論文作者：王淑瑩1 曾薇1 董文藝2 杜紅2 陳韜2

摘要：考察了采用SBR法處理氨氮濃度較高的化工廢水時(shí)供氧方式對(duì)硝化過(guò)程中DO、ORP和pH值變化 規(guī)律 的 影響 。試驗(yàn)結(jié)果表明，在曝氣量恒定的條件下，可以硝化過(guò)程中DO和pH值升高速率的不同表征反應(yīng)的進(jìn)行程度，即當(dāng)氨氮濃度接近零時(shí)，DO和pH值升高速率或變化幅度加大，二者可以作為SBR硝化反應(yīng)時(shí)間的控制參數(shù)，而ORP值對(duì)SBR硝化反應(yīng)結(jié)束的指示作用不是很明顯;在DO量恒定的情況下，pH值在整個(gè)硝化反應(yīng)過(guò)程中都是緩慢下降或趨于穩(wěn)定的，當(dāng)硝化反應(yīng)結(jié)束時(shí)突然升高，因此pH值也可作為SBR硝化反應(yīng)時(shí)間較好的控制參數(shù)，而ORP值在硝化反應(yīng)的初期快速升高，之后升高的速度越來(lái)越慢直至趨于平穩(wěn)，它對(duì)SBR硝化反應(yīng)結(jié)束的指示作用同樣不是很明顯。

關(guān)鍵詞：SBR法 DO ORP pH值 硝化反應(yīng)

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法的自動(dòng)控制 問(wèn)題 一直是人們 研究 和關(guān)注的熱點(diǎn)[1～3]，因?yàn)橹挥袑BR法的自控提高到更高的層次，使系統(tǒng)的運(yùn)行更為穩(wěn)定可靠，才能充分發(fā)揮SBR的優(yōu)勢(shì)，而尋找一些既可以簡(jiǎn)單地在線檢測(cè)，又可以指示反應(yīng)進(jìn)程的控制參數(shù)是解決SBR自動(dòng)控制問(wèn)題的關(guān)鍵。研究表明，活性污泥法中DO、ORP和pH值的變化規(guī)律能從不同角度、不同程度反映有機(jī)物降解及脫氮除磷生化反應(yīng)的進(jìn)程，因此以它們作為控制參數(shù)是可行的[4～6]。SBR脫氮系統(tǒng)的大部分反應(yīng)過(guò)程處于好氧狀態(tài)，而曝氣量的大小和曝氣時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)于保證出水水質(zhì)和節(jié)省能耗至關(guān)重要，為此研究了在不同供氧方式下(曝氣量恒定和DO量恒定)DO、ORP和pH值在好氧過(guò)程的變化規(guī)律及以其作為反應(yīng)時(shí)間控制參數(shù)的可行性，以便為解決SBR法的自動(dòng)控制問(wèn)題提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和 方法

以石油化工廢水(主要含有乙酸、偏苯三酸及苯酐等多種有機(jī)化合物，呈酸性)為原水，處理前投加NaOH調(diào)節(jié)pH值為7～8。SBR反應(yīng)器首先處于好氧狀態(tài)，主要進(jìn)行硝化反應(yīng)，同時(shí)也去除少部分有機(jī)物，并控制硝化反應(yīng)至亞硝酸型硝化結(jié)束，然后進(jìn)行缺氧反硝化，通入原水提供碳源。反應(yīng)裝置如圖1所示。

反應(yīng)器高為70cm，直徑為30cm，有效容積為38L。采用鼓風(fēng)曝氣，以轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量、控制DO濃度;以溫控儀和加熱器控制水溫為30℃左右;在線檢測(cè)DO、ORP和pH值，并根據(jù)這些參數(shù)的變化情況在一定的時(shí)間間隔內(nèi)取樣測(cè)定COD、NH3-N、NO2--N、NO3--N和MLSS等指標(biāo)值。

