应用实时控制强化SBR工艺的性能.doc

应用实时控制强化SBR工艺的性能摘要：本文介绍了实时控制氧化还原电位（ORP）和pH在连续流序批式反应器 (SBR) 系统内的应用，来提高SBR的性能。与时序控制的SBR系统相比，实时控制的 SBR 系统在基质去除率和成本减少方面表现出了较好的性能。在基质去除效率方面，通过实时的和常规时序控制系统，良好的化学需氧量（COD）、总凯氏氮和NH4+的去除都能得以实现。然而，实时控制可以显著增强序批式SBR法的不完全反硝化作用，脱氮后的含量可提高至91。此外，相比之下，实时控制的SBR可节省 14%-32%的曝气能源和11%-29%的反应器容积。通过观察氮化合物的变化，我们发现，在实时控制系统内的好氧阶段，亚硝酸盐氮化合物发生了积累。此外，硝化和反硝化的动力学研究也证明了实时控制SBR可以进行亚硝酸盐型硝化，这也是实时控制 SBR 系统性能得以提高的关键。绪论最近在序批式反应器(SBRs)SBR工艺方面取得了不少成果，使得成本降低、过程优化，效益显著（Irvine et al. 1996;Kabouris 1996）。证据表明在线检测氧化还原电位（ORP）和pH参数是工艺过程优化的有效途径，尤其当应用到自动控制SBR系统中的有机物降解时，通过观察ORP和pH参数在SBR系统中出现的断点，可以判断出硝化和反硝化作用的结束（Peddie et al. 1990; War-wham et al. 1994; Al-Ghusain and Hao 1995; Hao and Huang 1996; Yu et al. 1997b）。然而，由于进水的不连续和明显的噪声，很难确定这些断点。目前，脱颖而出了一种更为可靠的实时控制策略，即利用包括ORP、 pH值断点和沉淀点在内的三个控制渠道，并且我们推荐利用沉淀时间来解决这些问题，并已将其应用到了连续进水的SBR工艺中（Yu et al. 1998,1997a）。连续进水的SBR工艺是一种改良型的SBR工艺，它结合了在所有阶段连续进水、出水的要求。Ouyang和Juan (1995 年) 发现，这样的系统仅单池就能去除碳、氮和磷。本文谈论了利用实时控制的ORP和pH值参数使连续进水的SBR工艺得到改善的方法，其评价标准便是基质去除效率的提高和成本的降低。此外，由于在这些控制方法下，基质和有机物降解的动力学过程可能会发生变化，甚至可能会对整个控制过程产生不利影响，使用我们还需深入研究反应器基质动力学。方法连续进水的SBR工艺我们用有效容积为150L的矩形槽开展了一项实验室大小规模的有关连续进水SBR工艺的研究，工艺流程简图见图一。在均匀分布的两个挡板上，分别设几个孔，以避免连续进水在沉淀阶段和出水阶段产生短流，通过使用一个上下垂直的滗水器，再实现间歇出水。包括传感器、计算机、接口在内的实时监测、实时控制工具，以及控制元件见图 1。在反应器上安装四个银/氯化银ORP电极（Ingold, Switzerland）的,一个 pH计（Ingold,Switzerland）和一个DO仪 （WTW，Germany）。通过AD/DA 转换器把传感器模拟信号译成数字形式，并用电脑以每秒钟一次的速度接收。固态继电器可不断开启混频器、滗水器、鼓风机以实现各阶段的循环操作，并用LabVIEW 3.1 （United States）编程数据接收软件和过程控制软件。实验实验污泥来自于台湾台北市的民生市政污水处理厂。我们用综合污水来模拟城市生活污水，并以速度为95 mL/min的持续水流进行培养，综合污水的成分及持续水流的质量见表一。设曝气率为8 L/min，针对这些在连续厌氧、好氧、缺氧、沉淀以及排水阶段的COD、MLSS、 NH4+ 、NO2- 、NO3-、TKN、PO 43-和总磷，我们会每 30分钟在厌氧、缺氧阶段取样，每60分钟在有氧阶段取样。