本發(fā)明屬于污水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種批次進水強化sbr工藝深度脫氮的方法。

背景技術(shù)：

近年來水體富營養(yǎng)化問題引起人們普遍關(guān)注，氮是引起水體富營養(yǎng)化的主要因素之一。如何提高現(xiàn)行工藝脫氮效率，研究開發(fā)經(jīng)濟高效的脫氮新方法與新技術(shù)，是亟待解決的重要課題，同時這也是污廢水深度處理研究的核心問題之一。

生物法是目前公認的經(jīng)濟有效的污廢水脫氮處理方法。目前工程中廣泛應(yīng)用的生物脫氮工藝仍然是建立在傳統(tǒng)生物脫氮理論基礎(chǔ)上的組合工藝，如以a/o為代表的空間順序連續(xù)流工藝和以sbr為代表的時間順序間歇流工藝。特別是sbr工藝，由于其運行方式靈活，可以根據(jù)需要實現(xiàn)好氧、缺氧及厭氧狀態(tài)交替的環(huán)境條件，已成為相對連續(xù)流工藝更有優(yōu)勢的脫氮工藝。

根據(jù)傳統(tǒng)理論，生物脫氮過程主要包括兩步反應(yīng)過程，即先通過好氧的硝化作用將氨氮氧化為硝態(tài)氮(硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮)，然后再通過缺氧的反硝化作用，以有機物為電子供體將硝態(tài)氮還原為氮氣，最終氮氣從水中逸出。在硝化過程中，每氧化1g氨氮為硝酸鹽氮要消耗7.14g堿度(以caco3計)，在反硝化過程中每還原1g硝酸鹽氮為氮氣，能夠產(chǎn)生3.57g堿度(以caco3計)。

采用sbr工藝進行深度脫氮時，其基本的運行方式通常是：原水進入系統(tǒng)后，先通過好氧曝氣運行，去除水中的有機物，并將氨氮氧化為硝態(tài)氮；然后再通過投加適量的碳源，在缺氧攪拌的條件下，完成硝態(tài)氮還原為氮氣的反硝化脫氮反應(yīng)過程。在這一過程中存在的主要問題是：

(1)為了實現(xiàn)深度脫氮，反硝化需要外加碳源；

(2)硝化過程要消耗堿度引起系統(tǒng)ph值下降，當被處理原水中的堿度相對不足時，需要向原水中補充堿度；

(3)系統(tǒng)運行管理復雜，且傳統(tǒng)的固定時間程序控制方式，很難根據(jù)進水水質(zhì)的實際變化情況及時調(diào)整運行參數(shù)，達到穩(wěn)定的出水水質(zhì)。

基于生物脫氮的硝化過程與ph、溶解氧(do)和氧化還原電位(orp)具有良好的相關(guān)性，反硝化過程與ph和orp也具有良好相關(guān)性的原理，近年來，國內(nèi)外學者對sbr法在硝化與反硝化過程中ph、do和orp的變化規(guī)律進行了廣泛和深入的研究。一致認為，可以ph、do和orp作為sbr法脫氮過程的在線控制參數(shù)，并以這些參數(shù)實現(xiàn)了在硝化反應(yīng)結(jié)束(nh4⁺-n≈0mg/l)和反硝化反應(yīng)結(jié)束(硝態(tài)氮≈0mg/l)時，實時停止好氧曝氣與缺氧攪拌的脫氮在線控制。該研究成果，雖然可以實現(xiàn)sbr脫氮過程的自適應(yīng)自動控制，但還是不能很好地解決上述的碳源問題和原水中堿度不足時需要補充堿度的問題。

本課題組最近研究發(fā)現(xiàn)，在反硝化系統(tǒng)中如果存在有氨氮成分(氨氮量應(yīng)大于被還原降解硝態(tài)氮量9％以上)，會明顯地提高反硝化脫氮速率，并且在反硝化降解硝態(tài)氮的過程中，還能同時降解占被還原降解的硝態(tài)氮量8％以上(均值)的氨氮成分。顯然，上述基于ph、do和orp為參數(shù)的sbr法深度脫氮的在線控制控制方法，反硝化系統(tǒng)中的氨氮始終為0mg/l，這將無法獲得氨氮對反硝化過程的促進作用。

為使進水中的有機物能夠有效地被分配到反硝化段，同時使反硝化過程產(chǎn)生的堿度能夠補充到硝化段，且能夠利用進水中的氨氮成分來促進反硝化的脫氮進程，本發(fā)明結(jié)合“以ph和do為參數(shù)的在線控制sbr脫氮過程的方法”，提供一種“批次進水強化sbr工藝深度脫氮的方法”。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是“氨氮促進反硝化現(xiàn)象”與“以ph、do參數(shù)在線控制sbr脫氮技術(shù)”的集成創(chuàng)新。

發(fā)明的基本依據(jù)

