养猪场-废水-外文翻译-外文文献-英文文献-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.doc

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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, Research 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 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 Elsevier 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 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.: [phone]; fax: +81-
480-70-2031.
E-mail address: [e-mail] (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

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J.-H. Kim et al. / Water Research 38 (2004) 3340-3348 3341

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23±2℃。反应器由树脂玻璃构成，工作容量为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
mg·L-1 (n ¼ 15)
TOC 26,167 11,410-55,640 17,010
BOD5 90,280 46,370-172,200 31,850
TN 4529 2418-6882 1741
TP 2600 1500-3810 821
TSS 917 240-3950 43,720

PC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

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3342 J.-H. Kim et al. / Water Research 38 (2004) 3340-3348

2.3.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)、PO4P、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)。

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。在第一次添加粪便后的十分钟，NO3-N的浓度由11.7 mg·L-1降低到 9.6 mg ·L-1，但并没有完全反硝化，因此10min后又进行第二次添加，并不断循环直到达到反硝化完全为止。

在第三次添加之后，硝酸盐的含量降低到零。在ORP曲线斜坡阶段，B点突然的变化标志着在厌氧反硝化中的氮氧化物已经完全反应完毕，系统停止自动添加粪便。带有脉冲输入的实时控制集成策略在控制养猪废水的过程中，主要依赖于在ORP时间轴数据中的硝酸盐突变点，从而优化粪便添加的过程。C点标志着好氧阶段的开始。由于低碳氮负荷进水中的缺氧阶段二氧化碳以及挥发性脂肪酸产生不足，因此D点不明显。在好氧情况下，氨氮随时间坚守。由于氨在硝化过程被转化，因此硝酸盐浓度随时间增加。而pH的下降主要是由于系统中与废水碱度密切相关的氨含量减少。E点代表了硝化过程的结束，称之为氨低谷。氨的完全去除标志着废水中的碱性物质消耗和pH降低过程的结束。pH在E点上升可能是由于二氧化碳的释放引起的(Chen et al., 2002)。

3.3集成实时控制策略的确定

猪场粪便的实时控制集成策略以及脉冲输入控制的设计方案见图4。在缺氧阶段，持续时间 r 被作为鉴定外加碳源添加必要性的选择参数。一旦进水所提供的碳源超过这个时间仍无法进行彻底的反硝化作用，则系统则会自动添加养猪场粪便（S点）。ORP和pH数据控制分别应用于缺氧段和好氧段。dORP/dt 和dpH/dt的值被用于监测实时控制点。ORP和pH的值每1s监测一次并且每五分钟内进行一次平均值。在两个相邻的平均值之间计算出dORP/dt 和dpH/dt。实际上，由于传感器的不稳定性以及3min间隔内无法实施实时控制等原因，5min的间隔对于计算实时控制策略中的dORP/dt 和dpH/dt是比较合适的。
高碳氮负荷和低碳氮负荷进水的dORP/dt 和dpH/dt数据可见图5、6。虽然pH感应器不够稳定并且B点也不是非常明确，dpH/dt还是能够用于硝化段控制参数，因为氨低谷（E点）的数值立即由负数转为整数。dpH/dt的数值变化比dORP/dt在E点的变化更为明显；因此，使用pH做为硝化段控制参数更合适。在低碳氮比负荷周期中，猪场粪便作为补充氮源以便充分进行脱氮反应，并且使得ORP数据中的控制点更加清晰。在靠近B点的位置，由程序计算得出的dORP/dt的数值显著的降低，并且在该点之后，dORP/dt的数值持续性的降低。该点可作为反硝化结束点并且小于2 mV·min -1的数值可作为反应系统脱氮情况的实时控制点。为避免错误的程序控制，在B点设置了5 mV·min -1作为控制值，同时集成实时控制策略被设计为可逐步自检差错直到指定的控制点出现。

3.4集成实时控制系统性能

通常一天内，带有自动添加猪场粪便的集成实时控制系统策略都会运行很多个周期。该系统能为硝化过程后的连续性反硝化过程提供最优化的条件。污染物的总去除效率可见表2。通过使用实时控制集成策略和粪便的脉冲输入控制，在极端波动的进水条件下，仍能够保持相对稳定的出水水质。平均TOC和总氮去除效率分别超过94% 和96%。

