DO、pH和ORP在A/DAT-IAT工藝中的應用

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簡介： 本論文介紹當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工藝中的應用具有很大的優(yōu)勢。
關鍵字：A/DAT-IAT工藝 自動控制 DO pH ORP

20世紀60年代末，世界各國主要側(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)。由于當初對廢水處理水質(zhì)要求不高，廢水處理控制主要是人工操作運行管理，儀器儀表也比較簡單。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)模和技術控制要求越來越高。以美國為主一些發(fā)達國家開始實現(xiàn)污水處理廠自動控制。80年代，由于電子技術和計算機技術的發(fā)展和應用，水處理機械、儀器儀表和自動化控制得到了快速發(fā)展。我國污水廠自動控制運用比較晚，直到90年代才從發(fā)達國家引入自動控制系統(tǒng)，成套的自動控制設備基本從發(fā)達國家進口，國產(chǎn)自動控制設備在污水廠運用較少。目前水處理自動化控制趨于成熟，水處理儀器儀表含有各種各樣檢測、轉(zhuǎn)換、顯示、調(diào)解、執(zhí)行等部件，使得水工業(yè)機械及儀表控制達到了轉(zhuǎn)換程序控制、聯(lián)鎖保護、自動沖洗、信息傳輸、遙測遙控、數(shù)據(jù)處理以及自尋故障診斷，耐用性以及適應性能滿足自動化控制的需要。

　　以時間作為過程控制參數(shù)操作污水處理廠的運行，由于進水量有較大的變化，在進水量小時曝氣過度易于造成能源浪費，在進水量大時廢水還沒有處理好就被排放了，出水水質(zhì)無法得到保證。目前大多數(shù)研究人員使用DO、ORP（Oxidation-Reduction Potential）和pH值這些價格便宜、精度高，又便于與計算機接口的儀器來實現(xiàn)廢水生物處理的自動控制。李探微[54]等學者以DO作為廢水處理控制參數(shù)研究了DO濃度變化與進水濃度、曝氣量、污泥濃度的關系。試驗結(jié)果表明:進水濃度高,需氧量大,反應時間長；供氣量大,有機物降解快,反應時間短;污泥濃度(MLSS)高，有機物降解快,反應時間短。而以上廢水處理過程的特征都可以由反應器中DO的變化來反映，采用DO的在線檢測來作為SBR的廢水處理過程和終點控制參數(shù)是可行的。但是DO只適應于好氧過程控制，而pH和ORP在好氧、缺氧、厭氧條件下都可應用。Ju-Hyun Kim等研究了SBR法處理啤酒廢水，并運用了在線檢測系統(tǒng)，以ORP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SBR脫氮過程中應用ORP、DO和pH值控制曝氣。結(jié)果表明，ORP和pH值的轉(zhuǎn)折點在硝化和反硝化過程作用非常大。對A/DAT-IAT系統(tǒng)缺氧和好氧交替的脫氮工藝控制更為復雜，有必要利用現(xiàn)代先進控制技術來控制其反應過程，在今后的試驗里可以進一步探討DO、ORP和pH為過程控制參數(shù)，實現(xiàn)計算機在線監(jiān)控。

　　智能控制主要用來解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復雜系統(tǒng)的控制問題。模糊控制、神經(jīng)控制、專家控制等是智能控制的幾個主要分支，在軍事、醫(yī)學以及太空探索等領域已經(jīng)應用了這些智能控制技術。由于智能控制系統(tǒng)具有學習、自適應和自組織功能，特別適用于復雜的廢水處理的動態(tài)過程控制。因此，近些年來，智能控制在美國、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用，并在不斷發(fā)展。

　　1．DO控制現(xiàn)狀及應用

　　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)與被測量的液體分開，當陽極和陰極之間通以約800mV的電壓時，在陽極和陰極之間產(chǎn)生電流，該電流和水中的DO成正比，測出該電流就可以知道水中溶解氧的含量。

　　近年來，在廢水處理領域中有許多對DO進行監(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為目標值的控制，它是用空氣閥門和鼓風機導葉片角度結(jié)合方式進行曝氣量的優(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主要有兩個意義，一是廢水處理過程中水量、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對DO的需要；二是能耗在廢水處理成本中占有很大的比重，通過控制DO濃度可以盡可能節(jié)省運行費用。此外還可避免過度曝氣引起微生物老化、污泥結(jié)構(gòu)松散導致出水水質(zhì)變壞。

