1、ARTICLE IN PRESS Water Research 38 (2004) 3340-3348 SBR集成实时控制策略应用于养猪场废水脱氮处理中的研究Ju-Hyun Kima,*, Meixue Chenb, Naohiro Kishida c, Ryuichi Sudoa a Center for Environmental Science in Saitama, 914, Kamitanadare, Kisai, Saitama 347-0115, Japan b State Key Laboratory of Environmental Aquatic Chemistry, Re
2、search Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, P.O. Box 2871, China c Department of Environmental Resources Engineering, Waseda University, 3-4-1 Okubo, Shinjuku-ku, Tokyo 1698555, Japan Received 7 May 2003; received in revised form 29 March 2004; accepted
3、 11 May 2004 摘要新型的集成实时控制系统正在被设计和应用于水力负荷变化较大的养猪场废水处理。通过使用实时控制技术，以 ORP和 pH分别作为厌氧段和好氧段的控制参数，从而实现外加碳源的自动添加控制，使得整个处理系统正常运作。养猪场废水浓度变化幅度大、进水的有机物碳氮比率低是整个生物脱氮工艺的主要限制因素。因此，必须补充足够的碳源才能保证脱氮过程的正常运行。许多研究者对以猪粪便作为外加碳源以保证生物脱氮效果的可行性进行了探究。实时控制系统能够在进水负荷的循环变化过程中优化猪粪便的添加量。在应用了集成实时控制策略后，总碳和总氮的平均去除效率分别可达 94%和 96%之上。r 2004
4、Elsevier Ltd. All rights reserved. 关键词：脱氮；外加碳源； ORP实时控制； SBR；养猪废水1. 简介养猪场废水是向环境排放的主要氮污染源之一。传统生物脱氮处理主要由一些系列的硝化阶段和反硝化阶段所组成。养猪废水的浓度变化差别主要取决于不同的粪便处理方式，近年 来以 ORP和 pH作为参数 (Lo et al., 1994; Plisson-Saune et al., 1996; Chapentier et al., 1998; Fuerhacker et al., 2000)的实时控制系统来分别控制污水处理周期中好氧和缺氧阶段的 SBR反应器来处理养猪废
5、水受到了关注 (Ra et al., 1998, 1999; Tilche et al., 2001)。但与传统的处理过程不同的是，使用 ORP和 pH作为控制参数进行实时控制的序批式反应器能够针对不同的处理情况如进水水力负荷和处理状况等进行自动调整。因而每个处理周期的水力停留时间是根据不同情况而变化的 (Ra et al., 2000)。并且能够达到较高而稳定的氮去除效率 (Ra et al., 1998; Cheng et al., 2000)。虽然基于 ORP和 pH的实时控制系统已经在不少 *Corresponding author. Tel.: +81-480-73-8369; fa
6、x: +81-480-70-2031.E-mail address: a1098356pref.saitama.jp (J.-H. Kim).养猪废水处理系统中得到应用，但是至今，这个系统还难以称之为成功，由于研究者所得到的特定ORP和 pH研究数据主要都是来源于完整的硝化和反硝化过程并且集中于好氧阶段的控制 (Ra et al., 1998; Cheng et al., 2000)。但事实上，由这些特定的 ORP和pH数据得出的控制点通常难以在使用驯化后的硝酸盐污泥作为处理单元的系统中再现 (Kim and Hao, 2001; Kishida et al., 2003)。 生物脱氮过程只在
7、异养细菌有可利用的碳源时才会发生，因而若不补充充分的有机碳源，低碳氮比废水将限制整体生物脱氮的效果。不少研究者都提出可使用发酵养猪粪便或者活性污泥作为 SBR反应器中脱氮过程的电子受体，研究结果也得出这样的外加碳源对加强 SBR的处理效果是具有可行性的。但是常由于过量添加反应过程中所需碳源而导致处理成本的增加。因此外加碳源的添加量必须与废水的水质水量波动相适应。0043-1354/$ - see front matter r 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved. doi:10.1016/j.watres.2004.05.006 ARTICLE IN P
