CN211712891U - 用于季节性菌种保藏恢复的废水厌氧生物处理系统 - Google Patents

Abstract

一种用于季节性菌种保藏恢复的废水厌氧生物处理系统，该废水厌氧生物处理系统，包括进水装置，其输入待处理废水；厌氧生物处理装置，用于对待处理废水厌氧生物处理；后续处理装置，将经过厌氧生物处理装置的废水进一步处理；监测装置，用于监测厌氧生物处理装置中混合液的参数并输出，以及控制装置，基于所述监测装置输出的包含参数值的信号来控制所述厌氧生物处理装置中的伺服部件，从而调节对应的参数。本工艺反应器构造简单便于维护，操作逻辑简洁，运行操作与维护简单，人工要求少，易于实现自动化控制。

Description

用于季节性菌种保藏恢复的废水厌氧生物处理系统

技术领域

本实用新型属于污水生物处理技术领域，特别涉及一种用于季节性菌种保藏恢复的废水厌氧生物处理系统。

背景技术

厌氧消化能够有效地从高浓度有机废水中实现同步回收能源和污染物去除，是一种绿色的污水资源化技术，在高浓度有机废水处理和资源化领域极具潜力。我国巨大的工业体量形成的工业废水排放，随着污染源在线连续监测能力的迅速提升，日益受到公众广泛关注；农副食品加工业等由于原材料限制形成的季节性间歇污水排放源，近来也加速纳入排放监管和排污许可证管理体系中，对季节性间歇污水稳定达标的要求迅速提高。同时，不断延长和相互依存的产业链、周期性过剩的局部产能等宏观经济发展和产业链升级中的阵痛，也使工业废水间歇排放问题日益突出，直接影响废水处理系统的稳定达标排放和环境法规监管，使季节性间歇排放废水的稳定达标已经不仅是传统农副食品加工业废水的局部问题，甚至成为制约产业发展的全局环境约束问题。环境和产业形势的快速变化，对季节性废水厌氧生物处理装置的菌种保藏形成极大挑战。厌氧消化是一种极具潜力的污水生物处理技术，区别于正常运行阶段，季节性废水间歇排放阶段的厌氧生物处理的重要目标是菌种保藏而不是达标处理和污泥减量，因而能够迅速适应环境和产业形势的变化，是季节性间歇排放废水稳定达标的关键技术。

菌种保存阶段由于不同于达标运行阶段的工艺目标，其运行策略亟需针对菌种保藏目标进行优化。以稳定达标和高效污染物去除为目标的达标运行技术在污水处理中已经有明确的运行策略和经验值，但是在菌种保藏阶段中仍不清楚，影响季节性间歇排水污水处理系统的持续运行，造成系统崩溃、重新接种和达标率降低等问题。污水降解过程中的污泥增殖曲线分为四个时期：停滞期(适应期)、对数增殖期、减数增殖期(稳定期)和内源呼吸期(衰亡期)，表现为对应的动力学阶段：滞后期、零级反应阶段、一级反应阶段和难降解底物限速阶段。通常季节性废水采用长期低负荷策略维持系统运行，导致厌氧污泥长期处于内源呼吸期，不可避免的使大量厌氧菌休眠和衰亡，导致菌种无法保藏。根据厌氧微生物总量变化的四阶段特征，如果能够适当地控制系统的进水负荷，通过间歇进水给予冲击负荷，间歇使菌种保藏在增殖期-内源呼吸期交替、避免厌氧污泥长期处于内源呼吸期而不断衰亡，那么季节性废水厌氧生物处理装置的菌种就能够得到有效的保藏，实现季节性废水厌氧生物处理装置的持续稳定运行。

进水负荷可以有效地控制厌氧消化的动力学阶段。季节性间歇废水负荷调控较为突出的难点是总的负荷受到进水量的制约，难以保持在厌氧微生物增殖期。例如，正常运行处于厌氧污泥增殖期的厌氧反应器运行负荷应稳定在(1～8kg COD m^-3d^-1)，但间歇排放时负荷不足导致厌氧菌种处于内源呼吸期而衰亡。现有研究表明该动力学过程受到进水负荷的影响，包括：进水量、进水COD和进水策略等。其中，进水COD取决于来水情况调节难度和成本较高；进水量受来水情况影响较大，在调节池运行范围内可以进行一定的调节；如果与进水策略相结合，调节范围及其对运行负荷和动力学阶段的调控能力可以进一步有效扩大。因此，有必要对间歇废水厌氧处理进水策略的负荷控制系统进行研究和提出专利方法。