4.结论

这一控制策略能够为细菌的生长和性能提供最佳条件。基于本研究所取得的结果，养猪场废水处理脱氮反应实时控制的实际重要性可总结为以下几点：

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1. 在养猪场废水SBR处理中，传统实时控制主要有反硝化不充分和硝酸盐积累两个缺陷。本研究再一次肯定了使用猪场粪便作为反硝化过程的电子受体的可行性。并且可基于在ORP时间表中的硝酸盐突破点，来优化由集成实时控制策略决定的养猪粪便添加量。
2. 系统取得了较高的氮去除效率。使用这一控制策略后，即使在进水负荷极不稳定的情况下，也能取得稳定的出水效果。
3. 通过使用集成控制策略，实时控制的优势也能够发挥出来。比如，由于优化的外加碳源为充分反硝化提

进水 (Agitator on)

供了条件，HRT的操作具有弹性，基于生物内部活动和进水特性，因而保证了相对彻底的污染物除去效果。这一系统完全可在浮动进水荷载下用于养猪场废水处理的工程实际。
4. 虽然ORP和pH能作为彻底反硝化的控制参数，但对于硝化阶段来说，pH时间表的控制点尚不够明确，而dpH/dt的数值变化却更为显著。因此作者建议ORP和pH应当分别作为反硝化和硝化阶段的控制参数。

缺氧阶段控制
停留 5 min

打开粪便添加系统
读取
dORP/dt
停留 10 sec

dORP/dt>-5
是

读取
dORP/dt

dORP/dt<-5

是


否 关闭粪便添加系统，停留 10 min
是
否
读取 总时间 < w
dORP/dt 否
是
总时间 < r

否
否 dORP/dt<-5

是
停留 30 min r: 120 min
w: 90 min

开曝气器 好氧阶段控制

读取 dpH/dt

否
dpH/dt < 0

是

读取 dpH/dt

否
dpH/dt >0
是

停留 20 min

关曝气器、搅拌器

沉淀及出水

Fig. 4.实时控制策略

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进水 进水 进水 进水 进水
0.035

0.030
0.025 缺氧阶段 好氧阶段 好氧阶段 缺氧阶段 好氧阶段 好氧阶段

0.020

0.015
0.010

0.005
0.000 e e e e

-0.005
-0.010
25
20
15
10
5
0
-5
-10 B B B B
-15
-20
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750
Time (min)
Fig. 5. 高碳氮比负荷控制策略的确定(进水TOC/TN比: 1.22-1.53)

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进水
0.040
0.035
0.030

0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000
-0.005
-0.010
20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20
0
J.-H. Kim et al. / Water Research 38 (2004) 3340-3348

进水 进水

缺氧阶段 好氧阶段 缺氧阶段 好氧阶段

e e

B B

250 500 750 1000
Time (min)
3347

进水

缺氧阶段 好氧阶段

e

B

1250 1500

Fig. 6. 低碳氮比负荷控制策略的确定(进水TOC/TN比: 0.45-0.79).

Table 2
实时控制策略去除效果
参数 mg L 1 进水 (n ¼ 52) 出水 (n ¼ 52)
Mean Min-Max Std. dev. Mean Min-max Std. dev. Removal rate (%)
TOC 864 250-3288 573 40 32-48 4 94.7
BOD5 3206 1257-5588 1544 15 8-23 6 99.6
TN 722 408-1138 173 26 15-39 6 96.2
NH4-N 589 385-971 137 o0.1 o0.1
NO3-N — — — 18 5-26 5
TP 46 13-93 40.4 23 11-32 4 50.0
PO4-P 18 9-13 6.8 19 7-24 5
TSS 917 240-3950 1902 16 2-27 7 98.9
—: 检测不出.