8、RESS J.-H. Kim et al. / Water Research 38 (2004) 3340-3348 3341本研究的主要目的就是建立养猪场废水的集成处理系统和操作策略以适应不同负荷的变化。特别对于氮碳比较低的负荷周期，系统也能够优化外加碳源的添加量以加强脱氮和去除废水中污染物的效果。因此，作者研究了养猪粪便作为外加碳源的脱氮效果并决定了其添加的脉冲模型。作为补充，作者也评价了以ORP和 pH作为实时控制参数的实际可行性。可对养猪场废水连续处理，并具有实时控制和脉冲输入控制集成策略的 SBR反应器被设计出来并进行实际运转。2.试验方法2.1.序批式反应器与操作策略SBR反应器试
9、验装置见 图 1。水温维持在 232。反应器由树脂玻璃构成，工作容量为 9L，内置机械搅拌器。气体由通风装置提供，通过置于反应器底部的砂滤多孔石进入反应器。反应器有五个反应阶段：进水阶段、缺氧阶段、好氧阶段、污泥沉淀阶段以及出水阶段。缺氧和好氧的时间由计算机根据过程变量控制，而进水阶段、污泥沉淀阶段和撇水阶段分别设定在 5、 55、 5分钟。每个周期的废水进水量为 0.3L。ORP， pH和 DO传感器设置在 SBR反应器内部。输出信号直接由电脑接收。进水泵、出水泵、曝气装置、搅拌器以及粪便泵由电缆相连的继电器控制。本次试验将由高碳氮比进水负荷开始，该进水取于仅格栅处理后的废水。实验中，在一周
10、的运行之后，使用了浮动进水持续运行了 8个月。一旦进水碳源不充分，猪场粪便将作为外加碳源添加到 SBR反应器中以保证脱氮过程正常运行。以简易自动控制为目的，猪场粪便的脉冲输入模式被用于补充外加碳源。在低碳氮负荷的进水周期中，溶解的猪场粪便由脉冲计量泵以每次脉冲 1g，脉冲间隔 10min的运行方式抽入 SBR反应器中。 一旦添加的猪繼 電 器 匣 (開 / 關 )场废物的量不足以维持脱氮过程运行，则下一次添加周期就会开始，而到达指示脱氮过程结束的硝酸盐膝时，添加过程就会结束。因此，利用脉冲输入模式，能够较简便的达到猪场粪便添加量与废水波动性相适应的状态。2.2. 养猪场废水、粪便与污泥本研究使
11、用的污水取自日本埼玉县的一个当地农场。而高碳氮比和低碳氮比的废水分别来自混凝处理前后，并轮流在试验中使用。原始废水的碳氮比由于粪便和尿液的分别放置而显著的改变。废水中的总碳 /总氮的比例在 0.45-1.53 之间，要求在 4左右储存。猪场粪便也取自同一农场。在使用之前，使用了网孔直径为 0.5mm的网筛以截留较大的固体颗粒，并用自来水稀释，作为外加碳源。稀释后的粪便特性见表 1。混合液体悬浮固体（ MLSS）的平均浓度保持在7000mg/L 左右。当 MLSS的浓度超过 8000mg/L 时，将抽出一部分污泥。在试验阶段，平均泥龄（ SRT）为32天。表 1稀释猪场粪便特性参数 平均值 最小
12、值 -最大值 标准偏差mgL -1 (n 15)TOC 26,167 11,410-55,640 17,010BOD5 90,280 46,370-172,200 31,850TN 4529 2418-6882 1741TP 2600 1500-3810 821TSS 917 240-3950 43,720PC輸 入 /輸 出 卡實 時 監 測 pH和 ORP的 動 態 變 化 參 數 值出 水 糞 便 進 水ORP傳 感 器pH 傳 感 器DO傳 感 器空 氣 SBR 出 水 桶曝 氣 器 砂 滤 多 孔 石Fig. 1. 具有實時控制策略的 SBR反應器工作原理圖 ARTICLE IN P
13、RESS 3342 J.-H. Kim et al. / Water Research 38 (2004) 3340-33482.3.取样及分析方法常规化验参数包括 TOC、 BOD 5、总氮 (TN)、NH4-N、 NO3-N、 NO2-N、总磷 (TP)、 PO4-P、 MLSS、 MLVSS 以及总悬浮颗粒 (TSS)。覆盖全过程的径迹分析主要在高负荷和低负荷段 . 混合样品取自径迹分析期间。对 NH4-N、 NO3-N 以及 NO2-N的分析分别取自每一次的径迹分析。 BOD 5、 TSS、 MLSS以及 MLVSS 的分析标准采用美国公共卫生协会标准 , 1995。 The NH4-
