一种利用自有碳源的污水处理系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种利用自有碳源的污水处理系统及其控制方法。通过控制污水厌氧状态的水力总停留时间，将污水中的有机污染物转变为污泥内的PHA，并在一级曝气池投加可供硝化菌附着的填料并控制其溶解氧浓度，有效避免碳源在曝气池无谓地消耗，在缺氧池发生高效的反硝化除磷及内源反硝化作用，实现低碳氮比污水在不投加碳源条件下的高效处理。本发明的污水处理工艺在碳氮比（CODCr/TN）大于4的条件下，可以实现在不外加碳源时的高效处理。

权利要求

1.一种利用自有碳源的污水处理系统，包括厌氧池（14）以及依次设置的一级曝气池（16）、缺氧池（17）和二级曝气池（18），其特征在于：所述污水处理系统还包括连接于所述厌氧池（14）和一级曝气池（16）之间的转换池（15）；所述厌氧池（14）内、转换池（15）内和缺氧池（17）内分别设有潜水搅拌器；所述转换池（15）内、一级曝气池（16）内和二级曝气池（18）内分别设有带有阀门的曝气装置（8）和溶解氧浓度测定仪（9）；所述厌氧池（14）内和转换池（15）内分别设置有PHA检测仪；

当PHA检测仪检测到的厌氧池（14）内PHA浓度小于45mgCODCr/gVSS时，或者小于PHA检测仪检测到的转换池（15）内PHA浓度时，开启转换池（15）内潜水搅拌器并关闭转换池（15）内曝气装置（8），使转换池（15）处于厌氧运行状态；当厌氧池（14）内PHA浓度和转换池（15）内PHA浓度均大于或等于45mgCODCr/gVSS，且转换池（15）内PHA浓度小于或等于厌氧池（14）内PHA浓度时，关闭转换池（15）内潜水搅拌器并开启转换池（15）内曝气装置（8），使转换池（15）处于好氧曝气状态，并且通过调整转换池（15）内曝气装置（8）阀门开启程度将转换池（15）内的溶解氧浓度控制在1±0.1 mg/L。

2.根据权利要求1所述的利用自有碳源的污水处理系统，其特征在于：系统运行期间，通过调整一级曝气池（16）内曝气装置（8）阀门开启程度将一级曝气池（16）内的溶解氧浓度始终控制在1±0.1 mg/L。

3.根据权利要求1所述的利用自有碳源的污水处理系统，其特征在于：系统运行期间，通过调整二级曝气池（18）内曝气装置（8）阀门开启程度将二级曝气池（18）内的溶解氧浓度始终控制在1±0.1 mg/L。

4.一种利用自有碳源的污水处理系统，包括厌氧池（14）以及依次设置的一级曝气池（16）、缺氧池（17）和二级曝气池（18），其特征在于：所述污水处理系统还包括连接于所述厌氧池（14）和一级曝气池（16）之间的转换池（15）；所述厌氧池（14）内、转换池（15）内和缺氧池（17）内分别设有潜水搅拌器；所述转换池（15）内、一级曝气池（16）内和二级曝气池（18）内分别设有带有阀门的曝气装置（8）和溶解氧浓度测定仪（9）；所述厌氧池（14）内和转换池（15）内分别设置有PHA检测仪；

所述厌氧池（14）被分隔为互相连通的第一厌氧池和第二厌氧池，其中第一厌氧池连接有污水原水进水管；所述第一厌氧池内和第二厌氧池内分别设置有潜水搅拌器和PHA检测仪；

