0应用实时控制实现和稳定短程硝化反硝化_高大文

中国给水排水
2003Vol.19CHINA WATER&WASTEWATER No.12论述与研究
应用实时控制实现和稳定短程硝化反硝化
高大文1,彭永臻2,杨庆1,刘秀红1,王淑莹2
(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090; 2.北京工业大学环
境与能源工程学院,北京100022)
摘要:以实际豆制品生产废水为处理对象,采用SBR反应器研究了过度曝气(曝气时间过长)对短程硝化的影响,在此基础上提出了应用实时控制技术在常温、正常溶解氧和中性pH值时实现和稳定短程硝化的新方法。

试验结果表明,在反应器温度为(28?0.5)e、过度曝气12周期后,硝化类型就由亚硝酸盐积累率为96%的短程硝化转变为亚硝酸盐积累率为39%的全程硝化;
而应用实时控制策略在反应器温度为(27?0.5)e和(25?0.5)e时可较好地维持短程硝化反硝化,且经过两个月的运行硝化类型也没有改变,亚硝酸盐积累率仍然保持在96%以上。

因此可以得出,好氧反应时间的控制在亚硝化阶段基本结束时是维持并稳定短程硝化的关键。

实际上,即使在能充分实现短程硝化的条件下,过度曝气也能使短程硝化向全程硝化转化。

关键词:豆制品废水;SBR;短程硝化反硝化;实时控制
中图分类号:X703.1文献标识码:A文章编号:1000-4602(2003)12-0001-05
Application of Real Time Control for Achieving and Stabilizing
Short-cut Nitrification and Denitrification
GAO Da-w en1,PENG Yong-zhen2,YANG Qing1,LIU Xiu-hong1,
WANG Shu-ying2
(1.School of Municipal and Environmental E ngineering,H arbin I nstitute of Technology
Harbin150090,China;2.School o f Environmental and Energy Engineer ing,Beij ing Polytechnic
Univer sity,Beij ing100022,China)
Abstract:With reg ard to the treatment of soybean w astew ater,study was made on the effect of overaeration(too long period for aeration)on short-cut nitrification and denitrification by using SBR.
On this basis,a new method was proposed,in w hich the real time control technology w as applied for achieving and stabilizing short-cut nitrification and denitrification under the conditions of ambient temperature,normal DO and neutral pH.The test result showed that at the reactor tem perature of(28 ?0.5)e and after overaeration for12cy cles,short-cut nitrification w ith nitrite accumulation rate of 96%is changed into w hole-run nitrification w ith nitrite accumulation rate of39%;w hile the real time control strategy is used,short-cut nitrification and denitrification can be kept in good state under
基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(50138010);北京市科委计划项目(H020*********);北京市教委重点项目(K Z200310005003)
the reactor temperature of (27?0.5)e and (25?0.5)e ,without any change in nitrification mode after operation of tw o months.Therefore,it may be concluded that control of aerobic reaction ending at nitrosation stage is the key to the maintenance and stabilization of short-cut nitrification.In fact,even though short -cut nitrification is fully achieved,overaeration can have the short -cut nitrification change to w hole-run nitrification.
Keywords: soybean w astew ater; SBR; short -cut nitrification and denitrification; real time control
针对目前短程硝化反硝化生物脱氮工艺中存在的不稳定和难实现等问题[1、2]
,分析了按时间控制SBR 脱氮工艺中过度曝气(曝气时间过长)对短程硝化的影响,并在前期工作的基础上[3~5],探索研究了应用实时控制实现和维持短程硝化反硝化的可行性,进而实现应用ORP 和pH 值控制和维持SBR 法的短程硝化反硝化过程,以期为最终建立SBR 法短程硝化反硝化生物脱氮模糊控制模型奠定理论基础。

1 试验材料与方法
SBR 试验装置如图1
所示。

图1 S BR 试验装置图
SBR 反应器由有机玻璃制成,上部为圆柱体,底部为圆锥体,高为700mm,直径为300mm,总有效容积为38L 。

在反应器壁的垂直方向设置一排取样口(取样、排水);底部设有排泥管;以粘砂块作为微孔曝气器,采用鼓风曝气,以转子流量计调节曝气量;反应器外壁缠有电热保温丝,由温度控制仪控
制反应器内温度,用温度传感器在线监测反应器内水温的变化;用pH 计和ORP 仪分别在线测定反应
过程中的pH 值和ORP 值,用DO 仪在线测定反应阶段的DO 浓度,并根据反应阶段DO 、ORP 和pH 值的变化逐时取样测定COD 、NH +4-N 、NO -2-N 、NO -3-N 、
MLSS 和碱度等指标。

原水取自某豆腐加工厂排放的黄泔水,COD 浓度为10000~15000mg/L,pH 值为3.5~ 5.0。

试验中用自来水对黄泔水进行了稀释,使COD 浓度维持在400~800mg /L,并投加一定量氯化铵来维持反应器内氨氮浓度为25~75m g/L 。

试验中的分析方法均采用国家环境保护局发布的标准方法。

2 结果与分析
211 过度曝气对短程硝化的影响
试验是在已获得稳定的短程硝化基础上进行的[3]
,保持进水氨氮浓度为60mg/L 左右,初始ML SS 为3.5~4.0g/L,反应器温度恒定在(28?0.5)e ,曝气量为0.6m 3/h 。