(1)反硝化過程中存在有適量氨氮成分(大于被還原降解硝態(tài)氮量9％以上)時，能夠使反硝化速率有較大幅度提高；

(2)在生物脫氮的反硝系統(tǒng)中含有氨氮時，反硝化過程除還原降解硝態(tài)氮成分外，還同時能夠去除約占被降解硝態(tài)氮量8％以上(均值)的氨氮成分；

(3)在sbr硝化反應(yīng)結(jié)束時，在線監(jiān)測的ph和do歷時曲線上能夠出現(xiàn)明顯的特征點予以指示，在sbr反硝化反應(yīng)結(jié)束時，在線監(jiān)測的ph歷時曲線上也能夠出現(xiàn)明顯的特征點予以指示。

本發(fā)明要求sbr反應(yīng)器及其控制系統(tǒng)具有以下特征

sbr反應(yīng)器連接有進水管、碳源投加管、曝氣管、出水管和排泥管；sbr反應(yīng)器由進水泵經(jīng)進水閥、進水管供水，由碳源投加泵經(jīng)碳源投加閥、碳源投加管投加碳源，由鼓風機經(jīng)曝氣進氣閥、曝氣管進行曝氣；在sbr反應(yīng)器出水管和排泥管上也設(shè)置相應(yīng)的排水閥和排泥閥。

在sbr反應(yīng)器中設(shè)置有攪拌器、液位傳感器、ph傳感器和do傳感器；液位傳感器和ph、do傳感器的檢測信號分別經(jīng)采樣、轉(zhuǎn)換和處理后與過程控制器相連，根據(jù)預先設(shè)定的系統(tǒng)運行控制策略，通過過程控制器中的繼電器對系統(tǒng)的運行過程實施在線控制。

系統(tǒng)的運行控制參數(shù)有：sbr反應(yīng)器周期的總充水比例δ、充水次數(shù)n、每次充水量占周期總充水量的比例λ1～λn(充水方案)和相應(yīng)的充水時間τ1～τn及每次充水結(jié)束時的液位h1～hn、曝氣過程中ph和do信號的采樣間隔t1、攪拌過程中ph信號的采樣間隔t2、反硝化結(jié)束時ph對時間的平均變化率kphi值由正變負，并保持kphi<0的時間t3、碳源投加時間t4、短時曝氣時間t5、沉淀時間t6、排水時間t7、排泥時間t8和閑置時間t9等。

反應(yīng)過程的每一道工序，包括各種泵和閥門的啟閉，曝氣和攪拌系統(tǒng)的啟閉，充水、投加碳源、排水、排泥、閑置等過程，均根據(jù)控制策略由控制系統(tǒng)實時在線控制完成。

本發(fā)明的技術(shù)方案

根據(jù)上述基本依據(jù)，本發(fā)明的基本思想是：①將sbr每周期預定處理的原水總量分n次(n≥3)充入反應(yīng)器，采用充水攪拌反硝化/好氧硝化交替的方式運行，利用第2至n-1次進水中的有機物作為前一好氧硝化段的產(chǎn)物-硝態(tài)氮的反硝化碳源，同時利用進水中的氨氮促進缺氧攪拌的反硝化進程并回收相應(yīng)的堿度；②限制第n次充水量，同時投加適量碳源缺氧攪拌反硝化；③由ph和do參數(shù)在線控制每一好氧段的硝化過程，由ph參數(shù)在線控制每一反硝化段的攪拌過程。限制第n次充水量的目的是既可以利用進水中的氨氮促進反硝化進程，又可以使第n次進水中的氨氮在反硝化過程中被部分去除而不影響出水水質(zhì)，并兼顧為本次反硝化脫氮過程補充一定的碳源(具體充水方案見后)。

本發(fā)明可合理地分配進水中的有機物為反硝化脫氮服務(wù)，利用進水中的氨氮促進反硝化進程，同時使反硝化過程產(chǎn)生的堿度能夠補充到硝化段，還能使進水中部分氨氮成分不經(jīng)好氧硝化而在缺氧反硝化過程中被去除【去除的氨氮量約占被降解硝態(tài)氮量8％以上(均值)】，進而實現(xiàn)增效、節(jié)能、降耗和深度脫氮的目的。

本發(fā)明sbr反應(yīng)器一個周期的運行方式為：【第一次充水攪拌/曝氣硝化】→【第二次充水攪拌反硝化/曝氣硝化】→……【第n-1次充水攪拌反硝化/曝氣硝化】→【第n次充水并投加適量的碳源攪拌反硝化】→【短時曝氣】→【沉淀/排水、排泥/閑置】。

設(shè)定了系統(tǒng)運行控制參數(shù)后，本發(fā)明提供的sbr反應(yīng)器一個周期運行的基本技術(shù)工序如下：

(1)充水攪拌運行啟動進水泵，同時打開進水閥門并開啟攪拌器，將待處理的原水充入sbr反應(yīng)器并攪拌運行。當達到預定的第一次充水水量(由設(shè)定的充水時間τ1并結(jié)合液位h1參數(shù)確定)時，由控制系統(tǒng)實時關(guān)閉進水閥門和進水水泵，同時關(guān)閉攪拌器。

