附著-懸浮耦合短程反硝化除磷工藝的自動控制研究

周梁源

（新疆龍宇能源準東煤化工有限責任公司新疆奇臺831800）

附著-懸浮耦合短程反硝化除磷工藝的自動控制研究

周梁源

（新疆龍宇能源準東煤化工有限責任公司新疆奇臺831800）

本實驗將短程硝化和反硝化除磷相耦合而構建懸浮-附著式SBR短程反硝化脫氮除磷工藝，對其處理低碳源城市污水處理中過程控制進行研究。耦合實驗結果表明，以pH、ORP作為控制參數，系統對氨氮、COD和TP的去除率分別達到90%、85%和80%以上。自動控制應用結果表明，實時監測pH的變化趨勢與前期的研究結果較為一致，因此可以通過實時控制pH以控制反應的進程。

自動控制；短程硝化；反硝化除磷；附著-懸浮式SBR

國內外研究表明實現亞硝化的溫度應控制在28℃～38℃。但溫度控制動力消耗巨大，工程應用意義不大。常溫下，控制較低的DO濃度(0.3 mg/L～0.7mg/L)，可實現穩定的NO2--N積累（85%～95%）[1-5]，可見，低DO水平有利于反硝化除磷菌的生長與繁殖[6],但也有研究表明，過高或過低的DO均不利于短程硝化反硝化除磷的實現[7]，附著-懸浮耦合SBR工藝創造了兩類功能菌在同一反應器共存的環境條件，強化了短程硝化反硝化除磷效能，并顯著降低占地面積。控制附著生長的短程硝化是保障附著—懸浮耦合SBR工藝運行效能的關鍵，故需要建立短程硝化控制模式用來指導自動控制短程硝化實現。本試驗的成功實施將對城市污水廠的優化設計及運行管理中的節能降耗具有重要的理論指導意義和實際應用價值。

1 實驗方案與設備

1.1 實驗裝置

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

圖1 附著-懸浮短程硝化-反硝化除磷工藝研究實驗裝置

附著-懸浮短程硝化-反硝化除磷工藝運行過程為：污水首先經過底部懸浮污泥進行厭氧釋磷和有機物的吸收，同時開始對上方生物膜曝氣進行好氧硝化反應；厭氧結束后，通過回流泵把上方硝化液循環至下方厭氧進行反硝化除磷；缺氧吸磷完畢進行沉淀；最后利用水流的承托作用實現同步進行和溢流排水過程。

1.2 試驗檢測及分析方法

1.2.1 化學分析

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

2 耦合后的運行效果

將城市污水短程反硝化除磷工藝各階段參數列表1。

表1 運行工況

運行30 d后，經過典型周期的檢測，結果顯示：一個周期內最大釋磷量高達12.4 mg/L，出水磷酸鹽含量僅為0.97 mg/L；短程硝化菌NO2--N的積累量高達18.0 mg/L，缺氧結束出水NO2--N含量為0.1 mg/L。上述結果表明，短程硝化細菌和反硝化除磷菌在耦合系統內均實現了良好的生長。系統耦合兩周后，連續三個月每周對COD、氨氮、TP等指標監測兩次，通過監測可以得出耦合后的系統對有機物、氨氮和TP有較穩定的去除效果，去除率分別達到89%、90%和84%。

圖2 耦合兩周后各指標的去除率

圖3 典型周期實驗各指標的變化

將兩個獨立的系統耦合后，結果顯示：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18.04 mg/L，缺氧結束出水亞硝酸鹽的含量為0.1 mg/L。一個周期內最大釋磷量高達12.98 mg/L，出水磷酸鹽含量僅為0.97mg/L；耦合后的反應器內COD、NH4+-N、TP都表現出較好的去除效果。上述結果表明將短程硝化和反硝化除磷兩污泥在一個反應器中成為現實。

2.2短程硝化過程中pH的變化特征

圖4 耦合后典型周期內pH的變化

如上圖4所示pH值出現明顯的變化，由初始的7.38逐漸下降到6.62左右，接著又升至7.82，出現拐點的位置與溶解氧轉折點相對應。其原因為，短程硝化反應初期，亞硝酸菌進行短程硝化反應，產生酸性物質導致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程產生一定的堿度引起的。由此可知，短程硝化的程度與pH值有密切關系，可通過pH控制短程硝化過程。