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Water Research 38 (2004) 3340-3348

Integrated real-time control strategy for nitrogen removal in
swine wastewater treatment using sequencing batch reactors
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, Research 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 11 May 2004

Abstract

A new integrated real-time control system was designed and operated with fluctuating influent loads for swine wastewater treatment. The system was operated with automatic addition control of an external carbon source, using real-time control technology, which utilized the oxidation-reduction potential (ORP) and the pH as parameters to control the anoxic phase and oxic phase, respectively. The fluctuations in swine wastewater concentration are extreme; an influent with a low C=N ratio is deficient in organic carbon, and a low carbon source level can limit the overall biological denitrification process. Consequently, a sufficient organic source must be provided for proper denitrification. The feasibility of using swine waste as an external carbon source for enhanced biological nitrogen removal was investigated. The real-time control made it possible to optimize the quantity of swine waste added as the load fluctuated from cycle to cycle. The average removal efficiencies achieved for TOC and nitrogen were over 94% and 96%, respectively, using the integrated real-time control strategy.
r 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Keywords: Denitrification; External carbon source; ORP Real-time control; SBR; Swine wastewater

1. Introduction

Swine wastewater has previously been considered as
one of the major sources of nitrogen pollution dis-
charged into the environment. Traditional biological
removal of nitrogen was achieved by a sequence of
nitrification and denitrification processes. Since the
fluctuations in swine wastewater concentration are
extreme due to the varying practices of manure manage-
ment, in recent years, the real-time control process using
oxidation-reduction potential (ORP) and/or pH as
parameters (Lo et al., 1994; Plisson-Saune et al., 1996;

*Corresponding author. Tel.: [phone]; fax: +81-
480-70-2031.
E-mail address: [e-mail] (J.-H. Kim).


Chapentier et al., 1998; Fuerhacker et al., 2000) to
control the oxic and anoxic cycles of a system has
received much attention for swine wastewater treatment
(Ra et al., 1998, 1999; Tilche et al., 2001) in sequencing
batch reactors (SBRs). Compared to the traditional
process, real-time control strategy for a batch treatment
process using ORP and/or pH was self-adjusted to
various treatment conditions such as influent strength
and treatment status. This resulted in flexible hydraulic
retention time (HRT) from cycle to cycle (Ra et al.,
2000). The high and stable removal rate of nitrogen was
also achieved (Ra et al., 1998; Cheng et al., 2000).
Although real-time control strategy based on ORP
and/or pH has been applied to many swine wastewater
treatment systems, until now, the success of the systems
has not been convincing because much effort in the

0043-1354/$ - see front matter r 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved. doi:10.1016/j.watres.2004.05.006

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J.-H. Kim et al. / Water Research 38 (2004) 3340-3348 3341

studies has dealt primary with the typical ORP and/or
pH profiles of a complete nitrification and denitrification
cycle and focused on aeration control (Ra et al., 1998;
Cheng et al., 2000). In fact, the control set-points on the
ORP or pH profiles would not have appeared in the
acclimated nitrate sludge (Kim and Hao, 2001; Kishida
et al., 2003).

Biological denitrification is known to occur by the
action of heterotrophic bacteria using available carbon
sources (John and Robert, 1985; Lee et al., 1995, 1997).
Because the influent with a low C=N ratio is deficient in
organic carbon and the low carbon source level can limit
the overall biological denitrification process, sufficient
organic source must be provided for proper denitrifica-
tion. Using the fermented swine waste (Lee et al., 1997)
or activated sludge (Ra et al., 2000) as an electron donor
for denitrification in SBRs has been suggested by several
authors, and such external carbon sources are viable
choices for enhancing SBR performance. However, any
excess external carbon added over the amount required
for the process appears in the effluent, and results in
increased cost of operation. Therefore, the addition of
the external carbon source should be optimized with the
fluctuation of wastewater.
The specific objective of this study was to establish an
integrated swine wastewater treatment system and
operating strategies suitable for the fluctuations of
influent loads. Particularly, under low C=N load cycles,
the system can optimize the addition of the external
carbon source to enhance nitrogen removal, as well as to

Relay box (On/ Off)

efficiently remove the pollutants from wastewater. For
this purpose, swine waste as external carbon source for
denitrification of nitrate was examined, and a pulsed
pattern of addition was determined. In addition, ORP
and pH as practical real-time control parameters were
evaluated. The SBR with an integrated strategy of real-
time control and a pulsed input control of swine waste
were designed and continuously operated for swine
wastewater treatment.

2. Methods

2.1. Sequencing batch reactor and operating strategies

The SBR was operated as shown in Fig. 1. The water
temperature was maintained at 2372 C. The reactor
was constructed using Plexiglas and had a working
volume of 9 L. A mechanical agitator was installed