(2)曝氣運行由控制系統(tǒng)實時開啟鼓風機和進氣閥，對反應(yīng)器曝氣運行，去除水中的有機物，并將水中氨氮氧化為硝態(tài)氮。

在曝氣過程中，實時在線監(jiān)測ph和do信號。當進水中有較多的有機物存在時，曝氣初期以降解有機物為主，監(jiān)測的ph曲線呈上升狀態(tài)(見圖2中第一次充水后，ph曲線在曝氣初期呈上升狀態(tài))。當監(jiān)測到的ph值由上升轉(zhuǎn)為穩(wěn)定下降后，說明脫氮的硝化反應(yīng)已開始正常發(fā)生，此時do歷時曲線形狀也進入近似為平臺狀態(tài)，或呈緩慢上升的狀態(tài)(見圖2)。隨著硝化反應(yīng)的進行，當監(jiān)測到的ph曲線由下降轉(zhuǎn)為上升出現(xiàn)“谷點”(見圖2中a點)，同時do曲線呈快速上升狀態(tài)(見圖2中b點)，或ph曲線下降至較低(一般ph<6)后轉(zhuǎn)為基本不變，同時do值上升至接近飽和狀態(tài)(屬于堿度不足的情況)時，表明脫氮的硝化反應(yīng)已停止。據(jù)此并結(jié)合試驗結(jié)果，制定好氧曝氣運行的控制策略如下：

開始曝氣后，在線監(jiān)測的ph和do信號的采樣間隔t1取60s。為消除干擾，對所采集的phi和doi值進行4值實時滑動濾波處理(即計算4個值滑動的平均值)，并實時計算相鄰兩個滑動濾波值phlbi-1、phlbi與dolbi-1、dolbi對時間的平均變化率kphi＝(phlbi-phlbi-1)/(ti-ti-1)和kdoi＝(dolbi-dolbi-1)/(ti-ti-1)值。在曝氣過程中，當監(jiān)測到kphi值連續(xù)4min以上均<0后，注意監(jiān)測kphi和kdoi值變化的情況，當監(jiān)測到kphi值由負變正(見圖3中d點)，同時滿足kdoi>kdoi-1>kdoi-2>kdoi-3>0(見圖3中e點)，或監(jiān)測到kphi的絕對值<0.002/min，同時dolbi>5mg/l時，由控制系統(tǒng)實時關(guān)閉鼓風機和進氣閥，停止曝氣運行。

(3)充水攪拌運行啟動進水泵，同時打開進水閥并開啟攪拌器，充水攪拌運行。當達到預定的充水水量【由設(shè)定的充水時間τi并結(jié)合液位hi(i≥2)參數(shù)確定】時，由控制系統(tǒng)實時關(guān)閉進水閥和進水水泵。

在攪拌過程中，反硝化菌利用進水中的有機物為電子供體，反硝化脫除上一好氧階段產(chǎn)生硝態(tài)氮，同時利用進水中的氨氮促進反硝化進程，并在反硝化過程中也去除部分氨氮成分。

在攪拌過程中，實時在線監(jiān)測ph信號。當系統(tǒng)穩(wěn)定后，由于反硝化過程中產(chǎn)生堿度，在線監(jiān)測的ph歷時曲線會呈穩(wěn)定上升狀態(tài)(見圖2)。隨著攪拌時間的推移，當監(jiān)測到ph歷時曲線由上升轉(zhuǎn)為穩(wěn)定下降(見圖2中c點)時，表明脫氮的反硝化反應(yīng)已停止。據(jù)此并結(jié)合試驗結(jié)果，制定缺氧攪拌運行的控制策略如下：

在線監(jiān)測的ph信號的采樣間隔t2取60s。同樣為了消除干擾，在攪拌過程中，對所采集的phi值進行4值實時滑動濾波處理(即計算4個值滑動的平均值)，并實時計算相鄰兩個滑動濾波值phlbi-1與phlbi對時間的平均變化率kphi＝(phlbi-phlbi-1)/(ti-ti-1)。在攪拌過程中，當監(jiān)測到kphi值連續(xù)3min以上均>0后，開始注意監(jiān)測kphi值的正負變化情況。當監(jiān)測到kphi值由正變負(見圖3中f點)，并保持t3時間(取3～4min)以上kphi值均<0時，由控制系統(tǒng)實時停止攪拌運行。

(4)曝氣運行由控制系統(tǒng)實時開啟鼓風機和進氣閥，對反應(yīng)器曝氣運行，去除水中可能剩余的有機物，并將水中氨氮氧化為硝態(tài)氮。

需要說明的是，每周期第2次及第2次以后的每次曝氣開始時，由于進水中的大部分有機物已被反硝化利用，系統(tǒng)混合液中的有機物濃度會較低，因此曝氣后系統(tǒng)會很快進入正常的硝化反應(yīng)狀態(tài)，即開始曝氣后ph值會在較短的時間內(nèi)出現(xiàn)穩(wěn)定的下降現(xiàn)象。這與第1次曝氣初期ph的變化情況會有所不同(見圖2)。

