周 璽

(沈陽(yáng)市政工程設(shè)計(jì)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110005)

引言

大多數(shù)污水處理廠受到出水、出水TN超標(biāo)困擾，尤其在冬季，TN、超標(biāo)現(xiàn)象更是頻繁，且若不及時(shí)進(jìn)行工藝調(diào)整，輕則出水、TN等指標(biāo)超標(biāo)，重則生化系統(tǒng)“崩潰”。由于污水處理過(guò)程采用生化處理工藝，處理效果受多方面的因素影響，包括進(jìn)水因素、有機(jī)負(fù)荷、工藝段運(yùn)行操作等諸多要素，而且在處理過(guò)程中受到其影響而具有復(fù)雜性和不確定性。大多數(shù)污水處理廠在管理方面缺乏高水平專業(yè)技術(shù)人員，污水處理廠技術(shù)人員憑借多年工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，缺乏科學(xué)量化的依據(jù)，在目前智慧水務(wù)的大背景下[1]，建立一套具有報(bào)警、診斷等功能系統(tǒng)來(lái)協(xié)助專業(yè)人員對(duì)污水處理廠進(jìn)行高效管理是有必要的，當(dāng)面臨出水水質(zhì)出現(xiàn)惡化情況時(shí)，系統(tǒng)可以自主根據(jù)影響因子進(jìn)行排查，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)，更好地維護(hù)污水處理廠的高效運(yùn)行。

所謂專家系統(tǒng)，是一類具有某領(lǐng)域?qū)ｉT知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的智能計(jì)算機(jī)程序，本文旨在把污水處理領(lǐng)域的成熟理論研究和工程經(jīng)驗(yàn)方法與污水處理過(guò)程控制理論、技術(shù)、方法相結(jié)合，在無(wú)法預(yù)料的環(huán)境下模擬人類的“大腦思維”實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的智能化控制。該系統(tǒng)具有的優(yōu)點(diǎn)：可以在一定程度上模擬人的大腦思維活動(dòng)規(guī)律，使之有自我決策能力；可以對(duì)整個(gè)污水處理工藝進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)控，以便在某些性能指標(biāo)下實(shí)現(xiàn)最佳控制，而且可以提供操作指導(dǎo)[2]；可以在一定程度上降低由進(jìn)水因素和環(huán)境因素引起各項(xiàng)出水指標(biāo)的超標(biāo)影響；可以對(duì)引發(fā)出水指標(biāo)的影響因子進(jìn)行診斷分析，并迅速根據(jù)相應(yīng)影響因子策略對(duì)工藝段發(fā)出相應(yīng)指令，直至出水水質(zhì)不再惡化而達(dá)標(biāo)。

AAO工藝作為傳統(tǒng)活性污泥法脫氮除磷工藝，以COD去除、脫氮、除磷3種綜合功能的污水處理工藝，且不易引發(fā)污泥膨脹，生產(chǎn)管理難度??；尤其適用于大、中型城鎮(zhèn)污水處理工程，C、N、P元素在生化池中被去除；缺點(diǎn)是該工藝受到生化系統(tǒng)內(nèi)系統(tǒng)的基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)和污泥齡矛盾等問(wèn)題導(dǎo)致脫氮效率難以進(jìn)一步提高，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)TN出水超標(biāo)。

