附着-悬浮耦合短程反硝化除磷工艺的自动控制研究
2016-12-16周梁源
周梁源
(新疆龙宇能源准东煤化工有限责任公司新疆奇台831800)
附着-悬浮耦合短程反硝化除磷工艺的自动控制研究
周梁源
(新疆龙宇能源准东煤化工有限责任公司新疆奇台831800)
本实验将短程硝化和反硝化除磷相耦合而构建悬浮-附着式SBR短程反硝化脱氮除磷工艺,对其处理低碳源城市污水处理中过程控制进行研究。耦合实验结果表明,以pH、ORP作为控制参数,系统对氨氮、COD和TP的去除率分别达到90%、85%和80%以上。自动控制应用结果表明,实时监测pH的变化趋势与前期的研究结果较为一致,因此可以通过实时控制pH以控制反应的进程。
自动控制;短程硝化;反硝化除磷;附着-悬浮式SBR
国内外研究表明实现亚硝化的温度应控制在28℃~38℃。但温度控制动力消耗巨大,工程应用意义不大。常温下,控制较低的DO浓度(0.3 mg/L~0.7mg/L),可实现稳定的NO2--N积累(85%~95%)[1-5],可见,低DO水平有利于反硝化除磷菌的生长与繁殖[6],但也有研究表明,过高或过低的DO均不利于短程硝化反硝化除磷的实现[7],附着-悬浮耦合SBR工艺创造了两类功能菌在同一反应器共存的环境条件,强化了短程硝化反硝化除磷效能,并显著降低占地面积。控制附着生长的短程硝化是保障附着—悬浮耦合SBR工艺运行效能的关键,故需要建立短程硝化控制模式用来指导自动控制短程硝化实现。本试验的成功实施将对城市污水厂的优化设计及运行管理中的节能降耗具有重要的理论指导意义和实际应用价值。
1 实验方案与设备
1.1 实验装置
反应装置为耦合式SBR反应器(图1)所示,由有机玻璃制成,反应器长、宽、高分别为35cm、35cm、120cm,有效容积为120L,反应器上部放置可供微生物附着生长悬浮填料,下部为悬浮生长污泥区。
图1 附着-悬浮短程硝化-反硝化除磷工艺研究实验装置
附着-悬浮短程硝化-反硝化除磷工艺运行过程为:污水首先经过底部悬浮污泥进行厌氧释磷和有机物的吸收,同时开始对上方生物膜曝气进行好氧硝化反应;厌氧结束后,通过回流泵把上方硝化液循环至下方厌氧进行反硝化除磷;缺氧吸磷完毕进行沉淀;最后利用水流的承托作用实现同步进行和溢流排水过程。
1.2 试验检测及分析方法
1.2.1 化学分析
DO,ORP,pH采用德国WTW公司的手提式pH溶氧测试仪在线测定,NH4+-N采用水杨酸分光光度法测定,NO2-N采用N-(1-萘基)-乙二胺盐酸盐光度法测定,NO3-N采用紫外分光光度法测定,TP采用钼酸铵分光光度法测定,CODcr采用重铬酸钾法测定。
2 耦合后的运行效果
将城市污水短程反硝化除磷工艺各阶段参数列表1。
表1 运行工况
运行30 d后,经过典型周期的检测,结果显示:一个周期内最大释磷量高达12.4 mg/L,出水磷酸盐含量仅为0.97 mg/L;短程硝化菌NO2--N的积累量高达18.0 mg/L,缺氧结束出水NO2--N含量为0.1 mg/L。上述结果表明,短程硝化细菌和反硝化除磷菌在耦合系统内均实现了良好的生长。系统耦合两周后,连续三个月每周对COD、氨氮、TP等指标监测两次,通过监测可以得出耦合后的系统对有机物、氨氮和TP有较稳定的去除效果,去除率分别达到89%、90%和84%。
图2 耦合两周后各指标的去除率
图3 典型周期实验各指标的变化
将两个独立的系统耦合后,结果显示:出水COD浓度为25.9 mg/L,短程硝化菌亚硝酸盐的积累量高达18.04 mg/L,缺氧结束出水亚硝酸盐的含量为0.1 mg/L。一个周期内最大释磷量高达12.98 mg/L,出水磷酸盐含量仅为0.97mg/L;耦合后的反应器内COD、NH4+-N、TP都表现出较好的去除效果。上述结果表明将短程硝化和反硝化除磷两污泥在一个反应器中成为现实。
2.2短程硝化过程中pH的变化特征
图4 耦合后典型周期内pH的变化
如上图4所示pH值出现明显的变化,由初始的7.38逐渐下降到6.62左右,接着又升至7.82,出现拐点的位置与溶解氧转折点相对应。其原因为,短程硝化反应初期,亚硝酸菌进行短程硝化反应,产生酸性物质导致pH下降,到第180min降到最小值,亚硝化程度最大,之后pH值稍有回升,主要是由于反硝化过程产生一定的碱度引起的。由此可知,短程硝化的程度与pH值有密切关系,可通过pH控制短程硝化过程。
2.3 反硝化除磷过程中pH和ORP的变化
在反硝化除磷过程中,以pH值和ORP作为在线控制参数,每间隔5min取值记录。
图5 反硝化除磷过程ORP和pH变化曲线
从图5可以看出,反硝化脱氮除磷阶段在厌氧阶段,ORP值持续下降,由厌氧开始时的-30.4mv,下降到-263.2mv。在厌氧运行180min后,向系统中投加亚硝酸盐作为电子受体,反硝化聚磷菌开始缺氧吸磷,作为电子受体的亚硝酸盐浓度和体系的磷酸盐浓度逐渐降低。亚硝酸盐的加入使反应器内氧化态物质增加,在215min时达到最大值,为-166.9mv。随后ORP值开始下降;反应进行至260min,ORP下降趋势明显变缓,并最终保持在0.04mv/min的速率。从图2~4中可以看出,当反应进行300min时,反应器中磷酸盐的浓度值为0.3mg/L,亚硝酸盐的浓度趋近于零,由于受到缺少电子受体,缺氧吸磷反应终止,ORP拐点的出现标志着缺氧反应的结束。
