SBR法处理豆制品废水过程中ORP与COD的相关性

S BR 法处理豆制品废水过程中OR P 与COD 的相关性

*

高大文 彭永臻 王淑莹

提要 采用SBR 法处理豆制品废水时,为获得准确反映有机物降解情况的控制参数,进行了反应过程中ORP 变化与COD 降解程度的相关性试验研究。结果表明,无论改变曝气量还是初始M LSS 浓度,以及增加或减少进水COD 浓度,反应过程中ORP 的变化与COD 的降解程度均具有很好的相关性。在降解COD 过程中,ORP 变化曲线出现两个特征点,一个特征点为ORP 凹点(最小值),它表示反应器中大部分COD 已被降解;另一个特征点为ORP 平台,表示COD 达到难降解程度。此外,不同进水COD 浓度使得ORP 曲线凹点出现的时间不同,以此可以预测进水COD 浓度,为实现曝气量和曝气时间的在线模糊控制奠定理论基础。

关键词 SBR 法 ORP COD 模糊控制*国家自然科学基金重点资助项目(50138010)部分内容。

0 概述

SBR 法是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术,近年来,国内外对SBR 法研究结果表明,该法具有工艺简单、费用低、运行管理灵活、耐冲击负荷、占地面积少和不易发生污泥膨胀等优点[3]。但是,由于SBR 法运行管理复杂,使其普及受到限制。为充分发挥SBR 法的优势,只有实现SBR 法自动控制。然而,传统的SBR 法自控是按时间实现过程控制,即分配不同的时间给SBR 法的5个阶段。这显然不合理,因无论是生活污水还是工业废水,所排放废水的水量和水质都随时间波动很大。因此,在没有开发出在线测定有机物浓度的传感器之前,探索研究能间接反映SBR 反应器中有机物降解程度的计算机控制参数意义重大。

在生物处理系统中,往往同时进行着大量的生化反应,是一个相当复杂的体系,所以该系统的氧化还原电位(ORP)是多种氧化物质与还原物质进行氧化还原反应的综合结果。来自污水和由细菌代谢作用产生的许多氧化还原物质也对ORP 有影响,因此,生物处理中的氧化还原反应有的可能达到平衡,有的可能未达到平衡,这时对生物处理系统而言,ORP 已不再是一个热力学平衡概念,也不能作为某种氧化物和还原物的浓度指标,但它对整个系统的

氧化还原状态给出一个综合指标,这为讨论ORP 与生化反应进程的相关关系提供了理论依据。本研究

正是基于这一理论基础,探索研究SBR 反应器中ORP 的变化与有机物降解程度的相关性,进而提出利用ORP 作为SBR 法反应时间的控制参数,实现SBR 法处理豆制品废水的自动控制。1 试验材料与方法

本研究采用的试验装置为SBR 反应器,见图1。反应器为圆柱形,底部呈圆锥体,高70cm,直径30cm,总有效容积38L 。以粘砂块作为微孔曝气头,采用鼓风曝气,转子流量计调节曝气量;用温度传感器在线监测反应器内水温的变化;用YSI-50B 型DO 仪和具有Ag /AgCl 复合电极的ORP 仪分别在线测定反应阶段的DO 浓度和ORP 值,并根据反应阶段DO 和ORP 值的变化逐时取样测定COD,NH 3-N,MLSS 等指标。文中给出的试验结果都是经过几个运行周期试验得出重现性很好的试验数据。

试验用废水均取自某豆腐厂的泡豆水,废水中有机物浓度波动较大,其COD 在500~3200mg/L 之间。为便于试验研究,有时在实际废水中加一定量自来水,配成所需的进水浓度。试验采用进水结束后立即开始曝气,反应结束后沉淀1h,然后排水、闲置、进入下一个周期。

试验中所采用的分析方法均按照国家环境保护局发布的标准方法[4]。

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1温度控制仪 2温度传感器 3DO测定仪 4DO传感器5ORP测定仪 6ORP传感器 7搅拌器 8取样口

9压缩空气 10转子流量计 11曝气器 12排泥管

图1 SBR试验系统与控制示意

2 结果与讨论

为了寻找ORP变化与COD降解的相关性,本研究探讨了曝气量、初始污泥浓度和进水COD对ORP与COD相关性的影响,确定利用ORP作为反应器内COD降解程度的间接控制参数的可行性,进而利用ORP控制曝气时间,以便在保证处理水质的同时,尽可能减少运行费用,防止污泥膨胀。

2 1 一个反应周期中ORP与COD的变化规律

在进行SBR法处理豆制品废水试验时,选择进水COD为500~520mg/L,污泥浓度为5000mg/L 左右,曝气量为0 8m3/h。运行一定时间后,进行ORP在线测定,并根据ORP变化,每隔一定时间间隔采样测定反应器内COD,pH和混合液污泥(M LSS)等指标。图2中绘出了一个反应周期中ORP和COD的变化规律。由图2可以看出,反应初始阶段,ORP大幅下降,到30min时,ORP达到最小值,随后ORP开始缓慢上升,并且上升速率越来越小,到120min时,ORP几乎不再变化,出现平台;与ORP变化相对应,在反应初始阶段,COD大幅度下降,反应30min时,COD去除率在80%以上,随后COD降解速度减慢,可以认为COD达到了难降解程度。从图中我们清楚地看到,ORP达到最小值时,反应器中残余的COD为初始COD的20%以上。随着ORP上升速度减慢,COD的降解速度也减慢,两者吻合得很好。因此,可以推论,反应器内ORP的变化与COD的降解程度具有相关性。

