SBR法短程硝化及過程控制研究
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供氧方式對硝化過程中DO、ORP和pH值變化 規律 的 影響 。試驗結果表明，在曝氣量恒定的條件下，可以硝化過程中DO和pH值升高速率的不同表征反應的進行程度，即當氨氮濃度接近零時，DO和pH值升高速率或變化幅度加大，二者可以作為SBR硝化反應時間的控制參數，而ORP值對SBR硝化反應結束的指示作用不是很明顯;在DO量恒定的情況下，pH值在整個硝化反應過程中都是緩慢下降或趨于穩定的，當硝化反應結束時突然升高，因此pH值也可作為SBR硝化反應時間較好的控制參數，而ORP值在硝化反應的初期快速升高，之后升高的速度越來越慢直至趨于平穩，它對SBR硝化反應結束的指示作用同樣不是很明顯。
關鍵詞：SBR法 DO ORP pH值 硝化反應
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法的自動控制 問題 一直是人們 研究 和關注的熱點[1～3]，因為只有將SBR法的自控提高到更高的層次，使系統的運行更為穩定可靠，才能充分發揮SBR的優勢，而尋找一些既可以簡單地在線檢測，又可以指示反應進程的控制參數是解決SBR自動控制問題的關鍵。研究表明，活性污泥法中DO、ORP和pH值的變化規律能從不同角度、不同程度反映有機物降解及脫氮除磷生化反應的進程，因此以它們作為控制參數是可行的[4～6]。SBR脫氮系統的大部分反應過程處于好氧狀態，而曝氣量的大小和曝氣時間的長短對于保證出水水質和節省能耗至關重要，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值在好氧過程的變化規律及以其作為反應時間控制參數的可行性，以便為解決SBR法的自動控制問題提供依據。
1 試驗材料和 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化合物，呈酸性)為原水，處理前投加NaOH調節pH值為7～8。SBR反應器首先處于好氧狀態，主要進行硝化反應，同時也去除少部分有機物，并控制硝化反應至亞硝酸型硝化結束，然后進行缺氧反硝化，通入原水提供碳源。反應裝置如圖1所示。
反應器高為70cm，直徑為30cm，有效容積為38L。采用鼓風曝氣，以轉子流量計調節曝氣量、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DO、ORP和pH值，并根據這些參數的變化情況在一定的時間間隔內取樣測定COD、NH3-N、NO2--N、NO3--N和MLSS等指標值。
2 結果與 分析
2.1 控制反應周期內曝氣量恒定
SBR硝化反應初始NH3-N濃度為32mg/L，COD為130mg/L，使SBR在每個反應周期內曝氣量恒定(曝氣量用Q表示)，在Q=0.4 m3/h條件下穩定運行多個周期后，又在Q=0.6m3/h條件下運行。SBR在兩檔不同曝氣量下的穩定運行情況如圖2、3、4所示(控制MLSS為3000mg/L左右)。由于硝化反應被控制在亞硝酸型硝化階段，NO3--N的濃度<1mg/L，所以圖中沒有示出。
在反應初期(20～30min)，雖去除少量COD和硝化反應同時進行，但DO值在此階段處在一個穩定期。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，其不再是硝化反應的限制因素，硝化反應的速率也相應提高(20min時的NO2--N增為5.6mg/L)。由此可見，增加曝氣量、提高DO濃度可加快硝化反應的進程。比較兩檔不同的恒定曝氣量的試驗結果發現，在反應初期DO值穩定、持續的時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定。雖然硝化反應消耗堿度，但由于前30min的硝化程度較低，而且COD降解過程中產生的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，但升高的速率越來越慢。
當DO值呈穩定態并持續20～30min之后會出現一個小的跳躍(如圖3中箭頭A所示)，此時COD基本降到最低值。由于COD不再降解，污泥中大量異養菌進入內源呼吸期，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值也產生一個小的跳躍(如圖4中箭頭A所示)。在之后的反應過程中主要進行硝化反應，COD基本不再降解而其值只在小范圍內波動。DO值經過小的跳躍之后開始以基本相同的速度逐漸升高，這是由于在硝化反應過程中，隨著NH3-N濃度的降低，硝化反應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值在硝化反應過程中基本穩定或有所下降，由于混合液中堿度充足，硝化反應消耗的堿度不足以引起體系內pH值大幅度下降;ORP值也在逐漸升高，但升高的速度越來越慢。
如圖2、3的箭頭B所示，當氨氮基本被耗盡時DO值升高的速率和幅度增大，出現一個小的跳躍，但跳躍幅度不是很大，這是由于此時硝化反應基本結束，微生物開始進入內源呼 吸期，耗氧速率明顯減慢而引起DO值快速升高;pH值也突然升高是因為硝化反應結束 而不再消耗堿度，且繼續曝氣使CO2逸出，所以pH值在硝化反應結束時會突然升高;ORP值升高的速度變得更為緩慢，直至趨于平穩。
