碳源自動投加系統(tǒng)在污水處理廠深度處理中的應用
上海煊仁環(huán)保儀器有限公司 尹俊峰 許清傳
關鍵詞：硝酸鹽氮 碳源自動投加 污水處理 反饋控制
摘要：在脫氮除磷系統(tǒng)中，反硝化菌脫氮、聚磷菌釋磷和異氧菌的正常代謝去除有機物都需要碳源。在脫氮過程中，有研究認為當BOD/TKN≥4～6時，可以認為碳源充足，但是，投加碳源無疑大大增加了污水處理成本，因此反硝化和釋磷碳源分配的問題逐漸成為人們研究的重點，本文介紹了以測量硝酸鹽參數(shù)作為反饋投加碳源參數(shù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，解決了碳源投加成本控制問題和污水排放穩(wěn)定達到上等A標。
氮、磷等植物營養(yǎng)型污染物的排放會導致水體的富營養(yǎng)化。《污水綜合排放標準》(GB8978—1996)對所有排放污水中的氮、磷含量都做出了明確的規(guī)定，其中磷(以正磷酸鹽計)的排放要嚴格控制在0.5mg/L(上等標準)和1mg/L(二級標準)以下；氨氮國家上等A的排放標準為5（8）mg/l，因此今后大多數(shù)城市污水處理廠都要考慮采用除磷脫氮的技術(shù)措施。
生物脫氮除磷技術(shù)由于具有同時脫除C、N、P且處理成本低等優(yōu)點而得到廣泛應用。傳統(tǒng)的硝化反硝化生物除磷脫氮工藝是國內(nèi)外采用*多、技術(shù)*成熟的工藝。
1 硝化反硝化生物脫氮出磷
生物脫氮機理是在微生物的作用下，將有機氮和氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為N2氣體的過程，整個過程包括兩個階段：硝化和反硝化。
硝化反應是在好氧條件下和硝化**的作用下，氨態(tài)氮進一步分解、氧化成硝酸鹽的生化反應過程。首先，在亞硝化單胞菌的作用下，使氨氮(NH4+)轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽NO2-N，硝化桿菌再將NO2-N氧化成穩(wěn)定的硝酸鹽NO3-N，后一反應較快，一般不會造成NO2-N的積累。
反硝化反應是指污水中的硝酸鹽(NO3-)，在缺氧狀態(tài)下，在反硝化菌的作用下，被還原為氣態(tài)氮(N2)的過程。
生物除磷基本原理是在好氧條件下，聚磷菌仍有氧呼吸，不斷的氧化體內(nèi)儲存的有機底物，同時也不斷從外部環(huán)境向其體內(nèi)攝取體內(nèi)所需的有機底物，由于氧化分解，又不斷的放出能量。能量為ADP所獲得，并結(jié)合H3PO4而合成ATP (三磷酸腺苷) 。 H3PO4除一小部分是聚磷菌分解其體內(nèi)聚磷酸鹽而取得的外，大部分是聚磷菌將外部環(huán)境中的H3PO4攝入體內(nèi)的。攝入的H3PO4一部分用于合成ATP，另一部分則用于合成聚磷酸鹽。在厭氧的條件下，聚磷菌體內(nèi)的ATP進行水解，放出H3PO4和能量，形成ADP。 這樣，通過上述兩個步驟，聚磷菌具有在好氧條件下，過剩攝取H3PO4，在厭氧條件下釋放H3PO4的功能。在污水生物除磷工藝中，厭氧狀態(tài)和好氧狀態(tài)在時間或空間上的交替運行，使聚磷菌群體能在快速生物降解基質(zhì)的競爭中取得優(yōu)勢，通過排除高含磷量的剩余污泥，獲得低含磷量的凈化處理出水。
由于快速生物降解COD理論的發(fā)展，人們逐漸認識到反硝化菌與聚磷菌間的矛盾主要是由基質(zhì)競爭引起的，因而現(xiàn)今有很大一部分研究者將工作的重點轉(zhuǎn)移到了對碳源需求的研究上。
2 解決碳源需求問題的研究[1]
