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，如何提高脫氮除磷效率，降低運行成本成為污水處理研究的熱點。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階段的應用案例。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行與管理水平，降低生產(chǎn)運行成本的重要作用。

      城市污水處理廠的有效運行對于削減污染物排放量、改善水環(huán)境、促進水資源有效利用發(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)化十分嚴重，這就要求污水處理廠除了常規(guī)處理外，還要對污水進行有效的脫氮除磷，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出水氮磷濃度進行檢測，氮磷濃度的在線測定得到了實際應用。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、亞硝酸鹽氮和有機氮，它們通過生物化學作用可以相互轉換。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（有機氮＋氨氮）表示，濃度范圍50~60mg/L，且氨氮濃度高于有機氮。城市污水處理過程各階段進出水的氮平衡如圖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。該儀表反應速度快，測量范圍廣，在城市污水處理中得到廣泛應用。其測量范圍可達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)整氧氣的設定點，檢測和控制氨氮濃度，確保穩(wěn)定的硝化過程，進而在硝化過程中節(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（進水負荷如表1所示），進水污染物負荷很高。人均BOD約為14000PE，人均氮負荷為20000PE，人均磷負荷約25000PE。同時，牛奶場預處理廢水的排入經(jīng)常導致污水中各類污染成分的無規(guī)律突變。預處理廢水中的BOD相對較少，但總氮含量偏高，超過污水廠進水中總氮含量的50％。

      經(jīng)過污水處理廠機械處理（物理）階段后，污水被分流進入兩通道流程，以70:30的比例進入反硝化階段上游。由于水力停留時間短、BOD負荷較低，阻礙了反硝化過程的順利進行。在后續(xù)的曝氣階段，惟一的氧氣管道為兩個廊道內(nèi)不同體積的污水提供相同的氧氣量，結果導致二者溶解氧的差值可達5mg/L。結果表明，出水中總氮含量為12~18mg/L，能耗為0.40kWh/m3。
      通過對分流裝置進行簡單的結構改造，將污水平均分配入兩個廊道中。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。通過加裝采用獨立的氧氣管道和2個新型的活塞閥，使得運營過程中可以應用模糊控制器，根據(jù)污染負荷調(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，可分別實時檢測兩個廊道的氧氣含量；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日的時間過程曲線（如圖2）中可以看出，基于時間的控制系統(tǒng)與基于負荷的控制系統(tǒng)之間的處理效率具有顯著差異?；跁r間的控制系統(tǒng)的限值數(shù)值都是固定的，與污水的實時污染負荷無關，因此很少符合理想狀態(tài)。僅以時間為基礎的曝氣控制不考慮負荷的變化；而通過氨氮的曝氣控制，當氨氮濃度超出上限值時系統(tǒng)啟動，低于下限值時系統(tǒng)關閉（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)來實現(xiàn)。模糊控制器不僅考慮測量值，同時還考慮到單位時間內(nèi)的濃度變化趨勢，如圖2所示，在進水負荷較低的夜間，關閉兩個廊道內(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閉時間，直至氨氮濃度達到0.8mg/L左右時開啟曝氣系統(tǒng)。這種改進的運行方法可以避開用電高峰，合理利用“峰谷電價”政策，節(jié)約了成本。根據(jù)2004年的進水量統(tǒng)計，在2004/2005年前七個月中，該污水廠出水總氮顯著減少，同時也降低了能耗（如圖3）。
      線監(jiān)測設備優(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行轉化計算，以總磷濃度表示。當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行取樣。該儀器有絕緣的、防風雨外殼，便于室內(nèi)外安裝，使用sc1000控制器進行校正與運行。測量量程為0.05~15mg/L PO43--P，廣泛應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采樣預處理系統(tǒng)進行采樣，并對水樣進行均質(zhì)化處理。該儀器測量量程為0~10mg/L，適于污水廠進出口總磷的在線監(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，應盡可能節(jié)省沉淀劑的投加量，以達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水的流量（Q）和正磷酸鹽的濃度（圖5①）以確定負荷量，并以此計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行檢測并繪制濃度/時間曲線，可以看出生物去除與化學沉淀的成功應用效果?？刂破鞲鶕?jù)zui終磷酸鹽的剩余量，對沉淀劑的投加量進行修正。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控制指標進行監(jiān)測，從而達到利用監(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*在合適的時間、合適的氧含量下進行，從而達到去除氮磷元素的目的，同時達到節(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%的回報來源于氮排放的消減。

      小結

      在污水處理廠的脫氮除磷過程中，應用現(xiàn)代自動監(jiān)測和自動控制技術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。