的基本做法是：将sbr每周期预定处理的原水总量分两次充入反应器。第一次充水的充水量占反应器周期待处理原水总量的大部分；第二次充水在好氧硝化反应结束后进行，充水量为剩余的反应器周期待处理原水；根据控制策略由ph、do参数在线监测与控制sbr好氧硝化过程，由ph、orp参数在线监测与控制sbr缺氧反硝化过程。两次充水的比例λ1和λ2可根据被处理原水的凯氏氮浓度son和脱氮的处理目标sen确定(具体方案见后)。

第二次充水的主要目的是为脱氮的反硝化过程提供适量的氨氮源以促进反硝化进程，并使这部分氨氮不经过好氧硝化过程被部分去除而不影响出水水质，同时兼顾为反硝化脱氮过程补充相应的碳源，从而实现增效、节能和降耗的目的。

设定系统运行控制参数后，本发明提供的sbr反应器一个周期运行的基本技术工序如下：

(1)第一次充水启动进水泵，同时打开进水阀，将待处理的原水充入sbr反应器，当达到预定的第一次充水水量(由设定的充水时间t1并结合液位h1参数确定)时，由控制系统实时关闭进水阀和进水水泵。

(2)好氧曝气运行sbr反应器完成第一次充水后，由控制系统实时开启鼓风机和进气阀，对反应器进行曝气运行，去除水中的有机物，并将水中氨氮氧化为硝态氮。

在曝气过程中，实时在线监测ph和do信号。当进水中存在有机物时，曝气初期以降解有机物为主，实时监测的ph历时曲线呈上升状态(见图3)。当监测到的ph值转为稳定下降状态时，表明脱氮的硝化反应已开始正常发生，此时do历时曲线形状也进入近似为平台状态，或呈缓慢上升的状态(见图3)。随着硝化反应的进行，当监测到ph曲线由下降转为上升出现“谷点”(见图3中a点)，同时do曲线呈快速上升状态(见图3中b点)时，或ph值下降至较低(一般ph<6)后转为基本不变，同时do值上升至接近饱和状态(属于碱度不足的情况)时，表明脱氮的硝化反应已停止。据此并结合试验结果，制定好氧曝气运行的控制策略如下：

开始曝气后，在线监测的ph和do信号采样间隔t2取60s。为消除干扰，对所采集的phi和doi值进行4值实时滑动滤波处理(即计算4个值滑动的平均值)，并实时计算相邻两个滑动滤波值phlbi-1、phlbi与dolbi-1、dolbi对时间的平均变化率kphi＝(phlbi-phlbi-1)/(ti-ti-1)和kdoi＝(dolbi-dolbi-1)/(ti-ti-1)值。在曝气过程中，当监测到kphi值连续4min以上均<0后，注意监测kphi和kdoi值的变化情况，当监测到kphi值由负变正(见图4中a点)，同时满足kdoi>kdoi-1>kdoi-2>kdoi-3>0(见图4中b点附近)时，或监测到kphi的绝对值<0.002/min，同时dolbi>5mg/l时，由控制系统实时关闭鼓风机和进气阀，停止曝气运行。

(3)第二次充水及投加碳源搅拌运行停止曝气运行后，再次由控制系统实时开启进水泵和进水阀，向反应器中充入一周期预定处理原水量的剩余部分，同时开启碳源投加阀和碳源投加泵投加反硝化碳源(甲醇等)，并启动搅拌设备。当达到第二次充水的充水量和碳源投放量(由设定的充水时间t3、碳源投放时间t4并结合液位h2控制)时，由控制系统实时关闭进水阀、进水水泵和碳源投加泵、碳源投加阀。

碳源的投放量，可根据硝化结束时混合液中硝态氮含量及第二次充水中有机物含量的变化情况，由人工实时进行调整，使其恰好满足反硝化的需求(4.0<bod5/硝态氮<4.2)。

在搅拌过程中，反硝化菌利用第二次进水中的有机物和外加的碳源为电子供体，反硝化脱除第一次好氧阶段产生硝态氮，并利用第二次进水中的氨氮促进反硝化进程，同时也将第二次进水中的氨氮成分在反硝化过程中被部分去除。

