專利名稱：一種磁活性污泥反應器裝置及其實現短程脫氮的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種磁活性污泥反應器及其實現生物短程脫氮的方法，適用于大、中、小型城鎮(zhèn)生活污水及工業(yè)廢水深度脫氮，屬于污水處理領域。
背景技術：
傳統(tǒng)活性污泥法廣泛應用于城市和工業(yè)污水處理工藝中。但是普遍存在著污泥產率高，污水呈現低C/N比導致脫氮效率不理想的問題。而且排出的大量剩余污泥處理與處置的費用常常占整個污水廠運行費用的60%以上。因此，如何從常規(guī)活性污泥工藝中減少剩余污泥的產量以及對于低碳氮比的污水解決生物脫氮問題成為了當前一個非常實際和緊迫的問題。磁活性污泥技術的提出，為有效解決傳統(tǒng)工藝存在的問題和弊端提供了解決方 案。通過在常規(guī)活性污泥中投加磁粉不僅形成具有較強磁吸附而且還具有良好的固液分離的磁活性污泥，該工藝主要的一個目標就是在反應器中維持較高的污泥濃度，以此來限制污泥的產量和相關運行費用?；诖呕钚晕勰嗉夹g的優(yōu)點，磁活性污泥工藝的開發(fā)和研究也日益受到國內外污水處理技術人員的重視。較常規(guī)活性污泥法工藝，它具備了如下的優(yōu)越性1、可以在磁活性污泥反應器中維持高的生物量，污泥濃度可達到15g/L。污染物去除效率高，裝置處理容積負荷大，設備占地省；而且處理出水水質良好，一般可以實現進水有機物的完全礦化，出水中懸浮物較低。2、污泥產率低。由于污泥負荷低，因此污泥產率遠遠低于普通活性污泥系統(tǒng)。Renze van Houten等人認為較低的F/M, —方面可以使產生的剩余污泥量減少而降低了處置剩余污泥的費用，另一方面使得污泥齡變長。較長的污泥齡有利于世代期較長的細菌生長(如硝化菌)。低F/M還會使磁活性污泥中產生大量的胞外聚合物EPS，從而更有利于磁粉與污泥的結合。3、良好的脫氮效果。磁種的加入，硝化菌呈生物膜固定生長，這不僅給生長速率較慢的硝化菌創(chuàng)造了一個穩(wěn)定的生活環(huán)境，增加了系統(tǒng)中硝化菌生物量，提高了硝化率，還創(chuàng)造了微氧環(huán)境，實現了同步硝化反硝化功能。據美國劍橋水務研發(fā)的biomag工藝試驗表明其好氧出水TN長期穩(wěn)定在小于10mg/l，氨氮小于I. 5mg/l。4、可大幅度提高處理水量。高的污泥濃度可縮短污水處理過程中生化反應池中的停留曝氣時間，提高了污水處理速度，同時，沉淀過程中沉淀速度快(超過2(T40m/h)，這些處理過程的縮短，壓縮了常規(guī)工藝的水力停留時間，提高了處理水量。將磁活性污泥法與短程脫氮相結合，不僅實現污泥產率低、還可以降低能耗節(jié)約運行費用，而在磁活性污泥反應器中實現短程生物脫氮未見報道。我國城市污水廠含氮量難于達標的主要原因在于反硝化碳源不足，進水的低碳氮比低。短程硝化脫氮技術與傳統(tǒng)的全程硝化反應比較，可減少25%的曝氣量和40%的有機碳源。因而，如果在磁活性污泥中實現短程脫氮，將氨氮氧化為亞硝氮后，可以大大減少反硝化所需碳源，從而實現高效的反硝化?？梢?，在磁活性污泥反應器中實現短程脫氮的方法是具有理論和現實意義，市場應用前景廣闊。