DO、pH和ORP在A/DAT-IAT工艺中的应用

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简介： 本论文介绍当前废水处理厂控制发展的历程，并提出了DO、pH和ORP在A/DAT-IAT工艺中的应用具有很大的优势。
关键字：A/DAT-IAT工艺 自动控制 DO pH ORP

20世纪60年代末，世界各国主要侧重于发展城市供水，而污水处理厂处于分散式的小型化状态。由于当初对废水处理水质要求不高，废水处理控制主要是人工操作运行管理，仪器仪表也比较简单。70年代，随着工业化的发展和人民生活水平的提高，严重的水质污染事件层出不穷，废水处理分散处理逐渐向集中处理方向发展，其规模和技术控制要求越来越高。以美国为主一些发达国家开始实现污水处理厂自动控制。80年代，由于电子技术和计算机技术的发展和应用，水处理机械、仪器仪表和自动化控制得到了快速发展。我国污水厂自动控制运用比较晚，直到90年代才从发达国家引入自动控制系统，成套的自动控制设备基本从发达国家进口，国产自动控制设备在污水厂运用较少。目前水处理自动化控制趋于成熟，水处理仪器仪表含有各种各样检测、转换、显示、调解、执行等部件，使得水工业机械及仪表控制达到了转换程序控制、联锁保护、自动冲洗、信息传输、遥测遥控、数据处理以及自寻故障诊断，耐用性以及适应性能满足自动化控制的需要。

　　以时间作为过程控制参数操作污水处理厂的运行，由于进水量有较大的变化，在进水量小时曝气过度易于造成能源浪费，在进水量大时废水还没有处理好就被排放了，出水水质无法得到保证。目前大多数研究人员使用DO、ORP（Oxidation-Reduction Potential）和pH值这些价格便宜、精度高，又便于与计算机接口的仪器来实现废水生物处理的自动控制。李探微[54]等学者以DO作为废水处理控制参数研究了DO浓度变化与进水浓度、曝气量、污泥浓度的关系。试验结果表明:进水浓度高,需氧量大,反应时间长；供气量大,有机物降解快,反应时间短;污泥浓度(MLSS)高，有机物降解快,反应时间短。而以上废水处理过程的特征都可以由反应器中DO的变化来反映，采用DO的在线检测来作为SBR的废水处理过程和终点控制参数是可行的。但是DO只适应于好氧过程控制，而pH和ORP在好氧、缺氧、厌氧条件下都可应用。Ju-Hyun Kim等研究了SBR法处理啤酒废水，并运用了在线检测系统，以ORP和pH为参数控制好氧和厌氧阶段，根据ORP和pH参数变化来调节外加碳源，提高了生物脱氮率，取得了94%的COD去除率和96%的脱氮率。高景峰和彭永臻等对SBR脱氮过程中应用ORP、DO和pH值控制曝气。结果表明，ORP和pH值的转折点在硝化和反硝化过程作用非常大。对A/DAT-IAT系统缺氧和好氧交替的脱氮工艺控制更为复杂，有必要利用现代先进控制技术来控制其反应过程，在今后的试验里可以进一步探讨DO、ORP和pH为过程控制参数，实现计算机在线监控。

　　智能控制主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。模糊控制、神经控制、专家控制等是智能控制的几个主要分支，在军事、医学以及太空探索等领域已经应用了这些智能控制技术。由于智能控制系统具有学习、自适应和自组织功能，特别适用于复杂的废水处理的动态过程控制。因此，近些年来，智能控制在美国、欧洲、日本的给水、废水生物处理、废水的物化处理中都有典型的成功应用，并在不断发展。

　　1．DO控制现状及应用

　　常用的DO传感器是膜传感器，它的电极由阴极（金或铂）和阳极（银）构成，电极浸没于电解质（如KCl）中，隔膜将电极和电解质与被测量的液体分开，当阳极和阴极之间通以约800mV的电压时，在阳极和阴极之间产生电流，该电流和水中的DO成正比，测出该电流就可以知道水中溶解氧的含量。

　　近年来，在废水处理领域中有许多对DO进行监控的研究。青岛海泊河污水处理厂在曝气池工艺段采用以DO为目标值的控制，它是用空气阀门和鼓风机导叶片角度结合方式进行曝气量的优化控制，在确保氧转化效率的前提下最大可能地节约能耗。控制DO主要有两个意义，一是废水处理过程中水量、COD浓度是不断变化的，需氧量也随之变化。因此需要控制曝气池中的供氧量，以保证满足微生物生长对DO的需要；二是能耗在废水处理成本中占有很大的比重，通过控制DO浓度可以尽可能节省运行费用。此外还可避免过度曝气引起微生物老化、污泥结构松散导致出水水质变坏。

