附著-懸浮耦合短程反硝化除磷工藝的自動(dòng)控制研究

周梁源

（新疆龍宇能源準(zhǔn)東煤化工有限責(zé)任公司新疆奇臺(tái)831800）

附著-懸浮耦合短程反硝化除磷工藝的自動(dòng)控制研究

周梁源

（新疆龍宇能源準(zhǔn)東煤化工有限責(zé)任公司新疆奇臺(tái)831800）

本實(shí)驗(yàn)將短程硝化和反硝化除磷相耦合而構(gòu)建懸浮-附著式SBR短程反硝化脫氮除磷工藝，對(duì)其處理低碳源城市污水處理中過(guò)程控制進(jìn)行研究。耦合實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以pH、ORP作為控制參數(shù)，系統(tǒng)對(duì)氨氮、COD和TP的去除率分別達(dá)到90%、85%和80%以上。自動(dòng)控制應(yīng)用結(jié)果表明，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)pH的變化趨勢(shì)與前期的研究結(jié)果較為一致，因此可以通過(guò)實(shí)時(shí)控制pH以控制反應(yīng)的進(jìn)程。

自動(dòng)控制；短程硝化；反硝化除磷；附著-懸浮式SBR

國(guó)內(nèi)外研究表明實(shí)現(xiàn)亞硝化的溫度應(yīng)控制在28℃～38℃。但溫度控制動(dòng)力消耗巨大，工程應(yīng)用意義不大。常溫下，控制較低的DO濃度(0.3 mg/L～0.7mg/L)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的NO2--N積累（85%～95%）[1-5]，可見(jiàn)，低DO水平有利于反硝化除磷菌的生長(zhǎng)與繁殖[6],但也有研究表明，過(guò)高或過(guò)低的DO均不利于短程硝化反硝化除磷的實(shí)現(xiàn)[7]，附著-懸浮耦合SBR工藝創(chuàng)造了兩類(lèi)功能菌在同一反應(yīng)器共存的環(huán)境條件，強(qiáng)化了短程硝化反硝化除磷效能，并顯著降低占地面積?？刂聘街L(zhǎng)的短程硝化是保障附著—懸浮耦合SBR工藝運(yùn)行效能的關(guān)鍵，故需要建立短程硝化控制模式用來(lái)指導(dǎo)自動(dòng)控制短程硝化實(shí)現(xiàn)。本試驗(yàn)的成功實(shí)施將對(duì)城市污水廠的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理中的節(jié)能降耗具有重要的理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)方案與設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

反應(yīng)裝置為耦合式SBR反應(yīng)器（圖1）所示，由有機(jī)玻璃制成，反應(yīng)器長(zhǎng)、寬、高分別為35cm、35cm、120cm，有效容積為120L，反應(yīng)器上部放置可供微生物附著生長(zhǎng)懸浮填料，下部為懸浮生長(zhǎng)污泥區(qū)。

圖1 附著-懸浮短程硝化-反硝化除磷工藝研究實(shí)驗(yàn)裝置

附著-懸浮短程硝化-反硝化除磷工藝運(yùn)行過(guò)程為：污水首先經(jīng)過(guò)底部懸浮污泥進(jìn)行厭氧釋磷和有機(jī)物的吸收，同時(shí)開(kāi)始對(duì)上方生物膜曝氣進(jìn)行好氧硝化反應(yīng)；厭氧結(jié)束后，通過(guò)回流泵把上方硝化液循環(huán)至下方厭氧進(jìn)行反硝化除磷；缺氧吸磷完畢進(jìn)行沉淀；最后利用水流的承托作用實(shí)現(xiàn)同步進(jìn)行和溢流排水過(guò)程。

1.2 試驗(yàn)檢測(cè)及分析方法

1.2.1 化學(xué)分析

DO,ORP,pH采用德國(guó)WTW公司的手提式pH溶氧測(cè)試儀在線測(cè)定，NH4+-N采用水楊酸分光光度法測(cè)定，NO2-N采用N-(1-萘基)-乙二胺鹽酸鹽光度法測(cè)定，NO3-N采用紫外分光光度法測(cè)定，TP采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定，CODcr采用重鉻酸鉀法測(cè)定。