當在線監(jiān)測的ph和do歷時曲線上表征硝化結(jié)束的特征點出現(xiàn)時，由控制系統(tǒng)實時關(guān)閉鼓風機和進氣閥，停止曝氣運行(第2次至第n-1次曝氣過程的控制策略同第1次曝氣運行的控制策略)。

停止曝氣運行后，系統(tǒng)自動讀取預先設(shè)定的充水次數(shù)n值。若讀取的n值沒有達到n-1次充水次數(shù)，系統(tǒng)將返回到工序(3)繼續(xù)充水并攪拌運行；當達到第n-1次充水次數(shù)時，系統(tǒng)進入到工序(5)運行。

(5)第n次充水并投加碳源攪拌運行由控制系統(tǒng)實時開啟進水泵和進水閥，向反應(yīng)器進行第n次充水，同時由控制系統(tǒng)實時開啟碳源投加閥和碳源投加泵投加碳源(甲醇等)，并啟動攪拌器攪拌運行。當達到充水量和碳源投放量(由設(shè)定的充水時間τn和碳源投放時間t4并結(jié)合液位hn參數(shù)確定)時，由控制系統(tǒng)實時關(guān)閉進水閥、進水水泵和碳源投加泵、碳源投加閥。

碳源的投放量，根據(jù)第n-1次好氧硝化結(jié)束時混合液中硝態(tài)氮含量及第n次充水中的有機物情況，由人工實時進行調(diào)整，使其滿足反硝化的需求(4.0<bod5/硝態(tài)氮<4.2)。

在攪拌過程中，反硝化菌利用第n次進水中的有機物和外加的碳源為電子供體，反硝化脫除第n-1次好氧階段產(chǎn)生硝態(tài)氮，并利用第n次進水中的氨氮促進反硝化進程，同時也將第n次進水中的氨氮成分在反硝化過程中被部分去除。當在線監(jiān)測的ph歷時曲線上表征反硝化結(jié)束的特征點出現(xiàn)時【控制策略同工序(3)中的“缺氧攪拌運行的控制策略”】，由控制系統(tǒng)實時停止攪拌器，停止攪拌運行。

(6)短時間曝氣運行停止缺氧攪拌后，再次由控制系統(tǒng)實時開啟鼓風機和進氣閥對反應(yīng)器進行短時間鼓風曝氣(曝氣時間t5取7～30min)，主要目的是吹脫附著在污泥顆粒上的氮氣和進一步降解可能剩余的有機物及氧化剩余的部分氨氮成分。當達到設(shè)定的曝氣時間t5時，由控制系統(tǒng)實時關(guān)閉鼓風機和進氣閥，停止曝氣運行。

(7)沉淀停止短時間曝氣運行后，使反應(yīng)器中的混合液處于沉淀狀態(tài)，實現(xiàn)泥水分離。

(8)排水和排泥待達到設(shè)定的沉淀時間t6(取40～70min)時，由控制系統(tǒng)實時開啟排水管道上的排水閥門，將處理后的上清液排出反應(yīng)器；根據(jù)設(shè)定的排泥方案，系統(tǒng)實時開啟排泥管道上的排泥閥排泥。當達到設(shè)定的排水時間t7(取60～90min)和排泥時間t8(取5～25min)時，系統(tǒng)實時關(guān)閉排水閥和排泥閥。

(9)閑置反應(yīng)器處于停止工作的待機狀態(tài)，當達到預定的閑置時間t9(取10～50min)即完成sbr工藝一個周期的運行工序。這時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入下一周期的循環(huán)運行。

對被處理原水的c/n值(碳氮比)、堿度和進水總氮的說明

為了獲得深度脫氮的效果，本發(fā)明要求被處理原水中含有適宜的作為反硝化碳源的有機物(bod5/總氮>4.0)和滿足生物脫氮過程所需要的堿度【總堿度(以caco3計)/凱氏氮>3.6】，水中的總氮以有機氮和氨氮(即凱氏氮)為主，并且凱氏氮濃度的變化范圍為40～700mg/l，硝態(tài)氮<4mg/l。

當污水中的c/n值偏低(bod5/總氮<4.0)時，需在每次反硝化攪拌開始時，向反應(yīng)器中補充投加適量的外碳源；當污水中堿度不足【總堿度(以caco3計)/凱氏氮<3.6】時，應(yīng)在曝氣過程中向反應(yīng)器補充適量的堿度，否則按照本發(fā)明的控制策略，雖具有一定的節(jié)能增效效果，但無法實現(xiàn)深度脫氮的目的。

充水方案的確定

當被處理原水水質(zhì)滿足上述條件時，前n-1次充水可采用等量充水，為了能夠得到氨氮對反硝化的促進作用，第n次充水量最少不能低于第n-1次充水量的9.0％。在滿足脫氮處理目標的前提下，適當增加第n次充水量，有利于減少反硝化外碳源的投放量和降低系統(tǒng)的運行費用。為了既達到處理目標，又能獲得理想的節(jié)能、降耗效果，第n次的充水水量應(yīng)根據(jù)被處理原水的凱氏氮濃度son、脫氮的處理目標sen、一周期總的充水比例δ和充水次數(shù)n值確定，依據(jù)試驗結(jié)果建立的充水方案計算公式如下：

