基于在线监测技术的短程硝化控制技术研究进展

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河南科技
Henan Science and Technology
化工与材料工程
总第818期第24期2023年12月
收稿日期:2023-08-06
作者简介:王艺涵(1999—),女,硕士生,研究方向:污水深度处理与资源化。

通信作者:吴朕君(1985—),男,博士,副教授,研究方向:污水深度处理与资源化。

基于在线监测技术的短程硝化控制技术研究进展
王艺涵1

远1
吴朕君1,2
(1.河南工业大学环境工程学院,河南
郑州
450001;
2.河南鑫安利安全科技股份有限公司博士后科研工作站,河南
郑州
450001)

要:
【目的】目前污水处理中生物脱氮面临着高能耗、碳源需求量大的问题,短程硝化-反硝化技术是一种低能耗、高效率的脱氮工艺,但该工艺在处理低C/N 污水中的启动和稳定运行较难实现。

由于工艺稳定运行的关键是将硝化反应控制在亚硝态氮阶段,因此需要对溶解氧(DO )、pH 和氧化还原电位(ORP )与短程硝化脱氮过程的相关性进行研究。

【方法】对现有控制参数研究,对监测数据进行一阶导算法优化处理,对优化处理数据的可行性进行研究分析。

【结果】研究结果表明,利用包括pH 、DO 、ORP 等在线监测手段,通过一阶导优化处理数据,可实现短程硝化-反硝化SBR 的智能化运行。

【结论】
研究结果可为短程硝化工艺的优化控制和稳定运行提供更加全面的参考和依据。

关键词:短程硝化;控制方法;在线监测;研究进展中图分类号:X5
文献标志码:A
文章编号:1003-5168(2023)24-0086-05
DOI :10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.24.018
Research Progress on Control Methods Based on On-Line Monitoring
for Short-Cut Nitrification
WANG Yihan 1YAO Yuan 1WU Zhenjun 1,
2
(1.Henan University of Technology,School of Environmental Engineering,Zhengzhou 450001,China;
2.Henan Xinanli Security Technology Co.,Ltd.,Post-Doctoral Workstation,Zhenghzou 450001,China)Abstract:[Purposes ]At present,biological nitrogen removal in wastewater treatment faces the problems
of high energy consumption and large demand for carbon sources.Short-range nitrification and denitrifi⁃
cation technology is a nitrogen removal process with low energy consumption and high efficiency,but it is difficult to realize the start-up and stable operation of this process in the treatment of low C/N wastewa⁃ter.Since the key to the stable operation of the process is to control the nitrification reaction in the ni⁃trous nitrite stage,it is necessary to study the correlation between dissolved oxygen (DO),pH and REDOX potential (ORP)and the denitrification process.[Methods ]The existing control parameters were studied,the monitoring data was optimized by first-order guide algorithm,and the feasibility of the opti⁃mized data was analyzed.[Findings ]The results showed that the intelligent operation of short-range nitrification-denitrification SBR could be realized by using online monitoring means including pH,DO,ORP,and first-order guided optimization of data processing.[Conclusions ]The research results can pro⁃
vide a more comprehensive reference and basis for the optimal control and stable operation of the short-range nitrification process.
Keywords:short-cut nitrification;control methods;on-line monitoring;research progress
0引言
市政污水和工业废水中含有大量含氮污染物(氨氮、亚硝态氮和硝态氮),直接排放将造成水体氮污染,进而造成水体黑臭。

当前,以A2/O、氧化沟和SBR 衍生的几种传统生物脱氮工艺(CASS、CAST、UNITANK等)[1],均是通过好氧硝化和缺氧反硝化作
用将硝态氮还原为氮气,实现含氮污水脱氮。

此过程需消耗大量电能和有机碳源,并且由于微生物的生长产生大量剩余污泥,处置不当易造成二次污染[2]。

此外,大多生活污水中的C/N比值为4~5,若采用传统方式,易出现水中碳源不满足反硝化去除效率的情况,因此在污水生物脱氮领域急需一种低能耗、高效率的工艺。

短程硝化-反硝化作为一种新型的脱氮工艺,在处理低C/N的污水中具有减少曝气量、节省碳源、脱氮效率高等优势。

1短程硝化-反硝化
短程硝化-反硝化(Nitritation-Denitrification,ND)技术是在传统硝化-反硝化技术基础上开发的新型脱氮工艺。

1975年,Ganigué等[3]发现了硝化阶段存在N-NO2-积累的现象,并首次提出了短程硝化-反硝化的概念。

短程硝化运行的原理是通过利用AOB与NOB生理特性的差异,创造适宜AOB富集、抑制NOB的环境,从而使硝化反应停留在亚硝化阶段。

当N-NO2-大量积累停止曝气时,将会进行以N-NO2-为电子受体的反硝化,以此来完成脱氮。

与传统硝化-反硝化工艺相比,短程硝化-反硝化工艺可节省25%的曝气量与40%的有机碳源投加量,同时CO2减排20%,污泥产量减少30%,反硝化速率也是传统工艺的1.5~2倍[4]。

