基于在線監(jiān)測技術(shù)的短程硝化控制技術(shù)研究進(jìn)展

王藝涵 姚 遠(yuǎn) 吳朕君,2

（1.河南工業(yè)大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院，河南 鄭州 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 鄭州 450001）

0 引言

市政污水和工業(yè)廢水中含有大量含氮污染物（氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮），直接排放將造成水體氮污染，進(jìn)而造成水體黑臭。當(dāng)前，以A2/O、氧化溝和SBR衍生的幾種傳統(tǒng)生物脫氮工藝（CASS、CAST、UNITANK等）［1］，均是通過好氧硝化和缺氧反硝化作用將硝態(tài)氮還原為氮?dú)猓瑢崿F(xiàn)含氮污水脫氮。此過程需消耗大量電能和有機(jī)碳源，并且由于微生物的生長產(chǎn)生大量剩余污泥，處置不當(dāng)易造成二次污染［2］。此外，大多生活污水中的C/N比值為4～5，若采用傳統(tǒng)方式，易出現(xiàn)水中碳源不滿足反硝化去除效率的情況，因此在污水生物脫氮領(lǐng)域急需一種低能耗、高效率的工藝。短程硝化-反硝化作為一種新型的脫氮工藝，在處理低C/N 的污水中具有減少曝氣量、節(jié)省碳源、脫氮效率高等優(yōu)勢。

1 短程硝化-反硝化

短程硝化-反硝化（Nitritation-Denitrification，ND）技術(shù)是在傳統(tǒng)硝化-反硝化技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的新型脫氮工藝。1975 年，Ganigué 等［3］發(fā)現(xiàn)了硝化階段存在N-NO2-積累的現(xiàn)象，并首次提出了短程硝化-反硝化的概念。短程硝化運(yùn)行的原理是通過利用AOB 與NOB 生理特性的差異，創(chuàng)造適宜AOB 富集、抑制NOB 的環(huán)境，從而使硝化反應(yīng)停留在亞硝化階段。當(dāng)N-NO2-大量積累停止曝氣時，將會進(jìn)行以N-NO2-為電子受體的反硝化，以此來完成脫氮。與傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝相比，短程硝化-反硝化工藝可節(jié)省25%的曝氣量與40%的有機(jī)碳源投加量，同時CO2減排20%，污泥產(chǎn)量減少30%，反硝化速率也是傳統(tǒng)工藝的1.5～2倍［4］。

2 短程硝化的控制

研究發(fā)現(xiàn)，在試驗和工程中應(yīng)用短程硝化-反硝化技術(shù)，亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的存在導(dǎo)致亞硝態(tài)氮被氧化為硝態(tài)氮，進(jìn)而影響亞硝態(tài)氮的積累，最終導(dǎo)致短程硝化啟動和運(yùn)行的失敗。研究證明，脫氮體系若采用高溫（＞30 ℃）、低溶解氧（DO＜1 mg/L）、高pH（pH＞7.5）、短污泥齡（SRT=14 d）、高游離氨（FA＞1 mg NH3/L）等條件，可有效抑制NOB 的生長［5］。目前針對短程硝化工藝普遍采用固定時間運(yùn)行，但是該控制手段存在的最突出問題是曝氣和攪拌時間分配不合理，不能隨著水質(zhì)條件和反應(yīng)工況的變化進(jìn)行調(diào)整，這將影響硝化和反硝化的脫氮效率。

目前針對短程硝化工藝的控制優(yōu)化問題，已有研究利用脫氮過程的pH、DO、ORP 等在線監(jiān)測數(shù)據(jù)作為工藝過程的實時控制參數(shù)。Lackner 等［6］利用pH和ORP作為控制參數(shù)實現(xiàn)短程硝化-反硝化的啟動，亞硝酸鹽積累率達(dá)到96%以上。Wu 等［7］利用DO、pH 和ORP 控制交替好氧缺氧條件下的短程硝化-反硝化的運(yùn)行，利用DO、pH 曲線的躍升點(diǎn)和ORP曲線上的拐點(diǎn)達(dá)到了實時控制反應(yīng)的目的。但是由于實際操作條件和進(jìn)水條件的變化，直接運(yùn)用參數(shù)的絕對值作為控制參數(shù)會產(chǎn)生信號漂移，不能穩(wěn)定控制。有許多學(xué)者提出了運(yùn)用特定的參數(shù)模式實時控制反應(yīng)的想法。