2 結(jié)果與 分析

2.1 控制反應(yīng)周期內(nèi)曝氣量恒定

SBR硝化反應(yīng)初始NH3-N濃度為32mg/L，COD為130mg/L，使SBR在每個(gè)反應(yīng)周期內(nèi)曝氣量恒定(曝氣量用Q表示)，在Q=0.4 m3/h條件下穩(wěn)定運(yùn)行多個(gè)周期后，又在Q=0.6m3/h條件下運(yùn)行。SBR在兩檔不同曝氣量下的穩(wěn)定運(yùn)行情況如圖2、3、4所示(控制MLSS為3000mg/L左右)。由于硝化反應(yīng)被控制在亞硝酸型硝化階段，NO3--N的濃度<1mg/L，所以圖中沒(méi)有示出。

在反應(yīng)初期(20～30min)，雖去除少量COD和硝化反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，但DO值在此階段處在一個(gè)穩(wěn)定期。在曝氣量為0.4m3/h的周期中，此階段的DO維持在0.5mg/L以下的較低水平，因受其限制則硝化程度也較低(30min時(shí)的NO2--N僅為2mg/L)。在曝氣量為0.6m3/h的周期中，此階段的DO維持在2mg/L左右，其不再是硝化反應(yīng)的限制因素，硝化反應(yīng)的速率也相應(yīng)提高(20min時(shí)的NO2--N增為5.6mg/L)。由此可見(jiàn)，增加曝氣量、提高DO濃度可加快硝化反應(yīng)的進(jìn)程。比較兩檔不同的恒定曝氣量的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)初期DO值穩(wěn)定、持續(xù)的時(shí)間隨曝氣量的增大而縮短，這是由于在DO充足的情況下COD的降解速率加快了。此階段pH值呈小幅度升高或基本穩(wěn)定。雖然硝化反應(yīng)消耗堿度，但由于前30min的硝化程度較低，而且COD降解過(guò)程中產(chǎn)生的CO2從混合液中逸出，體系本身又具有一定的緩沖能力，故并沒(méi)有引起pH值的下降，而此階段的ORP值一直在升高，但升高的速率越來(lái)越慢。

當(dāng)DO值呈穩(wěn)定態(tài)并持續(xù)20～30min之后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小的跳躍(如圖3中箭頭A所示)，此時(shí)COD基本降到最低值。由于COD不再降解，污泥中大量異養(yǎng)菌進(jìn)入內(nèi)源呼吸期，使耗氧速率迅速減慢，引起DO值突然升高。因受DO值這種變化的影響，ORP值也產(chǎn)生一個(gè)小的跳躍(如圖4中箭頭A所示)。在之后的反應(yīng)過(guò)程中主要進(jìn)行硝化反應(yīng)，COD基本不再降解而其值只在小范圍內(nèi)波動(dòng)。DO值經(jīng)過(guò)小的跳躍之后開(kāi)始以基本相同的速度逐漸升高，這是由于在硝化反應(yīng)過(guò)程中，隨著NH3-N濃度的降低，硝化反應(yīng)速率和耗氧速率減慢，在曝氣量恒定的條件下必然引起混合液中DO值的增加;pH值在硝化反應(yīng)過(guò)程中基本穩(wěn)定或有所下降，由于混合液中堿度充足，硝化反應(yīng)消耗的堿度不足以引起體系內(nèi)pH值大幅度下降;ORP值也在逐漸升高，但升高的速度越來(lái)越慢。

如圖2、3的箭頭B所示，當(dāng)氨氮基本被耗盡時(shí)DO值升高的速率和幅度增大，出現(xiàn)一個(gè)小的跳躍，但跳躍幅度不是很大，這是由于此時(shí)硝化反應(yīng)基本結(jié)束，微生物開(kāi)始進(jìn)入內(nèi)源呼 吸期，耗氧速率明顯減慢而引起DO值快速升高;pH值也突然升高是因?yàn)橄趸磻?yīng)結(jié)束 而不再消耗堿度，且繼續(xù)曝氣使CO2逸出，所以pH值在硝化反應(yīng)結(jié)束時(shí)會(huì)突然升高;ORP值升高的速度變得更為緩慢，直至趨于平穩(wěn)。

