基于在线监测技术的短程硝化控制技术研究进展

王艺涵 姚 远 吴朕君,2

（1.河南工业大学环境工程学院，河南 郑州 450001；2.河南鑫安利安全科技股份有限公司博士后科研工作站，河南 郑州 450001）

0 引言

市政污水和工业废水中含有大量含氮污染物（氨氮、亚硝态氮和硝态氮），直接排放将造成水体氮污染，进而造成水体黑臭。当前，以A2/O、氧化沟和SBR衍生的几种传统生物脱氮工艺（CASS、CAST、UNITANK等）［1］，均是通过好氧硝化和缺氧反硝化作用将硝态氮还原为氮气，实现含氮污水脱氮。此过程需消耗大量电能和有机碳源，并且由于微生物的生长产生大量剩余污泥，处置不当易造成二次污染［2］。此外，大多生活污水中的C/N比值为4～5，若采用传统方式，易出现水中碳源不满足反硝化去除效率的情况，因此在污水生物脱氮领域急需一种低能耗、高效率的工艺。短程硝化-反硝化作为一种新型的脱氮工艺，在处理低C/N 的污水中具有减少曝气量、节省碳源、脱氮效率高等优势。

1 短程硝化-反硝化

短程硝化-反硝化（Nitritation-Denitrification，ND）技术是在传统硝化-反硝化技术基础上开发的新型脱氮工艺。1975 年，Ganigué 等［3］发现了硝化阶段存在N-NO2-积累的现象，并首次提出了短程硝化-反硝化的概念。短程硝化运行的原理是通过利用AOB 与NOB 生理特性的差异，创造适宜AOB 富集、抑制NOB 的环境，从而使硝化反应停留在亚硝化阶段。当N-NO2-大量积累停止曝气时，将会进行以N-NO2-为电子受体的反硝化，以此来完成脱氮。与传统硝化-反硝化工艺相比，短程硝化-反硝化工艺可节省25%的曝气量与40%的有机碳源投加量，同时CO2减排20%，污泥产量减少30%，反硝化速率也是传统工艺的1.5～2倍［4］。

2 短程硝化的控制

研究发现，在试验和工程中应用短程硝化-反硝化技术，亚硝酸盐氧化菌（NOB）的存在导致亚硝态氮被氧化为硝态氮，进而影响亚硝态氮的积累，最终导致短程硝化启动和运行的失败。研究证明，脱氮体系若采用高温（＞30 ℃）、低溶解氧（DO＜1 mg/L）、高pH（pH＞7.5）、短污泥龄（SRT=14 d）、高游离氨（FA＞1 mg NH3/L）等条件，可有效抑制NOB 的生长［5］。目前针对短程硝化工艺普遍采用固定时间运行，但是该控制手段存在的最突出问题是曝气和搅拌时间分配不合理，不能随着水质条件和反应工况的变化进行调整，这将影响硝化和反硝化的脱氮效率。

目前针对短程硝化工艺的控制优化问题，已有研究利用脱氮过程的pH、DO、ORP 等在线监测数据作为工艺过程的实时控制参数。Lackner 等［6］利用pH和ORP作为控制参数实现短程硝化-反硝化的启动，亚硝酸盐积累率达到96%以上。Wu 等［7］利用DO、pH 和ORP 控制交替好氧缺氧条件下的短程硝化-反硝化的运行，利用DO、pH 曲线的跃升点和ORP曲线上的拐点达到了实时控制反应的目的。但是由于实际操作条件和进水条件的变化，直接运用参数的绝对值作为控制参数会产生信号漂移，不能稳定控制。有许多学者提出了运用特定的参数模式实时控制反应的想法。

针对SBR污水生物脱氮工艺的在线监测控制技术，国内外开展了各种研究，研究结果证明DO、pH、ORP 等在线监测手段可以用于SBR 运行的在线监测。这些参数的变化曲线与短程硝化-反硝化脱氮工艺运行过程存在良好的相关性，在每个阶段运行结束时，这些控制参数的变化曲线上都会出现明显的特征点，可以根据特征点的出现及曲线的波动情况对污水处理进行实时控制［8］，并且信号响应时间短、精度高。

2.1 pH作为控制参数的研究

对短程硝化-反硝化脱氮过程的反应机理研究发现，生化反应会引起反应体系的pH上下浮动。硝化反应会产生H+消耗碱度，且H+主要在亚硝化阶段产生，在此过程中体系的pH 会降低；反硝化反应会产生碱度使体系的pH 升高。因此，pH 的变化特征可用于指示短程硝化-反硝化的脱氮进程。