脫氮和除磷過程中的反硝化菌和聚磷菌間的矛盾主要是由基質(zhì)競爭引起的。傳統(tǒng)生物除磷機理認為：在厭氧環(huán)境下，聚磷菌只能利用污水中的易生物降解物質(zhì)，其他都要經(jīng)水解/發(fā)酵后轉(zhuǎn)化為乙酸等VFA后才能被聚磷菌利用。而在缺氧環(huán)境下，反硝化菌先于聚磷菌利用這類有機物進行脫氮，導致PAO釋磷程度降低，細胞內(nèi)PHB“庫存量”減少。同時厭氧條件下磷釋放的充分程度和合成的PHB量是隨后好氧條件下過量攝磷的充分條件和決定性因素。因此，系統(tǒng)的除磷效率取決于污水中易生物降解的溶解性有機物(RBCOD)的多少，一般進水溶解性BOD/TP≥15時才能保證出水磷含量＜1mg/L，而實際上污水中這類有機物有限，這部分碳源相對不足導致整個系統(tǒng)脫氮除磷效率不佳。為此，國外自20世紀80年代以來進行了大量的研究，提出了向污水中投加甲醇、醋酸等(稱外加有機碳源)，并應用于工程實踐。然而，雖然外加有機碳源使反硝化速率加快，脫氮效率提高，但運行成本也相應大幅度增加。如何自動控制碳源的添加以保證脫氮除磷的效果，又保證不浪費碳源呢？
3 碳源自動投加系統(tǒng)
目前主要污水處理廠已經(jīng)實現(xiàn)污水處理工藝流程中主要參數(shù)的自動測試和控制，控制方式大多數(shù)采用開環(huán)控制，然而開環(huán)控制在運行中存在許多問題，如進水污染物濃度較高時，出水水質(zhì)不達標；污染物濃度較低時，容易引起污泥解體和浪費能源。自動測試參數(shù)也往往局限于DO、MLSS和ORP或pH，這些參數(shù)無法精準、直接地反映出有機物降解和脫氮除磷過程。近幾年隨著傳感器技術(shù)不斷地**、進步，可直接、實時反應生物處理過程的氨氮、硝酸鹽氮的儀表大量的得到應用，使用成本也不斷地降低，同時測量的穩(wěn)定性和可靠性也不斷地提高。
*近，我公司為山西潞城污水處理廠開發(fā)設計并安裝了一套閉環(huán)硝氮控制系統(tǒng)，用于自動控制碳源的投加，出水氨氮濃度控制在3mg/l以下，總氮濃度控制在15mg/l以下。
3.1 系統(tǒng)介紹
閉環(huán)碳源投加系統(tǒng)是通過實時檢測好氧段的硝酸鹽氮濃度（前反饋）和厭氧段的硝酸鹽氮濃度（后反饋）來實現(xiàn)的，控制器采用閉環(huán)控制理論來設計，通過該控制器對出水的氨氮和硝酸鹽氮以及硝化-反硝化作用進行自動控制。
3.2 系統(tǒng)組成
碳源投加系統(tǒng)是由幾部分組成：自動儀表監(jiān)測部分、數(shù)據(jù)處理及控制部分、碳源投加部分。
自動化儀表部分包括進出水的硝氮監(jiān)測及流量監(jiān)測、儲罐液位檢測。
硝氮測量采用用奧地利s-can公司光譜傳感器Nitro::lyser，具有安裝簡單、無試劑、免維護運行等特點，測量精度高。流量計采用的是電磁流量計，液位計采用的是超聲波液位計。
數(shù)據(jù)處理及及控制部分，采用性能穩(wěn)定的西門子PLC來進行控制，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過PLC的運算處理計算出所應加的藥量，從而設置計量泵在所應流量進行加藥。界面采用西門子的觸摸屏進行顯示操作及控制等。
碳源投加部分，計量泵采用普羅明特的Vario系列計量泵，計量準確。
3.3 系統(tǒng)原理及實現(xiàn)
系統(tǒng)經(jīng)過在線監(jiān)測硝化池出水的硝氮值及反硝化池出水的硝氮，自動計算得出硝氮差值，再根據(jù)流量計所測流量可以計算出每小時硝氮總量，再根據(jù)硝化及反硝化反應的碳氮比計算出每小時所需要的碳源總量，依此可以設定計量泵所要設置的流量值進行投加碳源，達到合理控制投加碳源的問題。很好的解決前面所提的反硝化及磷釋放過程中碳源需求的問題。
4 結(jié)束語
山西潞城污水處理廠是我國**家采用此系統(tǒng)的污水廠，現(xiàn)場應用情況良好，出水處理效果穩(wěn)定良好，達到上等A標，碳源投加控制合理，降低了成本。
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參考文獻：
1、 高大文、彭永臻，實時控制技術(shù)在污水生物處理中的研究進展；
林燕，生物除磷脫氮技術(shù)的研究動向
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