2 耦合后的運(yùn)行效果

將城市污水短程反硝化除磷工藝各階段參數(shù)列表1。

表1 運(yùn)行工況

運(yùn)行30 d后，經(jīng)過(guò)典型周期的檢測(cè)，結(jié)果顯示：一個(gè)周期內(nèi)最大釋磷量高達(dá)12.4 mg/L，出水磷酸鹽含量?jī)H為0.97 mg/L；短程硝化菌NO2--N的積累量高達(dá)18.0 mg/L，缺氧結(jié)束出水NO2--N含量為0.1 mg/L。上述結(jié)果表明，短程硝化細(xì)菌和反硝化除磷菌在耦合系統(tǒng)內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了良好的生長(zhǎng)。系統(tǒng)耦合兩周后，連續(xù)三個(gè)月每周對(duì)COD、氨氮、TP等指標(biāo)監(jiān)測(cè)兩次，通過(guò)監(jiān)測(cè)可以得出耦合后的系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物、氨氮和TP有較穩(wěn)定的去除效果，去除率分別達(dá)到89%、90%和84%。

圖2 耦合兩周后各指標(biāo)的去除率

圖3 典型周期實(shí)驗(yàn)各指標(biāo)的變化

將兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)耦合后，結(jié)果顯示：出水COD濃度為25.9 mg/L，短程硝化菌亞硝酸鹽的積累量高達(dá)18.04 mg/L，缺氧結(jié)束出水亞硝酸鹽的含量為0.1 mg/L。一個(gè)周期內(nèi)最大釋磷量高達(dá)12.98 mg/L，出水磷酸鹽含量?jī)H為0.97mg/L；耦合后的反應(yīng)器內(nèi)COD、NH4+-N、TP都表現(xiàn)出較好的去除效果。上述結(jié)果表明將短程硝化和反硝化除磷兩污泥在一個(gè)反應(yīng)器中成為現(xiàn)實(shí)。

2.2短程硝化過(guò)程中pH的變化特征

圖4 耦合后典型周期內(nèi)pH的變化

如上圖4所示pH值出現(xiàn)明顯的變化，由初始的7.38逐漸下降到6.62左右，接著又升至7.82，出現(xiàn)拐點(diǎn)的位置與溶解氧轉(zhuǎn)折點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。其原因?yàn)?，短程硝化反?yīng)初期，亞硝酸菌進(jìn)行短程硝化反應(yīng)，產(chǎn)生酸性物質(zhì)導(dǎo)致pH下降，到第180min降到最小值，亞硝化程度最大，之后pH值稍有回升，主要是由于反硝化過(guò)程產(chǎn)生一定的堿度引起的。由此可知，短程硝化的程度與pH值有密切關(guān)系，可通過(guò)pH控制短程硝化過(guò)程。

2.3 反硝化除磷過(guò)程中pH和ORP的變化

在反硝化除磷過(guò)程中，以pH值和ORP作為在線控制參數(shù)，每間隔5min取值記錄。

圖5 反硝化除磷過(guò)程O(píng)RP和pH變化曲線

從圖5可以看出，反硝化脫氮除磷階段在厭氧階段，ORP值持續(xù)下降，由厭氧開(kāi)始時(shí)的-30.4mv，下降到-263.2mv。在厭氧運(yùn)行180min后，向系統(tǒng)中投加亞硝酸鹽作為電子受體，反硝化聚磷菌開(kāi)始缺氧吸磷，作為電子受體的亞硝酸鹽濃度和體系的磷酸鹽濃度逐漸降低。亞硝酸鹽的加入使反應(yīng)器內(nèi)氧化態(tài)物質(zhì)增加，在215min時(shí)達(dá)到最大值，為-166.9mv。隨后ORP值開(kāi)始下降；反應(yīng)進(jìn)行至260min，ORP下降趨勢(shì)明顯變緩，并最終保持在0.04mv/min的速率。從圖2～4中可以看出，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行300min時(shí)，反應(yīng)器中磷酸鹽的濃度值為0.3mg/L，亞硝酸鹽的濃度趨近于零，由于受到缺少電子受體，缺氧吸磷反應(yīng)終止，ORP拐點(diǎn)的出現(xiàn)標(biāo)志著缺氧反應(yīng)的結(jié)束。

從圖5可知，厭氧階段pH值持續(xù)下降，厭氧釋磷，產(chǎn)酸發(fā)酵，使pH值由初始的7.82，最后轉(zhuǎn)變?yōu)?.62。隨著系統(tǒng)COD的消耗，磷酸鹽量的增加速度變緩，pH值下降逐漸平緩。在缺氧階段，pH值保持幾乎勻速上升，反硝化反應(yīng)中NO2--N被反硝化聚磷菌還原為氮?dú)猓a(chǎn)生堿度使pH值上升，過(guò)一段時(shí)間后又緩慢上升的原因與生化反應(yīng)的動(dòng)力有關(guān)。至反應(yīng)進(jìn)行至300min時(shí)(即缺氧吸磷反應(yīng)進(jìn)行150min)，pH值上升至最大值7.81，pH值變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)標(biāo)志著缺氧吸磷和反硝化反應(yīng)的結(jié)束。