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了解決上述技術問題，提出了一種磁活性污泥反應器實現短程硝化的裝置和方法。該裝置和方法能在達到更好的污水處理效果的基礎上，與常規(guī)活性污泥短程脫氮相比較，本發(fā)明可獲得較低的污泥產率、節(jié)省了曝氣能耗及減少外加碳源投加量。本發(fā)明的目的是通過以下的技術方案來實現的磁活性污泥反應器裝置，如圖I所示，反應器3安裝進水管16、出水管13和排泥管14、便于污水和磁活性污泥充分混合的攪拌機4、底部設置微孔曝氣圓盤15，微孔曝氣圓盤15連接至鼓風機5，微孔曝氣圓盤15和鼓風機5之間設有氣 體流量計6 ;在反應器3內壁上安用于測量裝溶解氧D0，氧化還原電位ORP和pH的電極12，上述電極12經傳輸電纜與顯示控制器8連接，顯示控制器8與PID控制器11通過電纜相連，PID控制器11與計算機10相連；PID控制器11集成有進水繼電器、出水繼電器、曝氣繼電器、投加碳源計量泵繼電器、攪拌機繼電器，上述這些繼電器分別與進水泵2、出水電磁閥門9、鼓風機5、投加碳源計量泵7和攪拌機4相連接；進水箱I的出口通過進水泵2、進水管16連接至反應器3 ;投加碳源計量泵7通過管道連接至反應器3。利用所述磁活性污泥反應裝置實現短程脫氮的方法，包括以下步驟I)首先將含有硝化菌污泥濃度MLVSS為6000mg/L的活性污泥添加到反應器3內進行馴化，同時投加磁種，磁種投加量為510g ;將污水加入反應器3，進水的同時啟動攪拌機4進行攪拌，在此過程中磁活性污泥快速吸收污水中的有機物；2)進水結束后開啟鼓風機5，微孔曝氣圓盤15對反應器3內的泥水混合物進行曝氣，通過調節(jié)氣體流量計控制曝氣量在250L/h，污泥中的異養(yǎng)菌去除水中有機物，之后在硝化菌的作用下將水中氨氮氧化，曝氣過程中產生的氣泡使得污水和活性污泥充分接觸，起到了攪拌混合的作用，電極12每分鐘采集反應器內pH、DO、ORP值經傳輸電纜到顯示控制器8后，輸出4 20毫安電流信號到PID控制器11，PID控制器11再將這些信號傳輸給計算機10 ;計算機10實時記錄pH、DO、ORP值信號并在計算機10的顯示器上顯示pH、DO、ORP值，利用計算機10安裝的組態(tài)軟件建立基于pH值的曝氣控制策略每隔I分鐘的時間步長電極12讀取在線數據pH(i)反饋給計算機，i為時間變量，單位為分，pH(i)為檢測到到的i時刻的溶液的PH值，計算機10把得到的數值pH(i)和前一個數值pH(i-l)進行比較，pH(i-l)為檢測到到的i-Ι時刻的溶液的pH值，如果pH⑴〉pH(i-1)，可認為硝化沒有完成，則繼續(xù)曝氣；如果pH(i)>pH(i-l)，理論上硝化已經完成，但不停止曝氣，比較下一個Imin的數值pH(i+l)和pH⑴的大小，pH(i+l)為檢測到到的i+Ι時刻的溶液的pH值，如果pH(i+l)大于pH (i)，且在后續(xù)5分鐘內前一個pH值都比后一個pH值大，表明pH—直上升則停止曝氣，如果pH(i+l)小于pH(i)，則前面的數值是儀器讀數誤差引起，繼續(xù)曝氣；pH 一直上升維持5min的硝化保證時間已足夠；；3)曝氣停止后立即啟動攪拌機4對泥水混合物進行攪拌，攪拌機4運行2h，同時開啟碳源投加泵7運行I分鐘；4)沉淀反硝化結束后，反應器3內泥水混合物沉淀時間為15min ；5)排水反應器3內上清液經出水管13排到反應器3夕卜，排水結束后，關閉出水管13上的出水電磁閥門9 ；6)閑置設定閑置時間為5分鐘，系統(tǒng)停止運行或準備進行下一個周期的運行；上述I) 6)過程為一個周期，反應器3運行為20 30天，即可實現磁活性污泥短程脫氮。