14、N、 NO3-N、 NO2-N以及 PO4-P 由离子色谱仪分析检测 (Yokogawa IC 7000)。总碳由 Shimadzu 总碳分析仪测定 (TOC 5000)。TN 和 TP由总氮和总磷分析仪测定 (TN-30, TP-30, Mitsu-bishi Chemical Corp)。3.结果及讨论3.1高碳氮比负荷周期实时控制点在高碳氮比负荷周期，采用以 ORP以及 pH作为缺氧阶段和好氧阶段控制参数的实时控制技术，在处理过程无外加碳源的情况下脱氮段仍有效运转。在高碳氮比负荷运转初期，出水稳定并且处理效果优良。在 图 2中的 A点是设置进水点， 5分钟之后缺氧段开始。从污染物数据中可
15、得出，在 75分钟内 NO3-N被还原为 NO2-N并且最终完全被还原为氮气 。 B点是 ORP曲线上的硝酸盐膝，代表了硝酸盐已被完全去除。据报道，在脱氮完成后硫酸盐的量开始减少，并且因此导致了 ORP的突然下 (Poisson - Sauna et al., 1996)。 C点标志了好氧阶段的开始。 pH曲线的初始上升阶段是由于系统在缺氧阶段开始释放二氧化碳和消耗挥发性脂肪酸 (Ra et al., 1998)。在好氧的条件下， NH4-N 随时间减少。氨由于硝化反应而转化，硝酸盐浓度则随时间上升。由于系统中的氨被除去pH的下降。 E点标志了硝化过程的结束即氨低谷。在硝化过程中， NH4-N
16、 转化为 NO3-N，如方程式 (1) and (2) (EPA, 1975)所示。在硝酸铵氧化过程中需要一定的碱度（ 1mg的氨氮需要 7.14mg 碳酸钙碱）。在硝化过程中碱性物质的减少和酸性物质的产生降低了 pH。当氨完全被除去时标志着废水中碱性物质消耗的结束。3.2在低碳氮负荷周期中的实时控制点在低碳氮负荷周期中控制点的选定对于集成控制策略来说非常重要。低碳氮负荷进水负荷的径迹分析见图 3。 A点是缺氧阶段的开始。由污染物数据可得，来自于好氧阶段硝化反应的 NO3-N 利用进水提供的碳源进行缓慢的脱氮反应。在 2小时后，由于进水并没有提供充分的碳源，反硝化过程并没有反应充分。 S点，开
17、始添加粪便，在脉冲式添加粪便后，反硝化反应继续进行，其速率显著上升。在第一次添加粪便后的十分钟， NO3-N 的浓度由 11.7 mgL-1降低到 9.6 mg L-1，但并没有完全反硝化，因此10min后又进行第二次添加，并不断循环直到达到反硝化完全为止。在第三次添加之后，硝酸盐的含量降低到零。在ORP曲线斜坡阶段， B点突然的变化标志着在厌氧反硝化中的氮氧化物已经完全反应完毕，系统停止自动添加粪便。带有脉冲输入的实时控制集成策略在控制养猪废水的过程中，主要依赖于在 ORP时间轴数据中的硝酸盐突变点，从而优化粪便添加的过程。 C点标志着好氧阶段的开始。由于低碳氮负荷进水中的缺氧阶段二氧化碳以
18、及挥发性脂肪酸产生不足，因此 D点不明显。在好氧情况下，氨氮随时间坚守。由于氨在硝化过程被转化，因此硝酸盐浓度随时间增加。而 pH的下降主要是由于系统中与废水碱度密切相关的氨含量减少。 E点代表了硝化过程的结束，称之为氨低谷。氨的完全去除标志着废水中的碱性物质消耗和 pH降低过程的结束。 pH在 E点上升可能是由于二氧化碳的释放引起的 (Chen et al., 2002)。3.3集成实时控制策略的确定猪场粪便的实时控制集成策略以及脉冲输入控制的设计方案见图 4。在缺氧阶段，持续时间 r 被作为鉴定外加碳源添加必要性的选择参数。一旦进水所提供的碳源超过这个时间仍无法进行彻底的反硝化作用，则系统
19、则会自动添加养猪场粪便（ S点）。ORP和 pH数据控制分别应用于缺氧段和好氧段。dORP/dt 和 dpH/dt 的值被用于监测实时控制点。 ORP和 pH的值每 1s监测一次并且每五分钟内进行一次平均值。在两个相邻的平均值之间计算出 dORP/dt 和dpH/dt 。实际上，由于传感器的不稳定性以及 3min间隔内无法实施实时控制等原因， 5min的间隔对于计算实时控制策略中的 dORP/dt 和 dpH/dt 是比较合适的。高碳氮负荷和低碳氮负荷进水的 dORP/dt 和dpH/dt 数据可见图 5、 6。虽然 pH感应器不够稳定并且 B点也不是非常明确， dpH/dt 还是能够用于硝化
20、段控制参数，因为氨低谷（ E点）的数值立即由负数转为整数。 dpH/dt 的数值变化比 dORP/dt 在 E点的变化更为明显；因此，使用 pH做为硝化段控制参数更合适。在低碳氮比负荷周期中，猪场粪便作为补充氮源以便充分进行脱氮反应，并且使得 ORP数据中的控制点更加清晰。在靠近 B点的位置，由程序计算得出的dORP/dt 的数值显著的降低，并且在该点之后，dORP/dt 的数值持续性的降低。该点可作为反硝化结束点并且小于 2 mVmin -1的数值可作为反应系统脱氮情况的实时控制点。为避免错误的程序控制，在 B点设置了 5 mVmin -1作为控制值，同时集成实时控制策略被设计为可逐步自检差