從圖2、3、4中還可以看出，在SBR進(jìn)水COD、NH3-N濃度相同的條件下，曝氣量較大時(shí)周期的反應(yīng)時(shí)間較短，但反應(yīng)時(shí)間變化的幅度不是很大。這是由于SBR硝化反應(yīng)過(guò)程中DO值是逐漸升高的，它對(duì)反應(yīng)速率的影響主要體現(xiàn)在反應(yīng)前期DO濃度較低的時(shí)候，當(dāng)DO升高到2mg/L以后曝氣量和DO不再成為反應(yīng)速率的影響因素。盡管反應(yīng)時(shí)間的差別不是很顯著，但DO、pH值的突然升高與NH3-N的耗盡具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以指示出曝氣過(guò)程應(yīng)該結(jié)束的時(shí)間，根據(jù)這種變化規(guī)律可及時(shí)停止曝氣以進(jìn)入缺氧反硝化階段。因此，可以將DO和pH值聯(lián)合作為SBR好氧硝化反應(yīng)時(shí)間可靠的控制參數(shù)。

2.2 控制反應(yīng)周期內(nèi)DO值恒定

為了更好地考察DO對(duì)SBR硝化反應(yīng)過(guò)程的 影響 ，在SBR的每個(gè)反應(yīng)周期中逐漸減少曝氣量，使DO值基本恒定，不同周期的DO值恒定在不同水平。

SBR硝化反應(yīng)初始COD、NH3-N分別為190、52mg/L。每個(gè)周期內(nèi)通過(guò)改變曝氣量來(lái)控制DO值恒定，試驗(yàn)中分別控制DO在0.7、1.8和2.6mg/L等3個(gè)不同的水平。控制MLSS為3000mg/L左右，水溫為30℃。硝化反應(yīng)屬于亞硝酸型硝化，由于NO3--N濃度較低，故可忽略不計(jì)。在每檔DO濃度下都經(jīng)過(guò)多個(gè)周期的運(yùn)行并得到穩(wěn)定的運(yùn)行結(jié)果，DO、ORP、pH、COD、NO2--N和NO3--N值隨時(shí)間的變化情況如圖5、6、7所示。

如圖所示，每個(gè)周期內(nèi)DO值基本穩(wěn)定在一個(gè)水平內(nèi)。ORP的變化 規(guī)律 與恒定曝氣量條件下的情況大體相同，在反應(yīng)過(guò)程中ORP值一直在升高，但升高的速率越來(lái)越慢，在反應(yīng)結(jié)束時(shí)基本穩(wěn)定。稍有不同的是，在反應(yīng)前期(20～30min)的ORP值并沒(méi)有產(chǎn)生小的跳躍，這是受DO值恒定的影響，而且在DO濃度較高的周期內(nèi)ORP的整體測(cè)定值也相對(duì)較高，這說(shuō)明混合液中DO濃度的大小是影響ORP絕對(duì)測(cè)量值的重要因素。pH值的變化規(guī)律也與恒定曝氣量條件下的基本相同，pH值在反應(yīng)前期略有升高，然后由于硝化反應(yīng)要消耗堿度而緩慢下降，但當(dāng)NH3-N接近零時(shí)pH值又突然升高，標(biāo)志著硝化反應(yīng)的結(jié)束。

對(duì)3檔不同DO值的反應(yīng)周期內(nèi)情況進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)將反應(yīng)過(guò)程中的DO由0.7mg/L提高到1.8mg/L時(shí)，硝化反應(yīng)速率由0.12kgNH3-N/(kgMLSS·d)提高到0.25kgNH3-N/(kgMLSS·d)，反應(yīng)時(shí)間也縮短了50%，而且pH值的突然升高準(zhǔn)確指示出反應(yīng)時(shí)間的改變，而將DO由1.8mg/L提高到2.6mg/L時(shí)反應(yīng)時(shí)間沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。這說(shuō)明在DO<2mg/L時(shí)DO是硝化反應(yīng)的限制因素，硝化反應(yīng)速率隨DO值的升高而明顯加快。相對(duì)于曝氣量恒定情況而言，DO值恒定對(duì)硝化反應(yīng)速率影響更大。當(dāng)DO>2mg/L后便不再是硝化反應(yīng)速率的主要影響因素。DO對(duì)亞硝酸細(xì)菌比增長(zhǎng)速率的影響可以用下式表示：

