DO、pH和ORP在A/DAT-IAT工藝中的應(yīng)用

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簡(jiǎn)介： 本論文介紹當(dāng)前廢水處理廠控制發(fā)展的歷程，并提出了DO、pH和ORP在A/DAT-IAT工藝中的應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵字：A/DAT-IAT工藝 自動(dòng)控制 DO pH ORP

20世紀(jì)60年代末，世界各國(guó)主要側(cè)重于發(fā)展城市供水，而污水處理廠處于分散式的小型化狀態(tài)。由于當(dāng)初對(duì)廢水處理水質(zhì)要求不高，廢水處理控制主要是人工操作運(yùn)行管理，儀器儀表也比較簡(jiǎn)單。70年代，隨著工業(yè)化的發(fā)展和人民生活水平的提高，嚴(yán)重的水質(zhì)污染事件層出不窮，廢水處理分散處理逐漸向集中處理方向發(fā)展，其規(guī)模和技術(shù)控制要求越來(lái)越高。以美國(guó)為主一些發(fā)達(dá)國(guó)家開始實(shí)現(xiàn)污水處理廠自動(dòng)控制。80年代，由于電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，水處理機(jī)械、儀器儀表和自動(dòng)化控制得到了快速發(fā)展。我國(guó)污水廠自動(dòng)控制運(yùn)用比較晚，直到90年代才從發(fā)達(dá)國(guó)家引入自動(dòng)控制系統(tǒng)，成套的自動(dòng)控制設(shè)備基本從發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)自動(dòng)控制設(shè)備在污水廠運(yùn)用較少。目前水處理自動(dòng)化控制趨于成熟，水處理儀器儀表含有各種各樣檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、顯示、調(diào)解、執(zhí)行等部件，使得水工業(yè)機(jī)械及儀表控制達(dá)到了轉(zhuǎn)換程序控制、聯(lián)鎖保護(hù)、自動(dòng)沖洗、信息傳輸、遙測(cè)遙控、數(shù)據(jù)處理以及自尋故障診斷，耐用性以及適應(yīng)性能滿足自動(dòng)化控制的需要。

　　以時(shí)間作為過(guò)程控制參數(shù)操作污水處理廠的運(yùn)行，由于進(jìn)水量有較大的變化，在進(jìn)水量小時(shí)曝氣過(guò)度易于造成能源浪費(fèi)，在進(jìn)水量大時(shí)廢水還沒有處理好就被排放了，出水水質(zhì)無(wú)法得到保證。目前大多數(shù)研究人員使用DO、ORP（Oxidation-Reduction Potential）和pH值這些價(jià)格便宜、精度高，又便于與計(jì)算機(jī)接口的儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)廢水生物處理的自動(dòng)控制。李探微[54]等學(xué)者以DO作為廢水處理控制參數(shù)研究了DO濃度變化與進(jìn)水濃度、曝氣量、污泥濃度的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明:進(jìn)水濃度高,需氧量大,反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)；供氣量大,有機(jī)物降解快,反應(yīng)時(shí)間短;污泥濃度(MLSS)高，有機(jī)物降解快,反應(yīng)時(shí)間短。而以上廢水處理過(guò)程的特征都可以由反應(yīng)器中DO的變化來(lái)反映，采用DO的在線檢測(cè)來(lái)作為SBR的廢水處理過(guò)程和終點(diǎn)控制參數(shù)是可行的。但是DO只適應(yīng)于好氧過(guò)程控制，而pH和ORP在好氧、缺氧、厭氧條件下都可應(yīng)用。Ju-Hyun Kim等研究了SBR法處理啤酒廢水，并運(yùn)用了在線檢測(cè)系統(tǒng)，以O(shè)RP和pH為參數(shù)控制好氧和厭氧階段，根據(jù)ORP和pH參數(shù)變化來(lái)調(diào)節(jié)外加碳源，提高了生物脫氮率，取得了94%的COD去除率和96%的脫氮率。高景峰和彭永臻等對(duì)SBR脫氮過(guò)程中應(yīng)用ORP、DO和pH值控制曝氣。結(jié)果表明，ORP和pH值的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在硝化和反硝化過(guò)程作用非常大。對(duì)A/DAT-IAT系統(tǒng)缺氧和好氧交替的脫氮工藝控制更為復(fù)雜，有必要利用現(xiàn)代先進(jìn)控制技術(shù)來(lái)控制其反應(yīng)過(guò)程，在今后的試驗(yàn)里可以進(jìn)一步探討DO、ORP和pH為過(guò)程控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在線監(jiān)控。

