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1、ARTICLE IN PRESS Water Research 38 (2004) 3340-3348 SBR集成实时控制策略应用于养猪场废水脱氮处理中的研究Ju-Hyun Kima,*, Meixue Chenb, Naohiro Kishidac, Ryuichi Sudoa a Center for Environmental Science in Saitama, 914, Kamitanadare, Kisai, Saitama 347-0115, Japan b State Key Laboratory of Environmental Aquatic Chemistry, Res
2、earch Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, P.O. Box 2871, China c Department of Environmental Resources Engineering, Waseda University, 3-4-1 Okubo, Shinjuku-ku, Tokyo 1698555, Japan Received 7 May 2003; received in revised form 29 March 2004; accepted
3、11 May 2004 摘要新型的集成实时控制系统正在被设计和应用于水力负荷变化较大的养猪场废水处理。通过使用实时控制技术，以ORP和pH分别作为厌氧段和好氧段的控制参数，从而实现外加碳源的自动添加控制，使得整个处理系统正常运作。养猪场废水浓度变化幅度大、进水的有机物碳氮比率低是整个生物脱氮工艺的主要限制因素。因此，必须补充足够的碳源才能保证脱氮过程的正常运行。许多研究者对以猪粪便作为外加碳源以保证生物脱氮效果的可行性进行了探究。实时控制系统能够在进水负荷的循环变化过程中优化猪粪便的添加量。在应用了集成实时控制策略后，总碳和总氮的平均去除效率分别可达94%和96%之上。r 2004 Elsev
4、ier Ltd. All rights reserved. 关键词：脱氮；外加碳源；ORP实时控制；SBR；养猪废水1. 简介养猪场废水是向环境排放的主要氮污染源之一。传统生物脱氮处理主要由一些系列的硝化阶段和反硝化阶段所组成。养猪废水的浓度变化差别主要取决于不同的粪便处理方式，近年来以ORP和pH作为参数(Lo et al., 1994; Plisson-Saune et al., 1996; Chapentier et al., 1998; Fuerhacker et al., 2000)的实时控制系统来分别控制污水处理周期中好氧和缺氧阶段的SBR反应器来处理养猪废水受到了关注(Ra et
5、 al., 1998, 1999; Tilche et al., 2001)。但与传统的处理过程不同的是，使用ORP和pH作为控制参数进行实时控制的序批式反应器能够针对不同的处理情况如进水水力负荷和处理状况等进行自动调整。因而每个处理周期的水力停留时间是根据不同情况而变化的(Ra et al., 2000)。并且能够达到较高而稳定的氮去除效率(Ra et al., 1998; Cheng et al., 2000)。虽然基于ORP和pH的实时控制系统已经在不少 *Corresponding author. Tel.: +81-480-73-8369; fax: +81-480-70-2031.
6、E-mail address: a1098356pref.saitama.jp (J.-H. Kim).养猪废水处理系统中得到应用，但是至今，这个系统还难以称之为成功，由于研究者所得到的特定ORP和pH研究数据主要都是来源于完整的硝化和反硝化过程并且集中于好氧阶段的控制(Ra et al., 1998; Cheng et al., 2000)。但事实上，由这些特定的ORP和pH数据得出的控制点通常难以在使用驯化后的硝酸盐污泥作为处理单元的系统中再现(Kim and Hao, 2001; Kishida et al., 2003)。 生物脱氮过程只在异养细菌有可利用的碳源时才会发生，因而若不补充
7、充分的有机碳源，低碳氮比废水将限制整体生物脱氮的效果。不少研究者都提出可使用发酵养猪粪便或者活性污泥作为SBR反应器中脱氮过程的电子受体，研究结果也得出这样的外加碳源对加强SBR的处理效果是具有可行性的。但是常由于过量添加反应过程中所需碳源而导致处理成本的增加。因此外加碳源的添加量必须与废水的水质水量波动相适应。0043-1354/$ - see front matter r 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved. doi:10.1016/j.watres.2004.05.006 ARTICLE IN PRESS J.-H. Kim et al. / W
8、ater Research 38 (2004) 3340-33483341本研究的主要目的就是建立养猪场废水的集成处理系统和操作策略以适应不同负荷的变化。特别对于氮碳比较低的负荷周期，系统也能够优化外加碳源的添加量以加强脱氮和去除废水中污染物的效果。因此，作者研究了养猪粪便作为外加碳源的脱氮效果并决定了其添加的脉冲模型。作为补充，作者也评价了以ORP和pH作为实时控制参数的实际可行性。可对养猪场废水连续处理，并具有实时控制和脉冲输入控制集成策略的SBR反应器被设计出来并进行实际运转。2.试验方法2.1.序批式反应器与操作策略SBR反应器试验装置见图1。水温维持在232。反应器由树脂玻璃构成，工