當λn>λ1～(n-1)時，取λn＝λ1～(n-1)(2)

式中n為一周期總的充水次數(shù)(取3～4次)；

λ1～(n-1)為第1至n-1次充水量占周期總充水量的比例；

λn為第n次充水量占周期總充水量的比例；

son為被處理原水的凱氏氮濃度(取40～700mg/l)；

sen為處理后出水的總氮濃度(處理目標)；

δ為sbr反應(yīng)器周期的總充水比例(取1/2～2/3)。

當λn>λ1～(n-1)時，將λn＝λ1～(n-1)帶入(1)式得即n次的充水比例都相等。

增加充水次數(shù)n值，有利于原水中更多的碳源被分配到反硝化段，但這也增加了系統(tǒng)操作的復雜性。在實際應(yīng)用中，充水次數(shù)n可取3～4次，總充水比例δ可取1/2～2/3。

按照上述方法確定充水方案，在實驗室條件下，可以獲得理想的脫氮處理結(jié)果。但在實際生產(chǎn)環(huán)境中，由于影響因素眾多，不排除會出現(xiàn)系統(tǒng)的脫氮處理結(jié)果偏離處理目標sen的情況。當出現(xiàn)處理出水tn>sen時，可將λn按照遞減2％～0.2％的方式進行調(diào)整，直到滿足處理目標sen為止。

本發(fā)明的有益效果

現(xiàn)以被處理原水的凱氏氮濃度son為100mg/l，硝態(tài)氮為0mg/l，原水中的反硝化碳源和堿度均滿足生物脫氮需求，處理目標為sen≤4mg/l，sbr反應(yīng)器的周期總充水比例δ為2/3，反應(yīng)器一周期的充水次數(shù)n＝3為例，來說明本發(fā)明的有益效果。

根據(jù)son＝100mg/l，sen＝4mg/l，δ＝2/3和n＝3，由公式(1)和(2)計算得到的充水方案為前兩次的充水比例λ1＝λ2＝45.4％，第3次充水比例λ3＝9.2％。

根據(jù)上述充水方案，本發(fā)明提出的“批次進水強化sbr工藝深度脫氮的方法”與常規(guī)的一次充水、一次好氧硝化、一次投加外碳源缺氧攪拌反硝化運行，且反硝化段不存在氨氮的sbr脫氮的系統(tǒng)相比較，具有以下明顯的優(yōu)勢：

(1)可以獲得良好的脫氮效果，實現(xiàn)出水的總氮≤4mg/l。

一周期3次充水時，要經(jīng)歷2次好氧硝化和2次缺氧反硝化過程。在整個脫氮過程中：

①好氧硝化過程采用ph和do參數(shù)在線控制，可以保證兩次硝化過程氨氮氧化充分；

②在兩次的反硝化過程中，反硝化碳源充足(第1次缺氧攪拌是利用第2次進水中的有機物進行反硝化，第2次缺氧攪拌，除有第3次充水補充的碳源外，還有外加的碳源)，而且反硝化過程采用ph參數(shù)在線控制，可以保證兩次的缺氧反硝化充分；

③第3次充水量僅為一周期總處理水量的9.2％，當?shù)?次缺氧攪拌反硝化結(jié)束時，還能將第3次充水中的部分氨氮去掉，可以保證最終出水的總氮≤4mg/l。

(2)可以提高系統(tǒng)的脫氮能力。

因為在一周期的兩次反硝化攪拌過程中，反硝化系統(tǒng)中都含有適量的氨氮成分(超過系統(tǒng)中硝態(tài)氮量的9％)。根據(jù)前述的結(jié)論，此時在反硝化過程中除正常還原降解硝態(tài)氮成分外，同時還能夠增加去除平均占被降解硝態(tài)氮量8％以上的氨氮成分，因此提高了系統(tǒng)的脫氮能力。

(3)可使反硝化脫氮速率平均提高35％以上，使相應(yīng)的反硝化攪拌動力能耗平均減少25％以上。

使反硝化脫氮速率平均提高35％以上是大量反復試驗的結(jié)果。因為反硝化脫氮速率與反硝化攪拌的時間成反比，所以在相同的條件下，含有氨氮與不含氨氮兩系統(tǒng)反硝化過程攪拌時間比的平均值將<1/1.35＝0.741，因此含有氨氮反硝化系統(tǒng)的攪拌時間可較不含氨氮的系統(tǒng)平均減少超過(1-0.741)＝25.9％，即反硝化攪拌過程可平均節(jié)能25％以上。