1 AAO工藝TN超標(biāo)成因分析

大多數(shù)污水處理廠面臨出水TN超標(biāo)可以分為2種情況：由出水超標(biāo)引起的TN出水超標(biāo)；由出水-N超標(biāo)引起的TN出水超標(biāo)。污水處理廠常見(jiàn)的出水超標(biāo)原因：由于進(jìn)水因素導(dǎo)致后續(xù)處理效果受到?jīng)_擊影響而出水超標(biāo)；因污水工藝段出現(xiàn)異常而引起的出水水質(zhì)超標(biāo)。針對(duì)AAO工藝而言，其中影響脫氮效率因素甚多，如由進(jìn)水方面引起的異常包括水量、水質(zhì)等。由工藝段引起的異常包括溶解氧DO、pH、污泥濃度MLSS、污泥齡SRT等。以上各因素可以劃分直接因素、間接因素；直接因素是直接通過(guò)傳感器獲取數(shù)據(jù)，如水量、DO、pH、MLSS等；間接因素是將構(gòu)筑物功能傳感器獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂剖?，并用?jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算得出的指標(biāo)，如污泥負(fù)荷F/M、污泥齡SRT等。以下針對(duì)引起TN超標(biāo)的影響因子做詳細(xì)總結(jié)。

1.1 污泥負(fù)荷(F/M)

在活性污泥AAO工藝中，去除率與F/M呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，低F/M有利于系統(tǒng)對(duì)去除、脫氮效率更高。有研究證明[3]，當(dāng)污泥負(fù)荷F/M在0.14～0.22g·g-1·d-1，脫氮效果最佳。其原因?yàn)橄趸鳛閲?yán)格的好氧化能自養(yǎng)菌，在氧化氮元素時(shí)所需要的能量來(lái)源很少，氧化氮元素較慢，低F/M運(yùn)行時(shí)污水停留時(shí)間長(zhǎng)，有利于和被充分氧化[3]。

1.2 水力停留時(shí)間(HRT)

硝化反應(yīng)過(guò)程中，氧化氮元素較慢，需要較長(zhǎng)的停留時(shí)間進(jìn)行充分氧化。有關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，隨著水力停留時(shí)間的增加，對(duì)去除效果越來(lái)越好[4]。若HRT過(guò)短，曝氣池內(nèi)硝化菌在沒(méi)有完全成長(zhǎng)起來(lái)發(fā)揮作用時(shí)隨著水流流失，硝化反應(yīng)進(jìn)行不充分，脫氮效率不高。

1.3 混合液回流比(R)

已有研究表明，混合液回流比對(duì)去除率影響不明顯，但對(duì)TN的去除率影響較大?；旌弦夯亓鞅冗^(guò)大，會(huì)導(dǎo)致混合液含有部分DO回流至缺氧池，反硝化作用受到抑制?；旌弦夯亓鞅冗^(guò)小，會(huì)導(dǎo)致缺氧池內(nèi)的不足，脫氮不夠徹底，從而致使TN去除效果不佳[5]。

1.4 溶解氧(DO)

已有研究表明，DO在好氧池中首、末端逐漸升高，硝化速度也隨之加快，出水不斷降低。由于內(nèi)回流作用，并且保證缺氧池DO<0.5mg·L-1，才不會(huì)影響反硝化效果。此外，保持一定的溶解氧有利于污泥的沉降，避免因DO過(guò)低滋生絲狀菌，導(dǎo)致污泥膨脹從而影響污泥沉降性能[6]。

1.5 碳源(C/N)

碳源是影響反硝化作用的重要因素之一，在進(jìn)行反硝化反應(yīng)過(guò)程中，反硝化菌需要消耗污水中有機(jī)物作為電子供體進(jìn)行反硝化反應(yīng)，因此需要滿足反硝化系統(tǒng)C/N>4，如果達(dá)不到上述要求，需要向污水中投加碳源，保證反硝化作用順利進(jìn)行。

1.6 污泥齡(SRT)

污泥齡反映了生化池中活性污泥的生長(zhǎng)狀態(tài)、生長(zhǎng)條件和世代時(shí)間。研究表明，對(duì)于AAO工藝，硝化菌污泥的齡期不應(yīng)小于15d。硝化細(xì)菌泥齡較長(zhǎng)的原因是硝化細(xì)菌繁殖慢，世代時(shí)間長(zhǎng)，如果不能保證硝化細(xì)菌較長(zhǎng)的泥齡，硝化菌無(wú)法發(fā)揮作用而脫氮效果不佳。

