CSTR 厭氧反應(yīng)器中pH 值控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

潘龍(眾一伍德工程有限公司，上海 200540)

0 引言

pH 值是廢水厭氧處理最重要的影響因素之一，大量研究結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，厭氧反應(yīng)需要一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的pH值范圍。不同的厭氧微生物類群適宜pH 值范圍各不相同，水解菌和產(chǎn)酸細(xì)菌具有較大范圍的適應(yīng)性，一般在pH值為5.0～8.5范圍生長(zhǎng)良好；產(chǎn)甲烷細(xì)菌對(duì)pH 較敏感，其適應(yīng)范圍較窄，一般認(rèn)為最適宜的pH 值是6.5～7.5 之間，這也是通常情況下厭氧處理所控制的pH 范圍。實(shí)際工程中，通常采用酸堿投加和出水回流兩種方法來(lái)控制調(diào)節(jié)pH 值，本設(shè)計(jì)在此基礎(chǔ)上結(jié)合PLC 控制技術(shù)，對(duì)pH 控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 pH 值控制設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)條件

某食品公司生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生高濃度有機(jī)廢水，該廢水具有高COD、高油脂、高SS 和pH 波動(dòng)較大等特性，采用CSTR(連續(xù)攪拌槽反應(yīng)器)厭氧工藝對(duì)其進(jìn)行生化預(yù)處理。設(shè)計(jì)處理量為200 m3/d，設(shè)計(jì)進(jìn)水COD 為16 000 mg/L，設(shè)計(jì)水溫30 ℃，水力停留時(shí)間為9 d[1]。

1.2 工藝流程設(shè)計(jì)

CSTR 處理工藝流程如圖1 所示。

工藝流程說(shuō)明：

(1)廢水經(jīng)調(diào)理后(酸堿初調(diào)，降低對(duì)厭氧系統(tǒng)沖擊)，進(jìn)入CSTR 厭氧反應(yīng)器，在厭氧微生物作用下，有機(jī)物被降解成沼氣；出水經(jīng)平衡管溢流至沉淀池，進(jìn)沉淀池前設(shè)置pH 計(jì)(PH1)監(jiān)測(cè)CSTR 出水pH 值；

(2)平衡管底部設(shè)置回流管道接循環(huán)泵進(jìn)口，循環(huán)泵設(shè)計(jì)流量為進(jìn)水流量2 倍，實(shí)際運(yùn)行流量根據(jù)FT 設(shè)定變頻調(diào)節(jié)。泵進(jìn)口設(shè)置氫氧化鈉加藥管線，泵出口設(shè)置pH 計(jì)(PH2)，該循環(huán)管線主要用于CSTR 反應(yīng)器的堿度補(bǔ)充[2]；

圖1 CSTR厭氧工藝流程圖

(3)在厭氧沉淀池進(jìn)行泥水分離后，上清液溢流至后續(xù)處理單元，污泥回流至CSTR 反應(yīng)器中，設(shè)計(jì)流量為進(jìn)水流量1 倍；

(4)采用氫氧化鈉作為堿度調(diào)節(jié)藥劑，由加藥泵投加至循環(huán)管線上，并根據(jù)PH2 目標(biāo)值進(jìn)行自動(dòng)變頻控制[3]。

1.3 控制設(shè)定

對(duì)CSTR 厭氧反應(yīng)器出水pH 計(jì)(PH1)和循環(huán)管線PH 計(jì)(PH2)進(jìn)行如下設(shè)定(如表1 所示)。

通過(guò)對(duì)工藝流程進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)厭氧出水PH1 和循環(huán)管線上的堿度投加之間具有反向調(diào)節(jié)關(guān)系，加藥泵將氫氧化鈉加入循環(huán)管線中來(lái)實(shí)現(xiàn)堿度補(bǔ)充，并以PH2 的目標(biāo)值T2為依據(jù)進(jìn)行自動(dòng)變頻投加。為實(shí)現(xiàn)PH1、PH2 和加藥泵之間的控制功能，建立PH2的目標(biāo)值T2和PH1的顯示值D1的線性關(guān)系，如表2 所示。