(4)可以大幅度地減少反硝化過程外碳源的投放量。

主要表現(xiàn)在三個方面，①第2次充水缺氧攪拌時不需要外碳源，該次充水缺氧攪拌承擔了整個周期45.4％脫氮的反硝化任務(wù)；②第3次充水量占整個周期處理水量的比例為9.2％，因此第3次充水相當于提供了整個處理周期中9.2％的反硝化碳源；③反復試驗結(jié)果表明，反硝化過程含有氨氮時可較不含氨氮的常規(guī)反硝化過程平均減少超過10％的反硝化碳源。這表明，可使64.6％(45.4％+9.2％+10％)的脫氮過程無需提供外碳源。

(5)可以大幅度減少脫氮好氧過程的動力消耗。

主要表現(xiàn)在三個方面，①一周期處理原水中54％以上的有機物(第2次充水量為45.4％，第3次水量為9.2％，其中的有機物量合計占一周期處理原水中的有機物量為54.6％)首先經(jīng)歷缺氧攪拌反硝化階段，這部分有機物大部分將被反硝化過程所利用，不需要經(jīng)過好氧過程；②反硝化過程降解的氨氮成分(平均占被降解硝態(tài)氮量8％以上)，不需要經(jīng)過好氧硝化過程；③第2次充水中的有機物主要被第1次缺氧攪拌的反硝化所利用，可減輕進水中的有機物對第2次好氧硝化過程的影響，這有利于提高第2次的好氧硝化速率。可見，這三個方面減少的好氧動力消耗相當可觀。

(6)可以減輕系統(tǒng)中堿度的波動幅度，節(jié)約進水中堿度不足時投加堿的費用。

主要依據(jù)：①交替好氧缺氧運行，可以使反硝化過程產(chǎn)生的堿度補充到硝化段；②在反硝化過程中增加降解的氨氮成分(平均占被降解硝態(tài)氮量8％以上)不需要經(jīng)歷好氧硝化過程，這可減少硝化過程對堿度的消耗。因此，可減輕系統(tǒng)中堿度的大幅度波動，節(jié)約進水中堿度不足時投加堿的費用。

(7)采用實時在線控制策略控制生物脫氮過程的好氧曝氣時間和缺氧攪拌時間，不存在由于曝氣或攪拌時間不足而引起的硝化或反硝化不完全現(xiàn)象，也不存在因過度曝氣或過度攪拌而帶來的增加運行能耗的現(xiàn)象。

(8)可以根據(jù)原水水質(zhì)和系統(tǒng)運行狀況等的變化，實時調(diào)整系統(tǒng)的運行控制參數(shù)和充水方案，獲得在保證出水水質(zhì)的前提下，節(jié)能降耗。

(9)可以使整個處理過程在線智能控制完成，管理操作方便。

當一周期的充水次數(shù)n>3時，由于每一次的充水量都要相應(yīng)降低，因此可以進一步增大節(jié)省反硝化碳源、減少好氧動力消耗的比例和減輕系統(tǒng)中堿度波動幅度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的sbr工藝一個周期的運行模式；

圖2為sbr反應(yīng)器按照4次進水(前3次為等量進水，第4次進水量為第3次進水量的15％)典型周期中ph、do參數(shù)隨氨氮和硝酸鹽氮濃度(亞硝酸鹽氮濃度始終為0mg/l，未在圖中表示)變化的歷時曲線(圖中的do和ph是經(jīng)4值濾波處理后的數(shù)據(jù))；

圖3為圖2中ph、do參數(shù)對時間的變化率kph、kdo隨氨氮和硝酸鹽氮濃度變化的歷時曲線；

圖4為本發(fā)明的在線控制策略流程圖。

由圖2和圖3可見，在每次硝化結(jié)束和反硝化結(jié)束時，在曲線上都能夠表現(xiàn)出明顯的特征點予以指示(圖中所標字母處)。這為以ph、do參數(shù)在線控制實時停止硝化和反硝化過程提供了依據(jù)。

具體實施方式

本發(fā)明要求被處理原水應(yīng)滿足：原水中的凱氏氮濃度son的變化范圍為40～700mg/l，硝態(tài)氮<4mg/l；原水中含有適宜反硝化碳源(bod5/總氮>4.0)且堿度充足【總堿度(以caco3計)/凱氏氮>3.6】。當堿度不足時，本發(fā)明雖具有一定的節(jié)能增效效果，但無法實現(xiàn)深度脫氮的目的。

具體實施方式如下：

第1步確定系統(tǒng)運行控制參數(shù)

針對已啟動并穩(wěn)定運行的sbr污水處理系統(tǒng)，根據(jù)處理目標和所掌握的被處理原水的水質(zhì)特點，按照以下步驟確定系統(tǒng)運行控制參數(shù)：

(1)確定周期的總充水比例δ(取1/2至2/3)和一周期的充水次數(shù)n(取3～4次)，根據(jù)原水的凱氏氮濃度son和處理目標sen，由公式(1)和(2)確定充水方案λ1～(n-1)和λn；

(2)根據(jù)一周期總的處理水量和每次的充水比例λ1～λn，確定每次的充水量，進而確定相應(yīng)的每次充水時間τ1～τn和每次充水結(jié)束時的液位h1～hn；

