污水脫氮除磷的過程優(yōu)化

            近年來，城市污水脫氮除磷工藝成為城市污水處理的新興熱點(diǎn)，如何提高脫氮除磷效率，降低運(yùn)行成本成為污水處理研究的熱點(diǎn)。本文主要論述了各類在線測量儀表在污水處理脫氮除磷工藝中各個(gè)階段的應(yīng)用案例。表明了氮磷在線測量儀具有提升污水處理廠脫氮除磷工藝的整體運(yùn)行與管理水平，降低生產(chǎn)運(yùn)行成本的重要作用。

      城市污水處理廠的有效運(yùn)行對于削減污染物排放量、改善水環(huán)境、促進(jìn)水資源有效利用發(fā)揮著重要作用，是緩解水資源匱乏的重要舉措。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我們身邊的水環(huán)境也在不斷惡化，水體富營養(yǎng)化十分嚴(yán)重，這就要求污水處理廠除了常規(guī)處理外，還要對污水進(jìn)行有效的脫氮除磷，從而降低排到地表水中的氮磷元素，減少“水華”現(xiàn)象的發(fā)生。隨著脫氮除磷要求的不斷提高，為有效地對脫氮除磷工藝過程加以控制并對進(jìn)出水氮磷濃度進(jìn)行檢測，氮磷濃度的在線測定得到了實(shí)際應(yīng)用。目前經(jīng)常使用的有NH4+-N，NO3--N 和PO43--P，DO，COD等在線測定裝置。

      線監(jiān)測設(shè)備優(yōu)化城市污水脫氮工藝

      水中氮元素存在的主要形態(tài)是氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和有機(jī)氮，它們通過生物化學(xué)作用可以相互轉(zhuǎn)換。城市污水中氮的主要來源是人類的排泄物，其中絕大多數(shù)以尿素形式存在，平均每人每天的氮排放量為11g。在未經(jīng)處理的城市污水中，氮濃度以TKN（有機(jī)氮＋氨氮）表示，濃度范圍50~60mg/L，且氨氮濃度高于有機(jī)氮。城市污水處理過程各階段進(jìn)出水的氮平衡如圖1所示。      氨氮、硝氮在線檢測儀表

      根據(jù)應(yīng)用環(huán)境、監(jiān)測目的的不同，在污水廠的不同工藝段，需要使用不同的在線分析儀表（本文中介紹的是美國HACH公司的NH4D sc在線氨氮分析儀、AMTAX sc在線氨氮分析儀和NITRATAX plus/clear sc在線硝氮分析儀）。

      NH4D sc在線氨氮分析儀采用離子選擇電極法，通過離子選擇電極直接檢測曝氣池中的銨離子。內(nèi)置的鉀離子電極和pH電極作為參比電極，參比電極和溫度傳感器（組成一體式電極）共同工作，消除鉀離子的干擾，從而提高了檢測精度。該儀表反應(yīng)速度快，測量范圍廣，在城市污水處理中得到廣泛應(yīng)用。其測量范圍可達(dá)0.2~1000mg/L 的NH4+-N。通過該儀表的監(jiān)測，可以根據(jù)流入廢水的氨氮含量調(diào)整氧氣的設(shè)定點(diǎn)，檢測和控制氨氮濃度，確保穩(wěn)定的硝化過程，進(jìn)而在硝化過程中節(jié)約能源。

      AMTAX sc在線氨氮分析儀是一種應(yīng)用氣敏電極法的高精度在線測定儀。該儀器量程為0.02~1000mg/L NH4+-N，廣泛應(yīng)用于污水處理廠、河流水質(zhì)和自來水廠的水質(zhì)檢測。

      NITRATAX plus/clear sc在線硝氮探頭采用不銹鋼材質(zhì)，可以直接測量水中硝氮和亞硝氮濃度；紫外吸收測量（無需使用試劑）；NO2--N量程為plus sc：0.1~100mg/L。
      生物處理階段的在線檢測

      在Markt Schwarzenfeld污水處理廠（進(jìn)水負(fù)荷如表1所示），進(jìn)水污染物負(fù)荷很高。人均BOD約為14000PE，人均氮負(fù)荷為20000PE，人均磷負(fù)荷約25000PE。同時(shí)，牛奶場預(yù)處理廢水的排入經(jīng)常導(dǎo)致污水中各類污染成分的無規(guī)律突變。預(yù)處理廢水中的BOD相對較少，但總氮含量偏高，超過污水廠進(jìn)水中總氮含量的50％。

