專利名稱：分段進水生物脫氮方法中進水流量分配的優(yōu)化方法
技術領域：
本發(fā)明涉及分段進水生物脫氮工藝的優(yōu)化運行方法，特別是分段進水生物脫氮工藝進水流量分配的優(yōu)化方法。
背景技術：
分段進水生物脫氮工藝是近年來新開發(fā)的生物脫氮方法，見圖1，它具有如下優(yōu)點①具有很高的總氮去除率。分段進水生物脫氮工藝的理論脫氮率用如下公式計算η=(1-α1+r)×100%,]]>其中α為最后一段進水量占總進水量的百分比，r為污泥回流比。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，在一定進水C/N比的條件下，無需內(nèi)回流設施即可達到高于95％的總氮去除率。
②硝化液從各段的好氧區(qū)直接流入下一段的缺氧區(qū)，完全省去了傳統(tǒng)生物脫氮技術的內(nèi)循環(huán)步驟，從而簡化了工藝流程，易于操作運行和管理。
③污水直接進入缺氧區(qū)，最大程度地充分利用了進水中的有機碳源。
④泥水混合液間接地經(jīng)歷缺氧/好氧/缺氧/好氧的環(huán)境，能夠有效地抑制絲狀菌的生長與繁殖，較好地防止了絲狀菌污泥膨脹的發(fā)生。
⑤有機底物沿池長均勻分布，負荷均衡，即一定程度縮小了供氧速率與耗氧速率之間的差距，有利于降低能耗，又能夠充分發(fā)揮活性污泥微生物的降解功能。
⑥污水分段進入，提高了反應器對水質(zhì)水量沖擊負荷的適應能力。另外，由于活性污泥生物量的大部分是在分段進水工藝的前面幾段，故在暴雨季節(jié)可減少活性污泥被沖失的危險。
⑦混合液中活性污泥濃度沿池長逐步降低，出流混合液濃度較低，減輕了二沉池的負荷，有利于提高二沉池的固液分離效果。
⑧污水沿池分段進入而污泥回流至首端，系統(tǒng)的固體停留時間(SRT)比相同容積的推流系統(tǒng)長。分段進水系統(tǒng)在不增加反應池出流污泥濃度的情況下，使污泥齡得以增加。
⑨反硝化反應的出水直接進入硝化反應池，在一定程度上補充了硝化對堿度的要求。
⑩易于對原有的污水二級處理設施進行改造以達到生物脫氮的目的。只需將污水改為分段進入到反應器內(nèi)，同時將污水進入的一段反應區(qū)段改為缺氧方式運行，其他設施如格柵、初沉池、二沉池、污泥回流設施等均無需任何改動，就可以達到目的。
然而，由于反應器的構(gòu)成和污水的分段引入，分段進水生物脫氮工藝的最佳設計和運行是一項非常困難的任務。每一段中缺氧區(qū)與好氧區(qū)的容積比、每段間的容積比以及進水流量的分配是分段進水工藝設計的重要參數(shù)。廢水特性，特別是進水C/N比(碳氮比)嚴重地影響著工藝的設計與運行。進水流量的分配直接決定了出水總氮濃度和總氮去除率，因此探求分段進水工藝進水流量分配的優(yōu)化方法就顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有分段進水生物脫氮工藝中進水流量的分配問題，本發(fā)明提供一種分段進水生物脫氮方法中進水流量分配的優(yōu)化方法，它是這樣實現(xiàn)的污水以分段的形式進入反應器的缺氧區(qū)中，優(yōu)先供給反硝化菌進行反硝化反應，然后再進入好氧區(qū)進行有機物的降解和硝化反應，沿反應器在空間上構(gòu)成了缺氧/好氧/缺氧/好氧交替運行結(jié)構(gòu)，反應池中每一段的進水流量根據(jù)下式進行分配Q總＝λmaxn-1X+λmaxn-2X+…+λmaxX+X，其中λmax＝0.31423x-0.88799，式中Q總為總進水流量，n為段數(shù)，λmax為最大流量比值，X為最后一段的進水流量，x為進水C/N比值。
