SBR法短程硝化及过程控制研究
论文作者：王淑莹1 曾薇1 董文艺2 杜红2 陈韬2
摘要：考察了采用SBR法处理氨氮浓度较高的化工废水时供氧方式对硝化过程中DO、ORP和pH值变化 规律 的 影响 。试验结果表明，在曝气量恒定的条件下，可以硝化过程中DO和pH值升高速率的不同表征反应的进行程度，即当氨氮浓度接近零时，DO和pH值升高速率或变化幅度加大，二者可以作为SBR硝化反应时间的控制参数，而ORP值对SBR硝化反应结束的指示作用不是很明显;在DO量恒定的情况下，pH值在整个硝化反应过程中都是缓慢下降或趋于稳定的，当硝化反应结束时突然升高，因此pH值也可作为SBR硝化反应时间较好的控制参数，而ORP值在硝化反应的初期快速升高，之后升高的速度越来越慢直至趋于平稳，它对SBR硝化反应结束的指示作用同样不是很明显。
关键词：SBR法 DO ORP pH值 硝化反应
Study on Short-cut Nitrification by Using SBR Process and Its Process Control
Abstract：In the use of SBR process for treatment of chemical wastewater with high NH3-N concentration,investigation was made for the effect of oxygen supply on DO,ORP and pH variation in nitrification process. The result showed that under the fixed aeration rate,different rising rate of DO and pH may be used to express the progress of nitrification, that is, when NH3-N concentration approaches zero,the increase occurs in the rising rate and variation range of DO and pH,the both can be used as parameters for controlling nitrification time,and ORP gives no obvious indication of the ending of nitrification.Under the fixedDO,pH drops slowly or tends to be stable in whole course of nitrification,and abruptly rises in the ending of nitrification.Therefore,pH is also a desired controlling parameter in SBR nitrification;while ORP rises rapidly in the initial stage of nitrification,and then it rises at slower and slower speed until it approaches to stability,it also does not indicate distinctly the finishing of SBR nitrification.
Keywords:SBR process; DO; ORP; pH value; nitrification
SBR法的自动控制 问题 一直是人们 研究 和关注的热点[1～3]，因为只有将SBR法的自控提高到更高的层次，使系统的运行更为稳定可靠，才能充分发挥SBR的优势，而寻找一些既可以简单地在线检测，又可以指示反应进程的控制参数是解决SBR自动控制问题的关键。研究表明，活性污泥法中DO、ORP和pH值的变化规律能从不同角度、不同程度反映有机物降解及脱氮除磷生化反应的进程，因此以它们作为控制参数是可行的[4～6]。SBR脱氮系统的大部分反应过程处于好氧状态，而曝气量的大小和曝气时间的长短对于保证出水水质和节省能耗至关重要，为此研究了在不同供氧方式下(曝气量恒定和DO量恒定)DO、ORP和pH值在好氧过程的变化规律及以其作为反应时间控制参数的可行性，以便为解决SBR法的自动控制问题提供依据。
1 试验材料和 方法
以石油化工废水(主要含有乙酸、偏苯三酸及苯酐等多种有机化合物，呈酸性)为原水，处理前投加NaOH调节pH值为7～8。SBR反应器首先处于好氧状态，主要进行硝化反应，同时也去除少部分有机物，并控制硝化反应至亚硝酸型硝化结束，然后进行缺氧反硝化，通入原水提供碳源。反应装置如图1所示。