为了准确评价过度曝气对短程硝化的影响,进行了过度曝气条件下氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮随曝气时间的跟踪检测,结果如图2~5
所示。

图2 过度曝气第7周期的硝化过程
图3 过度曝气第10
周期的硝化过程
图4 过度曝气第12
周期的硝化过程
图5 过度曝气第13周期的硝化过程
由图2可以看出,曝气330min 时SBR 反应器内基本检测不到氨氮浓度,此时亚硝酸盐氮浓度达到最大值(22.13mg/L),硝酸盐氮浓度为6.98mg/L;继续曝气到360min 时,反应器内氨氮浓度仍基本检测不到,而亚硝酸盐氮减少了0.36mg/L(变为21.77mg /L),硝酸盐氮增加了0.32mg/L(变为7.30mg/L);继续曝气到390min 时,反应器内氨氮仍然没有变化,而亚硝酸盐氮却减至21.46mg/L,硝酸盐氮增至7.78mg/L 。

由此说明,过度曝气具
有使短程硝化向全程硝化转化的趋势。

由图2~5可以看出,随着过度曝气运行周期数的增加,硝酸盐氮的含量逐渐增大,当反应器运行到第12周期的曝气结束时出水中硝酸盐氮的浓度超过了亚硝酸盐氮,亚硝酸盐积累率为39.3%,硝化类型完全由短程转化为全程。

另外还发现,当短程硝化反应结束时(此时反应器内基本检测不到氨氮浓度,亚硝酸盐氮达到最大值),继续曝气将使反应器内的亚硝酸盐氮减小,硝酸盐氮增加。

由图2~5还可看出,亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的变化速率随过度曝气的周期数增加而增大。

过度曝气第7、10、12和13周期的亚硝酸盐氮下降速率分别为0.0112、0.0274、0.0839和0.1014mg/(L #min),而硝酸盐氮的增加速率分别为0.0133、0.0270、0.1034和0.0747mg /(L #min),可以看出不同周期的亚硝酸盐氮的下降速率接近硝酸盐氮的增加速率,因此可以推测过度曝气过程中亚硝酸盐氮的减少是由硝酸菌氧化造成的。

另外,过度曝气时亚硝酸盐氮和硝酸盐氮变化速率增大的原因是反应器内硝酸菌的数量不断增加所致。

若连续过度曝气,硝酸菌与亚硝酸菌数量的比值将越来越大。

硝酸菌增加的原因主要有:
¹ 反应器开始时即存在少量硝酸菌,而一旦外界环境有利于其生长时便会迅速繁殖。

º 短程硝化的产物为亚硝酸盐氮,而硝酸菌生长所利用的底物恰恰就是亚硝酸盐氮。

» 硝酸菌和亚硝酸菌均是好氧菌,当短程硝化结束时继续曝气将为硝酸菌氧化亚硝酸盐氮提供充足的溶解氧。

以上三点原因又是在过度曝气时硝化类型发生转变的必备条件。

当短程硝化结束时反应器内积累了大量的亚硝酸盐氮,但此时硝酸菌的量很少,所以停止曝气将不会影响硝化类型(仍属于短程硝化)。

如果继续曝气,因为此时氨氮已经被亚硝酸菌全部利用,亚硝酸菌对氧的利用率将大大降低,而硝酸菌此时所处的环境是具备充足的底物(亚硝酸盐氮)和溶解氧,因此硝酸菌会在氧化亚硝酸盐氮的同时使自身增殖。

随着过度曝气过程的继续,硝酸菌的量也在不断累加,最后使得硝酸盐氮的浓度远远大于亚硝酸盐氮的浓度,硝化类型由短程转变为全程。

综上所述,曝气时间的合理分配对于短程硝化反硝化生物脱氮工艺至关重要。

只有实现了短程硝
化的实时控制,才能保证该过程稳定、持久地维持下去。

为此,对过度曝气和正常曝气时的全程硝化和短程硝化进行了ORP 和pH 实时检测,并绘出其随曝气时间的变化曲线(如图6、7所示)。

图6的曝气过程中ORP 曲线共出现3个特征点,pH 值曲线出现4个特征点,分别表示异养菌对有机物吸附、COD 难降解阶段、硝化开始和硝化结束,其中表征短程硝化反应结束的特征点对整个工艺正常运行起着非常重要的作用。

图中ORP 曲线出现平台和pH 曲线出现凹点(pH 曲线变化趋势由下降转为上升)几乎同时发生,结合氨氮、亚硝酸盐氮
和硝酸盐氮的检测可知这一点代表短程硝化的结束。

