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废水生物脱氮的实时控制应用进展

Letizia Zanetti,Nicola Frison,Elisa Nota,Martino Tomizioli,David Bolzonella,Francesco Fatone

摘要：生物脱氮的实时控制技术是提高废水处理性能和效率的主要手段，特别是其在与亚硝酸盐途径相结合的过程中。过去三十年，大量研究者致力于利用间接参数(即pH、ORP、溶解氧、电导率)控制传统硝化反硝化作用的研究，且已实现大规模的应用。另一方面，在过去几年，通过实时控制来实现和操作亚硝酸盐路径也正在研究中。本文简短地回顾、分析和讨论了实时控制方法及其在序批式反应器(SBR)中最常见的、成功的应用。并且，本文概述了传统脱氮过程的相关知识及短程脱氮的未来发展状况。

关键词：废水处理；富氮溶液；实时；短程脱氮；序批式反应器

1. 引言

尽管污水中氮应该追求更好地回收利用，采用生物脱氮工艺仍然是处理许多城市、工业废水最经济可行的方法。在这个工艺过程中，生物过程的实时控制是优化过程性能的一个关键问题，对序批式反应器(SBR)实施实时控制系统对氮的去除已取得巨大的成功。此外，相比完全搅拌釜式反应器(CSTRs)，通过在同一SBR内完全实现以硝酸盐或亚硝酸盐脱氮，SBRs也可以作为最后的沉降器并提供动能。采用SBR的普遍做法是基于在预定周期的执行时间，由于每个周期都有不同的要求，这种僵化的计划远非最佳方式，而且还有负荷的影响。然而，有可能通过从网上获得直接参数(即N-NH₄和氮氧化物)或与脱氮有关的间接参数(如pH、溶解氧DO、氧化还原电位ORP、电导率)进行操作。最近，短程脱氮的研究改进了传统工艺，使传统工艺成本降低、性能显著改善。在这篇综述中，我们对三种废水及其处理过程进行了广泛的研究，我们首先描述广泛应用的通过硝酸盐途径的传统过程控制工艺，然后我们寻找更好的方法，实施创新的短程脱氮。

1. 废水的主要特点

大多数与SBR生物脱氮相关的科学文献都涉及：(1)城市污水；(2)畜禽废水，(3)沼液或者BOD较低的液体。为了体现出所讨论的废水的特点，现总结送入这些SBR的底物的主要特点。

城市污水处理SBR一般是小型、分散的^[1]，可用于多达20000–25000人口当量(PE)处理厂，在最近这甚至适用于达120万人口当量(PE)大型污水处理厂^[2]。表1公布了能代表SBR进水的市政废水的典型组成。

表1 原生活污水的典型特征，单位为mg/L(来自王等^{[ 3 ]})

猪粪分离机械和生物处理在欧洲的量为最佳可行技术(BAT) ^[4]，一般情况下，SBR技术很受欢迎，甚至面临集约农业对环境的影响，这可能涉及到强烈的含氮废物流放电。表2和3报告的牲畜污水的例子，让我们知道从不同的地域和不同的耕作方式的文件之间的差异。

表2 猪浆和废水特性，单位为mg/L(来自Kishida等人^[5])

表3 意大利猪废水特性(来自Tilche等人^[6])

富含氮废水的另一个常见来源是厌氧消化的生物废物，这将越来越多地用于沼气生产。无论是从环境(如温室气体减排相关)和经济学观点(从回收能源经济收入)，厌氧消化无疑会带来几个好处。然而，有机物中的氮，特别是在蛋白质中，得到释放时，有机化合物就会降解。因此，当废水集成在一个污水处理厂(WWTP)^[7] (表4)时，来自厌氧沼气池的污水就是一股高氨氮流，应在进行液体处理之前进行预处理或再循环，表3报告的例子将代表那些厌氧消化物SBR脱氮处理。

表4 COD、BOD、N在高含氮废水平均浓度值，单位为mg/L(来自Yamamoto 等人^[8]，dosta等人^[9]等人。Uysa 等人^[10]和Fatone等人^[11])