当PHA检测仪检测到的第二厌氧池内PHA浓度小于45mgCODCr/gVSS时，或者小于PHA检测仪检测到的转换池（15）内PHA浓度时，开启转换池（15）内潜水搅拌器并关闭转换池（15）内曝气装置（8），使转换池（15）处于厌氧运行状态；当第二厌氧池内PHA浓度和转换池（15）内PHA浓度均大于或等于45mgCODCr/gVSS，且转换池（15）内PHA浓度小于或等于第二厌氧池内PHA浓度时，关闭转换池（15）内潜水搅拌器并开启转换池（15）内曝气装置（8），使转换池（15）处于好氧曝气状态，并且通过调整转换池（15）内曝气装置（8）阀门开启程度将转换池（15）内的溶解氧浓度控制在1±0.1 mg/L。

5.根据权利要求4所述的利用自有碳源的污水处理系统，其特征在于：系统运行期间，通过调整一级曝气池（16）内曝气装置（8）阀门开启程度将一级曝气池（16）内的溶解氧浓度始终控制在1±0.1 mg/L。

6.根据权利要求4所述的利用自有碳源的污水处理系统，其特征在于：系统运行期间，通过调整二级曝气池（18）内曝气装置（8）阀门开启程度将二级曝气池（18）内的溶解氧浓度始终控制在1±0.1 mg/L。

说明书

一种利用自有碳源的污水处理系统及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种污水处理系统及其控制方法，具体涉及一种利用自有碳源的污水处理系统及其控制方法。技术背景

[0002] 城镇污水处理厂普遍面临着污水来水的碳源低而总氮高的问题。为了达到相应的排放标准，有的污水处理工艺，例如普遍应用的AAO工艺需要投加大量的甲醇、乙酸钠或者葡萄糖等外加碳源，不仅大大增加了运行费用，而且增加了碳排放。据测算，与利用污水自由碳源相比较，外加碳源处理一吨水提高0.5 0.6元的运行成本，以处理污水100000吨/天~的项目计算，每天增加碳源费用50000 60000元，每年增加2000万元左右。
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[0003] 有的污水处理工艺，例如短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等低碳氮比工艺，则需要严苛的运行管理条件，对工程设计、工程运营提出了很高的要求，目前尚难于广泛应用。

[0004] 现有污水处理系统厌氧池的容积是恒定的。污水厂来水的有机污染物浓度不同，要达到调整厌氧阶段的水力停留时间的目的，利用现有污水处理系统只能控制来水量。但污水厂来水的水量的变化幅度较小，当需要延长厌氧阶段水力停留时间时，只能控制污水厂来水的水量，污水厂的实际处理能力将小于设计处理能力，可能造成污水外溢和环境污染。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是：为了解决外加碳源成本高，运行要求高，以及因污水处理系统厌氧池的容积恒定，污水水量控制容易引起污水外溢和环境污染的问题，本发明提供一种利用自有碳源的污水处理系统及其控制方法，来解决上述问题。

[0006] 本发明的技术方案如下：

[0007] 一种利用自有碳源的污水处理系统，包括厌氧池以及依次设置的一级曝气池、缺氧池和二级曝气池，所述污水处理系统还包括连接于所述厌氧池和一级曝气池之间的转换池；所述厌氧池内、转换池内和缺氧池内分别设有潜水搅拌器；所述转换池内、一级曝气池内和二级曝气池内分别设有带有阀门的曝气装置和溶解氧浓度测定仪；所述厌氧池内和转换池内分别设置有PHA检测仪。

[0008] 优选地，所述厌氧池被分隔为互相连通的第一厌氧池和第二厌氧池，其中第一厌氧池连接有污水原水进水管；所述第一厌氧池内和第二厌氧池内分别设置有潜水搅拌器和PHA检测仪。

[0009] 基于所述的利用自有碳源的污水处理系统的控制方法，当PHA检测仪检测到的厌氧池内PHA浓度小于45CODCr/gVSS时，或者小于PHA检测仪检测到的转换池内PHA浓度时，开启转换池内潜水搅拌器并关闭转换池内曝气装置，使转换池处于厌氧运行状态；当厌氧池内PHA浓度和转换池内PHA浓度均大于或等于45CODCr/gVSS，且转换池内PHA浓度小于或等于厌氧池内PHA浓度时，关闭转换池内潜水搅拌器并开启转换池内曝气装置，使转换池处于好氧曝气状态，并且通过调整转换池内曝气装置阀门开启程度将转换池内的溶解氧浓度控制在1±0.1 mg/L。