2短程硝化的控制
研究发现,在试验和工程中应用短程硝化-反硝化技术,亚硝酸盐氧化菌(NOB)的存在导致亚硝态氮被氧化为硝态氮,进而影响亚硝态氮的积累,最终导致短程硝化启动和运行的失败。

研究证明,脱氮体系若采用高温(>30℃)、低溶解氧(DO<1mg/L)、高pH(pH>7.5)、短污泥龄(SRT=14d)、高游离氨(FA> 1mg NH3/L)等条件,可有效抑制NOB的生长[5]。

目前针对短程硝化工艺普遍采用固定时间运行,但是该控制手段存在的最突出问题是曝气和搅拌时间分配不合理,不能随着水质条件和反应工况的变化进行调整,这将影响硝化和反硝化的脱氮效率。

目前针对短程硝化工艺的控制优化问题,已有研究利用脱氮过程的pH、DO、ORP等在线监测数据作为工艺过程的实时控制参数。

Lackner等[6]利用
pH和ORP作为控制参数实现短程硝化-反硝化的启动,亚硝酸盐积累率达到96%以上。

Wu等[7]利用DO、pH和ORP控制交替好氧缺氧条件下的短程硝化-反硝化的运行,利用DO、pH曲线的跃升点和ORP曲线上的拐点达到了实时控制反应的目的。

但是由于实际操作条件和进水条件的变化,直接运用参数的绝对值作为控制参数会产生信号漂移,不能稳定控制。

有许多学者提出了运用特定的参数模式实时控制反应的想法。

针对SBR污水生物脱氮工艺的在线监测控制技术,国内外开展了各种研究,研究结果证明DO、pH、ORP等在线监测手段可以用于SBR运行的在线监测。

这些参数的变化曲线与短程硝化-反硝化脱氮工艺运行过程存在良好的相关性,在每个阶段运行结束时,这些控制参数的变化曲线上都会出现明显的特征点,可以根据特征点的出现及曲线的波动情况对污水处理进行实时控制[8],并且信号响应时间短、精度高。

2.1pH作为控制参数的研究
对短程硝化-反硝化脱氮过程的反应机理研究发现,生化反应会引起反应体系的pH上下浮动。

硝化反应会产生H+消耗碱度,且H+主要在亚硝化阶段产生,在此过程中体系的pH会降低;反硝化反应会产生碱度使体系的pH升高。

因此,pH的变化特征可用于指示短程硝化-反硝化的脱氮进程。

Claros等[9]研究发现可以通过pH来控制SBR的运行,氨氮被AOB氧化为亚硝态氮的过程中,会产生大量的H+,造成SBR内pH的急剧降低。

同时在反硝化阶段,硝态氮被反硝化菌还原为氮气的过程中又会产生OH-,在反硝化阶段会造成反应器内pH 的急剧升高。

因此,可根据pH变化的信号来控制工艺过程。

李津青等[10]研究了pH在生物脱氮除磷过程中的变化特征,试验数据表明,在好氧硝化、厌氧释磷和好氧吸磷的终点,pH曲线呈现明显的特征点,并通过试验验证了pH作为实时控制参数的可靠性。

Pocquet等[11]在处理废水和污泥消化液过程中开展了pH作为控制参数的研究,发现硝化和反硝化终点与pH曲线的两个特征点存在一致性,并开发了利用pH绝对值控制硝化和反硝化的周期,又深入研究了采用pH的一阶导数控制硝化与反硝化终点的可行
性。

为了解决连续流生物脱氮工艺的控制问题,Li 等[12]在连续流A/O 工艺中研究了在线监测信号与脱氮过程的相关性,发现pH 一阶导数的变化特征和ORP 的突变点可用于判断A/O 系统的运行进程。