在搅拌过程中，实时在线监测ph和orp信号。第二次充水和投加碳源过程可能会对ph和orp传感器信号产生干扰，因此可能会出现ph和orp示值的不稳定现象。当系统稳定后，监测到的orp历时曲线先呈快速下降状态，然后下降速度逐渐减缓并过渡到接近等速下降状态，ph历时曲线则呈稳定上升状态(见图3)。随着搅拌时间的推移，当监测到ph历时曲线由上升转为下降(见图3中c点)，并且几乎同时(有时会略提前或滞后1～2分钟)，orp历时曲线则由接近等速下降状态突然转为快速下降而形成“膝点”(见图3中d点)时，表明脱氮的反硝化反应已停止。据此并结合试验结果，制定缺氧搅拌运行的控制策略如下：

在线监测的ph和orp信号的采样间隔t5取60s。同样为了消除干扰，开始搅拌后，对所采集的phi和orpi值进行4值实时滑动滤波处理(即计算4个值滑动的平均值)，并实时计算相邻两个滑动滤波值phlbi-1、phlbi与orplbi-1、orplbi对时间的平均变化率kphi＝(phlbi-phlbi-1)/(ti-ti-1)和korpi＝(orplbi-orplbi-1)/(ti-ti-1)值。在搅拌过程中，当监测到kphi值连续3min以上均>0后，在注意监测kphi和korpi值变化的同时，开始实时将korpi值与设定的临界值korpk(取-1.2～-1.4mv/min)进行比较。当监测到的kphi值由正变负(见图4中c点)，同时在此特征点附近(提前或滞后2min内)，监测到korpi<korpi-1，并且korpi≤korpk(见图4中d点)时，由控制系统实时停止搅拌运行。

(4)短时曝气运行缺氧搅拌停止后，再次由控制系统实时开启鼓风机和进气阀对反应器进行短时间鼓风曝气(曝气时间t6取7～20min)，主要目的是吹脱附着在污泥颗粒上的氮气和进一步氧化可能剩余的有机物及部分氨氮成分。当达到设定的曝气时间t6时，由控制系统实时关闭鼓风机和进气阀，停止曝气运行。

(5)沉淀停止曝气运行后，使反应器中的混合液处于沉淀状态，实现泥水分离。

(6)排水和排泥待达到设定的沉淀时间t7(取40～70min)后，系统实时开启排水管道上的排水阀，将处理后的上清液排出反应器；根据设定的排泥方案，系统实时开启排泥管道上的排泥阀门排泥。当达到设定的排水时间t8(取60～90min)和排泥时间t9(取5～25min)后，系统实时关闭排水阀和排泥阀。

(7)闲置反应器处于停止工作的待机状态，当到达设定的闲置时间t10(取10～50min)时，即完成sbr反应器一个周期的运行工序。这时，系统自动转入下一周期的循环运行。

说明：由于生物脱氮过程要消耗碱度，当被处理的污水中碱度不足【总碱度(以caco3计)/凯氏氮<3.6】时，在硝化反应过程中会引起系统ph值过度降低，进而抑制硝化反应过程，并使do快速上升。因此，当污水中碱度不足时，应适当补充碱度【满足总碱度(以caco3计)/凯氏氮>3.6】，否则本发明虽有节能增效的效果，但无法实现深度脱氮的目的。

两次充水比例λ1和λ2(充水方案)的确定

两次充水的比例λ1和λ2，可依据被处理原水的凯氏氮浓度son、脱氮的处理目标sen和反应器周期的总充水比例δ确定。第二次充水比例λ2应不小于第一次充水比例λ1的9％，适当增大λ2，虽然使出水的总氮浓度有所增加，但可使更多原水被分配到反硝化段，原水中的碳源可为反硝化脱氮服务。因此，在满足脱氮处理目标的条件下，应尽量增大λ2，以减少反硝化外碳源的投放量和降低系统的运行费用。基于这一原则，并结合试验结果建立的λ1和λ2的计算公式如下：