反应器高为70cm，直径为30cm，有效容积为38L。采用鼓风曝气，以转子流量计调节曝气量、控制DO浓度;以温控仪和加热器控制水温为30℃左右;在线检测DO、ORP和pH值，并根据这些参数的变化情况在一定的时间间隔内取样测定COD、NH3-N、NO2--N、NO3--N和MLSS等指标值。
2 结果与 分析
2.1 控制反应周期内曝气量恒定
SBR硝化反应初始NH3-N浓度为32mg/L，COD为130mg/L，使SBR在每个反应周期内曝气量恒定(曝气量用Q表示)，在Q=0.4 m3/h条件下稳定运行多个周期后，又在Q=0.6m3/h条件下运行。SBR在两档不同曝气量下的稳定运行情况如图2、3、4所示(控制MLSS为3000mg/L左右)。由于硝化反应被控制在亚硝酸型硝化阶段，NO3--N的浓度<1mg/L，所以图中没有示出。
在反应初期(20～30min)，虽去除少量COD和硝化反应同时进行，但DO值在此阶段处在一个稳定期。在曝气量为0.4m3/h的周期中，此阶段的DO维持在0.5mg/L以下的较低水平，因受其限制则硝化程度也较低(30min时的NO2--N仅为2mg/L)。在曝气量为0.6m3/h的周期中，此阶段的DO维持在2mg/L左右，其不再是硝化反应的限制因素，硝化反应的速率也相应提高(20min时的NO2--N增为5.6mg/L)。由此可见，增加曝气量、提高DO浓度可加快硝化反应的进程。比较两档不同的恒定曝气量的试验结果发现，在反应初期DO值稳定、持续的时间随曝气量的增大而缩短，这是由于在DO充足的情况下COD的降解速率加快了。此阶段pH值呈小幅度升高或基本稳定。虽然硝化反应消耗碱度，但由于前30min的硝化程度较低，而且COD降解过程中产生的CO2从混合液中逸出，体系本身又具有一定的缓冲能力，故并没有引起pH值的下降，而此阶段的ORP值一直在升高，但升高的速率越来越慢。
当DO值呈稳定态并持续20～30min之后会出现一个小的跳跃(如图3中箭头A所示)，此时COD基本降到最低值。由于COD不再降解，污泥中大量异养菌进入内源呼吸期，使耗氧速率迅速减慢，引起DO值突然升高。因受DO值这种变化的影响，ORP值也产生一个小的跳跃(如图4中箭头A所示)。在之后的反应过程中主要进行硝化反应，COD基本不再降解而其值只在小范围内波动。DO值经过小的跳跃之后开始以基本相同的速度逐渐升高，这是由于在硝化反应过程中，随着NH3-N浓度的降低，硝化反应速率和耗氧速率减慢，在曝气量恒定的条件下必然引起混合液中DO值的增加;pH值在硝化反应过程中基本稳定或有所下降，由于混合液中碱度充足，硝化反应消耗的碱度不足以引起体系内pH值大幅度下降;ORP值也在逐渐升高，但升高的速度越来越慢。
如图2、3的箭头B所示，当氨氮基本被耗尽时DO值升高的速率和幅度增大，出现一个小的跳跃，但跳跃幅度不是很大，这是由于此时硝化反应基本结束，微生物开始进入内源呼 吸期，耗氧速率明显减慢而引起DO值快速升高;pH值也突然升高是因为硝化反应结束 而不再消耗碱度，且继续曝气使CO2逸出，所以pH值在硝化反应结束时会突然升高;ORP值升高的速度变得更为缓慢，直至趋于平稳。
从图2、3、4中还可以看出，在SBR进水COD、NH3-N浓度相同的条件下，曝气量较大时周期的反应时间较短，但反应时间变化的幅度不是很大。这是由于SBR硝化反应过程中DO值是逐渐升高的，它对反应速率的影响主要体现在反应前期DO浓度较低的时候，当DO升高到2mg/L以后曝气量和DO不再成为反应速率的影响因素。尽管反应时间的差别不是很显著，但DO、pH值的突然升高与NH3-N的耗尽具有很好的对应关系，可以指示出曝气过程应该结束的时间，根据这种变化规律可及时停止曝气以进入缺氧反硝化阶段。因此，可以将DO和pH值联合作为SBR好氧硝化反应时间可靠的控制参数。
2.2 控制反应周期内DO值恒定
为了更好地考察DO对SBR硝化反应过程的 影响 ，在SBR的每个反应周期中逐渐减少曝气量，使DO值基本恒定，不同周期的DO值恒定在不同水平。
SBR硝化反应初始COD、NH3-N分别为190、52mg/L。每个周期内通过改变曝气量来控制DO值恒定，试验中分别控制DO在0.7、1.8和2.6mg/L等3个不同的水平。控制MLSS为3000mg/L左右，水温为30℃。硝化反应属于亚硝酸型硝化，由于NO3--N浓度较低，故可忽略不计。在每档DO浓度下都经过多个周期的运行并得到稳定的运行结果，DO、ORP、pH、COD、NO2--N和NO3--N值随时间的变化情况如图5、6、7所示。