本發(fā)明采用污水分段進入的方法，在缺氧區(qū)中反硝化菌利用進水中的有機碳源作為電子受體將上一段或回流污泥帶入的亞硝酸鹽或硝酸鹽進行反硝化反應以脫氮，同時降解進水中的有機碳源，污水經(jīng)缺氧區(qū)后進入其后的好氧硝化區(qū)。由于部分甚至全部的有機碳源已經(jīng)在缺氧區(qū)中被反硝化反應所利用，所以好氧區(qū)的硝化反應會保持較高的反應速率。硝化反應生成的亞硝酸鹽和硝酸鹽在下一段的缺氧區(qū)中被反硝化菌反硝化掉，同時消耗進水中的有機碳源。在最后一段的好氧區(qū)內(nèi)的泥水混合液進入二沉池進行泥水分離?；旌弦哼M入二沉池后由于重力原因，污泥沉入底部，經(jīng)污泥回流泵回流至反應器首端，保證了反應器中生物量的濃度。部分剩余污泥從二沉池底部排出，保證了整個處理系統(tǒng)中微生物量的平衡。上清液通過三角堰經(jīng)過出水口排放，從而達到污水凈化和生物脫氮的目的。當各段完全反應時，出水總氮僅由最后一段進水產(chǎn)生。應對好氧區(qū)末端的溶解氧濃度進行控制，一般保持在2mg/L即可，否則過高的剩余溶解氧進入到下一段的缺氧區(qū)中會對反硝化反應產(chǎn)生不利的影響，部分有機碳源被好氧性地去除。
采用生物方法進行脫氮包含硝化反應和反硝化反應兩個步驟。硝化反應是將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮的過程，它包括兩個基本反應步驟由亞硝酸菌(Nitrosomonas)參與的將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的反應；由硝酸菌(Nitrobacter)參與的將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的反應。反硝化反應是將硝化過程中生成的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮氣的過程。反硝化過程中反硝化菌利用各種有機基質(zhì)作為電子供體，以硝酸鹽作為電子受體進行缺氧呼吸。
在分段進水生物脫氮工藝中，每一段硝化反應所產(chǎn)生的硝酸鹽量完全反硝化所需要的有機基質(zhì)由下一段進水所提供。因此工藝達到最高脫氮率應該滿足以下兩個方面①上一段硝化反應進行完全產(chǎn)生的硝酸鹽在下一段被完全反硝化掉，即不產(chǎn)生硝酸鹽的積累；②最后一段的進水流量最小。
根據(jù)上述兩點，在工藝最后兩段間必然存在一個最大流量比值λmax使上一段硝化反應生成的硝酸鹽被完全反硝化掉，且最后一段進水流量最小。同理，在第一、二段，第二、三段，第三、四段等等之間，也存在一個最大流量比值(λ1、λ2、λ3...)使缺氧區(qū)中無硝酸鹽累積，且后一段進水量最小。這樣的話，在一個四段或五段工藝中，就存在三至四個流量的比值。如果分別考察這幾個流量比值的最大值，其工作無疑是繁瑣的。在理論上，如果每一段硝化反應均完全進行，這幾個比值應該是相等的。但是在分段進水工藝中，污泥回流至首端而污水分段進入，產(chǎn)生污泥濃度的梯度分布。由于污泥濃度的不同，每一段的同化作用亦不同，產(chǎn)生的后果是第一、二段間的流量比值λ1大于第二、三段間的流量比值λ2，而第二、三段間的流量比值λ2又大于第三、四段間的流量比值λ3等等。但是這些流量比值的數(shù)值均應該稍大于λmax，特別是當λmax值較高時。從系統(tǒng)優(yōu)化運行、操作管理方便和自動控制的角度來考慮，采用統(tǒng)一的流量比值是一種較佳的可選運行方案。