1.7 溫度

在北方污水處理廠，出水TN超標(biāo)易在冬季頻發(fā)。低溫是限制微生物生長(zhǎng)的重要因素。硝化菌適宜生長(zhǎng)溫度范圍20～40℃，反硝化菌適宜生長(zhǎng)溫度范圍20～40℃。當(dāng)溫度低于15℃時(shí)，生物脫氮效率將明顯下降，且每降低1℃時(shí)，硝化菌增長(zhǎng)速率下降10%[7]。

1.8 pH和堿度

微生物生長(zhǎng)適宜pH值為6.5～8.5，大多數(shù)污水廠入流污水pH值一般偏堿性。好氧池中硝化作用會(huì)使系統(tǒng)pH和堿度降低，如果好氧池中硝化系統(tǒng)降至pH<7.0，則硝化進(jìn)程會(huì)受阻，須補(bǔ)充堿度以維持處理過(guò)程pH的穩(wěn)定。

2 TN超標(biāo)控制專家系統(tǒng)的建立

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能的發(fā)展和智能控制技術(shù)的逐步完善，污水處理領(lǐng)域已經(jīng)具備了實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)控制的條件和能力。該系統(tǒng)以成熟的科學(xué)理論為支撐，通過(guò)對(duì)工藝數(shù)據(jù)的監(jiān)控、采集和存儲(chǔ)，在已知理論和符合邏輯思維的基礎(chǔ)上進(jìn)行各因素篩分分析，對(duì)工藝異常情況進(jìn)行診斷，及時(shí)調(diào)整工藝，將出水超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)遏制在萌芽初期，同時(shí)也提高了污水處理的質(zhì)量和效率。以下將結(jié)合引起TN超標(biāo)原因和AAO工藝特點(diǎn)進(jìn)行TN超標(biāo)專家系統(tǒng)的介紹。

本文診斷過(guò)程思路如下。為了建立出水TN異常情況與故障原因(或者影響因子)之間的邏輯關(guān)系，需要引入中間節(jié)點(diǎn)，中間節(jié)點(diǎn)包括進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)、工藝段工況運(yùn)行參數(shù)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值(設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍)。進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)反映是否因進(jìn)水濃度過(guò)大導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)荷增加而出水超標(biāo)：工藝段運(yùn)行參數(shù)反映污水處理廠的運(yùn)行狀態(tài)，如是否因?yàn)镈O過(guò)低，導(dǎo)致好氧池硝化作用不徹底而出水超標(biāo)；設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值反映了污水處理廠建設(shè)過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。為此，根據(jù)進(jìn)、出水和工藝段運(yùn)行工況實(shí)測(cè)沿程數(shù)據(jù)獲得信息，判斷出水水質(zhì)濃度是否大于設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)，若大于，則確定出水TN超標(biāo)，此時(shí)需要根據(jù)TN出水超標(biāo)排查對(duì)應(yīng)的誘發(fā)因子，檢查工藝段對(duì)影響出水TN的工藝參數(shù)并進(jìn)行診斷分析，提出符合污水處理思維邏輯的故障診斷排查流程。該系統(tǒng)結(jié)合微生物脫氮原理及大量實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)針對(duì)出水TN超標(biāo)問(wèn)題，把污水廠TN超標(biāo)控制專家系統(tǒng)分成硝化系統(tǒng)故障專家系統(tǒng)、反硝化系統(tǒng)故障專家系統(tǒng)2類不同問(wèn)題。

