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【上海水處理設備網www.esdzu.com】導語：為滿足城鎮污水處理廠日益嚴格的氮、磷排放標準,大量外加碳源和除磷藥劑用于強化脫氮除磷。外加藥劑通常采用定量投加方法,容易導致投加過量,不僅影響生化處理效果,而且造成資源浪費。而在線動態監測以及精確控制系統通過建模對外加藥劑用量進行實時調控,能夠減少外加藥劑投加量,降低運行成本。此外,優化工藝流程也能實現高效脫氮除磷,節省外加藥劑。因此,本文介紹了外加碳源、除磷藥劑和精準化投加技術的研究現狀;分析了模型建模、機理探究以及投加控制策略;探討了通過工藝流程優化提升生物脫氮除磷的技術手段;提出了將智能控制技術與全流程工藝優化相結合的藥劑減量化整體調控策略,為污水處理廠實現節能降耗提供借鑒與指導。

1 外加碳源與除磷藥劑投加技術研究進展

1.1外加碳源

反硝化過程是污水生物脫氮的關鍵步驟之一,影響因素包括污水中碳源、溫度、硝化液回流比等,其中碳源是重要的影響因素。在污水處理過程中,反硝化過程對碳氮比(C/N)要求較高,當進水生化需氧量/總氮(BOD5/TN)大于4時,認為原水中含有充足的碳源。上海實驗室純水設備而研究表明我國污水處理廠進水普遍存在碳源不足的問題,如郭泓利等研究發現全國127座污水處理廠進水BOD5/TN的平均值為2.66,低C/N進水容易導致反硝化過程不完全,造成出水TN不達標。為滿足日趨嚴格的TN排放標準,污水處理廠通常采取投加甲醇、乙酸鈉、葡萄糖等外加碳源,并通過傳統控制技術或自動控制技術來強化生物脫氮。

在實際運行過程中,污水處理廠的進水變化大、水質復雜,因此,碳源需求量變化大。定量投加碳源在增加污水處理成本的同時,并未完全消除出水TN超標排放風險,當進水C/N較高時還可能影響出水有機物濃度。

1.2化學除磷

目前國內外城鎮污水處理廠采用的除磷方法包括生物法、化學法及兩者協同處理技術。其中,傳統生物除磷技術主要依賴聚磷菌厭氧釋磷-好氧超量吸磷作用達到除磷的目的,其代表工藝主要有厭氧-好氧(AO)、厭氧-缺氧-好氧(AAO)、Bardenpho、序列間歇式活性污泥法(SBR)等。實際運行表明,單一的生物除磷效果受進水碳源、溶解氧(DO)等因素影響,出水總磷(TP)難以保持穩定達標。因此,添加化學除磷單元輔助強化除磷十分必要。化學除磷過程通過向污水中投加鋁和鐵等金屬鹽化學藥劑,使其與水中以磷酸鹽形式存在的無機磷形成不溶性物質,同時金屬鹽也會發生凝聚作用,將不溶性小顆粒凝聚為大顆粒后經沉淀去除。目前常用的藥劑有聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵、三氯化鐵等。化學除磷過程受藥劑反應時間、藥劑種類、投加量及投加位置等諸多因素影響,其中藥劑投加量影響程度最明顯

化學除磷工藝根據化學藥劑投加位置可分為前置沉淀、同步沉淀及后置沉淀3種類型。由于廢水中含有可與除磷藥劑作用的物質,前置沉淀耗藥量更高且產泥量大;后置沉淀涉及設備多且環節繁瑣,費用最高。相較于前兩者,同步沉淀過程優勢明顯,目前在實際應用中應用較為廣泛,但除磷藥劑的使用可能會對污泥性狀產生影響。

1.3精準化投加技術

外加碳源和除磷藥劑精準化投加技術可分為傳統控制、自動控制和智能控制3個發展階段,圖1為各階段藥劑精準化投加技術研究進展及特點。

一文讀懂｜污水處理外加藥劑減量化控制技術

圖1 藥劑精準化投加技術研究進展及特點

傳統外加碳源及除磷藥劑控制策略普遍采用定量投加的方式,由于進水水質容易出現波動,這種投加策略在造成藥劑浪費、污泥產量增大、運行成本增加的同時并未完全消除出水氮、磷超標排放風險。因此,在實際污水處理過程中外加碳源及除磷藥劑的自動控制技術研究逐漸得到重視。