從圖2、3、4中還可以看出，在SBR進水COD、NH3-N濃度相同的條件下，曝氣量較大時周期的反應時間較短，但反應時間變化的幅度不是很大。這是由于SBR硝化反應過程中DO值是逐漸升高的，它對反應速率的影響主要體現在反應前期DO濃度較低的時候，當DO升高到2mg/L以后曝氣量和DO不再成為反應速率的影響因素。盡管反應時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應關系，可以指示出曝氣過程應該結束的時間，根據這種變化規律可及時停止曝氣以進入缺氧反硝化階段。因此，可以將DO和pH值聯合作為SBR好氧硝化反應時間可靠的控制參數。
2.2 控制反應周期內DO值恒定
為了更好地考察DO對SBR硝化反應過程的 影響 ，在SBR的每個反應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硝化反應初始COD、NH3-N分別為190、52mg/L。每個周期內通過改變曝氣量來控制DO值恒定，試驗中分別控制DO在0.7、1.8和2.6mg/L等3個不同的水平？刂芃LSS為3000mg/L左右，水溫為30℃。硝化反應屬于亞硝酸型硝化，由于NO3--N濃度較低，故可忽略不計。在每檔DO濃度下都經過多個周期的運行并得到穩定的運行結果，DO、ORP、pH、COD、NO2--N和NO3--N值隨時間的變化情況如圖5、6、7所示。
如圖所示，每個周期內DO值基本穩定在一個水平內。ORP的變化 規律 與恒定曝氣量條件下的情況大體相同，在反應過程中ORP值一直在升高，但升高的速率越來越慢，在反應結束時基本穩定。稍有不同的是，在反應前期(20～30min)的ORP值并沒有產生小的跳躍，這是受DO值恒定的影響，而且在DO濃度較高的周期內ORP的整體測定值也相對較高，這說明混合液中DO濃度的大小是影響ORP絕對測量值的重要因素。pH值的變化規律也與恒定曝氣量條件下的基本相同，pH值在反應前期略有升高，然后由于硝化反應要消耗堿度而緩慢下降，但當NH3-N接近零時pH值又突然升高，標志著硝化反應的結束。
對3檔不同DO值的反應周期內情況進行比較，發現將反應過程中的DO由0.7mg/L提高到1.8mg/L時，硝化反應速率由0.12kgNH3-N/(kgMLSS·d)提高到0.25kgNH3-N/(kgMLSS·d)，反應時間也縮短了50%，而且pH值的突然升高準確指示出反應時間的改變，而將DO由1.8mg/L提高到2.6mg/L時反應時間沒有發生明顯的變化。這說明在DO<2mg/L時DO是硝化反應的限制因素，硝化反應速率隨DO值的升高而明顯加快。相對于曝氣量恒定情況而言，DO值恒定對硝化反應速率影響更大。當DO>2mg/L后便不再是硝化反應速率的主要影響因素。DO對亞硝酸細菌比增長速率的影響可以用下式表示：
μN=μmax[DO/(DO+KO2)] ( 1)
式中 μN——亞硝酸細菌的比增長速率，d-1
μmax——亞硝酸細菌的最大比增長速率，d-1
DO——溶解氧濃度，mg/L
KO2——系數，一般為0.2～0.4
當DO濃度在0～2mg/L范圍內，DO值的增加對μN影響較大。DO>2mg/L后隨著DO值的增加，對KO2的影響減小，μN則趨近于μmax ，DO對μN的影響也明顯減小。而μN與硝化反應速率呈正相關性，于是出現上述DO對硝化反應速率影響的試驗結果。因此，硝化反應過程中控制DO為2mg/L左右比較合適，過高則增加運行費用造成浪費，過低則抑制硝化反應的進行。
綜上所述，在反應周期內DO值恒定的條件下，雖然DO無法作為指示參數，但NH3-N耗盡時pH值的突然升高能夠可靠地指示所需的曝氣時間，可以作為SBR曝氣結束的控制信號。ORP值在硝化反應結束時沒有明顯的變化。
3 結論
① 采用SBR法處理氨氮含量較高的化工廢水時，其好氧與缺氧狀態之間的切換是過程控制的關鍵。試驗 研究 表明，DO、ORP和pH值的變化規律能從不同角度、不同程度地反映硝化反應的進程，以它們作為控制參數是可行的。
② 在曝氣量恒定的條件下，當NH3-N基本被耗盡時DO與pH值升高的速率和幅度增大，標志著硝化反應的結束。因此，可將DO與pH值聯合作為SBR硝化反應時間的控制參數;在DO值恒定的條件下，當NH3-N接近零時pH值突然升高，可以此作為SBR曝氣過程應當結束的控制信號;無論在何種供氧方式下，ORP值在SBR的好氧硝化過程中一直在升高，但升高的速率越來越慢并趨于平穩，故ORP值對SBR曝氣過程結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法運行控制的重要參數，用DO儀、ORP儀和pH計進行在線檢測具有響應快、精度高、費用低及易于與 計算 機接口等優點。所以，用DO、ORP和pH值作為SBR法的運行控制參數可將SBR工藝的自動控制提高到更高的層次，對于SBR法的運行管理、節能等具有重要意義。
參考 文獻 ：
[1]彭永臻.SBR法的五大優點[J]. 中國 給水排水，1993，9(2)：29-31.
[2]李會元，關代宇，王一.SBR法DAT—IAT工藝的過程控制[J].中國給水排水，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法的脫氮過程[J].中國給水排水，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[J].中國給水排水，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.
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