1. 传统亚硝酸盐型硝化反硝化过程实时控制

根据传统的亚硝酸盐型硝化反硝化过程，好氧阶段过程中的氨转化为硝酸盐，随后在缺氧阶段，硝酸盐进一步的反硝化为氮分子。

在过去的几十年，大规模SBR对原始或预处理畜禽废水的处理在全世界广泛应用，而且使用一个固定的时间控制策略，即使因为仪器、控制和自动化(ICA)的发展较晚。为了描述常规的设计和运行参数，我们回顾了最近的一个工作， SBR技术在一个意大利的案例研究的成功整合^{[ 12 ]}。每一天的周期分为(i)第一个6小时缺氧阶段，(ii)第一个7 h好氧阶段，(iii)4小时好氧阶段(iv)第二个6 h分别缺氧、好氧阶段.图1显示NH₄、NO₃和NO₂在一个具有代表性的SBR周期的趋势。

图1 典型的SBR运行周期 Bortone ^{[ 12 ]}

从图1可以看出，NH₄-N实际损耗比固定时间控制的好氧阶段结束前明显。

因此，即使成功地实现了高氨氮去除，固定时间的方法无疑是一个能源浪费，从而导致高而多余的运营成本。

因此，SBR工艺的实时控制为最好的应用SBR技术提供主要驱动力^[13]。实时控制是提高工艺性能的一种有效方法，因为它(I)允许提高出水质量(II)降低能耗(III)增加废水处理的具体量。实时控制可能需要利用两类参数的优点：直接和间接参数。直接在线控制的重点参数如NH₄参数、NO₃和NO₂的含量。在建立控制策略的基础上，直接污染物传感器(即营养物质和化学需氧量传感器)的一般问题包括传感器成本高、复杂的维护和滞后时间^[14]。然而，近年来在ICA加强承受能力和营养在线仪表可靠性和提高实时控制策略^[15]的可行性。

SBR的低成本操作流程日益采用，廉价和可靠的间接参数都是这个技术成功的关键。在过去的三年来，许多研究者一直关注这些参数的典型模式和取得了常规和短程脱氮的进步。间接参数和直接连接到发生在SBR生物反应的参数为溶解氧(OD)、氧化还原电位(ORP)、pH、氧摄取率(OUR)和导电性^[16]。事实上，过程变量的演变(pH、ORP、溶解氧和电导率)显示出硝化和反硝化作用的一些特征^[17]。当聚焦于脱氮，在一个周期中，可以观察到在一个周期中的不同终点的缺氧和好氧阶段^[18]。特别是，硝化的终点可以是：氨谷^[17]，即残留的碳操纵点^[19]，即DO线上的拐点^[20]和OUR的平均变率 ^[21]。反硝化的终点可以是：硝酸盐膝^[22]和硝酸根^[23](表5)。

表5 SBR工艺过程指标(来自Marsili-Libelli等人^[24])

特别是它已被广泛报道的pH和ORP曲线怎样显示特定的弯曲点。在好氧阶段发生的氨谷，它是对应于完全氨耗尽的PH值的最小点。此外，DO的突然增加也可观察到。另一方面，在ORP信号的突然下降，缺氧阶段显示特性硝酸盐膝和对应于反应器中硝酸盐的终止。

在过去的几十年里，一些研究面临着如何自动检测这些特定的弯曲点和已被提出的大量的解决方案；不过最实用的方法是：(i)衍生物检测^[25](ii)模糊神经网络^[26,27](iii)人工神经网络^[28,29]和(iv)使用集表人工智能^[30]。

• 1. 底物为城市污水

市政污水的启动和长期操作的可行性被已有理论广泛证明；特别是Marsili-Libelli^[24]在一个独立的、长期无人值守的一个20升的SBR监控系统纳入实时控制。监测系统是由连续的数据采集、验证和使用小波滤波器去噪的数据组成的。进行了数值推导和模糊推理算法被用来检测不同阶段的结束。成功的关键是监测数据初步验证(PDV)是决定获得的数据是有意义的潜在的传感器误差和可能的调整能力。

Marsili-Libelli在连续操作系统6个月的模糊监控系统的监督下，结果证明了该方法的鲁棒性，显示出了正确的相位检测中多余的95 %。

此外，模糊的监控系统被发现是能够操纵的过程中，通过季节性的温度变化和几个进给变化。

另一个例子，实时控制在城市污水处理中的应用可能是在普格等人^[31]的研究发现的。特别是，作者提出了一个新开发的启动控制系统，允许每一个有氧和缺氧反应的自动调整，以达到最佳的持续时间，以实现完全的硝化和反硝化作用。控制策略是基于OUR和ORP的在线监测来判断好氧和缺氧反应阶段结束点，分别进行了一个试点规模的反应器与城市污水的研究。DO保持在2 mg/L，pH，ORP，DO信号连续采集。控制系统在SBR好氧和缺氧阶段周期起作用。好氧段的长度是由OUR的测量数据控制，而ORP剖面在缺氧期使用。系统控制模块负责检测好氧和缺氧阶段的OUR和ORP值结束点(OURmin和ORPmin分别被发现是1小时35 mgO₂/L和120 mV)。控制系统采用3个月的试验厂SBR。与固定周期相比，应用实时控制系统的周期长度缩短了约56 %。出水水质符合欧洲指令的要求。

