应用在线式硝氮分析仪监测、控制和改善污水脱氮除磷处理能效

1 氮磷处理工艺和控制 技术概述

城市污水处理工艺是除碳、除氮、除磷三种流程的有机组合, 是微生物生态系统的交替作用过程。一般常见的工艺包括有A/O工艺、A 2/O工艺、各种氧化沟工艺、SBR工艺等这些从活性污泥法派生出来的生物处理类型的工艺。

1.1 生物脱氮的原理及问题

污水生物处理中氮的转化过程包括:氨化、同化、硝化和反硝化。而在污水处理厂中, 主要是应用到硝化和反硝化过程进行氮的去除。

硝化反应是氨氮在有氧存在的条件下被自养细菌氧化为亚硝酸盐并进一步被氧化为硝酸盐, 这一生化过程称为硝化过程。

反应式表示为:

式中硝化细菌的化学组成用C5H7NO2表示, 包括了氨氮氧化和新细胞合成的反应;反硝化反应是由一群异养型微生物完成的生物化学过程。在缺氧 (不存在分子态溶解氧) 的条件下, 将硝酸盐氮还原成氮气、一氧化氮或氧化二氮, 从而最终去除氮的成份。参与反硝化过程的微生物是反硝化菌。

生物反硝化过程可以用下式表示:

在脱氮过程中, 主要影响因素有温度, 反硝化区和硝化区中DO、硝酸盐氮浓度, 因此对这些参量的监测和控制是至关重要的。

1.2 生物除磷的原理及影响因素

磷的去除是通过排放剩余污泥实现的。生物除磷工艺的一个特征是厌氧区的设置, 供聚磷菌 (贮磷菌) 吸收基质, 产生选择性增殖。而经过厌氧状态释放正磷酸盐的活性污泥, 在好氧状态下具有很强的磷吸收能力, 最终含磷的污泥排放出系统, 实现磷的去除。

在除磷过程中, 主要影响因素有DO、硝酸盐氮浓度, 水质环境变化等。

其中, 厌氧区中存有的NO3-和NO2-会以两种方式影响生物除磷: (1) 产酸菌可利用NO3作为最终电子受体氧化有机基质, 因此NO3-和NO2-的存在会抑制产酸菌的厌氧发酵以及产生挥发性脂肪酸; (2) 反硝化菌利用NO3-进行反硝化, 同时消耗易生物降解的有机基质, 从而竞争性抑制了积磷菌的厌氧放磷。因此, 对厌氧区DO, 硝酸盐氮浓度的控制也非常重要。

2 目前工艺控制的主要问题

2.1 时间序列方式控制的主要问题

污水处理厂的水质不是固定不变的, 而是一直在进行着动态的变化, 污水中的碳、氮、磷等有机物在水中的浓度和比例也是不断在变化。

单纯的使用时间序列进行的“固定式”控制往往会造成在白天污染物质排放的高峰时间段, 污染物质去除不足, 而在夜晚污染物质排放的低谷时间段, 又造成了过度曝气, 能源浪费, 从而增加了不必要的运行成本。

同时, 随着一年四季气温变化及偶然的天气变化, 都会对水体中的污染物质成份及微生物活性产生影响, 从而影响碳、氮、磷等有机物的去除效果。例如在寒冷的气候条件下, 污水的温度降低, 对生化反应尤其是硝化反应的影响就非常大。

2.2 在线溶解氧D O仪控制方式的主要问题

利用在线式溶解氧DO仪进行曝气机闭环控制 (见图1) , 主要是控制曝气量来达到一个合理的曝气阶段DO浓度, 降低了能耗。但因为并没有对有机物的变化进行反馈和控制, 也存在图3所示的有机物处理方面的问题。

2.3 在线DO+ORP仪组合控制方式的主要问题

在线DO+ORP仪的控制系统构成图如图2所示。这种控制方式常应用于SBR及其变形工艺中 (见图2) 。

其原理是水体中硝酸盐氮浓度的变化会带来ORP的变化, 当硝氮浓度下降到零点再回升时, 在ORP曲线中会出现“拐点”。

在SBR工艺中, 可以利用ORP和硝氮变化之间的关系, 控制厌氧与好氧的切换, 即在ORP出现拐点时, 打开曝气机曝气进入好氧阶段。这种工艺实质上是间接的监测硝氮参数的变化来进行自动控制。

但在这种参数间接关联转换情况下, 会出现以下这些问题, 影响自控系统的运行及工艺的正确控制:出现拐点的ORP值并非固定不变, 在不同的污水处理厂, 需要进行不同的调整, 往往造成在实际运行中比较难找到或找不到相应的“拐点”, 从而无法运行自控系统;“拐点”的出现受水体成份干扰, 成份变化时 (如污水中C与N的比例) , 拐点也会发生变化, 造成当硝氮变化时, 因为拐点没有找到或出现偏差, 而造成错误的工艺控制;很多时候, 要求曝气开始的时间是硝氮值在零点以上某个位置的时候, 如在冬天寒冷天气环境下等。这种情况下, 再用ORP拐点进行控制就会出现工艺控制错误。

3 应用在线硝氮分析仪进行的工艺控制改进

由前面的氮磷处理机理分析可知, 在污水处理厂厌氧、缺氧、好氧阶段, 通过对DO, 硝酸盐氮浓度的适时监测, 可以很好的反馈工艺进行的状态, 从而进行工艺的进程控制。

因此, 在自控系统中加入在线式硝氮分析仪, 即可以直观的监测到水体中硝酸盐氮浓度及变化。之后, 再联同DO参数就可以进行相关的工艺自动化控制。

一般情况下, 硝氮分析仪的安装工艺点有硝化区 (曝气池) 、反硝化区 (缺氧区) 、厌氧区、出厂水。控制系统构成示意图如图3所示。

3.1 硝化区 (曝气池)

作用:重要的工艺监测和控制点, 联同DO仪对曝气机和搅拌机进行控制。

在曝气池末端安装的硝氮分析仪, 一方面, 可以监测到NH4-N是否发生充分的硝化反应, 以达到预期的脱氮效果;而另一方面, 它也可以监控硝化反应的进行程度, 因为过度的硝化反应将会导致曝气池末端的硝氮浓度过高, 从而引起二沉池和最终出水排放口的硝氮浓度过高, 甚至超标。所以对硝氮进行在线实时的监控, 可以有效的限制硝氮浓度不超过上限值, 保证排水口的总氮值达标。