然后，我们会根据Standard Methods对这些样品进行分析。美国公共卫生协会 (APHA) et al. 1989年我们用两种控制方法常规时序控制和实时控制进行研究。在常规时序控制实验中，SBR工艺由一些特定参数设计(Metcalf & Eddy 1991;U.S. EPA 1993)， 并运用一些合理的操作对其进行改进，这些操作方案来自Ouyang和Juan先前（1995）提出的系统。这一系列操作阶段的时间间隔设置如下：厌氧阶段2.5h，有氧阶段6.0h，缺氧阶段2.5h，沉淀阶段1h，排水阶段30min。在实时控制实验中，厌氧、沉淀和排水阶段的时间间隔与常规时序控制的时间间隔相等。此外，有氧和缺氧阶段的持续时间由实时控制策略的具体情况而定。针对这项研究，三种不同食品微生物(F/M) 比率被分别设定为 0.13、0.16和 0.22 kgCOD/kgMLSS/天，每天也会消耗一定量的污泥。图一 连续进水SBR工艺和控制系统简图表一 综合污水的成分及持续水流的水质控制细胞平均停留时间分别为 15、 20 日和 25 日。实时控制策略在连续进水SBR实验中，持续厌氧、 好氧、 缺氧、沉淀以及排水阶段的典型ORP、pH值、溶解氧（DO）和氧氮化合物见图 2。ORP值上的A点和pH值上的B点表示氧化氨为亚硝酸盐的硝化作用的结束，称该点被为“氨断点”和“氨谷”。ORP上的C点和PH值上的D点被称为“硝酸盐关节”和“硝酸盐峰”，表示反硝化作用的结束。（Yu et al. 1997b；Hao and Huang 1996；Al-Ghusain et al. 1995；Pedddie et al. 1990）。在实时控制策略中，这些点至关重要。根据以前的实验结果，作为控制参数，ORP 和pH值的大小与F/M 比率的对数存在线性关系。完成硝化和反硝化作用所需的反应时间与F/M比率的对数也同样存在线性关系(Yu et al. 1997a）。现在提出的实时控制策略结合了ORP和pH值的“断点控制”、“设点控制”和“设时控制”的概念，提高了控制过程的稳定性和我们所研究的连续进水SBR工艺的效率（图三）。操作程序开始于历时2.5小时的厌氧阶段，紧接着有氧阶段之后。通过在线计算ORP和pH数据，控制系统可以识别A点和B点。与此同时，控制系统还能读取MLSS值和COD值，从而预测ORP和pH值对设点和设时的控制。当检测到一个控制断点时，控制系统将根据先前的设点和设时进行复核操作，从而核实控制点的有效性。如果检测到的断点在设点和设时所允许的范围，我们则认为该点是有效的，控制程序会继续进行到下一阶段 (缺氧阶段）。如果保留时间长于设定时间的 120%，操作阶段会转而进入缺氧阶段。否则，控制系统会继续寻找下一个控制点。用于缺氧阶段到沉淀阶段过渡的逻辑程序与用于有氧到缺氧过渡的程序相同。因此，沉淀阶段的持续时间为1h，排水阶段30min。图三 实时控制策略流程图结论本文介绍了实时控制氧化还原电位（ORP）和pH在连续进水SBR系统内的应用，增强了系统性能。在基质去除效率和成本节约方面，经过实时控制的SBR 法比时序控制表现出了更好的效果。和时序控制相反，实时控制使得COD、TKN和氨的去除率更高，达到了93%、89%和91%。尤其是在时序控制SBR中，不彻底的反硝化作用导致的仅为81%的总氮去除率，却在实时控制下显著提高到了91%。实验结果还表明，在实时控制的有氧和缺氧阶段中，我们需要的硝化和反硝化作用的持续时间可以更短，那么我们可以减少将近1129%的周期时间，同时也会减小系统容积。有氧阶段持续时间的减少会节省曝气能量，平时节省下来的1432%的曝气能量通过实时控制还可以有效利用。所以，实时控制SBR 法极具实施和操作意义，并能有效地降低成本。在实时控制SBR系统中，我们发现亚硝酸盐得到了积累。通过分析莫诺动力学（Monod kinetics