目前基于前饋、反饋及數學預測模型的自動控制技術在國內的研究應用已逐漸成熟。邱勇等比較了時序、前饋、反饋3種控制策略,發現出水反饋控制在保證出水達標的情況下,可節約16%的藥劑量。但前饋控制在實際應用中過于依賴數學模型的準確性,無法實現出水控制;反饋控制則存在進水水質周期性變化和生化反應周期較長導致反饋滯后的問題。近年來,在線監測設備的普及使自動控制技術向前饋-反饋復合控制方向發展,前饋-反饋復合控制首先利用前饋控制進水水質變化的影響,而后針對出水水質情況運用反饋控制進行調整。雖然在一定程度上降低了污水處理廠污泥產量及運行成本,但仍未徹底解決復雜生化反應的滯后性問題。

污水處理過程內部機理復雜,具有多變量、高度非線性、滯后性、復雜性等特點,為精準加藥模型的建立帶來了極大挑戰。隨著數據監測采集技術的發展,智能控制技術開始成為主要的探索方向。其中,模擬生物神經的神經網絡控制系統、以模擬數學為基礎進行模糊推理的模糊控制系統以及將專家經驗知識與計算機程序智能化結合的專家控制系統目前研究較為普遍。上海實驗室純水設備 

智能控制技術的優化研究主要集中于算法優化、模型前后處理以及模型結合等方面,出水氮、磷保持達標且藥耗明顯減少,同時具有相對較高的精準度及通用性。但目前大多數工程案例仍處在將模糊控制和神經網絡控制的建模方法同前饋、反饋等自動控制技術相結合的發展階段,一些具有代表性藥劑精準化投加工程案例如表1所示。

表1 藥劑精準化投加技術實施案例

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為進一步提高智能控制技術的精準性和可行性,國內外學者不斷對碳源及除磷藥劑動態投加機理模型進行研究和創新。Iacopozzi等引入硝化過程兩步法ASM3-2N模型,在Matlab/Simulink平臺上實現了外加碳源模型化精準控制。Kim等使用了一種帶有在線實時電荷分析系統和滴定儀的中試設備,利用膠體電荷滴定實時控制藥劑投加量,平均藥劑投加量減少14%,裝置TP去除率增加5%。上述對實際污水處理脫氮除磷機理模型的研究,在提高碳源及除磷藥劑使用效率的同時,也為提高模型預測精準度提供了理論依據。但目前基于模糊控制和神經網絡控制的智能控制策略仍處在小試和中試階段,有待進一步研究和應用。

2 優化工藝流程提升生物脫氮除磷效果

外加碳源與除磷藥劑精準化投加能夠在一定程度上降低外加藥劑的用量,節約運行成本。然而僅依靠控制外加藥劑投加量并不能從根本上實現外加藥劑的減量化,通過合理優化污水處理廠生物脫氮除磷工藝和運行條件,有望從源頭上減少外加藥劑的用量。

2.1生物脫氮工藝優化

常見的生物脫氮強化措施包括優化進水方式、調節回流比、控制好氧段DO濃度等。

優化進水方式是從充分利用碳源角度出發,提高脫氮效率,進而減少外加碳源投加量;調節回流比是從優化各段反應池氮素配比角度出發,控制缺氧池中碳源利用率以及出水硝態氮(NO3--N)濃度,進而影響缺氧池反硝化脫氮效率;控制污水處理工藝好氧段DO濃度則有助于實現多途徑脫氮,減少外加碳源需求量。其對應的工藝優化措施如表2所示。

表2 生物脫氮工藝優化措施

一文讀懂｜污水處理外加藥劑減量化控制技術

多種工藝的組合調控是目前污水處理廠普遍采用的優化方法,優化進水方式耦合內回流比控制策略有著較強的抗沖擊負荷能力,并且能夠實現節能降耗,因此,適用于大多數污水處理廠。

2.2生物除磷工藝優化

生物除磷強化措施包括側流污泥回流技術、側流磷回收工藝以及污泥回流控制技術等。

側流污泥回流技術通過提高碳源濃度,從而提高聚磷菌厭氧釋磷效果,進而促進好氧吸磷過程;側流磷回收工藝通過降低生物處理過程中的磷負荷,從而提高碳磷比(COD/TP),進而提高生物除磷效果;污泥回流控制技術則能夠緩解反硝化過程與厭氧釋磷過程之間的碳源競爭問題,提高生物除磷效果。各技術對應的工藝優化措施如表3所示。