　　智能控制主要用來(lái)解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題。模糊控制、神經(jīng)控制、專家控制等是智能控制的幾個(gè)主要分支，在軍事、醫(yī)學(xué)以及太空探索等領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用了這些智能控制技術(shù)。由于智能控制系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和自組織功能，特別適用于復(fù)雜的廢水處理的動(dòng)態(tài)過(guò)程控制。因此，近些年來(lái)，智能控制在美國(guó)、歐洲、日本的給水、廢水生物處理、廢水的物化處理中都有典型的成功應(yīng)用，并在不斷發(fā)展。

　　1．DO控制現(xiàn)狀及應(yīng)用

　　常用的DO傳感器是膜傳感器，它的電極由陰極（金或鉑）和陽(yáng)極（銀）構(gòu)成，電極浸沒于電解質(zhì)（如KCl）中，隔膜將電極和電解質(zhì)與被測(cè)量的液體分開，當(dāng)陽(yáng)極和陰極之間通以約800mV的電壓時(shí)，在陽(yáng)極和陰極之間產(chǎn)生電流，該電流和水中的DO成正比，測(cè)出該電流就可以知道水中溶解氧的含量。

　　近年來(lái)，在廢水處理領(lǐng)域中有許多對(duì)DO進(jìn)行監(jiān)控的研究。青島海泊河污水處理廠在曝氣池工藝段采用以DO為目標(biāo)值的控制，它是用空氣閥門和鼓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉片角度結(jié)合方式進(jìn)行曝氣量的優(yōu)化控制，在確保氧轉(zhuǎn)化效率的前提下最大可能地節(jié)約能耗?？刂艱O主要有兩個(gè)意義，一是廢水處理過(guò)程中水量、COD濃度是不斷變化的，需氧量也隨之變化。因此需要控制曝氣池中的供氧量，以保證滿足微生物生長(zhǎng)對(duì)DO的需要；二是能耗在廢水處理成本中占有很大的比重，通過(guò)控制DO濃度可以盡可能節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。此外還可避免過(guò)度曝氣引起微生物老化、污泥結(jié)構(gòu)松散導(dǎo)致出水水質(zhì)變壞。

　　DO對(duì)A/DAT-IAT工藝的控制主要是對(duì)DAT池和IAT池中的曝氣量控制。曝氣池中DO濃度變化與多種因素有關(guān)，進(jìn)水量、進(jìn)水水質(zhì)和污泥濃度等都可以使池中DO濃度變化。其中，對(duì)本工藝的控制主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：⑴DAT池設(shè)定最高DO濃度2.5mg/L和最低DO濃度1.5mg/L。當(dāng)DAT池中COD、NH3-N濃度較低時(shí)，DO濃度上升偏離最高值，則減少曝氣量或者加大進(jìn)水量；當(dāng)DAT池中COD、NH3-N濃度較高時(shí)，DO濃度下降偏離最低值，則加大曝氣或者減少進(jìn)水流量。⑵IAT池中COD、NH3-N濃度相對(duì)較低，需氧量明顯小于DAT池，對(duì)其DO的控制對(duì)減少運(yùn)行費(fèi)用意義重大。當(dāng)IAT池中DO濃度快速下降且下降幅度較大，說(shuō)明進(jìn)水COD、NH3-N濃度較高，可以在一定程度減少進(jìn)水COD或者NH3-N濃度，增加水力停留時(shí)間。

　　2．pH控制現(xiàn)狀及應(yīng)用

　　大多數(shù)微生物都有自己適宜的生長(zhǎng)pH值范圍，pH值過(guò)低或者過(guò)高對(duì)微生物生長(zhǎng)都不利，一般pH在6.5～7.5之間最適宜的。對(duì)于生物脫氮系統(tǒng)，反硝化是產(chǎn)堿反應(yīng)，硝化是耗堿反應(yīng)，而硝化菌對(duì)pH值非常敏感，維持硝化池中pH穩(wěn)定對(duì)提高硝化反應(yīng)和保證出水達(dá)標(biāo)排放具有重大意義。由于生物脫氮系統(tǒng)中廢水中的pH值不斷變化，因此在SBR法中通過(guò)pH值來(lái)控制生物脫氮的自動(dòng)控制已有報(bào)道。在A/DAT-IAT工藝中，缺氧池發(fā)生反硝化反應(yīng)，pH值上升，若反硝化碳源不足時(shí)pH值上升速度明顯下降，依此可以控制外加碳源的投加量。

