以DO、ORP、pH控制SBR法的脱氮过程

　　SBR法在处理水质水量变化很大的工业废水中已得到广泛应用，而且只要改变运行方式就可以实现同时去除有机物和脱氮除磷，但其运行操作复杂则影响了它的进一步推广应用。因此，实现SBR法的自动控制是进一步提高SBR法运行效率的关键，而传统的时间控制和流量控制很不经济，应用数学模型(ASM1，2，3)又因其太过复杂而难于付诸实践。模糊控制可以在模拟人脑思维的基础上，很好地解决大滞后、非线性生化反应器的实时控制问题，彭永臻曾对SBR法去除有机物［1～3］以及生物电极脱氮［4］进行了模糊控制研究，取得了满意的成果。在此基础上，为实现SBR法去除有机物和脱氮除磷的全面模糊控制，对SBR法降解有机物和在硝化、反硝化过程中DO、ORP和pH的变化规律进行了详细深入的研究。

　　1　试验材料和方法

　　试验装置如图1。反应器高为70 cm，直径为30 cm，总有效容积为38 L，采用鼓风曝气，用转子流量计调节曝气量。反应过程中在线检测DO、ORP、pH值，并根据DO、ORP、pH的变化在一定的时间内取样。检测分析项目有：CODCr(重铬酸钾法)，MLSS(滤纸重量法)，DO、温度(YSI MODEL 50B溶解氧测定仪)，ORP(American Sensor Incorporation生产的ORP复合电极)，pH(pHS—3C型精密酸度计)，SV%(100 mL量筒)，NO2-N［N-(1-萘基)-乙二胺光度法］，NO3-N(麝香草酚分光光度法)，NH3-N(纳氏试剂光度法)。

　　试验用水采用啤酒加适量自来水稀释(人工配制)，投加氯化铵(NH4Cl)和磷酸二氢钾(KH2PO4)作为氮源、磷源，投加碳酸氢钠(NaHCO3)调整pH。水温控制在30℃左右，恒定曝气量在0.8 m3/h。

　　为了实现生物脱氮，SBR反应器的运行方式为：瞬间进水，曝气(好氧降解有机物、硝化)，投加碳源搅拌(反硝化)，停止搅拌、短时间曝气吹脱N2。

　　试验方案：经过污泥驯化接种和培养，维持MLSS＝8 000 mg/L左右，长期维持进水混合液CODCr在300～330 mg/L左右，磷足量，投加碳酸氢钠调节pH在中性偏碱的范围之内；首先维持进水混合液NH3-N在一定的浓度下运行一定的周期数，此试验共进行了2个水平：80～85 mg/L，110～120 mg/L，考察不同进水混合液氨氮浓度情况下DO、ORP、pH的变化规律；然后模拟实际工程的进水水质冲击的情况，对这两种稳态分别进行了以4种不同进水混合液NH3-N浓度作为初始冲击氨氮浓度，验证硝化、反硝化过程的DO、ORP、pH的变化规律。

　　2　　试验结果与分析

　　2.1　ORP、DO、pH在一个反应周期中的变化规律

　　2.1.1　　ORP、DO的变化规律

　　选择进水混合液氨氮浓度为110～120 mg/L的典型图见图2、3。

　　由图3可知，DO、ORP曲线的特点及其原因是：在COD降解过程中，DO出现平台(0～25 min)，ORP也出现平台。这是因为在恒定曝气量的条件下，有机污染物被微生物不断地氧化降解，微生物降解有机物过程的OUR基本不变，所以DO出现平台。由ORP与DO的关系式(ORP=a+bln［O2］)可知：在DO出现平台的情况下，ORP也会出现平台，但ORP不只受DO影响，所以ORP的平台不如DO的平台那么明显。当COD降至难降解部分时(图2中的点A：第25 min)，DO突然迅速大幅上升，对应着ORP也大幅上升(图3中的点A)，这是因为COD降解至难降解部分时，异养菌无法再大量摄取有机物，造成供氧大大高于耗氧，所以会出现DO，ORP都迅速大幅度上升的现象。尔后，自养菌开始进行硝化反应，反应过程中ORP、DO不断上升直至硝化结束。在硝化反应结束时(图2中的点B：第150 min)，DO出现第二次跳跃或者是上升的速率加快(图3中的点B)，然后DO很快接近饱和值，如果继续曝气，DO就在这个高值处维持基本不变。DO出现第二次跳跃的原因是自养菌降解氨氮的过程已经结束，不再耗氧，而自养菌、异养菌内源呼吸耗氧又远远小于供氧，所以会出现DO的第二次跳跃；与之相对应，ORP并没有出现跳跃而是出现平台或者说基本不变化(图3中的点B)。在硝化过程中DO、ORP没有出现平台而是不断徐徐上升的原因则是：硝化细菌进行硝化反应的速率随着氨氮的降解不断减小，所以耗氧速率小于供氧速率，出现了DO、ORP都不断上升的现象。ORP在硝化反应的后半程上升得越来越慢以及并未像DO一样出现第二次跳跃的原因是：①DO绝对值较高，DO的微小变化并不会引起ORP的很大变化，即使DO出现跃升也并不足以引起ORP的再次跳跃。②硝化反应的不断进行使氨氮不断被氧化，由ORP的定义式可知，还原态物质的不断减少，相应产生的氧化态物质也不断减少，这也是引起ORP上升变缓的一个原因。③由于硝化反应的进行，产生了大量的亚硝态氮，这对生化反应起到了限制作用，因此硝化后期的反应速率小于反应初期速率。在反应的最后，DO维持恒定以及ORP基本不变的原因是由于内源呼吸过程的OUR基本不变。