如圖2是本發(fā)明磁活性污泥法基于pH值建立的曝氣控制策略流程圖。所述2)中的完全混合式反應池內的活性污泥濃度維持在12000mg/L。污泥產率為O. 21kgVSS/kgC0D與現有常規(guī)短程脫氮技術相比本發(fā)明具有以下特點和有益效果本發(fā)明利用磁活性污泥結合短程脫氮，相對于全程硝化一反硝化而言，省去了生物脫氮過程中由亞硝氮氧化為硝氮再由硝氮轉化成亞硝氮的步驟，硝化階段可節(jié)約25%的曝氣量，反硝化階段可減少40%的有機碳源。與常規(guī)活性污泥短程脫氮相比，磁活性污泥 短程脫氮具有以下特點1)可以維持教高的生物量，污泥濃度可達到13g/L。污染物去除效率高，裝置處理容積負荷大，設備占地??；而且處理出水水質良好，一般可以實現進水有機物的完全礦化，出水中懸浮物較低。2)、污泥產率低。磁活性污泥短程脫氮污泥產率為
0.21kgVSS/kgC0D。由于污泥負荷低，因此污泥產率遠遠低于普通活性污泥短程脫氮系統(tǒng)。3)可大幅度提高處理水量。高的污泥濃度可縮短污水處理過程中生化反應池中的停留曝氣時間，提高了污水處理速度，同時，沉淀過程中沉淀速度快(超過2(T40m/h)，這些處理過程的縮短，壓縮了常規(guī)工藝的水力停留時間，提高了處理水量。因此，本發(fā)明專利以節(jié)能降耗為目的，具有操作管理簡易、節(jié)省人力物力，降低污水的曝氣能耗和污泥處理與處置費用，并將污水廠的運行費用節(jié)省至少10%。


圖I是本發(fā)明的磁活性污泥反應器結構示意圖。圖2是本發(fā)明磁活性污泥法基于pH值建立的曝氣控制策略流程圖。圖3是本發(fā)明磁活性污泥工藝啟動短程硝化的效果圖。圖4、本發(fā)明磁活性污泥工藝曝氣實時控制實現短程脫氮過程中污染物典型變化5是本發(fā)明磁活性污泥工藝曝氣實時控制實現短程脫氮過程中控制參數的典型變化圖。附圖標記1 一進水箱、2 —進水泵、3 —反應器、4 一攪拌機、5 —鼓風機、6 —氣體流量計、7—投加碳源計量泵、8 —顯示控制器、9 一排水電磁閥門、10—計算機、11 一 PID控制器、12 —電極、13 —出水管、14 一排泥管、15 —微孔曝氣圓盤、16 —進水管。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例詳細說明本發(fā)明專利以北京某高校教工生活小區(qū)化糞池出水為處理對象，進水C0D=200mg/L 465mg/L,氨氮=80mg/L 100mg/L, pH=7. O 7· 8,亞硝氮=0. lmg/L O. 5mg/L,硝氮=0. 2mg/L
1.8mg/L,反應器污泥濃度MLSS為10000mg/L 13000mg/L,污泥齡大于60天，外加碳源乙酸鈉，運行結果曝氣結束時，氨氮平均為0. 8mg/L,出水COD平均為38. 5mg/L,出水TN平均為2. 5mg/如圖I、圖3、圖4所示。具體步驟如下