21、错直到指定的控制点出现。3.4集成实时控制系统性能通常一天内，带有自动添加猪场粪便的集成实时控制系统策略都会运行很多个周期。该系统能为硝化过程后的连续性反硝化过程提供最优化的条件。污染物的总去除效率可见表 2。通过使用实时控制集成策略和粪便的脉冲输入控制，在极端波动的进水条件下，仍能够保持相对稳定的出水水质。平均TOC和总氮去除效率分别超过 94% 和 96%。4.结论这一控制策略能够为细菌的生长和性能提供最佳条件。基于本研究所取得的结果，养猪场废水处理脱氮反应实时控制的实际重要性可总结为以下几点：3343 J.-H. Kim et al. / Water Research 38 (2004)
22、 3340-33481. 在养猪场废水 SBR处理中，传统实时控制主要有反硝化不充分和硝酸盐积累两个缺陷。本研究再一次肯定了使用猪场粪便作为反硝化过程的电子受体的可行性。并且可基于在 ORP时间表中的硝酸盐突破点，来优化由集成实时控制策略决定的养猪粪便添加量。2. 系统取得了较高的氮去除效率。使用这一控制策略后，即使在进水负荷极不稳定的情况下，也能取得稳定的出水效果。3. 通过使用集成控制策略，实时控制的优势也能够发挥出来。比如，由于优化的外加碳源为充分反硝化提进 水 (Agitator on)供了条件， HRT的操作具有弹性，基于生物内部活动和进水特性，因而保证了相对彻底的污染物除去效果。这
23、一系统完全可在浮动进水荷载下用于养猪场废水处理的工程实际。4.虽然 ORP和 pH能作为彻底反硝化的控制参数，但对于硝化阶段来说， pH时间表的控制点尚不够明确，而 dpH/dt 的数值变化却更为显著。因此作者建议 ORP和 pH应当分别作为反硝化和硝化阶段的控制参数。缺 氧 阶 段 控 制 停 留 5 min 打 开 粪 便 添 加 系 统读 取 dORP/dt停 留 10 secdORP/dt-5是读 取dORP/dtdORP/dt0 是 停 留 20 min 关 曝 气 器 、 搅 拌 器沉 淀 及 出 水Fig. 4.实时控制策略ARTICLE IN PRESS 3346 J.-H.
24、Kim et al. / Water Research 38 (2004) 3340-3348进水 进水 进水 进水 进水0.0350.0300.025 缺氧阶段 好氧阶段 好氧阶段 缺氧阶段 好氧阶段 好氧阶段0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 e e e e-0.005 -0.010 25 20 15 10 5 0 -5 -10 B B B B-15-200 250 500 750 1000 1250 1500 1750Time (min)Fig. 5. 高碳氮比负荷控制策略的确定 (进水 TOC/TN 比 : 1.22-1.53)ARTICLE IN PRESS进
25、 水0.0400.0350.0300.0250.0200.0150.0100.0050.000-0.005-0.01020151050-5-10-15-200J.-H. Kim et al. / Water Research 38 (2004) 3340-3348进 水 进 水缺 氧 阶 段 好 氧 阶 段 缺 氧 阶 段 好 氧 阶 段e eB B250 500 750 1000Time (min)3347进 水缺 氧 阶 段 好 氧 阶 段eB1250 1500 Fig. 6. 低碳氮比负荷控制策略的确定 (进水 TOC/TN 比 : 0.45-0.79).Table 2实时控制策略去除效
26、果参数 mg L 1 进水 (n 52) 出水 (n 52)Mean Min-Max Std. dev. Mean Min-max Std. dev. Removal rate (%)TOC 864 250-3288 573 40 32-48 4 94.7BOD5 3206 1257-5588 1544 15 8-23 6 99.6TN 722 408-1138 173 26 15-39 6 96.2NH4-N 589 385-971 137 o0.1 o0.1NO3-N 18 5-26 5TP 46 13-93 40.4 23 11-32 4 50.0PO4-P 18 9-13 6.8 19 7-24 5TSS 917 240-3950 1902 16 2-27 7 98.9: 检测不出 .