　　DO对A/DAT-IAT工艺的控制主要是对DAT池和IAT池中的曝气量控制。曝气池中DO浓度变化与多种因素有关，进水量、进水水质和污泥浓度等都可以使池中DO浓度变化。其中，对本工艺的控制主要表现在以下两个方面：⑴DAT池设定最高DO浓度2.5mg/L和最低DO浓度1.5mg/L。当DAT池中COD、NH3-N浓度较低时，DO浓度上升偏离最高值，则减少曝气量或者加大进水量；当DAT池中COD、NH3-N浓度较高时，DO浓度下降偏离最低值，则加大曝气或者减少进水流量。⑵IAT池中COD、NH3-N浓度相对较低，需氧量明显小于DAT池，对其DO的控制对减少运行费用意义重大。当IAT池中DO浓度快速下降且下降幅度较大，说明进水COD、NH3-N浓度较高，可以在一定程度减少进水COD或者NH3-N浓度，增加水力停留时间。

　　2．pH控制现状及应用

　　大多数微生物都有自己适宜的生长pH值范围，pH值过低或者过高对微生物生长都不利，一般pH在6.5～7.5之间最适宜的。对于生物脱氮系统，反硝化是产碱反应，硝化是耗碱反应，而硝化菌对pH值非常敏感，维持硝化池中pH稳定对提高硝化反应和保证出水达标排放具有重大意义。由于生物脱氮系统中废水中的pH值不断变化，因此在SBR法中通过pH值来控制生物脱氮的自动控制已有报道。在A/DAT-IAT工艺中，缺氧池发生反硝化反应，pH值上升，若反硝化碳源不足时pH值上升速度明显下降，依此可以控制外加碳源的投加量。

　　目前，pH值的测定采用电位测定法，应用最广泛的是玻璃电极，国际上先进的pH值传感器采用差分式五线制电极，双电桥结构，大幅度减少了污染的影响，且易于置换，其温度传感器和前置放大器均集成于传感器内，避免了温度引起的误差。

　　3．ORP控制现状及应用

　　20世纪40年代初已开发出实用ORP监测电极并开始应用于废水生物处理中曝气量的控制。然而，当开发出有效的DO传感器后，操作员对ORP监控失去了兴趣，因为ORP作为一个环境变量，其监测结果相对难以合理解释。直到最近生物脱氮除磷成为热点后人们才对ORP的研究和应用又产生了兴趣，因为DO传感器在生物脱氮除磷工艺的缺氧和厌氧区无法发挥作用，而ORP等常规的相对简单的传感器可为过程控制和状态评估提供有用的信息，而且成本很低。

　　ORP值与活性污泥法中的生物化学反应释放的能量有关。因此ORP值随电子受体(氧、硝酸盐和硫酸盐等)及反应物和产物的浓度而增减,然而这种变化与浓度不成比例,而与浓度的对数成比例。大量的试验和实际运行考察表明,ORP与NOX、磷、NH3-N之间存在良好的相关关系。一些研究者提出了基于ORP绝对值或探测ORP曲线拐点的控制方式,其他人则倾向于用ORP联合时间设定以及DO、pH等控制曝气时间、优化ORP值下限以判断有机负荷和脱氮涉及的微生物增殖能力。

　　ORP值的变化规律可用于优化硝化和反硝化周期以保证脱氮，对有机物的浓度变化作出响应，在强还原性有机物开始将硫酸盐还原成硫化物以前启动鼓风机以防止H2S的释放，防止生物除磷系统出现NO3－-N，还可以帮助向活性污泥中投加用于特殊处理的化学药剂(如投加铁盐除磷、向回流污泥中投氯以防止和抑制污泥膨胀等)。ORP信号变化还可以判断处理厂的非正常运行工况,如曝气装置故障、冲击负荷等。目前，ORP已经成功地用于SBR等交替好氧—缺氧工艺脱氮中的曝气和搅拌时间控制。A/DAT-IAT工艺属于新发展起来的工艺，由于它的特殊结构和运行方式在有机物降解的同时可实现脱氮除磷的要求。而在脱氮除磷过程中需要强调缺氧区和好氧区的合理利用，在这种情况下DO基本没有用，ORP与氮循环的不同反应联系起来，特别是在硝化和反硝化阶段，ORP有重要的指示作用。

　　利用在线检测DO、ORP参数实时优化调节DAT池和IAT池的曝气量，节约能耗；并通过监测各个池中的pH值可以给出体系的碱度条件是否适宜以及pH值是否有利于微生物生长，并通过调整回流比、HRT、进水量等维持各个池子处在最佳的pH值，保证硝化反硝化的正常进行，使工艺长期稳定运行，保证了出水水质。