　　结束曝气后投加原水，进行搅拌，系统进入反硝化阶段：ORP先是迅速下降，这是由于DO的迅速耗尽；在反硝化的过程中，ORP不断下降(但下降的速度越来越小)，这是因为氧化态的硝态氮被还原成氮气，整个反应器中的氧化还原电位不断降低；由于无氧呼吸即反硝化的进行，硝态氮不断减少，整个反应器中氧化还原状态的变化不如反硝化初期的变化幅度大，所以ORP的变化越来越小；当反硝化结束时(图2中点C)，ORP迅速下降，表现在曲线上为一拐点(图3中的点C)，这一拐点指示出系统缺氧呼吸过程的结束，分子态氧消失，系统进入厌氧状态，所以ORP会大幅度下降。

　　ORP在硝化反硝化的全过程都可以给出控制信号，而且在试验中发现ORP探头反应灵敏稳定。DO在结束曝气之后就迅速降至零左右，在反硝化过程中无法给出任何过程信息。

　　2.1.2pH的变化规律

　　pH曲线的特点是在COD降解过程中不断大幅度上升，这是因为：①异养微生物对有机底物的分解代谢和合成代谢的结果都要形成CO2，CO2溶解在水中导致pH下降，但是曝气不断地将产生的CO2吹脱，这就引起了pH不断地大幅上升；②好氧降解废水中的有机酸引起pH的不断上升。

　　当COD降解停止时(图2中的点A)，pH曲线出现转折点(图3中的点A)，开始不断下降，这是因为硝化反应过程中产生了H+。

　　pH的下降一直进行至硝化反应的停止或结束(图2中的点B)，然后pH会迅速上升，继而维持不变或在硝化反应结束时就基本维持不变(图3中的点B)。pH迅速上升的原因是因为碱度含量大于硝化所需，曝气吹脱了CO2；pH在硝化反应停止时就维持不变，是因为碱度不足或没有剩余。

　　反硝化过程中，pH先是持续大幅度上升，这是由于反硝化的过程中不断地产生碱度。在反硝化结束时(图2中的点C)，pH会突然下降，出现一个转折点(图3中的点C)，指示反硝化的结束，pH下降的原因是：反硝化过程结束后，系统进入厌氧状态，一部分兼性异养菌开始产酸发酵、放磷，所以会出现这个转折点。这个转折点在同时脱氮除磷的SBR生化反应器中不仅标志着反硝化的结束，也是厌氧发酵产酸进行磷的释放的标志。

　　2.2　　ORP、DO、pH导数图形分析

　　对应图2、3给出上述典型过程中ORP，DO，pH的导数图形(图4、5、6)。在图4中可以清楚地看到对应着COD降解的结束以及硝化反应的结束，ORP的突跃点(图4中点A)和平台出现的时间点(图4中点B)；在反硝化过程中，反硝化结束的时间可由ORP导数绝对值的突然增加(图4中点C)来轻松地判断。在图5中COD降解结束，开始硝化对应着的pH导数由正变负(图5中点A)，硝化的结束以及反硝化的结束分别对应着pH导数由负变正(图5中点B)和由正变负(图5中点C)。DO导数图形中对应着COD降解结束以及硝化反应的结束可见两个明显的突跃点(图6中点A，B)指示这两个反应的结束：DO导数图形中的第三个负值跳跃点是停止曝气、开始搅拌，反应器中DO浓度迅速减少所致。通过对这三个参数导数的分析，可知由ORP，DO，pH的特征点可以轻松实现降解有机物硝化反硝化的过程控制。