　　DO對A/DAT-IAT工藝的控制主要是對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，進水量、進水水質(zhì)和污泥濃度等都可以使池中DO濃度變化。其中，對本工藝的控制主要表現(xiàn)在以下兩個方面：⑴DAT池設定最高DO濃度2.5mg/L和最低DO濃度1.5mg/L。當DAT池中COD、NH3-N濃度較低時，DO濃度上升偏離最高值，則減少曝氣量或者加大進水量；當DAT池中COD、NH3-N濃度較高時，DO濃度下降偏離最低值，則加大曝氣或者減少進水流量。⑵IAT池中COD、NH3-N濃度相對較低，需氧量明顯小于DAT池，對其DO的控制對減少運行費用意義重大。當IAT池中DO濃度快速下降且下降幅度較大，說明進水COD、NH3-N濃度較高，可以在一定程度減少進水COD或者NH3-N濃度，增加水力停留時間。

　　2．pH控制現(xiàn)狀及應用

　　大多數(shù)微生物都有自己適宜的生長pH值范圍，pH值過低或者過高對微生物生長都不利，一般pH在6.5～7.5之間最適宜的。對于生物脫氮系統(tǒng)，反硝化是產(chǎn)堿反應，硝化是耗堿反應，而硝化菌對pH值非常敏感，維持硝化池中pH穩(wěn)定對提高硝化反應和保證出水達標排放具有重大意義。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pH值來控制生物脫氮的自動控制已有報道。在A/DAT-IAT工藝中，缺氧池發(fā)生反硝化反應，pH值上升，若反硝化碳源不足時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值的測定采用電位測定法，應用最廣泛的是玻璃電極，國際上先進的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)狀及應用

　　20世紀40年代初已開發(fā)出實用ORP監(jiān)測電極并開始應用于廢水生物處理中曝氣量的控制。然而，當開發(fā)出有效的DO傳感器后，操作員對ORP監(jiān)控失去了興趣，因為ORP作為一個環(huán)境變量，其監(jiān)測結(jié)果相對難以合理解釋。直到最近生物脫氮除磷成為熱點后人們才對ORP的研究和應用又產(chǎn)生了興趣，因為DO傳感器在生物脫氮除磷工藝的缺氧和厭氧區(qū)無法發(fā)揮作用，而ORP等常規(guī)的相對簡單的傳感器可為過程控制和狀態(tài)評估提供有用的信息，而且成本很低。

　　ORP值與活性污泥法中的生物化學反應釋放的能量有關。因此ORP值隨電子受體(氧、硝酸鹽和硫酸鹽等)及反應物和產(chǎn)物的濃度而增減,然而這種變化與濃度不成比例,而與濃度的對數(shù)成比例。大量的試驗和實際運行考察表明,ORP與NOX、磷、NH3-N之間存在良好的相關關系。一些研究者提出了基于ORP絕對值或探測ORP曲線拐點的控制方式,其他人則傾向于用ORP聯(lián)合時間設定以及DO、pH等控制曝氣時間、優(yōu)化ORP值下限以判斷有機負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，對有機物的濃度變化作出響應，在強還原性有機物開始將硫酸鹽還原成硫化物以前啟動鼓風機以防止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信號變化還可以判斷處理廠的非正常運行工況,如曝氣裝置故障、沖擊負荷等。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間控制。A/DAT-IAT工藝屬于新發(fā)展起來的工藝，由于它的特殊結(jié)構(gòu)和運行方式在有機物降解的同時可實現(xiàn)脫氮除磷的要求。而在脫氮除磷過程中需要強調(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)的不同反應聯(lián)系起來，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DO、ORP參數(shù)實時優(yōu)化調(diào)節(jié)DAT池和IAT池的曝氣量，節(jié)約能耗；并通過監(jiān)測各個池中的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，并通過調(diào)整回流比、HRT、進水量等維持各個池子處在最佳的pH值，保證硝化反硝化的正常進行，使工藝長期穩(wěn)定運行，保證了出水水質(zhì)。