步驟一進水磁活性污泥反應器有效容積85L，進水60L，首先計算機給PID控制器發(fā)出指令，與進水繼電器、攪拌機繼電器相連的進水泵、攪拌機通電啟動，進水泵注入60L污水到磁活性污泥反應器中，進水6分鐘后，關閉進水泵、攪拌器，進入步驟二工序。步驟二曝氣PID控制器發(fā)出指令，開啟與鼓風繼電器相連的鼓風機，曝氣量設定為250L/h，對反應系統(tǒng)進行曝氣，由鼓風機提供的壓縮空氣由進氣管進入微孔曝氣圓盤，以微小氣泡的形式向磁活性污泥混合液高效提供氧，并且使污水和磁活性污泥充分接觸，當反應進行一個小時后，計算機中的基于PH值建立的曝氣控制策略程序啟動，如圖2所示，控制策略程序主要是根據反應器內所安置PH電極在反應過程中所傳輸出來的pH值特征點來間接獲取反應進程的信息，顯示控制器將pH的范圍為O 14，分別轉換為對應4 20mA電流信號輸出，將采集的PH值電流信號經PID控制器傳輸到計算機，計算機進行濾波處理，當PH值的由下降轉為上升，上升為此5分鐘后，即表征硝化完成的信號如圖5所示，關閉鼓風機及進氣閥，停止曝氣，進入下一工序。
步驟三攪拌投加外碳源反硝化設定乙酸鈉的投加量為C0D=138mg/L。PID控制器發(fā)出指令，開啟攪拌器、碳源投加泵，啟動60s后，關閉碳源投加泵，反硝化進程運行2h，反硝化結束后，關閉攪拌器，進入下一工序。步驟四沉淀由過程實時控制系統(tǒng)中的時間控制器根據預先設定的沉淀時間為15分鐘，此時進水繼電器開關、曝氣繼電器開關，攪拌繼電器開關、碳源投加繼電器開關、排水繼電器開關均關閉步驟五排水PID控制器發(fā)出指令，與排水繼電器開關相連的排水電磁閥開始工作，將處理后水經出水管排到反應器外，排水12分鐘后，關閉出水管上的閥門。步驟六閑置根據需要，設定閑置時間為5分鐘，當達到預先設定的閑置時間5分鐘后，系統(tǒng)停止運行準備進行下一個周期的運行。
權利要求
1.磁活性污泥反應裝置，其特征在于反應器(3)安裝進水管(16)、出水管(13)和排泥管(14)、便于污水和磁活性污泥充分混合的攪拌機(4)、底部設置微孔曝氣圓盤(15)，微孔曝氣圓盤(15 )連接至鼓風機(5 )，微孔曝氣圓盤(15 )和鼓風機(5 )之間設有氣體流量計(6);在反應器(3)內壁上安用于測量裝溶解氧DO,氧化還原電位ORP和pH的電極(12),上述電極(12)經傳輸電纜與顯示控制器(8)連接，顯示控制器(8)與PID控制器(11)通過電纜相連，PID控制器(11)與計算機(10)相連；PID控制器(11)集成有進水繼電器、出水繼電器、曝氣繼電器、投加碳源計量泵繼電器、攪拌機繼電器，上述這些繼電器分別與進水泵(2)、出水電磁閥門(9)、鼓風機(5)、投加碳源計量泵(7)和攪拌機(4)相連接；進水箱(I)的出口通過進水泵(2)、進水管(16)連接至反應器(3);投加碳源計量泵(7)通過管道連接至反應器(3)。
2.利用權利要求I所述磁活性污泥反應裝置實現短程脫氮的方法，其特征在于包括以下步驟 O首先將含有硝化菌污泥濃度MLVSS為6000mg/L的活性污泥添加到反應器(3)內進行馴化，同時投加磁種，磁種投加量為510g ;將污水加入反應器(3)，進水的同時啟動攪拌機(4)進行攪拌，在此過程中磁活性污泥快速吸收污水中的有機物； 2)進水結束后開啟鼓風機(5)，微孔曝氣圓盤(15)對反應器(3)內的泥水混合物進行曝氣，通過調節(jié)氣體流量計控制曝氣量在250L/h，污泥中的異養(yǎng)菌去除水中有機物，之后在硝化菌的作用下將水中氨氮氧化，曝氣過程中產生的氣泡使得污水和活性污泥充分接觸，起到了攪拌混合的作用，電極(12)每分鐘采集反應器內pH、D0、0RP值經傳輸電纜到顯示控制器(8)后，輸出4 