[0010]  基于另一种利用自有碳源的污水处理系统的控制方法，其特征在于：当PHA检测仪检测到的第二厌氧池内PHA浓度小于45CODCr/gVSS时，或者小于PHA检测仪检测到的转换池内PHA浓度时，开启转换池内潜水搅拌器并关闭转换池内曝气装置，使转换池处于厌氧运行状态；当第二厌氧池内PHA浓度和转换池内PHA浓度均大于或等于45CODCr/gVSS，且转换池内PHA浓度小于或等于第二厌氧池内PHA浓度时，关闭转换池内潜水搅拌器并开启转换池内曝气装置，使转换池处于好氧曝气状态，并且通过调整转换池内曝气装置阀门开启程度将转换池内的溶解氧浓度控制在1±0.1 mg/L。

[0011] 优选地，系统运行期间，通过调整一级曝气池内曝气装置阀门开启程度将一级曝气池内的溶解氧浓度始终控制在1±0.1 mg/L。

[0012] 优选地，系统运行期间，通过调整二级曝气池内曝气装置阀门开启程度将二级曝气池内的溶解氧浓度始终控制在1±0.1 mg/L。

[0013] 本发明具有以下有益效果：

[0014] 第一、本发明系统及方法采用新的低碳氮比污水处理工艺流程：厌氧、转换池、一级曝气池、缺氧及二级曝气池。通过设置转换池，并借助于转换池调整、控制污水厌氧状态的水力总停留时间。当需要较长的停留时间时，转换池按照厌氧阶段的模式运行；当需要较短的厌氧停留时间时，转换池按照曝气池的模式运行。在不调整污水厂来水量的前提下达到调整厌氧阶段水力停留时间的目的。本发明还通过控制一级曝气池内溶解氧浓度，有效避免碳源在曝气池无谓地消耗，在缺氧池发生高效的反硝化除磷及内源反硝化作用，实现低碳氮比污水在不投加碳源条件下的高效处理。本发明的污水处理工艺在碳氮比（CODCr/TN）大于4的条件下，可以实现在不外加碳源时的高效处理。另一方面，本发明的脱氮原理仍旧采用传统的硝化反硝化理论，工程设计和工艺控制难度与传统的AAO工艺差别较小，易于工程应用。

[0015] 第二、本发明控制方法优化技术方案中，通过控制二级曝气池内溶解氧浓度，有效避免生化池出水在二次沉淀池发生厌氧反应导致厌氧释磷以及污泥的厌氧飘泥问题，同时防止过分充氧提高污泥回流中溶解氧的含量。

[0016] 第三、本发明系统优化技术方案中，厌氧池分为串联的两格并且两格分别设置PHA检测仪和搅拌器，可以对比数据判断两格厌氧池的运行状态是否正常。厌氧池分为串联的两格另一作用是：回流污泥与进入厌氧池的污水原水能够快速、充分混合，快速消耗回流污泥中残存的溶解氧和硝酸盐氮，尽快进入厌氧状态。

附图说明

[0017] 图1是本发明污水处理系统实施例的结构及工作原理示意图。

[0018] 图中，1、第一潜水搅拌器，2、第二潜水搅拌器，3、第一PHA检测仪，4、第二PHA检测仪，5、PHA控制器，6、第三PHA检测仪，7、第三潜水搅拌器，8、曝气装置，9、溶解氧浓度测定仪，10、溶解氧浓度控制器，11、生物填料，12、第四潜水搅拌器，13、二次沉淀池，14、厌氧池，15、转换池，16、一级曝气池，17、缺氧池，18、二级曝气池。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