2.2
DO 作为控制参数的研究
参与硝化阶段的AOB 和NOB 均为好氧细菌,且
AOB 的氧饱和系数低于NOB ,因此水中的溶解氧对
这两种微生物的新陈代谢起着关键作用,可以通过控制脱氮系统内较低的DO 浓度,实现对NOB 的抑
制。

Vázquez-Padín 等[13]发现溶解氧可以作为控制参数来控制SBR 反应器的运行状态。

这是由于在短程硝化过程中,AOB 在好氧硝化阶段将氨氮氧化为亚硝态氮,需要消耗SBR 中的溶解氧。

随着反应器中氨氮浓度的下降,AOB 降解氨氮的速率降低,消耗溶解氧的速率同样在降低,就会造成反应器中溶解氧的积累。

因此,在短程硝化过程后期,反应器中的溶解氧会急剧上升。

彭永臻等[14]研究了pH 与DO 在短程硝化过程中的变化规律,结果表明在N-NH 4+氧化结束时,pH 曲线上会出现一个明显的拐点,此时DO 曲线出现突跃点。

此研究中采用DO 和pH 的联合控制方法,可实现N-NH 4+的完全氧化,并抑制NOB 的生长,实现短程硝化脱氮工艺的启动和稳定运行。

Chang 等[15]采用基于DO 在线反馈、N-NH 4+与DO 实时监测控制方
法,研究同步硝化-反硝化中引入实时控制曝气策略的可行性。

脱氮反应器维持较低的溶解氧,可使反应器内生物膜的表层维持AOB 氧化氨氮所需的溶解氧,同时有利于絮体中形成缺氧环境,为反硝化菌提供缺氧环境。

经验证,这两种控制策略都可以使出水水质达标,并且在一定程度上减少能耗。

Tang 等[16]研究发现,在利用DO 实时控制运行SBR 反应器中可实现短程硝化,并且在高DO (3mg/L )或是低DO (0.5mg/L )条件下都可以实现稳定运行,均实现
了亚硝酸盐积累率达到90%以上。

但是低DO 条件
下更有利于形成同步硝化-反硝化,同步硝化-反硝化率最高可达到86%。

2.3
ORP 作为控制参数的研究
对于生物脱氮过程,ORP 可以作为反映生物脱氮系统氧化还原状态的综合指标。

在低溶解氧的条件下,溶解氧的变化幅度较小,利用溶解氧作为控制手段较难实现。

Zhao 等[17]发现氧化还原电位(ORP )与溶解氧存在相关性,而且ORP 在低溶解氧条件下的变化幅度依然很大,精确度比使用溶解氧要高,因此可以通过ORP 来控制SBR 的运行过程,如图1所示。

Zhang 等[18]研究了硝化-反硝化过程中ORP 的变化规律,结果显示在整个反应周期的ORP 曲线上,“前置反硝化阶段累积氨氮消耗终点、缺氧阶段的开始和厌氧阶段的出现”在ORP 曲线上会出现对应的三个拐点,因此可通过监测ORP 曲线对脱氮过程进行实时控制。

Layera 等[19]在低DO 、低负荷的连续流中进行研究,ORP 的绝对值可反映出水水质情况。

ORP 低于250mV 情况下,几乎不存在硝化反应;ORP 为250mV 左右时,会进行同步硝化-反硝化反应;ORP 大于250mV 情况下,硝化反应是主导反应,反硝化反应几乎不存在。

3
现阶段实时控制需解决的问题
目前生物脱氮的实时控制仍处于研究试用阶段,没有大规模投入到实际应用中,污水处理厂仍多为人工操作,此方法成本高、操作烦琐,因此深入研究生物脱氮的实时控制方法、控制参数、参数计算及控制,将其广泛引入到实际污水处理工程应用中具有很大的发展前景。

污水实时控制方法可在实际应用中利用,但是直接采用pH 、DO 、ORP 作为控制参数会使数据存在不稳定性和不准确性。

因此,考虑采用优化数据的处理方法,通过合适的算法处理使参数变化更明显、更精确,然后将其与实时控制相结合,以此达到良好的运行效果。

图1氧化还原电位与溶解氧的关系
O R P /m V
150100500-504:00
8:00
12:00
16:00
20:00
0:00
4:00
4321
ORP
DO
溶解氧/(m g /L )
3.1一阶导数算法
Claros等[20]在采用SHARON工艺处理模拟氨氮废水的试验中,采用pH控制好氧阶段与缺氧阶段的反应时间,同时将pH与时间曲线的斜率值引入控制系统中,作为反应进程结束的标志之一;此外,在外加有机碳源方面,采用ΔpH与ORP联合控制的方式优化碳源投加量,并且判断反硝化是否完全。