      經(jīng)過污水處理廠機(jī)械處理（物理）階段后，污水被分流進(jìn)入兩通道流程，以70:30的比例進(jìn)入反硝化階段上游。由于水力停留時(shí)間短、BOD負(fù)荷較低，阻礙了反硝化過程的順利進(jìn)行。在后續(xù)的曝氣階段，惟一的氧氣管道為兩個(gè)廊道內(nèi)不同體積的污水提供相同的氧氣量，結(jié)果導(dǎo)致二者溶解氧的差值可達(dá)5mg/L。結(jié)果表明，出水中總氮含量為12~18mg/L，能耗為0.40kWh/m3。
      通過對分流裝置進(jìn)行簡單的結(jié)構(gòu)改造，將污水平均分配入兩個(gè)廊道中。把上游的反硝化過程改造成間歇性操作，提高了反硝化能力。這樣，即使在碳源缺乏的情況下，缺氧區(qū)仍可以具有較高的脫氮效率。通過加裝采用獨(dú)立的氧氣管道和2個(gè)新型的活塞閥，使得運(yùn)營過程中可以應(yīng)用模糊控制器，根據(jù)污染負(fù)荷調(diào)節(jié)氧氣的供給量。通過在線儀表檢測數(shù)據(jù)的反饋值，使得控制系統(tǒng)有效的發(fā)揮作用。采用哈希公司的LDO在線溶解氧檢測探頭，可分別實(shí)時(shí)檢測兩個(gè)廊道的氧氣含量；在曝氣池的出水端，采用NH4D sc 在線氨氮和NITRATAX plus/clear sc在線硝氮分析儀進(jìn)行連續(xù)檢測氨氮和硝氮含量，根據(jù)監(jiān)測數(shù)值調(diào)整曝氣量。

      從2007年6月27、28日的時(shí)間過程曲線（如圖2）中可以看出，基于時(shí)間的控制系統(tǒng)與基于負(fù)荷的控制系統(tǒng)之間的處理效率具有顯著差異。基于時(shí)間的控制系統(tǒng)的限值數(shù)值都是固定的，與污水的實(shí)時(shí)污染負(fù)荷無關(guān)，因此很少符合理想狀態(tài)。僅以時(shí)間為基礎(chǔ)的曝氣控制不考慮負(fù)荷的變化；而通過氨氮的曝氣控制，當(dāng)氨氮濃度超出上限值時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)，低于下限值時(shí)系統(tǒng)關(guān)閉（同理對于硝氮的控制）。這種基于溶解氧和氨氮的串級控制一般通過模糊控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。模糊控制器不僅考慮測量值，同時(shí)還考慮到單位時(shí)間內(nèi)的濃度變化趨勢，如圖2所示，在進(jìn)水負(fù)荷較低的夜間，關(guān)閉兩個(gè)廊道內(nèi)的曝氣系統(tǒng)，氨氮濃度的增加非常緩慢，硝氮的濃度也很低，約為2mg/L左右。為降低能耗，模糊控制器盡可能延長關(guān)閉時(shí)間，直至氨氮濃度達(dá)到0.8mg/L左右時(shí)開啟曝氣系統(tǒng)。這種改進(jìn)的運(yùn)行方法可以避開用電高峰，合理利用“峰谷電價(jià)”政策，節(jié)約了成本。根據(jù)2004年的進(jìn)水量統(tǒng)計(jì)，在2004/2005年前七個(gè)月中，該污水廠出水總氮顯著減少，同時(shí)也降低了能耗（如圖3）。
      線監(jiān)測設(shè)備優(yōu)化城市污水除磷工藝

      城市污水中絕大多數(shù)的磷來自于洗滌劑、家用清洗劑和人類的排泄物。在自然界，磷僅以化合物的形式存在，zui常見形式為正磷酸鹽。水體中溶解性含磷化合物中的磷平衡，只能通過測量磷酸鹽的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)化計(jì)算，以總磷濃度表示。當(dāng)前城市污水中磷的濃度約為8.0~12.5mg/L。圖4列出了城市污水中磷酸鹽的存在形式，以及在各個(gè)污水處理階段中磷酸鹽是如何去除的。

