CSTR 厭氧反應器中pH 值控制的優化設計及應用

潘龍(眾一伍德工程有限公司，上海 200540)

0 引言

pH 值是廢水厭氧處理最重要的影響因素之一，大量研究結果和實際運行數據表明，厭氧反應需要一個相對穩定的pH值范圍。不同的厭氧微生物類群適宜pH 值范圍各不相同，水解菌和產酸細菌具有較大范圍的適應性，一般在pH值為5.0～8.5范圍生長良好；產甲烷細菌對pH 較敏感，其適應范圍較窄，一般認為最適宜的pH 值是6.5～7.5 之間，這也是通常情況下厭氧處理所控制的pH 范圍。實際工程中，通常采用酸堿投加和出水回流兩種方法來控制調節pH 值，本設計在此基礎上結合PLC 控制技術，對pH 控制系統進行了優化。

1 pH 值控制設計

1.1 設計條件

某食品公司生產過程中產生高濃度有機廢水，該廢水具有高COD、高油脂、高SS 和pH 波動較大等特性，采用CSTR(連續攪拌槽反應器)厭氧工藝對其進行生化預處理。設計處理量為200 m3/d，設計進水COD 為16 000 mg/L，設計水溫30 ℃，水力停留時間為9 d[1]。

1.2 工藝流程設計

CSTR 處理工藝流程如圖1 所示。

工藝流程說明：

(1)廢水經調理后(酸堿初調，降低對厭氧系統沖擊)，進入CSTR 厭氧反應器，在厭氧微生物作用下，有機物被降解成沼氣；出水經平衡管溢流至沉淀池，進沉淀池前設置pH 計(PH1)監測CSTR 出水pH 值；

(2)平衡管底部設置回流管道接循環泵進口，循環泵設計流量為進水流量2 倍，實際運行流量根據FT 設定變頻調節。泵進口設置氫氧化鈉加藥管線，泵出口設置pH 計(PH2)，該循環管線主要用于CSTR 反應器的堿度補充[2]；

圖1 CSTR厭氧工藝流程圖

(3)在厭氧沉淀池進行泥水分離后，上清液溢流至后續處理單元，污泥回流至CSTR 反應器中，設計流量為進水流量1 倍；

(4)采用氫氧化鈉作為堿度調節藥劑，由加藥泵投加至循環管線上，并根據PH2 目標值進行自動變頻控制[3]。

1.3 控制設定

對CSTR 厭氧反應器出水pH 計(PH1)和循環管線PH 計(PH2)進行如下設定(如表1 所示)。

通過對工藝流程進行分析，可以發現厭氧出水PH1 和循環管線上的堿度投加之間具有反向調節關系，加藥泵將氫氧化鈉加入循環管線中來實現堿度補充，并以PH2 的目標值T2為依據進行自動變頻投加。為實現PH1、PH2 和加藥泵之間的控制功能，建立PH2的目標值T2和PH1的顯示值D1的線性關系，如表2 所示。

表1 pH計設定

表2 目標值T2與顯示值D1的函數關系

其中氫氧化鈉加藥泵啟停條件設定：

當D1≤ S11+0.1時，氫氧化鈉加藥泵啟動，并根據目標值T2變頻運行；

當 D1≥ S12?0.1時，氫氧化鈉加藥泵停止。

上述控制過程在共軛酸堿的緩沖作用下，使PH1 顯示值D1 變化極為緩慢，同時加藥泵根據PH2 目標值T2進行連續投加，而最終實現動態平衡，使厭氧反應器內pH 值趨于穩定[4]。

1.4 控制邏輯設計

結合上述控制設定，厭氧系統pH 控制邏輯設計如圖2 所示。

利用PLC 編程技術，將上述設定和控制邏輯編入系統，實現pH 控制系統自動運行。

2 分析及結論

2.1 模擬計算分析

厭氧系統中pH 值由酸堿緩沖體系所控制，而構成該體系主要以CO2溶解形成的碳酸氫鹽緩沖系統為主，因此厭氧系統中pH 值主要是碳酸氫鹽濃度的函數。根據碳酸氫鹽緩沖系統的計算方法，在設定表1 中S11=6.5，S12=7.5，S21=7.5，S22=8.0的情況下，對PH1 的顯示值D1在6.5～7.5 區間內進行模擬計算(計算時，CSTR 中沼氣的CO2體積分數按30%計，且不考慮循環管線中氣相CO2溶解平衡的影響)，計算結果如表3所示。

圖2 厭氧系統pH控制邏輯圖

表3 D1在區間范圍內模擬計算結果

從表3 的計算結果可以看出，循環管線補充堿度C1-C0與PH1 顯示值D1在6.5～7.5 的區間內具有連續遞減關系，從而證實了利用D1來調節堿度補充量是可以實現的[5]。

2.2 結論

(1)優化設計后的pH 控制系統可根據出水pH 值反饋自行調節，解決了CSTR 厭氧反應器pH 調節不穩的問題，圖3 是從監控和數據采集系統(SCADA)中導出的pH 值運行趨勢曲線圖。

從圖3、圖4 可以看出， 4 天和24 h 的連續運行的趨勢曲線均非常平穩，說明優化pH 控制系統后，自動運行下補充堿度與厭氧反應消耗堿度形成了動態平衡，使CSTR 厭氧反應器內pH 值趨于穩定[6]。

(2)從一年多的運行記錄來看，優化后pH 控制系統在總負荷的60%～120%范圍內具有較好的調節效果。極端情況下負荷出現大幅波動時，可通過修改S22的設定值進行調節。

圖3 CSTR出水pH值趨勢曲線(4d)

圖4 CSTR出水pH值趨勢曲線(24 h)

(3)CSTR 出水和循環管線的pH 計探頭均安裝于污水中，容易受到污堵而造成測量偏差，建議實際應用中配置pH 計自動沖洗模塊或制定人工清洗維護的操作規程。