Claros 等［9］研究发现可以通过pH 来控制SBR 的运行，氨氮被AOB 氧化为亚硝态氮的过程中，会产生大量的H+，造成SBR 内pH 的急剧降低。同时在反硝化阶段，硝态氮被反硝化菌还原为氮气的过程中又会产生OH-，在反硝化阶段会造成反应器内pH的急剧升高。因此，可根据pH变化的信号来控制工艺过程。

李津青等［10］研究了pH 在生物脱氮除磷过程中的变化特征，试验数据表明，在好氧硝化、厌氧释磷和好氧吸磷的终点，pH 曲线呈现明显的特征点，并通过试验验证了pH 作为实时控制参数的可靠性。Pocquet 等［11］在处理废水和污泥消化液过程中开展了pH作为控制参数的研究，发现硝化和反硝化终点与pH曲线的两个特征点存在一致性，并开发了利用pH 绝对值控制硝化和反硝化的周期，又深入研究了采用pH 的一阶导数控制硝化与反硝化终点的可行性。为了解决连续流生物脱氮工艺的控制问题，Li等［12］在连续流A/O 工艺中研究了在线监测信号与脱氮过程的相关性，发现pH 一阶导数的变化特征和ORP的突变点可用于判断A/O系统的运行进程。

2.2 DO作为控制参数的研究

参与硝化阶段的AOB 和NOB 均为好氧细菌，且AOB 的氧饱和系数低于NOB，因此水中的溶解氧对这两种微生物的新陈代谢起着关键作用，可以通过控制脱氮系统内较低的DO 浓度，实现对NOB 的抑制。Vázquez-Padín 等［13］发现溶解氧可以作为控制参数来控制SBR反应器的运行状态。这是由于在短程硝化过程中，AOB 在好氧硝化阶段将氨氮氧化为亚硝态氮，需要消耗SBR 中的溶解氧。随着反应器中氨氮浓度的下降，AOB降解氨氮的速率降低，消耗溶解氧的速率同样在降低，就会造成反应器中溶解氧的积累。因此，在短程硝化过程后期，反应器中的溶解氧会急剧上升。

彭永臻等［14］研究了pH与DO在短程硝化过程中的变化规律，结果表明在N-NH4+氧化结束时，pH 曲线上会出现一个明显的拐点，此时DO曲线出现突跃点。此研究中采用DO 和pH 的联合控制方法，可实现N-NH4+的完全氧化，并抑制NOB 的生长，实现短程硝化脱氮工艺的启动和稳定运行。Chang 等［15］采用基于DO 在线反馈、N-NH4+与DO 实时监测控制方法，研究同步硝化-反硝化中引入实时控制曝气策略的可行性。脱氮反应器维持较低的溶解氧，可使反应器内生物膜的表层维持AOB 氧化氨氮所需的溶解氧，同时有利于絮体中形成缺氧环境，为反硝化菌提供缺氧环境。经验证，这两种控制策略都可以使出水水质达标，并且在一定程度上减少能耗。Tang等［16］研究发现，在利用DO 实时控制运行SBR 反应器中可实现短程硝化，并且在高DO（3 mg/L）或是低DO（0.5 mg/L）条件下都可以实现稳定运行，均实现了亚硝酸盐积累率达到90%以上。但是低DO 条件下更有利于形成同步硝化-反硝化，同步硝化-反硝化率最高可达到86%。

2.3 ORP作为控制参数的研究

对于生物脱氮过程，ORP 可以作为反映生物脱氮系统氧化还原状态的综合指标。在低溶解氧的条件下，溶解氧的变化幅度较小，利用溶解氧作为控制手段较难实现。Zhao等［17］发现氧化还原电位（ORP）与溶解氧存在相关性，而且ORP 在低溶解氧条件下的变化幅度依然很大，精确度比使用溶解氧要高，因此可以通过ORP 来控制SBR 的运行过程，如图1 所示。Zhang 等［18］研究了硝化-反硝化过程中ORP 的变化规律，结果显示在整个反应周期的ORP 曲线上，“前置反硝化阶段累积氨氮消耗终点、缺氧阶段的开始和厌氧阶段的出现”在ORP 曲线上会出现对应的三个拐点，因此可通过监测ORP 曲线对脱氮过程进行实时控制。Layera 等［19］在低DO、低负荷的连续流中进行研究，ORP 的绝对值可反映出水水质情况。ORP 低于250 mV 情况下，几乎不存在硝化反应；ORP为250 mV左右时，会进行同步硝化-反硝化反应；ORP 大于250 mV 情况下，硝化反应是主导反应，反硝化反应几乎不存在。