[0020] 如图1，本发明污水处理系统实施例包括综合生化池和二次沉淀池13两座工艺水池。其中综合生化池包括依次连接的厌氧池14、转换池15、一级曝气池16、缺氧池17和二级曝气池18。所述厌氧池14的出水通过厌氧池14与转换池15之间的共用池壁的洞口自流进入转换池15。转换池15的出水通过转换池15与一级曝气池16之间的共用池壁的洞口自流进入一级曝气池16。一级曝气池16的出水通过一级曝气池16与缺氧池17之间的共用池壁的洞口自流进入缺氧池17。缺氧池17的出水通过缺氧池17与二级曝气池18之间的共用池壁的洞口自流进入二级曝气池18。二级曝气池18的出水通过管路自流进入二次沉淀池13。二次沉淀池13连接有污水排水管用于将污水排出系统。

[0021] 进一步地，其中厌氧池14分为串联的两格：第一厌氧池和第二厌氧池，第一厌氧池连接有污水原水进水管。第一厌氧池的出水通过两格厌氧池之间的共用池壁的洞口自流进入第二厌氧池。二次沉淀池13中的污泥通过带有污泥泵的管路返回到第一厌氧池。系统不设硝化液回流子系统。

[0022] 第一厌氧池设置有第一潜水搅拌器1和第一PHA检测仪3；第二厌氧池设置有第二潜水搅拌器2和第二PHA检测仪4。转换池15中设置有第三潜水搅拌器7和第三PHA检测仪6。所述缺氧池17设有第四潜水搅拌器12。本实施例还包括分别与所述第一PHA检测仪3、第二PHA检测仪4和第三PHA检测仪6相连接的PHA控制器5。

[0023] 所述转换池15内、一级曝气池16内和二级曝气池18内分别设有溶解氧浓度测定仪9和带有阀门的曝气装置8。本实施例中一级曝气池16内安装有前后（水流方向前后）各一个溶解氧浓度测定仪9。所述一级曝气池16内还设有生物填料11。本实施例还包括与各个溶解氧浓度测定仪9相连接的溶解氧浓度控制器10。

[0024] 以下举例说明本发明污水处理系统控制方法。

[0025] 污水首先依次进入第一厌氧池和第二厌氧池，回流污泥中的聚磷菌（PAOs）和聚糖菌（GAOs）将污水中的有机污染物吸收转化为聚羟基烷酸酯（PHA），同时聚磷菌发生释磷反应。

[0026] 厌氧池14总停留时间为60min，其中第一厌氧池和第二厌氧池的水力停留时间分别为30min。污水和二次沉淀池13的回流污泥进入厌氧池14后，污泥中的聚磷菌和聚糖菌吸附污水中的有机污染物并以PHA的形式储存在细胞内，成为细胞内的内源碳源。第二PHA检测仪4检测数值会不断升高，当达到设定值45mgCODCr/gVSS时，表示厌氧池14的运行已处于最优状态，后续的转换池15应当以好氧状态运行。聚磷菌在吸附有机物的同时发生释磷反应，污水中的TP（总磷）浓度上升。厌氧池14分成两格可以使二次沉淀池13的回流污泥与进入厌氧池的污水原水快速、充分混合，快速消耗回流污泥中残存的溶解氧和硝酸盐氮，尽快进入厌氧状态。两格分别设置PHA检测仪，可以对比数据判断两格厌氧池的运行状态是否正常。

[0027] 第二PHA检测仪4和第三PHA检测仪6将检测信号传输给PHA控制器5，PHA控制器5根据所述检测信号控制相关潜水搅拌器以及相关曝气装置8。污水进入转换池15后根据控制结果按厌氧状态运行或者曝气状态运行。

[0028] 当第二PHA检测仪4的数值小于设定值45CODCr/gVSS时，或者小于第三PHA检测仪6的数值时，PHA控制器5发出指令，开启第三潜水搅拌器7并关闭转换池15内曝气装置8，转换池15处于厌氧运行状态，转换池15的水力停留时间为30min，系统的厌氧水力停留总时间为90min。