針對SBR污水生物脫氮工藝的在線監(jiān)測控制技術(shù)，國內(nèi)外開展了各種研究，研究結(jié)果證明DO、pH、ORP 等在線監(jiān)測手段可以用于SBR 運(yùn)行的在線監(jiān)測。這些參數(shù)的變化曲線與短程硝化-反硝化脫氮工藝運(yùn)行過程存在良好的相關(guān)性，在每個階段運(yùn)行結(jié)束時，這些控制參數(shù)的變化曲線上都會出現(xiàn)明顯的特征點(diǎn)，可以根據(jù)特征點(diǎn)的出現(xiàn)及曲線的波動情況對污水處理進(jìn)行實時控制［8］，并且信號響應(yīng)時間短、精度高。

2.1 pH作為控制參數(shù)的研究

對短程硝化-反硝化脫氮過程的反應(yīng)機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，生化反應(yīng)會引起反應(yīng)體系的pH上下浮動。硝化反應(yīng)會產(chǎn)生H+消耗堿度，且H+主要在亞硝化階段產(chǎn)生，在此過程中體系的pH 會降低；反硝化反應(yīng)會產(chǎn)生堿度使體系的pH 升高。因此，pH 的變化特征可用于指示短程硝化-反硝化的脫氮進(jìn)程。

Claros 等［9］研究發(fā)現(xiàn)可以通過pH 來控制SBR 的運(yùn)行，氨氮被AOB 氧化為亞硝態(tài)氮的過程中，會產(chǎn)生大量的H+，造成SBR 內(nèi)pH 的急劇降低。同時在反硝化階段，硝態(tài)氮被反硝化菌還原為氮?dú)獾倪^程中又會產(chǎn)生OH-，在反硝化階段會造成反應(yīng)器內(nèi)pH的急劇升高。因此，可根據(jù)pH變化的信號來控制工藝過程。

李津青等［10］研究了pH 在生物脫氮除磷過程中的變化特征，試驗數(shù)據(jù)表明，在好氧硝化、厭氧釋磷和好氧吸磷的終點(diǎn)，pH 曲線呈現(xiàn)明顯的特征點(diǎn)，并通過試驗驗證了pH 作為實時控制參數(shù)的可靠性。Pocquet 等［11］在處理廢水和污泥消化液過程中開展了pH作為控制參數(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)硝化和反硝化終點(diǎn)與pH曲線的兩個特征點(diǎn)存在一致性，并開發(fā)了利用pH 絕對值控制硝化和反硝化的周期，又深入研究了采用pH 的一階導(dǎo)數(shù)控制硝化與反硝化終點(diǎn)的可行性。為了解決連續(xù)流生物脫氮工藝的控制問題，Li等［12］在連續(xù)流A/O 工藝中研究了在線監(jiān)測信號與脫氮過程的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)pH 一階導(dǎo)數(shù)的變化特征和ORP的突變點(diǎn)可用于判斷A/O系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)程。

2.2 DO作為控制參數(shù)的研究

參與硝化階段的AOB 和NOB 均為好氧細(xì)菌，且AOB 的氧飽和系數(shù)低于NOB，因此水中的溶解氧對這兩種微生物的新陳代謝起著關(guān)鍵作用，可以通過控制脫氮系統(tǒng)內(nèi)較低的DO 濃度，實現(xiàn)對NOB 的抑制。Vázquez-Padín 等［13］發(fā)現(xiàn)溶解氧可以作為控制參數(shù)來控制SBR反應(yīng)器的運(yùn)行狀態(tài)。這是由于在短程硝化過程中，AOB 在好氧硝化階段將氨氮氧化為亞硝態(tài)氮，需要消耗SBR 中的溶解氧。隨著反應(yīng)器中氨氮濃度的下降，AOB降解氨氮的速率降低，消耗溶解氧的速率同樣在降低，就會造成反應(yīng)器中溶解氧的積累。因此，在短程硝化過程后期，反應(yīng)器中的溶解氧會急劇上升。