2.3 反硝化除磷過程中pH和ORP的變化

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

圖5 反硝化除磷過程ORP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值持續下降，由厭氧開始時的-30.4mv，下降到-263.2mv。在厭氧運行180min后，向系統中投加亞硝酸鹽作為電子受體，反硝化聚磷菌開始缺氧吸磷，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器內氧化態物質增加，在215min時達到最大值，為-166.9mv。隨后ORP值開始下降；反應進行至260min，ORP下降趨勢明顯變緩，并最終保持在0.04mv/min的速率。從圖2～4中可以看出，當反應進行300min時，反應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，缺氧吸磷反應終止，ORP拐點的出現標志著缺氧反應的結束。

從圖5可知，厭氧階段pH值持續下降，厭氧釋磷，產酸發酵，使pH值由初始的7.82，最后轉變為6.62。隨著系統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，反硝化反應中NO2--N被反硝化聚磷菌還原為氮氣，產生堿度使pH值上升，過一段時間后又緩慢上升的原因與生化反應的動力有關。至反應進行至300min時(即缺氧吸磷反應進行150min)，pH值上升至最大值7.81，pH值變化的轉折點標志著缺氧吸磷和反硝化反應的結束。

3 短程硝化反硝化除磷工藝的控制研究

3.1 自動控制要求

進水階段，控制進水泵工作0.5h。進水結束，開始厭氧階段和好氧硝化。反應階段，要求在3小時的范圍內，反應過程通過PH傳感器控制，數值達到要求后停止反應（停止攪拌和曝氣）。回流階段，要求在2h～3h的范圍內，循環泵動作，當PH傳感器數值達到要求時回流停止。靜止（沉淀）階段，要求全部動作停止0.5h，然后再進行進水環節0.5h。

3.2 自動控制系統實現

3.2.1 手動控制

組態界面，手動控制設置為1，自動控制設置為0。按下組態界面手動控制區域各階段按鈕，可實現各階段的啟停。

3.2.2 自動控制

組態界面，自動控制設置為1，手動控制設置為0。設定好pH給定值，按下啟動按鈕，系統開始自動運行，PLC采集運行時間信號，自動判斷各階段運行時間是否達到設定值，達到則關閉該階段，自動進入下階段，并自動采集pH傳感器監測信號，自動監測系統各階段運行狀態，從而實現系統運行時間和pH值雙重控制。

3.2.3 自動控制系統結構設計

根據控制過程，該系統由現場儀表、PLC及監控系統三部分組成。本套PLC采用Simens S7-200 CPU266模塊、Siemens EM235模塊。現場儀表采用pH傳感器。監控系統采用一臺PC，用PC ACCESS建立OPC服務器，并在OPC服務器建立所需訪問的數據，用IFIX的OPC客戶端與PC ACCESS數據鏈接，通過OPC可以實現其PLC與IFIX之間的數據交換。

3.2.4 自動控制流程

本系統的編程軟件采用了西門子公司的STEP 7-MicroWIN V4.0 incl.SP6編程軟件，可實現對現場模擬量信號的采集，及按量程轉換為可在人機界面中直接顯示的十進制數據，同時接收上位機發出的控制命令控制系統運行。在控制策略上找到NH4+-N的最低點可以通過以下途徑:通過pH在線探頭，每隔一定的時間如5min讀取在線數據pH(i）反饋給計算機，計算機把得到的數值pH（i）和前一個數值pH（i-1）進行比較，如果pH(i)，可認為硝化沒有完成，此時繼續曝氣。如果pH(i)>pH(i-1)，理論上硝化已經完成，但不停止曝氣，看下一個l0min的數值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 結論與展望

（1）耦合后的系統研究一般只是考察對污染物的處理效果，而未能對系統內不同微生物菌種進行定性和定量的分析。（2）條件允許的情況下，可以建立數學模型對兩者的耦合效果進行理論預測，以利于更好地指導兩種菌種的耦合。（3）SBR工藝污水處理過程需控制的參數較多，常規控制難以達到要求。需要建立實現多變量、多目標的SBR工藝過程控制系統。

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周梁源（1988—），安徽桐城人，畢業于中國礦業大學環境工程專業，碩士研究生，主要從事環境工程水處理方面的研究工作。