从图5可知,厌氧阶段pH值持续下降,厌氧释磷,产酸发酵,使pH值由初始的7.82,最后转变为6.62。随着系统COD的消耗,磷酸盐量的增加速度变缓,pH值下降逐渐平缓。在缺氧阶段,pH值保持几乎匀速上升,反硝化反应中NO2--N被反硝化聚磷菌还原为氮气,产生碱度使pH值上升,过一段时间后又缓慢上升的原因与生化反应的动力有关。至反应进行至300min时(即缺氧吸磷反应进行150min),pH值上升至最大值7.81,pH值变化的转折点标志着缺氧吸磷和反硝化反应的结束。
3 短程硝化反硝化除磷工艺的控制研究
3.1 自动控制要求
进水阶段,控制进水泵工作0.5h。进水结束,开始厌氧阶段和好氧硝化。反应阶段,要求在3小时的范围内,反应过程通过PH传感器控制,数值达到要求后停止反应(停止搅拌和曝气)。回流阶段,要求在2h~3h的范围内,循环泵动作,当PH传感器数值达到要求时回流停止。静止(沉淀)阶段,要求全部动作停止0.5h,然后再进行进水环节0.5h。
3.2 自动控制系统实现
3.2.1 手动控制
组态界面,手动控制设置为1,自动控制设置为0。按下组态界面手动控制区域各阶段按钮,可实现各阶段的启停。
3.2.2 自动控制
组态界面,自动控制设置为1,手动控制设置为0。设定好pH给定值,按下启动按钮,系统开始自动运行,PLC采集运行时间信号,自动判断各阶段运行时间是否达到设定值,达到则关闭该阶段,自动进入下阶段,并自动采集pH传感器监测信号,自动监测系统各阶段运行状态,从而实现系统运行时间和pH值双重控制。
3.2.3 自动控制系统结构设计
根据控制过程,该系统由现场仪表、PLC及监控系统三部分组成。本套PLC采用Simens S7-200 CPU266模块、Siemens EM235模块。现场仪表采用pH传感器。监控系统采用一台PC,用PC ACCESS建立OPC服务器,并在OPC服务器建立所需访问的数据,用IFIX的OPC客户端与PC ACCESS数据链接,通过OPC可以实现其PLC与IFIX之间的数据交换。
3.2.4 自动控制流程
本系统的编程软件采用了西门子公司的STEP 7-MicroWIN V4.0 incl.SP6编程软件,可实现对现场模拟量信号的采集,及按量程转换为可在人机界面中直接显示的十进制数据,同时接收上位机发出的控制命令控制系统运行。在控制策略上找到NH4+-N的最低点可以通过以下途径:通过pH在线探头,每隔一定的时间如5min读取在线数据pH(i)反馈给计算机,计算机把得到的数值pH(i)和前一个数值pH(i-1)进行比较,如果pH(i) (1)耦合后的系统研究一般只是考察对污染物的处理效果,而未能对系统内不同微生物菌种进行定性和定量的分析。(2)条件允许的情况下,可以建立数学模型对两者的耦合效果进行理论预测,以利于更好地指导两种菌种的耦合。(3)SBR工艺污水处理过程需控制的参数较多,常规控制难以达到要求。需要建立实现多变量、多目标的SBR工艺过程控制系统。 [1]支霞辉,黄霞,李朋,等.厌氧-好氧-缺氧短程硝化同步反硝化除磷工艺研究[J].环境科学学报,2009,29(9):1806-1812. [2]Carvalho G,Lemos P C,Oehmen A,et al.Denitrifying phosphorus removal:Linking the process performance with the microbial communitystructure[J].Wat Res,2007,41(19):4383-4396. [3]荣宏伟,等.序批式生物膜反应器挂膜启动实现短程硝化[J].环境工程学报,2013,7(6):2063-2068. [4]丁文川,李桥,吉芳英,等.双泥SBR系统的短程硝化反硝化和反硝化除磷研究[J].中国给水排水,2010,26(13):11-14. [5]胡筱敏,等.pH对亚硝酸盐为电子受体反硝化除磷的影响[J].中南大学学报,2013,44(5):2144-2149. [6]ZHANG S H,HUANG Y,HUA Y M.Denitrifying dephosphatation over nitrite:Effects ofnitrite concentration,organic carbon,and pH[J].Biore-source Technology,2010,101(11):3870-3875. [7]彭硕佳.低CN值下复合A2O工艺的反硝化除磷效能[J].中国给水排水,2012,28(15):8-11. 周梁源(1988—),安徽桐城人,毕业于中国矿业大学环境工程专业,硕士研究生,主要从事环境工程水处理方面的研究工作。4 结论与展望