当λ1<50％时，取λ1＝50％(1)

λ2＝1-λ1(2)

式中λ1和λ2为sbr反应器周期的两次充水量占总充水量的比例；

son为被处理原水的凯氏氮浓度(取20～120mg/l)；

sen为处理后出水的总氮浓度(处理目标)；

δ为sbr反应器周期的总充水比例(取1/2～2/3)。

在特殊的情况下(如son接近20mg/l，sen＝8mg/l时)，由公式(1)计算得到的λ1会出现<50％的情况，此时取λ1＝λ2＝50％。

依据公式(1)和公式(2)确定的充水方案，在实验室条件下和sbr进水的凯氏氮浓度为20～120mg/l(原水中硝态氮为0mg/l)时，都能获得理想的脱氮处理结果。在生产条件下，如果出现sbr处理系统出水的总氮高于脱氮处理目标sen时，可将λ2按照递减1％～0.3％的方式进行调整【λ1根据(2)式也作相应调整】，直到满足处理目标sen为止。

本发明的有益效果及部分试验结果

以模拟含氮污水为处理对象，以甲醇为反硝化外加碳源，在sbr反应器的有效容积分别为12l和4l，进水混合液cod≈30～50mg/l，nh4⁺-n≈20～80mg/l，nox^--n≈0mg/l，反应过程温度约为24℃，污泥浓度控制在4500～7500mg/l，其他条件相同且均满足生物脱氮的条件下，经过长期和分阶段的反复对比试验证明，本发明提出的“利用氨氮提高城市污水脱氮效率的sbr深度脱氮方法”与反硝化段不存在氨氮的常规sbr深度脱氮系统相比较，具有以下明显地增效、节能和降耗的效果：

(1)可以增强系统的脱氮能力

系统反硝化段在降解硝态氮的过程中，在不增加反硝化碳源的情况下，还可同时去除占被降解硝态氮量8％以上(均值)的氨氮成分，部分梯度试验结果的统计见表1。

表1sbr部分典型周期反硝化段氨氮去除情况试验结果统计^①

①表中所有试验周期曝气硝化结束时混合液中的亚硝酸盐氮浓度均为0mg/l。

(2)可以大幅度提高反硝化反应速率和减少反硝化过程的动力能耗

在试验条件下，当反硝化系统中存在适量氨氮成分时，可使反硝化脱氮速率提高35％以上，使反硝化搅拌动力能耗减少25％以上。部分试验的统计与计算结果见表2。

表2反硝化段含有氨氮的sbr1与不含氨氮的sbr2系统反硝化段相关参数比较

①表中所列内容是在不同时期驯化后稳定阶段的对比试验结果。由于不同时期驯化的反硝化菌浓度和活性存在差异，因此表中所列的不同时期脱氮速率也存在差异，但在同一时期sbr1与sbr2脱氮速率的比值是基本一致的。例如，第1个对比周期sbr1和sbr2的脱氮速率分别为7.085和5.150mgn/gmlss·h，而第3个对比周期sbr1和sbr2的脱氮速率则分别为4.556和3.342mgn/gmlss·h，存在较大差别，但在这两个对比周期中sbr1和sbr2脱氮速率的比值是基本一致的(分别为1.376和1.363)。

②因反硝化脱氮速率与反硝化搅拌时间成反比关系，所以两系统反硝化搅拌时间的比值就是它们相应脱氮速率比的倒数。以表中第一个对比周期的数据为例，sbr1的反硝化脱氮速率是sbr2的1.376倍，则它们搅拌时间的比即为1/1.376＝0.727，因此sbr1的搅拌时间相对sbr2减少了1-0.727＝0.273，即搅拌能耗减少27.3％。

(3)可以减少脱氮过程对碳源的需求量和减少反硝化外碳源的投放量

由于反硝化过程在还原降解硝态氮的同时，还能增加降解约占被降解硝态氮量8％以上(均值)的氨氮成分。经理论分析和对比试验结果可得，反硝化过程中含有适量氨氮时，可使反硝化脱氮(包括氨氮和硝态氮)过程减少10％左右的碳源需求。