彭永臻等［14］研究了pH與DO在短程硝化過程中的變化規(guī)律，結(jié)果表明在N-NH4+氧化結(jié)束時，pH 曲線上會出現(xiàn)一個明顯的拐點(diǎn)，此時DO曲線出現(xiàn)突躍點(diǎn)。此研究中采用DO 和pH 的聯(lián)合控制方法，可實現(xiàn)N-NH4+的完全氧化，并抑制NOB 的生長，實現(xiàn)短程硝化脫氮工藝的啟動和穩(wěn)定運(yùn)行。Chang 等［15］采用基于DO 在線反饋、N-NH4+與DO 實時監(jiān)測控制方法，研究同步硝化-反硝化中引入實時控制曝氣策略的可行性。脫氮反應(yīng)器維持較低的溶解氧，可使反應(yīng)器內(nèi)生物膜的表層維持AOB 氧化氨氮所需的溶解氧，同時有利于絮體中形成缺氧環(huán)境，為反硝化菌提供缺氧環(huán)境。經(jīng)驗證，這兩種控制策略都可以使出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，并且在一定程度上減少能耗。Tang等［16］研究發(fā)現(xiàn)，在利用DO 實時控制運(yùn)行SBR 反應(yīng)器中可實現(xiàn)短程硝化，并且在高DO（3 mg/L）或是低DO（0.5 mg/L）條件下都可以實現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，均實現(xiàn)了亞硝酸鹽積累率達(dá)到90%以上。但是低DO 條件下更有利于形成同步硝化-反硝化，同步硝化-反硝化率最高可達(dá)到86%。

2.3 ORP作為控制參數(shù)的研究

對于生物脫氮過程，ORP 可以作為反映生物脫氮系統(tǒng)氧化還原狀態(tài)的綜合指標(biāo)。在低溶解氧的條件下，溶解氧的變化幅度較小，利用溶解氧作為控制手段較難實現(xiàn)。Zhao等［17］發(fā)現(xiàn)氧化還原電位（ORP）與溶解氧存在相關(guān)性，而且ORP 在低溶解氧條件下的變化幅度依然很大，精確度比使用溶解氧要高，因此可以通過ORP 來控制SBR 的運(yùn)行過程，如圖1 所示。Zhang 等［18］研究了硝化-反硝化過程中ORP 的變化規(guī)律，結(jié)果顯示在整個反應(yīng)周期的ORP 曲線上，“前置反硝化階段累積氨氮消耗終點(diǎn)、缺氧階段的開始和厭氧階段的出現(xiàn)”在ORP 曲線上會出現(xiàn)對應(yīng)的三個拐點(diǎn)，因此可通過監(jiān)測ORP 曲線對脫氮過程進(jìn)行實時控制。Layera 等［19］在低DO、低負(fù)荷的連續(xù)流中進(jìn)行研究，ORP 的絕對值可反映出水水質(zhì)情況。ORP 低于250 mV 情況下，幾乎不存在硝化反應(yīng)；ORP為250 mV左右時，會進(jìn)行同步硝化-反硝化反應(yīng)；ORP 大于250 mV 情況下，硝化反應(yīng)是主導(dǎo)反應(yīng)，反硝化反應(yīng)幾乎不存在。

圖1 氧化還原電位與溶解氧的關(guān)系

3 現(xiàn)階段實時控制需解決的問題

目前生物脫氮的實時控制仍處于研究試用階段，沒有大規(guī)模投入到實際應(yīng)用中，污水處理廠仍多為人工操作，此方法成本高、操作煩瑣，因此深入研究生物脫氮的實時控制方法、控制參數(shù)、參數(shù)計算及控制，將其廣泛引入到實際污水處理工程應(yīng)用中具有很大的發(fā)展前景。污水實時控制方法可在實際應(yīng)用中利用，但是直接采用pH、DO、ORP 作為控制參數(shù)會使數(shù)據(jù)存在不穩(wěn)定性和不準(zhǔn)確性。因此，考慮采用優(yōu)化數(shù)據(jù)的處理方法，通過合適的算法處理使參數(shù)變化更明顯、更精確，然后將其與實時控制相結(jié)合，以此達(dá)到良好的運(yùn)行效果。

3.1 一階導(dǎo)數(shù)算法

Claros 等［20］在采用SHARON 工藝處理模擬氨氮廢水的試驗中，采用pH控制好氧階段與缺氧階段的反應(yīng)時間，同時將pH與時間曲線的斜率值引入控制系統(tǒng)中，作為反應(yīng)進(jìn)程結(jié)束的標(biāo)志之一；此外，在外加有機(jī)碳源方面，采用ΔpH 與ORP 聯(lián)合控制的方式優(yōu)化碳源投加量，并且判斷反硝化是否完全。Yang等［21］分別采用pH 與ORP 的斜率控制好氧階段與缺氧階段，結(jié)果表明運(yùn)行穩(wěn)定，N-NH4+處理效果較好，去除率基本達(dá)到100%。Yang 等［22］通過微分計算分析pH曲線與時間的相關(guān)性，同時開發(fā)出了一套完整的實時控制系統(tǒng)。將微分值與0 進(jìn)行比較，在好氧階段，當(dāng)微分計算結(jié)果大于0 時，系統(tǒng)自動停止曝氣，添加有機(jī)碳源；在缺氧階段，當(dāng)微分計算結(jié)果小于0時，系統(tǒng)停止攪拌，進(jìn)入沉淀排水階段。