2.1 硝化系統(tǒng)故障專家系統(tǒng)的建立

系統(tǒng)首先通過(guò)分析TN濃度和出水氨氮濃度以及識(shí)別其他引起硝化反應(yīng)不佳現(xiàn)象等信息來(lái)指示系統(tǒng)硝化效果的好壞。判斷原水水質(zhì)濃度是否大于設(shè)計(jì)值，若小于設(shè)計(jì)值，說(shuō)明不是由進(jìn)水因素導(dǎo)致系統(tǒng)硝化效果不佳，若系統(tǒng)已識(shí)別受到進(jìn)水沖擊而影響硝化反應(yīng)，則需要進(jìn)入進(jìn)水因素故障排查系統(tǒng)，根據(jù)識(shí)別不同種類水質(zhì)沖擊，選擇不同排查方案。當(dāng)進(jìn)水未受到?jīng)_擊時(shí)，此時(shí)應(yīng)從工藝段進(jìn)行排查，排查過(guò)程如下。

圖1是硝化系統(tǒng)故障排查程序，從中給出硝化反應(yīng)的影響因素、判斷節(jié)點(diǎn)以及提高硝化效果的解決方案。

圖1 硝化系統(tǒng)故障診斷流程圖

如果檢測(cè)出水TN>15mg·L-1，出水-N>1mg·L-1。系統(tǒng)需對(duì)進(jìn)水C/N值進(jìn)行分析，通過(guò)在線數(shù)據(jù)綜合計(jì)算判斷是否小于設(shè)計(jì)值(4～6)，若小于，說(shuō)明是由C/N過(guò)低引起的硝化作用不佳，此時(shí)需要對(duì)碳源進(jìn)行調(diào)整。若C/N不小于設(shè)計(jì)值，說(shuō)明系統(tǒng)硝化作用不佳并非進(jìn)水C/N不足引起，需判斷好氧池內(nèi)pH是否持續(xù)降低，若持續(xù)降低，可能是堿度不足或進(jìn)水pH較低的原因，為了準(zhǔn)確判斷原因，系統(tǒng)需檢測(cè)進(jìn)水是否受到pH沖擊，若進(jìn)水受到pH沖擊，則需進(jìn)入進(jìn)水因素故障排查程序。若沒(méi)有受到pH沖擊，進(jìn)一步檢測(cè)出水堿度是否小于70mg·L-1，若是，則確認(rèn)由于硝化反應(yīng)過(guò)程中消耗了大量堿度，需對(duì)堿度進(jìn)行調(diào)整，保證硝化作用順利進(jìn)行。若好氧池內(nèi)pH沒(méi)有持續(xù)降低，說(shuō)明系統(tǒng)硝化作用不佳并非進(jìn)水pH方面原因引起，需進(jìn)一步判斷好氧池內(nèi)的DO濃度是否大于2mg·L-1，若好氧池DO<2mg·L-1，說(shuō)明是由曝氣量過(guò)低引起的硝化作用不佳，此時(shí)需要對(duì)DO進(jìn)行調(diào)整。若DO處于正常，說(shuō)明系統(tǒng)硝化作用不佳并非DO引起，需進(jìn)一步檢測(cè)F/M是否較低、污泥齡是否不計(jì)算合理等方面因素。通過(guò)在線和離線數(shù)據(jù)綜合計(jì)算判斷系統(tǒng)的F/M值是否小于設(shè)計(jì)值，若小于，說(shuō)明是由低負(fù)荷引起的硝化作用不佳，此時(shí)應(yīng)對(duì)F/M進(jìn)行調(diào)控。判斷系統(tǒng)的污泥齡是否計(jì)算不合理，若污泥齡異常，此時(shí)應(yīng)通過(guò)改變剩余污泥排放量對(duì)污泥齡進(jìn)行調(diào)控。

如果出水-N<5mg·L-1，系統(tǒng)會(huì)分析出水-N濃度，如果>10mg·L-1，則表明系統(tǒng)反硝化不充分，進(jìn)入反硝化系統(tǒng)故障排查程序。若出水-N濃度滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，則表明系統(tǒng)硝化和反硝化效果都很好，保持當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。

如果出水-N<1mg·L-1，為節(jié)約曝氣能耗，系統(tǒng)分析好氧池DO濃度，如果DO濃度較低，為了進(jìn)一步降低曝氣能耗，建議降低硝化區(qū)容積，如果DO濃度較高，建議降低硝化區(qū)DO濃度。