9、作容量为9L，内置机械搅拌器。气体由通风装置提供，通过置于反应器底部的砂滤多孔石进入反应器。反应器有五个反应阶段：进水阶段、缺氧阶段、好氧阶段、污泥沉淀阶段以及出水阶段。缺氧和好氧的时间由计算机根据过程变量控制，而进水阶段、污泥沉淀阶段和撇水阶段分别设定在5、55、5分钟。每个周期的废水进水量为0.3L。ORP，pH和DO传感器设置在SBR反应器内部。输出信号直接由电脑接收。进水泵、出水泵、曝气装置、搅拌器以及粪便泵由电缆相连的继电器控制。本次试验将由高碳氮比进水负荷开始，该进水取于仅格栅处理后的废水。实验中，在一周的运行之后，使用了浮动进水持续运行了8个月。一旦进水碳源不充分，猪场粪便将作为
10、外加碳源添加到SBR反应器中以保证脱氮过程正常运行。以简易自动控制为目的，猪场粪便的脉冲输入模式被用于补充外加碳源。在低碳氮负荷的进水周期中，溶解的猪场粪便由脉冲计量泵以每次脉冲1g，脉冲间隔10min的运行方式抽入SBR反应器中。一旦添加的猪繼電器匣(開/ 關)场废物的量不足以维持脱氮过程运行，则下一次添加周期就会开始，而到达指示脱氮过程结束的硝酸盐膝时，添加过程就会结束。因此，利用脉冲输入模式，能够较简便的达到猪场粪便添加量与废水波动性相适应的状态。2.2. 养猪场废水、粪便与污泥本研究使用的污水取自日本埼玉县的一个当地农场。而高碳氮比和低碳氮比的废水分别来自混凝处理前后，并轮流在试验中使
11、用。原始废水的碳氮比由于粪便和尿液的分别放置而显著的改变。废水中的总碳/总氮的比例在0.45-1.53之间，要求在4左右储存。猪场粪便也取自同一农场。在使用之前，使用了网孔直径为0.5mm的网筛以截留较大的固体颗粒，并用自来水稀释，作为外加碳源。稀释后的粪便特性见表1。混合液体悬浮固体（MLSS）的平均浓度保持在7000mg/L左右。当MLSS的浓度超过8000mg/L时，将抽出一部分污泥。在试验阶段，平均泥龄（SRT）为32天。表 1稀释猪场粪便特性参数平均值最小值-最大值标准偏差mgL-1(n 15)TOC26,16711,410-55,64017,010BOD590,28046,370-
12、172,20031,850TN45292418-68821741TP26001500-3810821TSS917240-395043,720PC輸入/輸出卡實時監測pH和ORP的動態變化參數值出水 糞便 進水ORP傳感器pH 傳感器DO傳感器空氣SBR 出水桶曝氣器砂滤多孔石Fig. 1. 具有實時控制策略的SBR反應器工作原理圖 ARTICLE IN PRESS 3342J.-H. Kim et al. / Water Research 38 (2004) 3340-33482.3.取样及分析方法常规化验参数包括TOC、BOD5、总氮(TN)、NH4-N、NO3-N、NO2-N、总磷(TP)
13、、PO4-P、MLSS、MLVSS以及总悬浮颗粒(TSS)。覆盖全过程的径迹分析主要在高负荷和低负荷段. 混合样品取自径迹分析期间。对 NH4-N、NO3-N 以及 NO2-N的分析分别取自每一次的径迹分析。 BOD5、 TSS、MLSS以及MLVSS 的分析标准采用美国公共卫生协会标准, 1995。The NH4-N、NO3-N、NO2-N以及PO4-P 由离子色谱仪分析检测(Yokogawa IC 7000)。总碳由Shimadzu 总碳分析仪测定(TOC 5000)。TN 和 TP由总氮和总磷分析仪测定 (TN-30, TP-30, Mitsu-bishi Chemical Corp)。
14、3.结果及讨论3.1高碳氮比负荷周期实时控制点在高碳氮比负荷周期，采用以ORP以及pH作为缺氧阶段和好氧阶段控制参数的实时控制技术，在处理过程无外加碳源的情况下脱氮段仍有效运转。在高碳氮比负荷运转初期，出水稳定并且处理效果优良。在图2中的A点是设置进水点，5分钟之后缺氧段开始。从污染物数据中可得出，在75分钟内NO3-N被还原为NO2-N并且最终完全被还原为氮气 。B点是ORP曲线上的硝酸盐膝，代表了硝酸盐已被完全去除。据报道，在脱氮完成后硫酸盐的量开始减少，并且因此导致了ORP的突然下(Poisson - Sauna et al., 1996)。C点标志了好氧阶段的开始。pH曲线的初始上升阶
15、段是由于系统在缺氧阶段开始释放二氧化碳和消耗挥发性脂肪酸(Ra et al., 1998)。在好氧的条件下，NH4-N随时间减少。氨由于硝化反应而转化，硝酸盐浓度则随时间上升。由于系统中的氨被除去pH的下降。E点标志了硝化过程的结束即氨低谷。在硝化过程中，NH4-N 转化为NO3-N，如方程式(1) and (2) (EPA, 1975)所示。 在硝酸铵氧化过程中需要一定的碱度（1mg的氨氮需要7.14mg碳酸钙碱）。在硝化过程中碱性物质的减少和酸性物质的产生降低了pH。当氨完全被除去时标志着废水中碱性物质消耗的结束。3.2在低碳氮负荷周期中的实时控制点在低碳氮负荷周期中控制点的选定对于集成控制策略来说非常重要。低碳氮负荷进水负荷的径迹分析见图3。A点是缺氧阶段的开始。由污染物数据可得，来自于好氧阶段硝化反应的NO3-N利用进水提供的碳源进行缓慢的脱氮反应。在2小时后，由于进水并没有提供充分的碳源，反硝化过程并没有反应充分。S点，开始添加粪便，在脉冲式添加粪便后，反硝化反应继续进行，其速率显著上升。在第一次添加粪便