20毫安電流信號到PID控制器(11)，PID控制器(11)再將這些信號傳輸給計算機(10);計算機(10)實時記錄pH、DO、ORP值信號并在計算機(10)的顯示器上顯示pH、D0、0RP值，利用計算機(10)安裝的組態(tài)軟件建立基于pH值的曝氣控制策略每隔I分鐘的時間步長電極(12)讀取在線數據pH(i)反饋給計算機，i為時間變量，單位為分，pH(i)為檢測到到的i時刻的溶液的pH值，計算機(10)把得到的數值pH(i)和前一個數值pH(i-l)進行比較，pH(i-l)為檢測到到的i-1時刻的溶液的pH值，如果pH⑴>pH(i_l)，可認為硝化沒有完成，則繼續(xù)曝氣；如果pH(i)>pH(i-l)，理論上硝化已經完成，但不停止曝氣，比較下一個Imin的數值pH(i+l)和pH(i)的大小，pH(i+l)為檢測到到的i+Ι時刻的溶液的PH值，如果pH (i+1)大于pH⑴，且在后續(xù)5分鐘內前一個pH值都比后一個pH值大，表明PH—直上升則停止曝氣，如果pH(i+l)小于pH(i)，則前面的數值是儀器讀數誤差引起，繼續(xù)曝氣；pH —直上升維持5min的硝化保證時間已足夠； 3)曝氣停止后立即啟動攪拌機(4)對泥水混合物進行攪拌，攪拌機(4)運行2h，同時開啟碳源投加泵(7)運行I分鐘； 4)沉淀反硝化結束后，反應器(3)內泥水混合物沉淀時間為15min； 5)排水反應器(3)內上清液經出水管(13)排到反應器(3)外，排水結束后，關閉出水管(13)上的出水電磁閥門(9)； 6)閑置設定閑置時間為5分鐘，系統(tǒng)停止運行或準備進行下一個周期的運行； 上述I) 6)過程為一個周期，反應器(3)運行為20 30天，即可實現磁活性污泥短程脫氮。
3.根據權利要求2所述的磁活性污泥反應器實現短程脫氮的方法，其特征在于所述步驟2)中的完全混合式反應器(3)內的活 性污泥濃度維持在12000mg/L。
全文摘要
一種磁活性污泥反應裝置及其實現短程脫氮的方法，屬于污水處理領域。反應器安裝進水管、出水管和排泥管、便于污水和磁活性污泥充分混合的攪拌裝置、底部設置微孔曝氣圓盤，微孔曝氣圓盤和鼓風機之間設有氣體流量計；在反應器內壁上安裝溶解氧DO，氧化還原電位ORP和pH電極，外部安裝有顯示控制器、PID控制器、計算機。實現短程硝化的方法:在MLSS=13000mg/L下，基于pH值曝氣控制策略；在線控制自動運行。本發(fā)明適用于城市污水處理廠及其它諸如養(yǎng)殖廢水、味精廢水、焦化廢水等含氮有機工業(yè)廢水的處理，以節(jié)能降耗為目的，具有操作管理簡易、節(jié)省人力物力、較高的反硝化速率、較小的反應容積和較低的污泥產量、并能有效的減少污泥處理與處置費用等優(yōu)點。
文檔編號C02F3/30GK102701449SQ20121015109
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月15日 優(yōu)先權日2012年5月15日
發(fā)明者李軍, 王昌穩(wěn), 王朝朝, 王永磊, 趙白航, 陳瑜 申請人:北京工業(yè)大學