根据常规在线监测指标判断厌氧消化所处的动力学阶段，是厌氧消化过程中，把季节性间歇废水厌氧消化动力学过程间歇地提高到增殖期的核心技术之一。季节性间歇废水厌氧处理低负荷的关键原因包括①进水水质波动大，②生物量较低。由于负荷不足，季节性间歇废水在停产阶段的污泥浓度往往远低于正常运行阶段，导致保持足够量的厌氧污泥成为厌氧处理菌种保藏的关键挑战：足够的负荷受到进水量的限制难以达到，过低负荷导致厌氧系统的污泥进入内源呼吸阶段而衰亡。菌种衰亡导致厌氧处理重新启动困难、COD去除率降低，必须进行进一步处理才能达标，阻碍了厌氧处理的持续运行。因此，根据季节性废水厌氧处理菌种保藏的要求，适宜菌种保藏的进水控制策略具有如下特点：监测系统简单、动力学阶段判断准确、负荷控制精准。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的之一在于提出一种用于季节性菌种保藏恢复的废水厌氧生物处理系统，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种用于季节性菌种保藏恢复的废水厌氧生物处理系统，包括：

进水装置，其输入待处理废水；

厌氧生物处理装置，用于对待处理废水厌氧生物处理；

后续处理装置，将经过厌氧生物处理装置的废水进一步处理；

监测装置，用于监测厌氧生物处理装置中混合液的参数并输出，以及

控制装置，基于所述监测装置输出的包含参数值的信号来控制所述厌氧生物处理装置中的伺服部件，从而调节对应的参数。

基于上述技术方案可知，本实用新型的用于季节性菌种保藏恢复的废水厌氧生物处理系统相对于现有技术至少具有以下优势之一：

1、本工艺反应器构造简单便于维护，操作逻辑简洁，运行操作与维护简单，人工要求少，易于实现自动化控制；

2、基于产气速率及其变化率的动力学阶段监测便于实施，无需额外仪表用户成本低，简便易行、便于推广；

3、产气速率-pH控制模式可将间歇阶段厌氧污泥保持在增殖期，维持较高的生物量和生物活性，易于实现快速恢复运行；

4、本实用新型可用于农副食品加工废水等季节性废水、间歇生产的工业废水等的厌氧处理系统菌种保藏恢复。

附图说明

图1为本实用新型实施例中季节性废水生物处理系统的流程示意图；

图2为本实用新型实施例中季节性废水生物处理系统的控制系统的示意图；

图3为本实用新型实施例中季节性废水生物处理系统的产气速率-pH监控逻辑图；

图4为本实用新型实施例中的季节性废水生物处理系统的不同间歇时间下COD去除效果恢复效果图；

图5为本实用新型实施例中的季节性废水生物处理系统COD去除贡献率构成图。

附图标记：

1-进水池；2-厌氧生物处理装置；3-后续处理装置；4-温度传感器；5-pH传感器；6-产气速率传感器；7-进水控制单元；8-进水单元；9-液位传感器；

符号：Q-日总流量；q-产气速率；pH-pH值；Δ-变化值；

下标：biogas-产气量；in-进水量；e-正常值。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型公开了一种废水厌氧生物处理系统，包括：