流量比值λmax是由進水的C/N比所決定，其數(shù)值可通過實驗來求得，且在某一進水C/N比的條件下，λmax的數(shù)值是唯一的。在通過實驗確定不同C/N比的條件下的λmax數(shù)值后，可獲得進水C/N比與工藝所能達到的最大進水流量分配系數(shù)的關系。本發(fā)明通過實驗得出了以下的關系(圖2)λmax＝0.31423x-0.88799，R＝0.99975，N＝13，其中x為進水C/N比值，R為線性回歸系數(shù)，N為采樣點個數(shù)。
確定λmax后即可通過如下公式確定每一段的進水流量分配。
Q總＝λmaxn-1X+λmaxn-2X+…+λmaxX+X(n為段數(shù)，X為最后一段的進水流量)。
本發(fā)明通過理論分析和試驗驗證，提供了一種流量分配的優(yōu)化方法以達到較高的總氮去除率和較易的工藝運行管理。通過實驗得出了不同進水C/N比條件下工藝所能達到的最大流量比值、COD和氨氮以及總氮去除率，為實際應用提供了技術支持，具有簡單易行、可控性高、操作管理方便的特點。


圖1為典型分段進水生物脫氮工藝流程示意圖，其中AX代表缺氧池，OX代表好氧池，SC代表二沉池；圖2為進水流量分配系數(shù)與進水C/N比的關系圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式是這樣實現(xiàn)的污水以分段的形式進入反應器的缺氧區(qū)中，優(yōu)先供給反硝化菌進行反硝化反應，然后再進入好氧區(qū)進行有機物的降解和硝化反應，沿反應器在空間上構(gòu)成了缺氧/好氧/缺氧/好氧交替運行結(jié)構(gòu)，反應池中每一段的進水流量根據(jù)下式進行分配Q總＝λmaxn-1X+λmaxn-2X+…+λmaxX+X，式中Q總為總進水流量，n為段數(shù)，λmax為最大流量比值，X為最后一段的進水流量；其中λmax＝0.31423x-0.88799(x為進水C/N比值)。
在分段進水生物脫氮方法中，每相鄰兩段間存在一個最大流量比值λmax使上一段硝化產(chǎn)生的硝酸鹽在下一段被完全反硝化掉且后面段進水流量最小。
在分段進水生物脫氮方法中，上一段完全硝化產(chǎn)生的硝酸鹽在下一段被完全反硝化掉，即不產(chǎn)生硝酸鹽的積累且最后一段的進水流量X最小。
在分段進水生物脫氮方法中，采用統(tǒng)一的流量比值應以最后兩段間的最大流量比值λmax為準。
具體實施方式
二本發(fā)明的實施過程比較簡單。在實施過程中，可先通過實驗確定最后兩段間的最大流量比值系數(shù)λ，然后將此比值應用到其它段中。在總進水流量Q一定的情況下，設定最后一段的進水流量為X，有如下關系(以四段工藝為例)Q＝λ3X+λ2X+λX+X。根據(jù)此公式，即可得出每一段的進水流量。
本實施方式以啤酒廢水、NH4Cl、MgSO4、CaCl2、KH2PO4和NaHCO3與自來水配制的模擬生活污水為研究對象，對分段進水生物脫氮技術進行了實驗研究工作。工藝運行參數(shù)為采用四段進水的分段進水工藝，反應器容積80L，二沉池容積30L，總進水流量240L/d，污泥齡為18天。
試驗完成了進水C/N比分別為4.48、5.3、5.9、6.8、7.625、8.25、9.13、10.05、10.75、11.68、12.4、14和15.5(進水總氮濃度為42mg/L)條件下，考察工藝所能達到的最大流量比值系數(shù)、出水總氮濃度和總氮去除率，列于表1。
表1

由上表可以看出，在無內(nèi)循環(huán)的條件下，分段進水生物脫氮工藝在一定進水C/N比的條件下，處理后出水的化學需氧量CODCr去除率達到90～95％，氨氮去除率均達到100％，在進水C/N比高于9的條件下即可達到高于95％總氮去除率。