另一方面，由于第二次充水中的有机物可以作为反硝化碳源被利用，因此可减少反硝化外碳源的投放量。例如，如果被处理原水凯氏氮浓度son为40mg/l，脱氮处理目标sen为4mg/l，sbr周期处理的总充水比例δ为2/3，由公式(1)和公式(2)可得λ2＝20.6％。若原水中碳源充足(bod5/总氮>4.0)，则在反硝化过程中，除了可减少投加上述的10％左右外碳源基础上，还可减少20.6％外碳源的投加量。

(4)可以减少脱氮系统的好氧动力消耗和脱氮过程对碱度的消耗

依据公式(1)公式(2)所确定的充水方案，可以在保证脱氮处理目标的条件下，获得尽量大的第二次充水量。第二次充水中的有机物和氨氮是没有经历好氧过程而直接进入反硝化段的，因此若仍以上例中的λ2＝20.6％进行第二次充水为例，就可以在保证脱氮处理目标sen的条件下，减少20.6％的好氧动力消耗和碱度消耗。

(5)采用实时控制策略控制生物脱氮过程的好氧曝气时间和缺氧搅拌时间，不存在由于曝气或搅拌时间不足而引起的硝化或反硝化不完全现象，也不存在因过度曝气或搅拌而带来的运行成本的提高。

(6)可以根据原水的水质、水量和系统的运行状况等的变化，实时调整系统的运行控制参数，在保证出水水质的前提下实现节能降耗。

(7)可以使整个处理过程实时在线控制完成，管理操作方便。

附图说明

图1为本发明的sbr工艺一个周期的运行模式；

图2为反硝化段存在氨氮的“sbr1”与不存在氨氮的“sbr2”典型周期历时对比结果。

反硝化开始时，“sbr1”中除硝酸盐氮外，还含有适量的氨氮，亚硝酸盐氮含量为零；sbr2中只有硝酸盐氮，不存在氨氮和亚硝酸盐氮。两系统反硝化碳源充足，其他反应条件(如污泥浓度、温度、充排水比例、运行方式等)相同；两系统均以反硝化过程中ph和orp历时曲线上的特征点“c”和“d”的出现，并结合硝酸盐氮的检测结果控制结束反硝化过程。经计算知：“sbr1”的脱氮速率较“sbr2”提高37.6％，“sbr1”的搅拌能耗较“sbr2”降低27.3％。

图3为sbr脱氮过程典型周期中ph、do、orp参数随氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮浓度变化的历时曲线(图中的ph、do和orp是经4值滤波处理后的数据)。

图4为图3中ph、do、orp参数对时间的变化率kph、kdo、korp随氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮浓度变化的历时曲线。

由图3和图4可见，硝化过程结束时ph、do参数历时曲线及其相应的变化率历时曲线上的特征点“a”和“b”，反硝化过程结束时ph、orp参数历时曲线及其相应的变化率历时曲线上的特征点“c”和“d”都十分明显，这为以ph、do、orp参数在线实时停止硝化和反硝化过程提供了依据。

图5为本发明的在线控制策略流程图。

具体实施方式

第1步确定系统运行控制参数

针对已启动并稳定运行的sbr污水处理系统，根据处理目标和所掌握的被处理原水的水质特点，按照以下步骤确定系统运行控制参数：

(1)确定周期的总充水比例δ(取1/2至2/3)，依据被处理原水的凯氏氮浓度son和脱氮的处理目标sen，按照公式(1)和(2)确定充水方案λ1和λ2；

(2)根据一周期处理的总水量和充水比例λ1和λ2，确定每次的充水水量，进而确定每次的充水时间t1、t3；

(3)由第一次充水量确定充水结束后的液位h1，由第二次充水量并结合外碳源液体的投放量确定反应器充满时的液位h2；

(4)确定好氧过程中do和ph信号的采样间隔t2(取60s)和搅拌过程中ph和opr信号的采样间隔t5(取60s)；

(5)根据需要确定反硝化结束时opr对时间平均变化率的临界值korpk(取-1.2～-1.4mv/min)；

(6)根据硝化结束混合液中硝态氮浓度及第二次充水中有机物的含量，依据4.0<bod5/硝态氮<4.2的条件，确定反硝化外碳源液体的投加量，进而确定碳源投加时间t4；