进水装置，其输入待处理废水；

厌氧生物处理装置，用于对待处理废水厌氧生物处理；

后续处理装置，将经过厌氧生物处理装置的废水进一步处理；

监测装置，用于监测厌氧生物处理装置中混合液的参数并输出，以及

控制装置，基于所述监测装置输出的包含参数值的信号来控制所述厌氧生物处理装置中的伺服部件，从而调节对应的参数。

在本实用新型的一些实施例中，所述监测装置包括：

产气速率传感器，用于监测厌氧生物处理装置内沼气的产气速率；

pH传感器，用于监测厌氧生物处理装置内混合液的pH；

温度传感器，用于监测厌氧生物处理装置内混合液的温度；以及

液位传感器，用于监测厌氧生物处理装置内混合液的液位。

在本实用新型的一些实施例中，所述控制装置执行如下逻辑：

当日累计产气量或产气速率降低到正常运行值或设计值的1/3以下时，判定废水处理系统进入季节性间歇运行阶段；

当监测到所述厌氧生物处理装置的产气速率小于0.5至2.2m³CH₄/m³·d或小于监测当天前一天产气速率平均值的1/2至1/5时开始进水；

当监测到所述混合液的pH小于6.9至7.3或ΔpH＞0.2至0.7时停止进水，其中，ΔpH为单位时间内pH变化的绝对值；

当监测到所述厌氧生物处理装置的产气速率小于或等于0.05至1.5m³CH₄/m³·d时，提高进水量，再次进入厌氧生物处理装置的产气速率的逻辑判定，当监测到所述厌氧生物处理装置的液位值大于液位保护值时，降低水位，进入间歇运行阶段；

当监测到所述厌氧生物处理装置的产气速率＞0.05至1.5m³CH₄/m³·d²时，循环结束，返回正常运行阶段；

在本实用新型的一些实施例中，所述降低水位步骤中，降低至厌氧生物处理装置中液位保护值的1/10至1/2。

在本实用新型的一些实施例中，所述厌氧生物处理装置包括用于调节反应器温度的温度调节单元；

在本实用新型的一些实施例中，所述厌氧生物处理装置的温度为21至39℃。

在本实用新型的一些实施例中，所述的进水装置包括进水池和进水单元，所述控制装置控制进水单元从进水池向厌氧生物处理装置输送待处理废水；

在本实用新型的一些实施例中，所述进水池有效容积满足2至12小时的最大小时流量。

在本实用新型的一些实施例中，所述厌氧生物处理装置由一个或多个厌氧生物处理单元单独或组合构成。

在本实用新型的一些实施例中，所述厌氧生物处理装置设有减少厌氧污泥流失的三相分离器或膜分离结构。

在本实用新型的一些实施例中，所述控制装置根据厌氧生物处理装置所处的动力学阶段控制进水；

在本实用新型的一些实施例中，所述废水厌氧生物处理系统处于间歇运行阶段时进水循环周期为2至30天/次。

本实用新型还公开了一种逻辑控制单元，所述逻辑控制单元用于执行如下逻辑：

当日累计产气量或产气速率降低到正常运行值或设计值的1/3以下时，判定废水处理系统进入季节性间歇运行阶段；

当监测到所述厌氧生物处理装置的产气速率小于0.5至2.2m³CH₄/m³·d或小于监测当天前一天产气速率平均值的1/2至1/5时开始进水；

当监测到所述混合液的pH小于6.9至7.3或ΔpH＞0.2至0.7时停止进水，其中，ΔpH为单位时间内pH变化的绝对值；

当监测到所述厌氧生物处理装置的产气速率小于或等于0.05至1.5m³CH₄/m³·d时，提高进水量，再次进入厌氧生物处理装置的产气速率的逻辑判定，当监测到所述厌氧生物处理装置的液位值大于液位保护值时，降低水位，进入间歇运行阶段；

当监测到所述厌氧生物处理装置的产气速率＞0.05至1.5m³CH₄/m³·d²时，循环结束，返回正常运行阶段；

在本实用新型的一些实施例中，所述降低水位步骤中，降低至厌氧生物处理装置中液位保护值的1/10至1/2；

在本实用新型的一些实施例中，所述逻辑控制单元是PLC、FPGA、单片机、单板机、电脑或服务器。

以下通过具体实施例结合附图对本实用新型的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本实用新型的保护范围并不限于此。