      總磷、正磷在線檢測儀表

      磷元素的在線監(jiān)測通常有總磷在線分析儀和正磷在線分析儀（本文中介紹的是美國HACH公司的PHOSPHAX sc正磷酸鹽在線分析儀和PHOSPHAX sigma總磷在線分析儀）。

      PHOSPHAX sc是一種基于鉬黃比色法的高精度在線分析儀，通過集成的過濾探頭進(jìn)行取樣。該儀器有絕緣的、防風(fēng)雨外殼，便于室內(nèi)外安裝，使用sc1000控制器進(jìn)行校正與運(yùn)行。測量量程為0.05~15mg/L PO43--P，廣泛應(yīng)用于污水處理廠的除磷監(jiān)測。

      PHOSPHAX sigma總磷在線分析儀基于鉬藍(lán)法原理，可用于連續(xù)測量水體中的總磷和正磷酸鹽濃度，水樣中固體粒徑zui大不超過0.5mm，分析過程約需10min。對于含有固體的水樣，可使用SIGMATAX 2采樣預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行采樣，并對水樣進(jìn)行均質(zhì)化處理。該儀器測量量程為0~10mg/L，適于污水廠進(jìn)出口總磷的在線監(jiān)測。
      優(yōu)化除磷過程

      圖5所示的是在德國南部一個(gè)大型污水處理廠中的優(yōu)化除磷過程。通常情況下，沉淀劑的投加量與磷的去除效果成正比。在保證除磷效率的前提下，應(yīng)盡可能節(jié)省沉淀劑的投加量，以達(dá)到既能有效除磷又能降低消耗的目的。

      控制系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。首先測量生物處理階段進(jìn)水的流量（Q）和正磷酸鹽的濃度（圖5①）以確定負(fù)荷量，并以此計(jì)算回流污泥中沉淀劑的投加量（圖5②）。對于廊道末端的磷酸鹽濃度進(jìn)行檢測并繪制濃度/時(shí)間曲線，可以看出生物去除與化學(xué)沉淀的成功應(yīng)用效果。控制器根據(jù)zui終磷酸鹽的剩余量，對沉淀劑的投加量進(jìn)行修正。通過總磷在線分析儀（圖5④）監(jiān)測污水處理廠出水中的實(shí)際含磷量，也可以修正沉淀劑的投加量。

      這樣，通過對于總磷的在線監(jiān)測，不但可以得到出水中磷元素的含量，還可以通過該參數(shù)控制沉淀劑的投放，達(dá)到除磷的目的。

      ① 沉淀之前正磷酸鹽的濃度；② 控制沉淀劑的量；③ 沉淀之后正磷酸鹽的濃度；④ 出水中總磷的濃度。

      通過上述對于污水廠脫氮除磷優(yōu)化的論述，可以看出，利用在線分析儀器可以有效的對處理過程中的污水中相應(yīng)控制指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，從而達(dá)到利用監(jiān)測數(shù)據(jù)反控工藝的目的，如反控曝氣泵及閥門，反控沉淀劑的投放等。這樣，保證脫氮除磷的硝化、反硝化等過程*在合適的時(shí)間、合適的氧含量下進(jìn)行，從而達(dá)到去除氮磷元素的目的，同時(shí)達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

      具體優(yōu)化數(shù)據(jù)如下：

      控制系統(tǒng)的使用使電耗降低了30％（0.40~0.28kWh/m3），且出水中氮的濃度小于5mg/L，COD值低于30mg/L（如表2）。

      出水中含氮污染物濃度比使用在線檢測前減少了20％以上，使排放費(fèi)用節(jié)省大約85％（占總投資）以上。此外，在線檢測與優(yōu)化控制技術(shù)提高了生物除磷效率，使出水中的總磷和COD減少了50％。

      上述系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)給Markt Schwarzenfeld污水處理廠帶來了長期的贏利，使其成功回收了系統(tǒng)優(yōu)化的總投資（如表3）。

      其中20%的回報(bào)來源于氮排放的消減。

      小結(jié)

      在污水處理廠的脫氮除磷過程中，應(yīng)用現(xiàn)代自動(dòng)監(jiān)測和自動(dòng)控制技術(shù)可以有效的提高氮磷元素的去除率，降低能耗，從而提高污水廠的經(jīng)濟(jì)效益。因此，選擇可靠的在線監(jiān)測儀器，正確的工藝優(yōu)化方式十分重要。