Yang 等[21]分别采用pH与ORP的斜率控制好氧阶段与缺氧阶段,结果表明运行稳定,N-NH4+处理效果较好,去除率基本达到100%。

Yang等[22]通过微分计算分析pH曲线与时间的相关性,同时开发出了一套完整的实时控制系统。

将微分值与0进行比较,在好氧阶段,当微分计算结果大于0时,系统自动停止曝气,添加有机碳源;在缺氧阶段,当微分计算结果小于0时,系统停止搅拌,进入沉淀排水阶段。

3.2一阶导数算法优化
根据对控制参数的研究,对试验监测数据进行算法优化设计。

试验中,采用DO、ORP一阶导数实时控制SBR,但是参数在监测过程中会被干扰,导致曲线不能够准确反映运行进程,如当水中气泡或者絮体撞击探头时,会造成一阶导数剧烈波动;试验后期,ORP一阶导数的波动性同样变大,这些干扰过大时会降低控制系统的有效性和处理效果。

在以上问题基础上,课题后期展开对DO、ORP一阶导数算法的优化。

通过数据拟合来优化算法,某一时刻点参数情况需要通过10个数据点反映,以此来降低干扰程度。

计算方法如下:将某一时刻点与其之前9个时刻点拟合出一次函数曲线,该时刻点的一阶导数值用曲线斜率来表示,而非由相邻两点得到的斜率来表示一阶导数[23],一阶导数算法优化示意如图2所示。

在传统算法中,当其中一点发生数值异常,其对斜率的影响非常大,会对参数产生干扰。

采用10个时刻点的算法,参照对10个时刻点拟合曲线的斜率来代替该时刻点的一阶导数,即使其中一个时刻的
数据点发生异常,也可以降低该数据点的干扰带来的不利影响,从而保证控制的准确性。

本研究验证了优化算法的效果,选取稳定运行的一个周期,将两种算法中DO与ORP一阶导数数据情况进行对比,结果如图3、图4所示。

在之前算法中所体现的情况为曲线波动频繁,存在多个变化点,容易受到干扰,ORP一阶导曲线受干扰尤为明显;在优化后的算法中,曲线波动幅度减小,更为平坦,特征峰值明显,降低了干扰,提高了控制的准确性。

4结语与展望
短程硝化-反硝化脱氮是目前较为新型的工艺,有很大的开发潜能和良好的经济效益。

短程硝化工艺稳定运行需要对搅拌和曝气时间进行合理分配。

利用包括pH、DO、ORP等在线监测手段,可实现短程硝化-反硝化SBR的智能化运行,一方面可避免硝化阶段的过度曝气,有效抑制NOB实现短程硝化;另一方面可有效缩短SBR的运行周期,提高氨氮的
图2一阶导数算法优化示意
图4优算法的DO与ORP 一阶导数变化情况
图3优化前DO与ORP一阶导数变化情况
DO一阶导数
ORP一阶导数
0.200.15
0.100.05
0.00-0.05
-0.10-0.15
-0.20-0.25
O
R
P




/
(
m
V
/
s
)
D
O




/

m
g
/
(
L
·
s
)

1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
012345
时间/h
012345
时间/h
DO一阶导数
ORP一阶导数
0.080.06
0.040.02
0.00-0.02
-0.04-0.06
-0.08-0.10
O
R
P




/
(
m
V
/
s
)
D
O




/

m
g
/
(
L
·
s
)

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
该时刻一阶导数值
某时刻数据点
DO
拟合一次函数
y=2.6318x-10.145
D
O
/
(
m
g
/
L
)
0.420
0.415
0.410
0.405
0.400
0.395
0.390
0.385
4.0004.0024.0044.0064.0084.0104.0124.014
时间/h
处理负荷。

通过对相关运行参数的综合研究,本试验设计优化算法对监测数据进行处理;通过数据拟合来优化算法,将某一时刻点与其之前9个时刻点拟合出一次函数曲线,用曲线斜率来表示该时刻点的一阶导数。

通过对比可知,该优化算法能够降低干扰带来的不利影响,从而保证控制的准确性。

该算法可通过中试研究,验证该系统在处理实际城市污水过程中的稳定性。

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