图1 氧化还原电位与溶解氧的关系

3 现阶段实时控制需解决的问题

目前生物脱氮的实时控制仍处于研究试用阶段，没有大规模投入到实际应用中，污水处理厂仍多为人工操作，此方法成本高、操作烦琐，因此深入研究生物脱氮的实时控制方法、控制参数、参数计算及控制，将其广泛引入到实际污水处理工程应用中具有很大的发展前景。污水实时控制方法可在实际应用中利用，但是直接采用pH、DO、ORP 作为控制参数会使数据存在不稳定性和不准确性。因此，考虑采用优化数据的处理方法，通过合适的算法处理使参数变化更明显、更精确，然后将其与实时控制相结合，以此达到良好的运行效果。

3.1 一阶导数算法

Claros 等［20］在采用SHARON 工艺处理模拟氨氮废水的试验中，采用pH控制好氧阶段与缺氧阶段的反应时间，同时将pH与时间曲线的斜率值引入控制系统中，作为反应进程结束的标志之一；此外，在外加有机碳源方面，采用ΔpH 与ORP 联合控制的方式优化碳源投加量，并且判断反硝化是否完全。Yang等［21］分别采用pH 与ORP 的斜率控制好氧阶段与缺氧阶段，结果表明运行稳定，N-NH4+处理效果较好，去除率基本达到100%。Yang 等［22］通过微分计算分析pH曲线与时间的相关性，同时开发出了一套完整的实时控制系统。将微分值与0 进行比较，在好氧阶段，当微分计算结果大于0 时，系统自动停止曝气，添加有机碳源；在缺氧阶段，当微分计算结果小于0时，系统停止搅拌，进入沉淀排水阶段。

3.2 一阶导数算法优化

根据对控制参数的研究，对试验监测数据进行算法优化设计。试验中，采用DO、ORP 一阶导数实时控制SBR，但是参数在监测过程中会被干扰，导致曲线不能够准确反映运行进程，如当水中气泡或者絮体撞击探头时，会造成一阶导数剧烈波动；试验后期，ORP一阶导数的波动性同样变大，这些干扰过大时会降低控制系统的有效性和处理效果。在以上问题基础上，课题后期展开对DO、ORP 一阶导数算法的优化。

通过数据拟合来优化算法，某一时刻点参数情况需要通过10 个数据点反映，以此来降低干扰程度。计算方法如下：将某一时刻点与其之前9 个时刻点拟合出一次函数曲线，该时刻点的一阶导数值用曲线斜率来表示，而非由相邻两点得到的斜率来表示一阶导数［23］，一阶导数算法优化示意如图2 所示。在传统算法中，当其中一点发生数值异常，其对斜率的影响非常大，会对参数产生干扰。采用10 个时刻点的算法，参照对10 个时刻点拟合曲线的斜率来代替该时刻点的一阶导数，即使其中一个时刻的数据点发生异常，也可以降低该数据点的干扰带来的不利影响，从而保证控制的准确性。

图2 一阶导数算法优化示意

本研究验证了优化算法的效果，选取稳定运行的一个周期，将两种算法中DO与ORP一阶导数数据情况进行对比，结果如图3、图4所示。在之前算法中所体现的情况为曲线波动频繁，存在多个变化点，容易受到干扰，ORP一阶导曲线受干扰尤为明显；在优化后的算法中，曲线波动幅度减小，更为平坦，特征峰值明显，降低了干扰，提高了控制的准确性。

图3 优化前DO与ORP一阶导数变化情况

图4 优算法的DO与ORP一阶导数变化情况

4 结语与展望

短程硝化-反硝化脱氮是目前较为新型的工艺，有很大的开发潜能和良好的经济效益。短程硝化工艺稳定运行需要对搅拌和曝气时间进行合理分配。利用包括pH、DO、ORP 等在线监测手段，可实现短程硝化-反硝化SBR的智能化运行，一方面可避免硝化阶段的过度曝气，有效抑制NOB 实现短程硝化；另一方面可有效缩短SBR 的运行周期，提高氨氮的处理负荷。

通过对相关运行参数的综合研究，本试验设计优化算法对监测数据进行处理；通过数据拟合来优化算法，将某一时刻点与其之前9 个时刻点拟合出一次函数曲线，用曲线斜率来表示该时刻点的一阶导数。通过对比可知，该优化算法能够降低干扰带来的不利影响，从而保证控制的准确性。该算法可通过中试研究，验证该系统在处理实际城市污水过程中的稳定性。