如图1所示，本实用新型的季节性废水生物处理系统(即用于季节性菌种保藏恢复的废水厌氧生物处理系统)，由进水池1、厌氧生物处理装置2、后续处理装置3、温度传感器4、pH传感器5、产气速率传感器6、进水控制单元7、进水单元8、液位传感器9组合构成。在进水控制单元7控制下，进水单元8通过管道，从进水池1向厌氧生物处理装置2输送废水；厌氧生物处理装置2出水后，进入后续处理装置3进一步处理。

进水控制单元7的在线监控分别包括温度传感器4、pH传感器5和产气速率传感器6；温度传感器4、pH传感器5、液位传感器9置于厌氧生物处理装置2的混合液中，产气速率传感器6位于厌氧生物处理装置2的沼气出口，传感器监测结果通过变送器联接到进水控制单元8中。进水单元8通过电缆连接到进水控制单元7中。

厌氧生物处理装置2的进水由进水控制单元7根据厌氧生物处理装置2所处的动力学阶段控制。进水控制单元7基于pH传感器5、产气速率传感器6的监测数据，在线实时判断厌氧生物系统所处的动力学阶段，依据动力学阶段确定厌氧生物处理装置2的进水策略。

进水池1用于厌氧生物处理装置进水，并提供一定的水量缓冲和调节能力。这种水量缓冲和调节能力根据进水量和污水系统处理能力之间的差值确定，因此通常进水池有效容积设计为2～12小时的最大小时流量。根据高浓度有机废水的水质水量特点，经过预处理后进入进水池1。

厌氧生物处理装置2，由一个或多个厌氧生物处理单元单独或组合构成，并相互连接。厌氧生物处理装置2采用防止或减少厌氧污泥流失的措施，出水方式不受限制。上述防止或减少厌氧污泥流失的措施包括但不限于各种结构的三相分离器、不同形式的膜分离等结构和方法。例如，膜分离既可以是管式膜、平板膜和中空纤维膜，也可以是外置式和浸没式(一体式、分体式)。

后续处理装置3，根据出水用途和退水去向对厌氧生物处理装置的出水进行进一步处理。

厌氧生物处理装置2具有温度调节单元，所述温度调节单元为温度控制系统或外部保温结构。

温度传感器4、pH传感器5产气速率传感器6和液位传感器9均反映厌氧生物处理装置2的状态。其中，温度传感器4、pH传感器5、液位传感器9用于监测厌氧生物处理装置2中混合液的温度、pH值和液位，并将监测结果输送到进水控制单元7；产气速率传感器6用于监测厌氧生物处理装置2的沼气产气速率，并将监测结果输送到进水控制单元7中。

季节性废水厌氧生物处理装置的菌种保藏恢复控制系统的操作方法是向厌氧生物处理装置2接种厌氧消化污泥；高浓度有机废水输送至进水池1，依次经过进水单元8、厌氧生物处理装置2和后续处理装置3。厌氧生物处理装置2在季节性废水处于间歇间断时，采用产气速率-pH监控方式判断厌氧生物处理装置2内的厌氧污泥所处的动力学阶段，并控制厌氧生物处理装置2的进水。厌氧生物处理装置2的出水应具有防止或减少厌氧污泥流失的能力，例如前述的三相分离或膜分离，使厌氧污泥流失率低于30％。厌氧生物处理装置2的产气在沼气出口收集。

厌氧生物处理装置2的混合液的温度保持在21～39℃。

如图3所示，产气速率-pH监控方式是指根据季节性废水来水的水质水量情况，结合日累计产气量Q_biogas或产气速率Q_in(Q_biogas是当日监测到的累计总产气量，Q_in是当前监测到的每小时产气速率)降低到正常运行值Q_de(对应的设计值或期望值，如当前负荷下的预期日产气量或预期小时产气速率)的1/3以下，判定废水处理系统进入季节性间歇运行阶段，厌氧生物处理系统处于间歇运行阶段，进水泵等工艺设备转向间歇运行；