[0029] PHA控制器5对第二PHA检测仪4的监测数据和第三PHA检测仪6的监测数据进行对比，当两个监测数据均大于或等于设定值45CODCr/gVSS，且第三PHA检测仪6的监测数据小于等于第二PHA检测仪4的监测数据时，表明目前厌氧池14的水力停留时间过长，PHA在厌氧池内已经达到最大值或者已经开始在转换池15内衰减，此时转换池15需要按照好氧曝气状态运行。此时，PHA控制器5发出指令：关闭第三潜水搅拌器7并开启转换池15内曝气装置8，使转换池15处于好氧曝气状态，同时，溶解氧浓度控制器10发出指令，控制转换池15内曝气装置8工作，将转换池15内的溶解氧浓度控制在1±0.1 mg/L范围内。系统的厌氧状态的水力总停留时间仅为在厌氧池14内的停留时间，即仅为60min。

[0030] 系统运行期间，一级曝气池16中的曝气装置8向污水充氧，将一级曝气池16内的溶解氧浓度始终控制在1±0.1 mg/L范围内。

[0031] 本发明所述设定值45CODCr/gVSS是通过实验确定的。

[0032] 设定值实验确定过程：设置本发明“厌氧、转换池、一级曝气池、缺氧及二级曝气池”工艺流程，并利用实际的市政污水进水运行，通过检测厌氧池14的PHA发现，随着时间的推移，PHA不断升高，并在一定的时间达到峰值，此时PHA最高，在缺氧池17内反硝化效果最好。当厌氧时间过长时，PHA会降低，由于发生厌氧反应而消耗，这会降低缺氧池17的内碳源供应量，降低了其反硝化效果。通过多次试验，发现这个峰值最高可达46mgCODCr/gVSS，但当达到45 mgCODCr/gVSS即可满足本发明要求，且可以明显降低系统的控制难度，因此设定指确定为45 mgCODCr/gVSS。实验数据见表1。

[0033] 。

[0034] 如表1，在保证良好的氨氮硝化的条件下（系统出水的氨氮不超过0.5mg/L），通过调整厌氧出水混合物的PHA来检测系统出水硝态氮和总氮的数据，发现随着厌氧出水PHA的不断升高，系统出水的硝态氮和总氮不断降低。当厌氧出水PHA达到最高值46.00mgCODCr/gVSS时，系统出水中的硝酸盐氮浓度最低，同时总氮仅为4.75mg/L，已经远低于GB18918的一级A标准，达到最好的去除效果。当厌氧出水的PHA为45.05 mgCODCr/gVSS时，出水的总氮也远低于GB18918的一级A标准，同时也满足山东省的特定标准。从经济性和工程控制的精度角度考虑，将厌氧出水的PHA浓度设定为45mgCODCr/gVSS。

[0035] 污水自流进入一级曝气池16内发生硝化反应，将氨氮硝化成硝酸盐氮，同时发生好氧吸磷反应。之后自流进入缺氧池17，发生内源反硝化反应和反硝化吸磷反应，污水中的总氮和总磷均得到去除；然后进入二级曝气池18，对污水进行充氧，防止污水进入二次沉淀池13进入厌氧状态导致释磷和反硝化，影响出水水质。

[0036] 一级曝气池16内投放生物填料11，大量的硝化菌附着在生物填料11上，一级曝气池16悬浮污泥中的硝化菌和附着在生物填料11上的硝化菌在较短的水力停留时间内将污水中的氨氮硝化为硝酸盐氮，池内的硝酸盐浓度最高。一级曝气池16的水力停留时间较短且溶解氧浓度受到了严格的控制，一级曝气池16不会因好氧生化异氧反应消耗污泥内的PHA，为之后缺氧池17的反硝化提供了大量的内碳源，避免了有机污染物在一级曝气池16的消耗。