图6 正常曝气时OPR 和pH
值的变化
图7 过度曝气时ORP 和pH 值的变化
图7中pH 曲线的凹点与图6中的意义不同。

虽然反应器内此时基本检测不到氨氮,但是随着继续曝气,亚硝酸盐氮和硝酸盐氮却时刻变化,这也是ORP 曲线没有出现平台的原因。

通过前面对ORP 的研究得出此时反应器内仍然存在着氧化还原反应,即硝酸菌氧化亚硝酸盐氮仍在进行,正是这一过程使ORP 曲线在过度曝气时持续上升。

因此,加强
短程硝化实时控制在实际工程应用中具有重要意义。

212 应用实时控制稳定短程硝化反硝化
为了解决过度曝气易引起反应器内硝酸菌的迅
速增殖,促使短程硝化向全程硝化转变的问题,进行了短程硝化反硝化实时控制研究。

试验结果显示,可以根据ORP 、pH 值并结合反应器内的实际情况实现实时控制曝气和搅拌时间。

因此,这一控制方法将有望杜绝过度曝气现象的发生,有利于短程硝化反硝化脱氮工艺的稳定运行。

试验还在经高温获得稳定短程硝化效果的基础上,通过降温试验开展了常温下实时控制维持短程硝化反硝化的研究。

进水氨氮浓度维持在65mg/L 左右,初始ML SS 为3.5~ 4.0g/L,曝气量恒定在0.6m 3
/h,泥龄维持在50d 左右,试验分别在(27?0.5)e 和(25?0.5)e 下进行,各运行两个月,结果如图8、9
所示。

图8 (27?0.5)e
时的短程硝化过程
图9 (25?0.5)e 时的短程硝化过程
由图8、9看出,在实时控制下经过20d 的运行,两种温度下的硝化类型均没有改变,仍然属于短程硝化反硝化。

图8中当ORP 曲线平台和pH 曲线凹点刚刚出现时立刻停止曝气进行检测,结果反
应器内基本检测不到氨氮浓度,硝酸盐氮<2mg/L,亚硝酸盐积累率>96%。

当反应器混合液温度为(25?0.5)e时,根据ORP曲线平台和pH曲线凹点控制曝气时间,同样能维持稳定的短程硝化效果(见图9)。

因此,应用实时控制在常温下可以较好地维持短程硝化反硝化。

经过多次试验,总结出应用实时控制维持短程硝化的条件为:
¹反应器内应含有少量的硝酸菌。

因为如果硝酸菌含量较多,在常温下很容易大量繁殖,造成短程硝化不稳定。

º 泥龄的控制很关键。

将泥龄控制在50d 左右的目的在于使常温下繁殖起来的硝酸菌及时通过排泥得到去除。

»反应器混合液的碱度应满足短程硝化反应需要。

如果碱度不足将给判断ORP和pH变化曲线上的特征点带来困难,影响实时控制效果。

在常温下应用实时控制维持短程硝化反硝化生物脱氮工艺必须同时满足以上三个条件,否则将不能获得稳定、持久的短程硝化效果。

3结论
¹过度曝气容易引起短程硝化向全程硝化转变。

过度曝气12周期后,硝化类型就由亚硝酸盐积累率为96%的短程硝化转变为亚硝酸盐累积率为39.3%的全程硝化。

因此,只有实现短程硝化的实时控制和合理安排曝气时间,才能避免过度曝气现象的发生,使短程硝化反硝化生物脱氮工艺稳定、持久地运行。

º在反应器温度为(27?0.5)e和(25?
0.5)e时,应用ORP和pH值作为实时控制参数能较好地维持短程硝化反硝化。

经过两个月的运行,硝化类型没有改变,亚硝酸盐积累率仍然保持在96%以上。

因此,应用实时控制可以避免温度和过度曝气对短程硝化的影响,使短程硝化反硝化生物脱氮工艺在常温、正常溶解氧和中性pH时能够稳定、持久地运行。

»好氧反应时间在短程硝化反硝化生物脱氮工艺中起着非常重要的作用。

若过度曝气,即使反应器内温度较高(28e)也使短程硝化不稳定,会逐渐向全程硝化转化。

如果实现实时控制,即使在常温下(25e)也能稳定短程硝化工艺。

参考文献:
[1]V illaverde S,Fdz-polanco F,Garcia P A.N itrify ing
biofilm acclimation to free ammonia in submerged biofi-l
ters:start-up influence[J].Wat R es,1999,34(2):602
-610.
[2]Han D W,Chang J S,K im D J.Nitrifying microbial com-
munity analysis of nitrite accumulating bio film reactor by fluorescence in situ hybridization[J].W at Sci T ech,
2003,47(1):97-104.
[3]高大文,彭永臻,郑庆柱.SBR工艺中短程硝化反硝化
的过程控制[J].中国给水排水,2002,18(11):13-18.
[4]高大文,王淑莹,彭永臻.温度变化对DO和OR P作为
过程控制参数的影响[J].环境科学,2003,(1):63-
69.
[5]高大文,彭永臻,杨庆,等.高氮废水的短程硝化反硝化
脱氮技术及其过程控制[J].现代化工,2003,(6):28-
31.
作者简介:高大文(1967-),男,黑龙江佳木斯
人,博士研究生,研究方向为污水生物
处理及其智能控制研究。

电话:(0451)2291744
E-mail:daw engao@
收稿日期:2003-09-22
本期责任编辑:江荣编辑:衣春敏孔红春。