污水生物处理过程中最基本的反应是微生物的合成和呼吸活动,可简单用以下方程式表达[5]

:

图2 一个反应周期中ORP与COD的变化规律

合成反应A red-H=A ox+m CO2+n H++n e(1)呼吸反应

n

4

O2+n H++n e=

n

2

H2O(2)式中A red-H 微生物进行合成代谢所利用的有

机物;

A ox 新合成的细胞物质。

以上反应的平衡氧化还原电位可以用能斯特方程来表示:

E h(1)=E0h(1)+

RT

nF ln

[A ox][CO2]m[H+]n

[A red-H](3)

E h(2)=E0h(2)+

RT

nF

ln

[O2]n/4[H+]n

[H2O]n/2

(4)式中E h(1) 合成反应的平衡氧化还原电位,mV;

E0h(1) 合成反应的标准氧化还原电位,mV;

E h(2) 呼吸反应的平衡氧化还原电位,mV;

E0h(2) 呼吸反应的标准氧化还原电位,mV;

R 气体常数;

T 绝对温度;

F 法拉第常数;

n 参加反应的电子数。

当反应处于平衡状态时:

E h=E h(1)=E h(2)=

1

2

E0h(1)+E0h(2)+

RT

nF

ln

[A ox][CO2]m[H+]2n[O2]n/4

[A red-H][H2O]n/2

(5) 公式(5)描述了好氧微生物在平衡状态下的ORP。

在应用SBR法处理豆制品废水时,其反应初始阶段,主要是微生物对有机物的吸附,该阶段很少合

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成新细胞物质,即使有新细胞合成,也占极少数。因此,在整个吸附阶段,主要以呼吸作用为主,从公式(5)可以得出,随着吸附作用的进行,ORP 逐渐减少,这就解释了图2中ORP 曲线下降的原因。随着反应的进行,微生物开始利用被它吸附的有机物,这包括新细胞的合成和氧化为无机物质,同样根据公式(5),随着曝气时间的延长,ORP 不断增长。当有机物达到难降解程度,反应器内溶解氧浓度趋于稳定,有机物降解的耗氧速率也接近零,由此带来了氧化还原反应减弱,致使ORP 变化趋于平稳,出现平台。因此,在生物处理系统中,可以利用ORP 间接表示有机物的降解程度。

从前面的试验,我们了解到,采用SBR 法处理豆制品废水,反应器中ORP 的变化与COD 的降解程度具有相关性,并且从理论上初步探讨了这种相关性,为了进一步探讨这种相关性是否受曝气量、污泥浓度和进水COD 浓度的影响,开展了如下试验。2 2 不同曝气量对ORP 和COD 相关性的影响

试验选择反应初始混合液COD 为550mg /L 左右,初始M LSS 为4000mg /L 左右,在初始M LSS 和COD 一定的情况下,研究不同曝气量对ORP 和COD 相关性的影响,所选曝气量为0 8m 3/h 和1 0m 3/h 。在给定的曝气量下运行一定的周期,系统稳定后,进行ORP 在线测定,试验结果见图3

。

图3 不同曝气量下ORP 与COD 的相关性

试验结果表明,不同曝气量对ORP 的变化趋势没有影响,ORP 的变化仍与COD 有较好的相关性。随着曝气量的增大,ORP 达到最小值的时间缩短;同时,ORP 的凹点增高。这是因为,曝气量越大,反

应器内活性污泥与废水达到完全混合所需的时间越短,微生物对有机物的吸附也就越快,因而在反应初始阶段,反应器内残留的有机物越少。另外,曝气量越大,反应初期的供氧速率越大,使得有机物达到难降解程度的时间缩短,导致ORP 的凹点提前,进而使凹值升高。从图3我们还可以看出,两种曝气量对有机物的去除,只在反应的初始阶段存在差异,即曝气量越大,COD 降解得越快;在反应后期,COD 的降解趋势基本相同,即反应器中COD 达到100mg/L 以下的时间均为60m in 左右。因此,在实践中,并不能盲目认为曝气量越大,降解有机物越彻底,所需曝气时间越短。SBR 法的能耗主要由反应阶段决定,而反应阶段的能耗主要取决于曝气量和曝气时间,因此从节约能源考虑,选择合适的曝气量和曝气时间至关重要。

2 3 不同进水COD 对ORP 与COD 相关性的影响

控制曝气量为0 8m 3/h,初始M LSS 为5000~5300mg/L 的条件下,改变不同进水混合液COD,考察进水COD 对反应器内ORP 与COD 相关性的影响。本研究选择三种进水COD 情况进行试验,分别为500~520mg/L,750~760mg/L,1550~1600mg/L 。在给定的曝气量和初始MLSS 下,进行一定周期的运行,测定反应过程中ORP 的变化,试验结果见图4