　　目前，pH值的測(cè)定采用電位測(cè)定法，應(yīng)用最廣泛的是玻璃電極，國(guó)際上先進(jìn)的pH值傳感器采用差分式五線制電極，雙電橋結(jié)構(gòu)，大幅度減少了污染的影響，且易于置換，其溫度傳感器和前置放大器均集成于傳感器內(nèi)，避免了溫度引起的誤差。

　　3．ORP控制現(xiàn)狀及應(yīng)用

　　20世紀(jì)40年代初已開發(fā)出實(shí)用ORP監(jiān)測(cè)電極并開始應(yīng)用于廢水生物處理中曝氣量的控制。然而，當(dāng)開發(fā)出有效的DO傳感器后，操作員對(duì)ORP監(jiān)控失去了興趣，因?yàn)镺RP作為一個(gè)環(huán)境變量，其監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)難以合理解釋。直到最近生物脫氮除磷成為熱點(diǎn)后人們才對(duì)ORP的研究和應(yīng)用又產(chǎn)生了興趣，因?yàn)镈O傳感器在生物脫氮除磷工藝的缺氧和厭氧區(qū)無(wú)法發(fā)揮作用，而ORP等常規(guī)的相對(duì)簡(jiǎn)單的傳感器可為過(guò)程控制和狀態(tài)評(píng)估提供有用的信息，而且成本很低。

　　ORP值與活性污泥法中的生物化學(xué)反應(yīng)釋放的能量有關(guān)。因此ORP值隨電子受體(氧、硝酸鹽和硫酸鹽等)及反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度而增減,然而這種變化與濃度不成比例,而與濃度的對(duì)數(shù)成比例。大量的試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行考察表明,ORP與NOX、磷、NH3-N之間存在良好的相關(guān)關(guān)系。一些研究者提出了基于ORP絕對(duì)值或探測(cè)ORP曲線拐點(diǎn)的控制方式,其他人則傾向于用ORP聯(lián)合時(shí)間設(shè)定以及DO、pH等控制曝氣時(shí)間、優(yōu)化ORP值下限以判斷有機(jī)負(fù)荷和脫氮涉及的微生物增殖能力。

　　ORP值的變化規(guī)律可用于優(yōu)化硝化和反硝化周期以保證脫氮，對(duì)有機(jī)物的濃度變化作出響應(yīng)，在強(qiáng)還原性有機(jī)物開始將硫酸鹽還原成硫化物以前啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)以防止H2S的釋放，防止生物除磷系統(tǒng)出現(xiàn)NO3－-N，還可以幫助向活性污泥中投加用于特殊處理的化學(xué)藥劑(如投加鐵鹽除磷、向回流污泥中投氯以防止和抑制污泥膨脹等)。ORP信號(hào)變化還可以判斷處理廠的非正常運(yùn)行工況,如曝氣裝置故障、沖擊負(fù)荷等。目前，ORP已經(jīng)成功地用于SBR等交替好氧—缺氧工藝脫氮中的曝氣和攪拌時(shí)間控制。A/DAT-IAT工藝屬于新發(fā)展起來(lái)的工藝，由于它的特殊結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式在有機(jī)物降解的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)脫氮除磷的要求。而在脫氮除磷過(guò)程中需要強(qiáng)調(diào)缺氧區(qū)和好氧區(qū)的合理利用，在這種情況下DO基本沒有用，ORP與氮循環(huán)的不同反應(yīng)聯(lián)系起來(lái)，特別是在硝化和反硝化階段，ORP有重要的指示作用。

　　利用在線檢測(cè)DO、ORP參數(shù)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)節(jié)DAT池和IAT池的曝氣量，節(jié)約能耗；并通過(guò)監(jiān)測(cè)各個(gè)池中的pH值可以給出體系的堿度條件是否適宜以及pH值是否有利于微生物生長(zhǎng)，并通過(guò)調(diào)整回流比、HRT、進(jìn)水量等維持各個(gè)池子處在最佳的pH值，保證硝化反硝化的正常進(jìn)行，使工藝長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，保證了出水水質(zhì)。