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控制SBR法短程硝化过程研究

  摘要: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。

  关键词:SBR法 DO ORP pH值 硝化反应

  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。

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