。

图4 不同进水COD 浓度下ORP 与COD 的相关性

从图4可以看出,反应过程中ORP 与COD 的变化规律与前面结果相同,即进水COD 并没有影响

反应器中ORP 的变化与COD 降解的相关性。在同

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一曝气量下,进水COD 越高,反应过程中出现ORP 最小值的时间越长,不仅如此,随着进水COD 增大,ORP 的凹点逐渐下降,并且凹带增长,标志着反应器内氧化还原反应趋于平衡。随后ORP 开始上升,最后出现平台,此时反应器中COD 达到难降解程度。因此,在相同曝气量和初始M LSS 下,反应器内ORP 凹点出现的快慢间接反映出进水COD 的大小,并可根据ORP 的上升速度判断反应器中COD 的降解情况。为了节约能源,还可根据ORP 凹点调节曝气量,根据ORP 的上升速度判断曝气时间。2 4 不同污泥浓度对ORP 与COD 相关性的影响

在SBR 法的实际运行中,反应器内M LSS 浓度的大小直接影响反应时间和处理效果。因此,针对不同初始MLSS 浓度,研究ORP 与COD 的变化是必要的。维持曝气量恒定在0 8m 3/h,初始反应混合液COD 为500~530mg/L 左右,共进行了2个水平的初始MLSS 试验。选择初始M LSS 分别为4100~4300m g/L 和5200~5300mg/L,ORP 和COD 随反应时间的变化见图5。从图5可以得出,ORP 与COD

的相关性未受污泥浓度影响。

图5 不同污泥浓度下ORP 和COD 的相关性当COD 达到难降解浓度时,ORP 的变化量开始减少,最后出现平台区。从ORP 凹点出现的时间

来看,2种M LSS 下,降解COD 到难降解程度所需时间基本相同,这与进水COD 相等有关,进一步验证了可以用ORP 凹点预测进水COD 浓度。从COD 变化曲线还可以看出,M LSS 越大,反应器内残留COD 越少。3 结论

(1)采用SBR 法处理豆制品废水过程中,反应

器内氧化还原电位(ORP)的变化与COD 的降解程度具有很好的相关性。整个反应过程中,ORP 有两个特征点:一个为ORP 达到最小值的点,即凹点;另一个为ORP 的变化量减少时的点,即ORP 平台。与ORP 变化相对应的COD 降解程度也表现为两个区域:当ORP 达到最小值时,COD 的去除率为80%左右,即大部分COD 已被微生物吸附或利用;当ORP 变化增量减缓时,COD 达到难降解程度。并且,这种相关性不受曝气量、污泥浓度和进水COD 浓度的影响。

(2)不同曝气量只影响ORP 最小值出现的快慢,曝气量越大,ORP 达到最小值的时间越短;同时,COD 降解得越快。因此,这种影响只存在于反应的初始阶段;在反应后期,COD 的降解趋势基本相同,即反应器中COD 达到100m g/L 以下的时间均为60min 左右。由此可见,在实践中,为使有机物达到很好的去除,又不浪费能源,应根据不同的反应条件,安排曝气量。

(3)在相同曝气量和初始M LSS 下,不同进水COD 对反应过程中ORP 凹点出现的时间有较大影响。随进水COD 的增大,ORP 凹点出现的时间变长。故在实际工程中,可依此作为预测进水COD 的标准,进而调节曝气量。当反应器内COD 达到难降解程度时,ORP 变化量减少,可依此作为反应结束的信号,防止因曝气时间过长引起的污泥膨胀,同时可减少运行费用。本研究为进一步利用ORP 实现曝气量和曝气时间的模糊控制奠定了理论基础。

参考文献

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作者通讯处:150090哈尔滨工业大学市政环境工程学院 电话:(0)136******** 收稿日期:2002 3 1

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WATER&WAS TEWATER ENG INEERING Vol 28No 9September2002 replace t he former has been proposed.T he experimental results show t hat the new pro cess is high effectiv e and stable in operation,also the effluent could be meet the wastewater discharg e standar d.T he reconstruction has been accom-

plished.

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tration.T w o distinct inflection points were obser ved t hroughout SBR processing cycle.T he first inflection po int was observed as t he ORP concave value,and it ex presses that a major ity of COD has been removed.T he second inflection point was observed as flat roof,and it show ed that COD was not remo ved.I n addition,inflow COD concentration and the time that OR P concav e value appear ed was connected,and the speed t hat OR P in curv e ascended related w ith the CO D concentration during t he deg radation.Hence,it can be used for predicting the concentr atio n of inflow COD by using O RP,and make on-line fuzzy control of aeration intensity and aer atio n time.

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1700mg/L,400mg/L and75mg/L for BO D,COD,SS and N H3-N respectively,t he obtained effluent w ill be good enoug h to meet the requirement of Class I in the integrated wastewater discharge standard G B8978-1996.

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zles,diameter of water deliver y br anch and the w orking water pressure at most unfavorable points ar e discussed.Also recommendat ions on the lay out of nozzles in case of frame ceiling field ar e proposed.

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