如图所示，每个周期内DO值基本稳定在一个水平内。ORP的变化 规律 与恒定曝气量条件下的情况大体相同，在反应过程中ORP值一直在升高，但升高的速率越来越慢，在反应结束时基本稳定。稍有不同的是，在反应前期(20～30min)的ORP值并没有产生小的跳跃，这是受DO值恒定的影响，而且在DO浓度较高的周期内ORP的整体测定值也相对较高，这说明混合液中DO浓度的大小是影响ORP绝对测量值的重要因素。pH值的变化规律也与恒定曝气量条件下的基本相同，pH值在反应前期略有升高，然后由于硝化反应要消耗碱度而缓慢下降，但当NH3-N接近零时pH值又突然升高，标志着硝化反应的结束。
对3档不同DO值的反应周期内情况进行比较，发现将反应过程中的DO由0.7mg/L提高到1.8mg/L时，硝化反应速率由0.12kgNH3-N/(kgMLSS·d)提高到0.25kgNH3-N/(kgMLSS·d)，反应时间也缩短了50%，而且pH值的突然升高准确指示出反应时间的改变，而将DO由1.8mg/L提高到2.6mg/L时反应时间没有发生明显的变化。这说明在DO<2mg/L时DO是硝化反应的限制因素，硝化反应速率随DO值的升高而明显加快。相对于曝气量恒定情况而言，DO值恒定对硝化反应速率影响更大。当DO>2mg/L后便不再是硝化反应速率的主要影响因素。DO对亚硝酸细菌比增长速率的影响可以用下式表示：
μN=μmax[DO/(DO+KO2)] ( 1)
式中 μN——亚硝酸细菌的比增长速率，d-1
μmax——亚硝酸细菌的最大比增长速率，d-1
DO——溶解氧浓度，mg/L
KO2——系数，一般为0.2～0.4
当DO浓度在0～2mg/L范围内，DO值的增加对μN影响较大。DO>2mg/L后随着DO值的增加，对KO2的影响减小，μN则趋近于μmax ，DO对μN的影响也明显减小。而μN与硝化反应速率呈正相关性，于是出现上述DO对硝化反应速率影响的试验结果。因此，硝化反应过程中控制DO为2mg/L左右比较合适，过高则增加运行费用造成浪费，过低则抑制硝化反应的进行。
综上所述，在反应周期内DO值恒定的条件下，虽然DO无法作为指示参数，但NH3-N耗尽时pH值的突然升高能够可靠地指示所需的曝气时间，可以作为SBR曝气结束的控制信号。ORP值在硝化反应结束时没有明显的变化。
3 结论
① 采用SBR法处理氨氮含量较高的化工废水时，其好氧与缺氧状态之间的切换是过程控制的关键。试验 研究 表明，DO、ORP和pH值的变化规律能从不同角度、不同程度地反映硝化反应的进程，以它们作为控制参数是可行的。
② 在曝气量恒定的条件下，当NH3-N基本被耗尽时DO与pH值升高的速率和幅度增大，标志着硝化反应的结束。因此，可将DO与pH值联合作为SBR硝化反应时间的控制参数;在DO值恒定的条件下，当NH3-N接近零时pH值突然升高，可以此作为SBR曝气过程应当结束的控制信号;无论在何种供氧方式下，ORP值在SBR的好氧硝化过程中一直在升高，但升高的速率越来越慢并趋于平稳，故ORP值对SBR曝气过程结束的指示作用不是很明显，但可以作为 参考 。
③DO、ORP和pH值是SBR法运行控制的重要参数，用DO仪、ORP仪和pH计进行在线检测具有响应快、精度高、费用低及易于与 计算 机接口等优点。所以，用DO、ORP和pH值作为SBR法的运行控制参数可将SBR工艺的自动控制提高到更高的层次，对于SBR法的运行管理、节能等具有重要意义。
参考 文献 ：
[1]彭永臻.SBR法的五大优点[J]. 中国 给水排水，1993，9(2)：29-31.
[2]李会元，关代宇，王一.SBR法DAT—IAT工艺的过程控制[J].中国给水排水，2001，17(3)：47-50.
[3]John A P，Spyros G P.Real-time monitoring and control of sequencing batch reactors for secondary treatment of a poultry processing wastewater[J].Water Environ ment Research，2000，72(5)：585-592.
[4]高景峰，彭永臻，王淑莹，等.以DO、ORP、pH控制SBR法的脱氮过程[J].中国给水排水，2001，17(4)：6-11.
[5]曾薇,彭永臻，王淑莹，等.以溶解氧浓度作为SBR法模糊控制参数[J].中国给水排水，200 0,16(4):5-10.
[6]Wouters-Wasiak K,Heduit A，et al.Real-time control of nitrogen removal at full-scale using oxidation reduction potential[J].Wat Sci Tech，1994,30(4)：207- 210.
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