μN=μmax[DO/(DO+KO2)]　　　　( 1)

式中 μN——亞硝酸細(xì)菌的比增長(zhǎng)速率，d-1

μmax——亞硝酸細(xì)菌的最大比增長(zhǎng)速率，d-1

DO——溶解氧濃度，mg/L

KO2——系數(shù)，一般為0.2～0.4

當(dāng)DO濃度在0～2mg/L范圍內(nèi)，DO值的增加對(duì)μN影響較大。DO>2mg/L后隨著DO值的增加，對(duì)KO2的影響減小，μN則趨近于μmax ，DO對(duì)μN的影響也明顯減小。而μN與硝化反應(yīng)速率呈正相關(guān)性，于是出現(xiàn)上述DO對(duì)硝化反應(yīng)速率影響的試驗(yàn)結(jié)果。因此，硝化反應(yīng)過(guò)程中控制DO為2mg/L左右比較合適，過(guò)高則增加運(yùn)行費(fèi)用造成浪費(fèi)，過(guò)低則抑制硝化反應(yīng)的進(jìn)行。

綜上所述，在反應(yīng)周期內(nèi)DO值恒定的條件下，雖然DO無(wú)法作為指示參數(shù)，但NH3-N耗盡時(shí)pH值的突然升高能夠可靠地指示所需的曝氣時(shí)間，可以作為SBR曝氣結(jié)束的控制信號(hào)。ORP值在硝化反應(yīng)結(jié)束時(shí)沒(méi)有明顯的變化。

3 結(jié)論

① 采用SBR法處理氨氮含量較高的化工廢水時(shí)，其好氧與缺氧狀態(tài)之間的切換是過(guò)程控制的關(guān)鍵。試驗(yàn) 研究 表明，DO、ORP和pH值的變化規(guī)律能從不同角度、不同程度地反映硝化反應(yīng)的進(jìn)程，以它們作為控制參數(shù)是可行的。

② 在曝氣量恒定的條件下，當(dāng)NH3-N基本被耗盡時(shí)DO與pH值升高的速率和幅度增大，標(biāo)志著硝化反應(yīng)的結(jié)束。因此，可將DO與pH值聯(lián)合作為SBR硝化反應(yīng)時(shí)間的控制參數(shù);在DO值恒定的條件下，當(dāng)NH3-N接近零時(shí)pH值突然升高，可以此作為SBR曝氣過(guò)程應(yīng)當(dāng)結(jié)束的控制信號(hào);無(wú)論在何種供氧方式下，ORP值在SBR的好氧硝化過(guò)程中一直在升高，但升高的速率越來(lái)越慢并趨于平穩(wěn)，故ORP值對(duì)SBR曝氣過(guò)程結(jié)束的指示作用不是很明顯，但可以作為 參考 。

③DO、ORP和pH值是SBR法運(yùn)行控制的重要參數(shù)，用DO儀、ORP儀和pH計(jì)進(jìn)行在線檢測(cè)具有響應(yīng)快、精度高、費(fèi)用低及易于與 計(jì)算 機(jī)接口等優(yōu)點(diǎn)。所以，用DO、ORP和pH值作為SBR法的運(yùn)行控制參數(shù)可將SBR工藝的自動(dòng)控制提高到更高的層次，對(duì)于SBR法的運(yùn)行管理、節(jié)能等具有重要意義。

參考 文獻(xiàn) ：

[1]彭永臻.SBR法的五大優(yōu)點(diǎn)[J]. 中國(guó) 給水排水，1993，9(2)：29-31.

[2]李會(huì)元，關(guān)代宇，王一.SBR法DAT—IAT工藝的過(guò)程控制[J].中國(guó)給水排水，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，王淑瑩，等.以DO、ORP、pH控制SBR法的脫氮過(guò)程[J].中國(guó)給水排水，2001，17(4)：6-11.

[5]曾薇,彭永臻，王淑瑩，等.以溶解氧濃度作為SBR法模糊控制參數(shù)[J].中國(guó)給水排水，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.

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”