表1 pH計(jì)設(shè)定

表2 目標(biāo)值T2與顯示值D1的函數(shù)關(guān)系

其中氫氧化鈉加藥泵啟停條件設(shè)定：

當(dāng)D1≤ S11+0.1時(shí)，氫氧化鈉加藥泵啟動(dòng)，并根據(jù)目標(biāo)值T2變頻運(yùn)行；

當(dāng) D1≥ S12?0.1時(shí)，氫氧化鈉加藥泵停止。

上述控制過(guò)程在共軛酸堿的緩沖作用下，使PH1 顯示值D1 變化極為緩慢，同時(shí)加藥泵根據(jù)PH2 目標(biāo)值T2進(jìn)行連續(xù)投加，而最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，使厭氧反應(yīng)器內(nèi)pH 值趨于穩(wěn)定[4]。

1.4 控制邏輯設(shè)計(jì)

結(jié)合上述控制設(shè)定，厭氧系統(tǒng)pH 控制邏輯設(shè)計(jì)如圖2 所示。

利用PLC 編程技術(shù)，將上述設(shè)定和控制邏輯編入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)pH 控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。

2 分析及結(jié)論

2.1 模擬計(jì)算分析

厭氧系統(tǒng)中pH 值由酸堿緩沖體系所控制，而構(gòu)成該體系主要以CO2溶解形成的碳酸氫鹽緩沖系統(tǒng)為主，因此厭氧系統(tǒng)中pH 值主要是碳酸氫鹽濃度的函數(shù)。根據(jù)碳酸氫鹽緩沖系統(tǒng)的計(jì)算方法，在設(shè)定表1 中S11=6.5，S12=7.5，S21=7.5，S22=8.0的情況下，對(duì)PH1 的顯示值D1在6.5～7.5 區(qū)間內(nèi)進(jìn)行模擬計(jì)算(計(jì)算時(shí)，CSTR 中沼氣的CO2體積分?jǐn)?shù)按30%計(jì)，且不考慮循環(huán)管線中氣相CO2溶解平衡的影響)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖2 厭氧系統(tǒng)pH控制邏輯圖

表3 D1在區(qū)間范圍內(nèi)模擬計(jì)算結(jié)果

從表3 的計(jì)算結(jié)果可以看出，循環(huán)管線補(bǔ)充堿度C1-C0與PH1 顯示值D1在6.5～7.5 的區(qū)間內(nèi)具有連續(xù)遞減關(guān)系，從而證實(shí)了利用D1來(lái)調(diào)節(jié)堿度補(bǔ)充量是可以實(shí)現(xiàn)的[5]。

2.2 結(jié)論

(1)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的pH 控制系統(tǒng)可根據(jù)出水pH 值反饋?zhàn)孕姓{(diào)節(jié)，解決了CSTR 厭氧反應(yīng)器pH 調(diào)節(jié)不穩(wěn)的問(wèn)題，圖3 是從監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)中導(dǎo)出的pH 值運(yùn)行趨勢(shì)曲線圖。

從圖3、圖4 可以看出， 4 天和24 h 的連續(xù)運(yùn)行的趨勢(shì)曲線均非常平穩(wěn)，說(shuō)明優(yōu)化pH 控制系統(tǒng)后，自動(dòng)運(yùn)行下補(bǔ)充堿度與厭氧反應(yīng)消耗堿度形成了動(dòng)態(tài)平衡，使CSTR 厭氧反應(yīng)器內(nèi)pH 值趨于穩(wěn)定[6]。

(2)從一年多的運(yùn)行記錄來(lái)看，優(yōu)化后pH 控制系統(tǒng)在總負(fù)荷的60%～120%范圍內(nèi)具有較好的調(diào)節(jié)效果。極端情況下負(fù)荷出現(xiàn)大幅波動(dòng)時(shí)，可通過(guò)修改S22的設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3 CSTR出水pH值趨勢(shì)曲線(4d)

圖4 CSTR出水pH值趨勢(shì)曲線(24 h)

(3)CSTR 出水和循環(huán)管線的pH 計(jì)探頭均安裝于污水中，容易受到污堵而造成測(cè)量偏差，建議實(shí)際應(yīng)用中配置pH 計(jì)自動(dòng)沖洗模塊或制定人工清洗維護(hù)的操作規(guī)程。