(3)確定曝氣過程中ph和do信號的采樣間隔t1(取60s)、攪拌過程中ph信號的采樣間隔t2(取60s)；

(4)確定反硝化結(jié)束時kphi值由正變負，并保持kphi<0的時間t3(取3～4min)；

(5)根據(jù)第n-1次硝化結(jié)束時混合液中硝態(tài)氮含量及第n次充水中的有機物情況，依據(jù)4.0<bod5/硝態(tài)氮<4.2的條件，確定反硝化外碳源液體的投加量，進而確定碳源投加時間t4；

(6)根據(jù)需要確定短時曝氣時間t5(取7～30min)和沉淀時間t6(取40～70min)；

(7)根據(jù)一周期的排水量確定排水時間t7(取60～90min)；

(8)以sbr反應(yīng)器每周期反應(yīng)結(jié)束時，混合液的污泥濃度為4000～5000mg/l為依據(jù)，確定每周期的排泥量，進而確定排泥時間t8(取5～25min)；

(9)根據(jù)需要確定閑置時間t9(取10～50min，在保證1天24小時的處理水量和運行周期數(shù)的前提下，t9的取值決定于原水凱氏氮濃度son變化情況，son升高時，系統(tǒng)處理的周期時間就會加長，則周期間的閑置時間t9就會相應(yīng)縮短，反之t9就會延長)；

(10)在控制裝置上完成對上述控制參數(shù)δ、n、λ1～λn、τ1～τn、h1～hn和t1～t9值的設(shè)定；

(11)按照圖1的運行模式，在控制策略的支配下，實現(xiàn)對處理系統(tǒng)的在線控制運行。

第2步sbr反應(yīng)器一個周期運行的基本技術(shù)工序

(1)充水攪拌運行啟動進水泵，同時打開進水閥門并開啟攪拌器，將待處理的原水充入sbr反應(yīng)器并攪拌運行。當達到預定的第一次充水水量(即達到設(shè)定的充水時間τ1和液位h1)時，由控制系統(tǒng)實時關(guān)閉進水閥門和進水水泵，同時關(guān)閉攪拌器。

(2)曝氣運行由控制系統(tǒng)實時開啟鼓風機和進氣閥，對反應(yīng)器曝氣運行，去除水中的有機物，并將水中氨氮氧化為硝態(tài)氮。在曝氣運行過程中，根據(jù)控制策略，當在線監(jiān)測的ph和do歷時曲線上表征硝化結(jié)束的特征點出現(xiàn)時，由控制系統(tǒng)實時關(guān)閉鼓風機和進氣閥，停止曝氣運行。

(3)充水并攪拌運行啟動進水泵，同時打開進水閥并開啟攪拌器，當達到預定的充水水量【即達到設(shè)定的充水時間τi和液位hi(i≥2)】時，由控制系統(tǒng)實時關(guān)閉進水閥和進水水泵。

在攪拌過程中，反硝化菌利用進水中的有機物為電子供體，反硝化脫除上一好氧階段產(chǎn)生硝態(tài)氮，同時利用進水中的氨氮促進反硝化進程，并在反硝化過程中也去除一定的氨氮成分。根據(jù)控制策略，當在線監(jiān)測的ph歷時曲線上表征反硝化結(jié)束的特征點出現(xiàn)時，由控制系統(tǒng)實時停止攪拌設(shè)備，停止攪拌運行。

(4)曝氣運行由控制系統(tǒng)實時開啟鼓風機和進氣閥，對反應(yīng)器曝氣運行，去除水中可能剩余的有機物，并將水中氨氮氧化為硝態(tài)氮。在曝氣運行過程中，根據(jù)控制策略，當在線監(jiān)測的ph和do歷時曲線上表征硝化結(jié)束的特征點出現(xiàn)時，由控制系統(tǒng)實時關(guān)閉鼓風機和進氣閥，停止曝氣運行。

第2次停止曝氣運行后，系統(tǒng)自動讀取預先設(shè)定的充水次數(shù)n，若沒有達到n-1次進水次數(shù)時，系統(tǒng)將返回到工序(3)繼續(xù)充水并攪拌運行；當達到第n-1次進水次數(shù)時，系統(tǒng)進入到工序(5)運行。

(5)第n次充水并投加碳源攪拌運行由控制系統(tǒng)實時開啟進水泵和進水閥，向反應(yīng)器進行第n次充水，同時由控制系統(tǒng)實時開啟碳源投加閥和碳源投加泵投加碳源(甲醇等)，并啟動攪拌設(shè)備。當達到充水量和碳源投放量(即達到設(shè)定的充水時間τn、碳源投放時間t4和液位hn)時，由控制系統(tǒng)實時關(guān)閉進水閥、進水水泵和碳源投加泵、碳源投加閥。