表3 生物除磷工藝優化措施

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工程實踐表明,側流污泥回流技術與側流磷回收工藝需增設構筑物,而污泥回流控制技術所需成本較低,并且可以實現脫氮除磷同步優化。上海純水設備此外,反硝化除磷技術能夠有效地解決碳源競爭問題,實現同步脫氮除磷,然而目前該工藝實際應用案例較少,是未來的重點研究方向。

3 藥劑減量化整體調控策略與案例分析

目前我國污水處理廠水質監測雖然已開始進行工藝全流程監測和藥劑精準化投加,但當出水水質超標時,仍通過增大外加藥劑投加量來保障水質達標,這種將污水系統割裂的處理方式很難在保障處理效果最優的同時兼顧運營成本。

在污水處理廠工藝流程優化過程中,應著重關注各構筑物的進出水和沿流程水質。結合儀表、控制和自動化技術精細化管理各道工藝及設備的運行情況,各段進出水水質波動范圍較大時可實時調節進水量、回流量、DO濃度等參數,從而達到節能降耗的目的。同時,引入如模糊控制、人工神經網絡等智能控制系統,進一步提高預測精準度,降低自動控制技術的滯后性局限。此外,將藥劑精準化投加與全流程工藝優化措施相結合,協同提升整體處理效果和能源藥劑利用效率是藥劑減量化控制策略的發展方向,其代表性工程案例如表4所示。

表4 藥劑減量化整體調控策略

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工程實踐表明,采用全流程工藝優化和前饋/反饋控制藥劑投加量是藥劑減量化的主要工程措施,均不同程度地降低了外加藥劑的投加量和運行能耗。考慮到不同地域城鎮污水處理廠進水水質特征及波動特征差異性,精準化投加技術與工藝流程優化技術結合策略應根據實際情況略有側重。進水水質波動大、對外加藥劑依賴性較強的污水處理廠,應當優先建立完整的智能控制系統;而對于進水水質穩定、外加藥劑投加量變化幅度小或主要依靠主體工藝實現出水達標排放的污水處理廠,則重點關注全流程工藝優化改造措施。各個污水處理廠還需做好數據記錄與分析,需要提高脫氮除磷效率的污水處理廠應首要關注生化反應段,根據季節性運行數據,制定“一廠一策”的工藝運行方案。 上海純水設備

4 結語

外加藥劑減量化控制技術的研究與發展為我國城鎮污水處理廠實現外加藥劑精準投加提供了可行途徑,將促進污水處理廠向低碳、智能、高效化方向發展。針對藥劑減量化投加控制技術研究現狀分析,提出以下建議與展望。

(1)外加碳源與除磷藥劑精準化投加技術應用正向智能化控制技術方向發展,大部分智能控制技術與自動控制技術相結合的案例已被初步證明有效,但基于模糊控制和神經網絡控制的智能化控制技術仍停留在數值模擬及小試、中試階段,缺乏大規模處理工程實際運行數據。因此,應進一步將模糊控制、神經網絡控制、遺傳算法優化相結合,進一步降低智能控制誤差,并開展示范工程以考察外加藥劑智能控制策略減量化效果。

(2)采用全流程工藝優化可以從源頭提高氮、磷處理效果,減少外加藥劑投加。目前藥劑減量化技術主要集中在智能控制技術研究,應優先從工藝運行與調控的視角進行源頭藥劑減量。通過進水方式優化、增/改設內回流、精準曝氣等工藝流程優化技術可有效提高脫氮除磷效能,適用于大多數污水處理廠提質增效。而對于進水水質波動大、對外加藥劑依賴性較強的污水處理廠,應優先建立完整的智能控制系統;進水水質穩定、外加藥劑投加量變化幅度小或依靠主體工藝可實現出水穩定達標的污水處理廠,則應重點關注全流程工藝優化改造措施。

(3)將全流程工藝優化和智能控制技術相結合的整體調控策略是污水處理廠藥劑減量化的主要發展方向。同時,應根據污水處理廠進水水質特征、波動特征及運行特征制定出“一廠一策”的藥劑減量化整體調控方案。

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