厌氧生物处理装置2的进水策略为，产气速率q_biogas＜(0.5-2.2)m³CH₄/m³·d(单位池容的日产气量)，或＜监测当天前一天产气速率平均值的1/2至1/5时启动进水单元8，开始进水，pH＜6.9-7.3或ΔpH＞0.2～0.7时停止进水，其中，q_biogas为监测到的产气速率，即每小时或分钟的单位时间产气量；ΔpH为监测到的pH变化幅度，即每小时或分钟的单位时间pH变化绝对值；进水后厌氧生物处理装置2的产气速率变化率Δq_biogas应＞0.05～1.5m³CH₄/m³·d²，否则应拓宽产气速率-pH监控方式的进水策略范围从而增加单次进水量；拓宽范围过程中，基于液位传感器9的监测值进行液位保护，当监测到的液位值大于等于设计值时停止进水，从而避免超过反应器的最高设计保护水位。

采用产气速率-pH监控方式判断厌氧生物处理装置2处于间歇运行阶段时，根据液位传感器9监测结果，降低厌氧生物处理装置2中的液位为液位保护值的1/10～1/2。

系统长时间处于间歇运行阶段时，一个循环结束后，进水策略的运行间隔周期为2～30天/次。

本实用新型的季节性废水厌氧生物处理装置的菌种保藏恢复控制系统及其操作方法可保存厌氧消化的菌种，达到季节性废水间歇运行期保藏和恢复菌种的目的，实现厌氧污水处理系统持续稳定运行、减少接种驯化的稳定厌氧处理。

本实用新型的季节性废水厌氧生物处理装置的菌种保藏恢复控制系统及其操作方法可应用于如薯类淀粉、甘蔗制糖的农副食品加工业等行业季节性废水，也可应用于批量生产的发酵等行业间歇性废水，实现厌氧生物处理装置的菌种保藏恢复和稳定达标处理。

本实用新型可根据来水水质水量、厌氧污泥所处的动力学阶段，自动确定进水量和和运行负荷。厌氧污泥增殖曲线可分为适应期、增殖期和衰亡期，增值阶段底物可以满足厌氧微生物菌种保藏恢复和增殖的需要，衰亡阶段细菌活性降低乃至衰老死亡影响菌种保藏和恢复。进水量和进水负荷控制在厌氧消化控制中，主要起到增加底物浓度和总量，从而促进厌氧菌分裂和增殖的作用。采用产气速率-pH监控厌氧菌群保种和增殖过程，能够及时判断厌氧污泥整体状态，将处于间歇运行阶段厌氧污泥间断地提高到增殖期，延长厌氧菌种保藏的时间、提高保藏菌种的活性、便于恢复。既避免了少量持续低负荷进水导致底物产气不足，厌氧菌种进入内源呼吸期(衰亡期)；又大幅减少了为保藏菌种而投加的碳源或营养物，降低了间断期运行成本；同时避免或减少了重新接种所需投入的大量未驯化污泥，缩短了恢复生产时所需的适应期，实现快速达标和稳定运行。与基于挥发性有机酸(VFAs)等的厌氧系统活性监测方法相比，产气速率监测所需仪表简单、应用广泛，通过对监测和控制逻辑的自动化分析，即可判断厌氧污泥所处的动力学阶段，具有简便易行、便于推广的特点。采用本实用新型的运行方法，季节性废水厌氧生物处理装置不仅可以有效延长菌种保藏周期，提高所保藏菌种的活性，实现快速恢复生产，而且减少了重新接种和驯化所需的时间和费用，减少了以菌种保藏恢复为目标的碳源投加，达到了既有驯化后菌种保藏和便于恢复的目的。

实施例1

请参见图1-3。季节性废水生物处理系统，由进水池1、厌氧生物处理装置2、后续处理装置3、温度传感器4、pH传感器5、产气速率传感器6、进水控制单元7、进水单元8、液位传感器9组合构成，用于土豆淀粉废水或远洋船舶黑水处理。其中，土豆淀粉厂由于土豆供给限制在秋冬两季生产，停产时间可长达几天到几个月，具有较强的季节性；远洋船舶废水根据排放海域的要求，会进入不同长短的间歇运行阶段。