在攪拌過程中，反硝化菌利用第n次進水中的有機物和外加的碳源為電子供體，反硝化脫除第n-1次好氧階段產(chǎn)生硝態(tài)氮，利用第n次進水中的氨氮促進反硝化進程，同時也將第n次進水中的氨氮成分在反硝化過程中被部分去除。根據(jù)控制策略，當在線監(jiān)測的ph歷時曲線上表征反硝化結(jié)束的特征點出現(xiàn)時，由控制系統(tǒng)實時停止攪拌設(shè)備，停止攪拌運行。

(6)短時曝氣運行停止缺氧攪拌后，再次由控制系統(tǒng)實時開啟鼓風機和進氣閥對反應(yīng)器進行短時間鼓風曝氣，主要目的是吹脫附著在污泥顆粒上的氮氣和進一步降解可能剩余的有機物及氧化剩余的部分氨氮成分。當達到設(shè)定的曝氣時間t5時，由控制系統(tǒng)實時關(guān)閉鼓風機和進氣閥，停止曝氣運行。

(7)沉淀停止曝氣運行后，使反應(yīng)器中的混合液處于沉淀狀態(tài)，實現(xiàn)泥水分離。

(8)排水和排泥待達到設(shè)定沉淀時間t6時，系統(tǒng)實時開啟排水管道上的排水閥，將處理后的上清液排出反應(yīng)器；根據(jù)設(shè)定的排泥方案，系統(tǒng)實時開啟排泥管道上的排泥閥排泥。當達到設(shè)定的排水t7和排泥時間t8時，系統(tǒng)實時關(guān)閉排水閥和排泥閥。

(9)閑置反應(yīng)器處于停止工作的待機狀態(tài)，當待機達到預定的閑置時間t9時，即完成sbr工藝一個周期的運行工序。這時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入下一周期循環(huán)運行。

本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于含氮有機工業(yè)廢水的深度脫氮處理。

應(yīng)用實例

以模擬含氮有機污水為處理對象，來說明本發(fā)明的應(yīng)用實例。

模擬污水以可溶性淀粉和乙酸鈉為主要有機成分，cod值為630mg/l左右，采用nh4cl和kh2po4溶液調(diào)節(jié)水中n和p的濃度，水中的氨氮濃度為95～109mg/l，磷酸鹽磷含量滿足生物需求，采用nahco3調(diào)節(jié)堿度和ph值，使水中堿度充足，ph＝7.6～8.0。

sbr反應(yīng)器有效容積為12l左右，設(shè)定脫氮的處理目標為sen<3mg/l。取反應(yīng)器一周期的總充水比δ約為2/3，采用4次充水(第一次充水的氨氮濃度為95.5mg/l，后三次充水的氨氮濃度均為107.7mg/l)，總充水量為8.2l，前3次的充水量均為2.6l(λ1～λ3均為31.75％)，第4次充水量為0.4l(λ4＝4.88％)，第4次充水時投加的外碳源為甲醇。反應(yīng)器充滿水后的污泥濃度為5000mg/l左右。

按照上述的實施方式得到的周期處理污水的試驗結(jié)果見表1。

表1sbr反應(yīng)器一周期4次充水脫氮過程的試驗結(jié)果^注

注：①在上述脫氮試驗過程中，各反應(yīng)階段混合液中的亞硝酸鹽氮濃度都近似為0mg/l，所以表中沒有列入亞硝酸鹽氮參數(shù)；

②模擬含氮有機污水的c/n比值>5.8，反硝化過程碳源充足，且在每次好氧硝化結(jié)束時cod濃度均<30mg/l，最終出水的cod濃度<30mg/l，所以表中沒有列cod參數(shù)；

③表中所列的好氧硝化結(jié)束混合液中的氨氮和硝酸鹽氮濃度數(shù)據(jù)，均為好氧硝化過程中，在do和ph歷時曲線上指示硝化結(jié)束的特征點出現(xiàn)時的對應(yīng)值；

④表中所列的攪拌反硝化結(jié)束混合液中的氨氮和硝酸鹽氮濃度數(shù)據(jù)，均為攪拌反硝化過程中，在ph歷時曲線上指示反硝化結(jié)束的特征點出現(xiàn)時的對應(yīng)值。

由表1可見，在4次充水的脫氮過程中，獲得了出水總氮<3mg/l的深度脫氮效果。分析上述脫氮過程可知，4次充水過程，除了可以獲得氨氮對反硝化脫氮過程的有益影響外，與前述的3次充水相比較(見本發(fā)明的有益效果)，還可使進水中更多的有機物被分配到反硝化段，進而可節(jié)省更多的反硝化外加碳源和減少更多的好氧過程動力消耗。

前述的3次充水，被分配到反硝化段的有機物為54.6％(見本發(fā)明的有益效果)。本實例4次充水時，被分配到反硝化段的有機物合計為68.38％(包括第2次和第3次充水中的有機物合計為63.5％，第4次充水中的有機為4.88％，兩者合計為68.38％)。再考慮反硝化過程中含有適量氨氮時可節(jié)省超過10％反硝化碳源的結(jié)論，4次充水時，可使78％以上的深度脫氮過程無需提供外碳源?？梢姡S著充水次數(shù)的增加，脫氮過程節(jié)能降耗的效果也隨之增強。