在线ORP和pH值的测量已被提议作为在连续流动反应器^[23]有用的生物营养物去除的工艺控制参数，而Fatone等人^[32]发现最好的废水脱氮控制膜生物反应器采用ORP、DO，而Paul等人的^[22]以pH、DO、ORP为评定参数。

值得注意的是，当餐厨垃圾处理机应用于小型、分散的城镇的时候，间歇曝气的实时控制能找到适合的废水和垃圾的最佳整合^[19]。

• 1. 底物为富氮溶液

异养细菌利用碳源时发生着生物异养反硝化过程^{[ 33 ]}。因为猪废水BOD/N比是低的，整体的生物脱氮工艺可能是有限的和有机源必须提供。作为任何外部碳源的必要的结果，在运营成本的增加，这可以指望40至50 %，实时控制的剂量是一个主要问题。

Kim等^[34]评价一个可能的综合实时系统，可以优化外部碳源的添加，以提高氮的去除率。实验是在一个9升养猪废水SBR中进行，为了研究目的，研究了以养猪废水为外碳源进行反硝化反硝化的研究，并确定了一种脉冲模式，并在10分钟的时间间隔内连续增加了外部碳源。如果猪的废物的数量是缺乏完整的反硝化，下一个加法周期开始，直到出现亚硝酸盐的拐点出现。结果表明，通过集成的实时控制碳此外一个相对恒定的最终出水的平均值，得到与脱氮效率高达96 %。BOD/N比值也指出其他作者的重要性。

Kishida等人^[5]研究了pH和ORP的效能，为指示反硝化其次固定HRT 8小时循环处理猪场废水小试SBR硝化在线控制参数。反应器的启动过程(run1)发生反硝化不完全，因为低BOD/N进水和原猪粪被添加为碳源氮比。不过硝酸盐和铵积累还是发生了。实时控制参数进行调节SBR在这个过渡期的能力。有趣的是，无论是ORP和pH值被发现是硝化和反硝化一个有用的指标，只有错误的实时控制点出现。因此，强调BOD/N比值对实时有效的控制在本实验的重要性，因为它是发现低BOD/N比值不仅从猪场废水脱氮也使有限的实时控制是不可能的。

在长期运行中，Kishida等人^[5]指出，作为一次稳定的反应器，成功地控制的过程中，通过实时参数的可能性进行了研究。结果表明，实时控制点(RCP)以连续的方式在200次以上的外观。特别是，在ORP剖面等出现在有氧和缺氧阶段。

另一方面，pH曲线没有表现出比ORP可靠，因为缺氧相对应的RCP缺氧时并不总是清楚地发现。

Ga等^[35]评估新开发的实时控制策略采用好氧处理时间pH值的可行性(MV)–时间剖面。试验是在一个6立方米的养猪废水SBR在缺氧/好氧序操作进行。通过实时控制系统确定了好氧阶段的持续时间，养猪废水在SBR，远程在线控制器把注册ORP和pH值的每一秒，每分钟计算了60个数据的平均分。对五个样本的样本大小进行了分析，计算了PH值的移动斜率变化(MSC)。实时控制点检测通过跟踪的变化模式的MSC。相对于ORP剖面结果表明该参数的可靠性差，由于硝酸盐的突破点(NBP)检测很少发生。另一方面，即使NBP并未对ORP剖面时，pH值(MV)–时间剖面揭示NBP，从而成功地实现了实时控制。此外，作者调查了MSC缺氧反应的适用性。ORP和pH曲线允许在提高氮去除率可达100%，硝酸盐膝点识别也指出，在某些情况下，pH值(MV)–时间是无法检测到的点(表7)。

表7 从常规生物脱氮的实时控制中得到的主要结果总结

1. 短程脱氮的实时控制

在常规的硝化反硝化过程中，用不同的细菌群对硝酸盐进行氧化。第一组细菌，命名为氨氧化细菌(AOB)将氨转变为亚硝酸盐，在反应的第二组命名为亚硝酸盐氧化菌(NOB)后来进一步转变为亚硝酸盐，短程亚硝酸盐生物脱氮(scBNR)是一项

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