3 短程硝化反硝化除磷工藝的控制研究

3.1 自動(dòng)控制要求

進(jìn)水階段，控制進(jìn)水泵工作0.5h。進(jìn)水結(jié)束，開(kāi)始厭氧階段和好氧硝化。反應(yīng)階段，要求在3小時(shí)的范圍內(nèi)，反應(yīng)過(guò)程通過(guò)PH傳感器控制，數(shù)值達(dá)到要求后停止反應(yīng)（停止攪拌和曝氣）?；亓麟A段，要求在2h～3h的范圍內(nèi)，循環(huán)泵動(dòng)作，當(dāng)PH傳感器數(shù)值達(dá)到要求時(shí)回流停止。靜止（沉淀）階段，要求全部動(dòng)作停止0.5h，然后再進(jìn)行進(jìn)水環(huán)節(jié)0.5h。

3.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.2.1 手動(dòng)控制

組態(tài)界面，手動(dòng)控制設(shè)置為1，自動(dòng)控制設(shè)置為0。按下組態(tài)界面手動(dòng)控制區(qū)域各階段按鈕，可實(shí)現(xiàn)各階段的啟停。

3.2.2 自動(dòng)控制

組態(tài)界面，自動(dòng)控制設(shè)置為1，手動(dòng)控制設(shè)置為0。設(shè)定好pH給定值，按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行，PLC采集運(yùn)行時(shí)間信號(hào)，自動(dòng)判斷各階段運(yùn)行時(shí)間是否達(dá)到設(shè)定值，達(dá)到則關(guān)閉該階段，自動(dòng)進(jìn)入下階段，并自動(dòng)采集pH傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各階段運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和pH值雙重控制。

3.2.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)控制過(guò)程，該系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)儀表、PLC及監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成。本套PLC采用Simens S7-200 CPU266模塊、Siemens EM235模塊?，F(xiàn)場(chǎng)儀表采用pH傳感器。監(jiān)控系統(tǒng)采用一臺(tái)PC，用PC ACCESS建立OPC服務(wù)器，并在OPC服務(wù)器建立所需訪問(wèn)的數(shù)據(jù)，用IFIX的OPC客戶端與PC ACCESS數(shù)據(jù)鏈接，通過(guò)OPC可以實(shí)現(xiàn)其PLC與IFIX之間的數(shù)據(jù)交換。

3.2.4 自動(dòng)控制流程

本系統(tǒng)的編程軟件采用了西門(mén)子公司的STEP 7-MicroWIN V4.0 incl.SP6編程軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模擬量信號(hào)的采集，及按量程轉(zhuǎn)換為可在人機(jī)界面中直接顯示的十進(jìn)制數(shù)據(jù)，同時(shí)接收上位機(jī)發(fā)出的控制命令控制系統(tǒng)運(yùn)行。在控制策略上找到NH4+-N的最低點(diǎn)可以通過(guò)以下途徑:通過(guò)pH在線探頭，每隔一定的時(shí)間如5min讀取在線數(shù)據(jù)pH(i）反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)把得到的數(shù)值pH（i）和前一個(gè)數(shù)值pH（i-1）進(jìn)行比較，如果pH(i)，可認(rèn)為硝化沒(méi)有完成，此時(shí)繼續(xù)曝氣。如果pH(i)>pH(i-1)，理論上硝化已經(jīng)完成，但不停止曝氣，看下一個(gè)l0min的數(shù)值pH(i+1)和pH(i)的大小，如果pH(i+1)>pH(i)，則停止曝氣，如果pH(i+1)

4 結(jié)論與展望

（1）耦合后的系統(tǒng)研究一般只是考察對(duì)污染物的處理效果，而未能對(duì)系統(tǒng)內(nèi)不同微生物菌種進(jìn)行定性和定量的分析。（2）條件允許的情況下，可以建立數(shù)學(xué)模型對(duì)兩者的耦合效果進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，以利于更好地指導(dǎo)兩種菌種的耦合。（3）SBR工藝污水處理過(guò)程需控制的參數(shù)較多，常規(guī)控制難以達(dá)到要求。需要建立實(shí)現(xiàn)多變量、多目標(biāo)的SBR工藝過(guò)程控制系統(tǒng)。

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周梁源（1988—），安徽桐城人，畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，碩士研究生，主要從事環(huán)境工程水處理方面的研究工作。