3.2 一階導(dǎo)數(shù)算法優(yōu)化

根據(jù)對控制參數(shù)的研究，對試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行算法優(yōu)化設(shè)計。試驗中，采用DO、ORP 一階導(dǎo)數(shù)實時控制SBR，但是參數(shù)在監(jiān)測過程中會被干擾，導(dǎo)致曲線不能夠準(zhǔn)確反映運(yùn)行進(jìn)程，如當(dāng)水中氣泡或者絮體撞擊探頭時，會造成一階導(dǎo)數(shù)劇烈波動；試驗后期，ORP一階導(dǎo)數(shù)的波動性同樣變大，這些干擾過大時會降低控制系統(tǒng)的有效性和處理效果。在以上問題基礎(chǔ)上，課題后期展開對DO、ORP 一階導(dǎo)數(shù)算法的優(yōu)化。

通過數(shù)據(jù)擬合來優(yōu)化算法，某一時刻點(diǎn)參數(shù)情況需要通過10 個數(shù)據(jù)點(diǎn)反映，以此來降低干擾程度。計算方法如下：將某一時刻點(diǎn)與其之前9 個時刻點(diǎn)擬合出一次函數(shù)曲線，該時刻點(diǎn)的一階導(dǎo)數(shù)值用曲線斜率來表示，而非由相鄰兩點(diǎn)得到的斜率來表示一階導(dǎo)數(shù)［23］，一階導(dǎo)數(shù)算法優(yōu)化示意如圖2 所示。在傳統(tǒng)算法中，當(dāng)其中一點(diǎn)發(fā)生數(shù)值異常，其對斜率的影響非常大，會對參數(shù)產(chǎn)生干擾。采用10 個時刻點(diǎn)的算法，參照對10 個時刻點(diǎn)擬合曲線的斜率來代替該時刻點(diǎn)的一階導(dǎo)數(shù)，即使其中一個時刻的數(shù)據(jù)點(diǎn)發(fā)生異常，也可以降低該數(shù)據(jù)點(diǎn)的干擾帶來的不利影響，從而保證控制的準(zhǔn)確性。

圖2 一階導(dǎo)數(shù)算法優(yōu)化示意

本研究驗證了優(yōu)化算法的效果，選取穩(wěn)定運(yùn)行的一個周期，將兩種算法中DO與ORP一階導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)情況進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3、圖4所示。在之前算法中所體現(xiàn)的情況為曲線波動頻繁，存在多個變化點(diǎn)，容易受到干擾，ORP一階導(dǎo)曲線受干擾尤為明顯；在優(yōu)化后的算法中，曲線波動幅度減小，更為平坦，特征峰值明顯，降低了干擾，提高了控制的準(zhǔn)確性。

圖3 優(yōu)化前DO與ORP一階導(dǎo)數(shù)變化情況

圖4 優(yōu)算法的DO與ORP一階導(dǎo)數(shù)變化情況

4 結(jié)語與展望

短程硝化-反硝化脫氮是目前較為新型的工藝，有很大的開發(fā)潛能和良好的經(jīng)濟(jì)效益。短程硝化工藝穩(wěn)定運(yùn)行需要對攪拌和曝氣時間進(jìn)行合理分配。利用包括pH、DO、ORP 等在線監(jiān)測手段，可實現(xiàn)短程硝化-反硝化SBR的智能化運(yùn)行，一方面可避免硝化階段的過度曝氣，有效抑制NOB 實現(xiàn)短程硝化；另一方面可有效縮短SBR 的運(yùn)行周期，提高氨氮的處理負(fù)荷。

通過對相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的綜合研究，本試驗設(shè)計優(yōu)化算法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；通過數(shù)據(jù)擬合來優(yōu)化算法，將某一時刻點(diǎn)與其之前9 個時刻點(diǎn)擬合出一次函數(shù)曲線，用曲線斜率來表示該時刻點(diǎn)的一階導(dǎo)數(shù)。通過對比可知，該優(yōu)化算法能夠降低干擾帶來的不利影響，從而保證控制的準(zhǔn)確性。該算法可通過中試研究，驗證該系統(tǒng)在處理實際城市污水過程中的穩(wěn)定性。