季节性土豆淀粉废水经过提蛋白、格栅和沉沙等预处理后，进入进水池。在进水控制单元的控制下，来水从进水池由进水泵输送到厌氧生物处理装置，厌氧处理后出水进入后续处理装置3。进水控制单元判断系统进入间歇运行阶段后，判断厌氧污泥处于内源呼吸期持续5～240小时后，间歇启动进水泵。整个运行过程中，进水控制单元7间歇将厌氧污泥恢复到增殖期；从反应器中采集的产气速率和pH数据，采用前述的产气速率-pH监测方式控制污泥生长阶段实现菌种保藏和恢复。反应器菌种流失率低于50～80％，产甲烷菌活性不低于40～70％。

进水负荷是厌氧消化工程控制的主要工艺参数，在产气速率-pH监控模式下，能有效地保藏菌种，既有降低外加碳源保种成本、避免了重新接种驯化，又能实现迅速恢复生产。

采用菌种保藏恢复技术停机5～20天后，出水COD均在24小时内恢复稳定运行，厌氧处理系统对COD去除的贡献率得到有效恢复。

如图4所示为该季节性废水生物处理系统的不同间歇时间下COD去除效果恢复效果图，由图4可知，在间隔周期为5～20天时，出水COD均可以稳定恢复到GB8978-96《污水综合排放标准》二级排放标准要求的300mg·L^-1以下。其中，间隔20天以下时，12小时内即可恢复达标；间隔时间20天以上时，24小时内即可恢复达标。上述结果为季节性废水处理系统的间歇运行提供了可供借鉴的可靠方法。如图5所示为季节性废水生物处理系统COD去除贡献率效果构成图，图5所示结果，进一步说明了厌氧生物处理系统得到很好的恢复。其中，在间隔周期为5～20天时，厌氧生物过程的平均去除率始终在80％以上，24小时后接近90％；膜分离的COD平均去除率始终在65％以上，24小时后可保持在75％以上。间歇期对膜系统去除率影响大于对生物系统去除率的影响，这可能是由于膜松弛的原因；生物系统恢复效果好于膜系统恢复效果，进一步表明本季节性菌种保藏恢复系统的效果显著。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种废水厌氧生物处理系统，其特征在于，包括：

进水装置，其输入待处理废水；

厌氧生物处理装置，用于对待处理废水厌氧生物处理；

后续处理装置，将经过厌氧生物处理装置的废水进一步处理；

监测装置，用于监测厌氧生物处理装置中混合液的参数并输出；以及

控制装置，基于所述监测装置输出的包含参数值的信号来控制所述厌氧生物处理装置中的伺服部件，从而调节对应的参数。

2.根据权利要求1所述的废水厌氧生物处理系统，其特征在于，

所述监测装置包括：

产气速率传感器，用于监测厌氧生物处理装置内沼气的产气速率；

pH传感器，用于监测厌氧生物处理装置内混合液的pH；

温度传感器，用于监测厌氧生物处理装置内混合液的温度；以及

液位传感器，用于监测厌氧生物处理装置内混合液的液位。

3.根据权利要求1所述的废水厌氧生物处理系统，其特征在于，

所述厌氧生物处理装置包括用于调节反应器温度的温度调节单元。

4.根据权利要求3所述的废水厌氧生物处理系统，其特征在于，

所述厌氧生物处理装置的温度为21至39℃。

5.根据权利要求1所述的废水厌氧生物处理系统，其特征在于，

所述的进水装置包括进水池和进水单元，所述控制装置控制进水单元从进水池向厌氧生物处理装置输送待处理废水。

6.根据权利要求5所述的废水厌氧生物处理系统，其特征在于，

所述进水池有效容积满足2至12小时的最大小时流量。

7.根据权利要求1所述的废水厌氧生物处理系统，其特征在于，

所述厌氧生物处理装置由一个或多个厌氧生物处理单元单独或组合构成。

8.根据权利要求1所述的废水厌氧生物处理系统，其特征在于，

所述厌氧生物处理装置设有减少厌氧污泥流失的三相分离器或膜分离结构。

9.根据权利要求1所述的废水厌氧生物处理系统，其特征在于，

所述控制装置根据厌氧生物处理装置所处的动力学阶段控制进水。

10.根据权利要求1所述的废水厌氧生物处理系统，其特征在于，

所述废水厌氧生物处理系统处于间歇运行阶段时进水循环周期为2至30天/次。

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