(7)根据需要确定短时曝气时间t6(取7～20min)和沉淀时间t7(取40～70min)；

(8)根据一周期的排水量确定排水时间t8(取60～90min)；

(9)以sbr反应器每周期反应结束时，混合液的污泥浓度为4500～6000mg/l为依据，确定每周期的排泥量，进而确定排泥时间t9(取5～25min)；

(10)根据需要确定闲置时间t10(取10～50min，在保证1天24小时处理周期数的前提下，原水的凯氏氮浓度son偏高时，系统处理周期的时间就会加长，则每周期之间的闲置时间就会相应缩短，反之就会延长)；

(11)在控制装置上完成对上述控制参数δ、λ1、λ2、h1、h2、t1～t10、korpk值的设定；

(12)按照图1的运行模式，在控制策略的支配下，实现对处理系统的在线控制运行。

第2步sbr反应器一个周期运行的基本技术工序

(1)第一次充水启动进水泵，同时打开进水阀，将待处理的原水充入sbr反应器，当达到预定的第一次充水水量(即达到设定的充水时间t1和液位h1)时，由控制系统实时关闭进水阀和进水水泵。

(2)好氧曝气运行sbr反应器完成第一次充水后，由控制系统实时开启鼓风机和进气阀，对反应器曝气运行，去除水中的有机物，并将水中氨氮氧化为硝态氮。在曝气过程中，根据控制策略，当在线监测的ph和do历时曲线上表征硝化结束的特征点出现时，由控制系统实时关闭鼓风机和进气阀，停止曝气运行。

(3)第二次充水及投加碳源并搅拌运行停止曝气运行后，再次由控制系统实时开启进水泵和进水阀，向反应器中充入一周期预定处理原水量的剩余部分，同时开启碳源投加阀和碳源投加泵投反硝化碳源(甲醇等)，并启动搅拌设备。当达到第二次充水的充水量和碳源投放量(由设定的充水时间t3、碳源投放时间t4并结合液位h2控制)时，由控制系统实时关闭进水阀、进水水泵和碳源投加泵、碳源投加阀。

在搅拌过程中，反硝化菌利用第二次进水中的有机物和外加的碳源为电子供体，反硝化脱除第一次好氧阶段产生硝态氮，利用第二次进水中的氨氮促进反硝化进程，同时也将第二次进水中的氨氮成分在反硝化过程中被部分去除。根据控制策略，当在线监测的ph和orp历时曲线上表征反硝化结束的特征点出现时，由控制系统实时停止搅拌设备，停止搅拌运行。

(4)短时曝气运行反硝化过程结束后，再次由控制系统自动开启鼓风机和进气阀对反应器进行短时间鼓风曝气，主要目的是吹脱附着在污泥颗粒上的氮气和进一步氧化可能剩余的有机物及部分氨氮成分。当达到设定的短时曝气时间t6时，由控制系统实时自动关闭鼓风机和进气阀，停止曝气运行。

(5)沉淀停止曝气运行后，使反应器中的混合液处于沉淀状态，实现泥水分离。

(6)排水和排泥待达到设定沉淀时间t7时，系统实时开启排水管道上的排水阀，将处理后的上清液经滗水器排出反应器；根据设定的排泥方案，系统实时开启排泥管道上的排泥阀排泥。当达到设定的排水时间t8和排泥时间t9时，系统实时关闭排水阀和排泥阀。

(7)闲置反应器处于停止工作的闲置待机状态。当到达预定的闲置待机时间t10即完成sbr反应器一个周期的运行工序。这时，系统自动转入下一周期的循环运行。

本发明可广泛应用于中小城镇污水的深度脱氮处理，也可应用于碱度充足的含氮工业废水的深度脱氮处理。