[0037] 聚磷菌在曝气池内利用一部分PHA好氧过量吸收污水中的磷（也就是好氧吸磷），一级曝气池16出水中磷的浓度降低至1.2mg/L以下。

[0038] 缺氧池17内设置的第四潜水搅拌器12，用于使池内的污泥处于悬浮状态。缺氧池17内的反硝化异养菌利用储存在污泥内的内碳源PHA发生反硝化反应，将污水中的硝酸盐氮反硝化为氮气，实现了污水中总氮的去除；聚磷菌继续利用内碳源PHA以硝酸盐氮为电子受体进一步缺氧过量吸磷的同时硝酸盐氮也被反硝化为氮气，即反硝化除磷，实现了一碳两用。缺氧池17利用微生物在厌氧池吸附的内碳源PHA实现了低碳氮比下的高效的反硝化和反硝化除磷。

[0039] 进一步地，由于缺氧池17的出水中没有溶解氧，硝酸盐含量也较低，悬浮污泥中富含过量吸附的磷。为了避免生化池出水在二次沉淀池13发生厌氧反应导致厌氧释磷以及污泥的厌氧飘泥影响出水水质，同时防止过分充氧提高污泥回流中溶解氧的含量，避免回流污泥在厌氧池14内消耗有机污染物，二级曝气池18设置的曝气装置8向污水充氧，系统运行期间将二级曝气池18内的溶解氧浓度始终控制在1±0.1 mg/L范围内。

[0040] 将溶解氧浓度控制在1±0.1 mg/L范围内是通过实验确定的。

[0041] 实验确定过程：通过控制转换池15及一级曝气池16的溶解氧浓度，检测一级曝气池16出水的有机污染物、氨氮以及污泥内的PHA发现，溶解氧浓度低于1±0.1 mg/L时，出水的氨氮浓度较高，系统硝化不完全；当溶解氧浓度高于1±0.1 mg/L时，污泥内的PHA会被大量消耗，也就是大量的PHA被无谓的消耗在了曝气池内，进入反硝化池（即缺氧池17）内碳源明显降低，影响系统的反硝化效果，达不到去除总氮的目的。实验数据见表2。

[0042] 。

[0043] 在确保厌氧出水PHA在给定数值的条件下，通过控制曝气池的溶解氧浓度，观察系统出水的总氮和氨氮的变化。如表2所示，当溶解氧处于1.0mg/L时，出水的总氮浓度最低，氨氮浓度与溶解氧高于1.0mg/L时没有明显变化。当曝气池溶解氧低于0.9mg/L时，因溶解氧浓度不足，氨氮的硝化效率较低，出水氨氮有超标风险。当溶解氧高于1.1mg/L时，因曝气池溶解氧浓度升高，PHA被曝气池的微生物大量降解，也就是被大量无谓消耗，导致后续缺氧池17的内碳源浓度降低，反硝化效率下降，出水硝态氮升高，总氮出现超标风险。因此曝气池的溶解氧浓度控制在1.0±0.1 mg/L范围内。

[0044] 溶解氧浓度控制器10收集各个溶解氧浓度测定仪9的检测数据，当某一溶解氧浓度仪检测数据超出设定数据范围时间持续10min以上时，溶解氧浓度控制器10调整该溶解氧浓度测定仪所在池体的曝气装置8的阀门，使该池溶解氧浓度数据回到设定范围。具体调整方法：溶解氧浓度超出1.1mg/L时调小阀门；溶解氧低于0.9mg/L时调大阀门。

[0045] 本发明PHA浓度是指水池中挥发性有机污泥中聚羟基烷酸酯的含量，用单位质量挥发性有机污泥中CODCr的质量来表征。

[0046] 本发明所采用的PHA检测仪是一种用于检测水中PHA（聚羟基烷酸酯）含量的仪器。PHA检测仪可选用型号为Agilent 7890N的气相色谱仪或者型号为Hitachi F‑7000的荧光分光光谱仪。