若采用傳統(tǒng)的等比例進水的方法，在C/N比等于6和大于6的條件下，即可滿足每段反硝化碳源的充足，根據(jù)公式計算得到的去除率僅為83.33％，而與進水C/N比無關，這樣就限制了分段進水工藝的優(yōu)勢的發(fā)揮，未達到工藝的優(yōu)化運行，與在C/N比為9的條件下可達到的95％的總氮去除率相去甚遠，更加體現(xiàn)了本發(fā)明的優(yōu)勢。
具體實施方式
三本實施方式以哈爾濱工業(yè)大學二校區(qū)生活小區(qū)污水作為處理對象，對本發(fā)明的應用性和實施性進行了試驗驗證，并取得了令人滿意的效果。小區(qū)內(nèi)生活污水C/N比比值變化不大，介于7.25～9.1之間，在實施過程中，對原水水質(zhì)先進行測定其C/N比，后根據(jù)上表確定流量比值系數(shù)λ。在長達三個月的試驗過程中，總氮去除率一直保持在92.5％以上，達到了較強的脫氮效能和運行效果，進一步證明了本發(fā)明具有很強的應用性和實施性。本發(fā)明通過引入流量比值系數(shù)，簡化了工藝的運行管理，并為分段進水生物脫氮工藝的智能控制提供了最為重要的控制參數(shù)。
權(quán)利要求
1.分段進水生物脫氮方法中進水流量分配的優(yōu)化方法，污水以分段的形式進入反應器的缺氧區(qū)中，優(yōu)先供給反硝化菌進行反硝化反應，然后再進入好氧區(qū)進行有機物的降解和硝化反應，沿反應器在空間上構(gòu)成了缺氧/好氧/缺氧/好氧交替運行結(jié)構(gòu)，其特征在于反應池中每一段的進水流量根據(jù)下式進行分配Q總＝λmaxn-1X+λmaxn-2X+…+λmaxX+X，其中λmax＝0.31423x-0.88799，式中Q總為總進水流量，n為段數(shù)，λmax為最大流量比值，X為最后一段的進水流量，x為進水C/N比值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分段進水生物脫氮方法中進水流量分配的優(yōu)化方法，其特征在于在分段進水生物脫氮方法中，每相鄰兩段間存在一個最大流量比值λmax使上一段硝化產(chǎn)生的硝酸鹽在下一段被完全反硝化掉且后面段進水流量最小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分段進水生物脫氮方法中進水流量分配的優(yōu)化方法，其特征在于在分段進水生物脫氮方法中，上一段完全硝化產(chǎn)生的硝酸鹽在下一段被完全反硝化掉，即不產(chǎn)生硝酸鹽的積累且最后一段的進水流量X最小。
全文摘要
分段進水生物脫氮方法中進水流量分配的優(yōu)化方法，它涉及分段進水生物脫氮工藝的優(yōu)化運行方法。為了解決現(xiàn)有分段進水生物脫氮工藝中進水流量的分配問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的污水以分段的形式進入反應器的缺氧區(qū)中，優(yōu)先供給反硝化菌進行反硝化反應，然后再進入好氧區(qū)進行有機物的降解和硝化反應，沿反應器在空間上構(gòu)成了缺氧/好氧/缺氧/好氧交替運行結(jié)構(gòu)，反應池中每一段的進水流量根據(jù)下式進行分配Q
文檔編號C02F3/34GK1769213SQ200510010329
公開日2006年5月10日 申請日期2005年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月14日
發(fā)明者彭永臻, 祝貴兵, 王淑瑩 申請人:哈爾濱工業(yè)大學