2.2 反硝化系統(tǒng)故障專家系統(tǒng)的建立

系統(tǒng)分析進(jìn)水是否受到進(jìn)水沖擊，若是，則進(jìn)入進(jìn)水因素故障排查程序。若沒(méi)有，則系統(tǒng)需檢測(cè)出水NO3-N濃度以及識(shí)別二沉池污泥是否上浮等信息來(lái)指示系統(tǒng)反硝化效果的好壞。如果出水NO3-N>10mg·L-1或者識(shí)別二沉池污泥上浮現(xiàn)象，表明系統(tǒng)反硝化效果差，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入反硝化系統(tǒng)故障排查程序開(kāi)始分析相應(yīng)的原因。

圖2是反硝化系統(tǒng)故障排查程序，從中給出反硝化反應(yīng)的影響因素、判斷節(jié)點(diǎn)以及提高反硝化效果的解決方案。系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)缺氧池末端的出水NO3-N的濃度是否介于1～3mg·L-1來(lái)判斷反硝化是否不佳，試驗(yàn)證明，維持缺氧池末端NO3-N濃度為1～3mg·L-1[8]時(shí)，可以最大程度降低出水TN濃度。維持缺氧池末端硝態(tài)氮濃度為1mg·L-1，可以實(shí)現(xiàn)以相對(duì)較少的外碳源投加量，最大程度降低出水TN和NO3-N濃度。若沒(méi)有介于1～3mg·L-1，則需檢測(cè)進(jìn)水碳源C/N是否小于4，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中污水處理廠一般C/N>4才能滿足脫氮要求[9,10]。若C/N<4，則說(shuō)明是由碳源不足引起反硝化作用不佳，若進(jìn)水碳源C/N不小于4，則進(jìn)一步檢測(cè)缺氧池內(nèi)的DO含量是否大于0.2mg·L-1，若是，可能是由內(nèi)回流比較大和好氧池末端DO含量過(guò)大導(dǎo)致，為了準(zhǔn)確證明出水氨氮出水濃度判斷DO>0.2mg·L-1的原因，若出水NH3-N>1mg·L-1，則是由內(nèi)回流比較大引起反硝化作用不佳，此時(shí)需對(duì)內(nèi)回流進(jìn)行調(diào)控；若出水NH3-N濃度小于1mg·L-1，則是由好氧池末端曝氣過(guò)量引起的反硝化作用不佳，此時(shí)需對(duì)好氧池末端DO進(jìn)行調(diào)控。若檢測(cè)缺氧池內(nèi)的DO含量不大于0.5mg·L-1，則說(shuō)明反硝化作用不佳并非是由缺氧池DO引起的。在此之前，系統(tǒng)已經(jīng)針對(duì)各項(xiàng)主要引發(fā)反硝化作用不佳做了系統(tǒng)梳理和排查，此時(shí)需從其他因素排查，主要分析水溫是否過(guò)低，生化池內(nèi)機(jī)械是否故障等一系列非“主觀因素”[11]。

圖2 反硝化系統(tǒng)故障診斷流程圖

如果出水NO3-N<10mg·L-1，系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)檢測(cè)出水NH3-N濃度，若出水NH3-N>5mg·L-1，表明系統(tǒng)硝化效果差，進(jìn)入硝化系統(tǒng)故障排查程序；如果出水NH3-N<5mg·L-1，表明系統(tǒng)硝化和反硝化效果都較好，建議適量降低好氧區(qū)DO水平并維持運(yùn)行狀態(tài)不變。

3 案例應(yīng)用分析

3.1 診斷過(guò)程

調(diào)取2019年12月、2020年1月2個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 2019年12月、2020年1月實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)

3.2 進(jìn)水因素結(jié)論

3.3 鏡檢結(jié)果

混合液含有表殼蟲(chóng)屬、游仆蟲(chóng)屬，鐘蟲(chóng)、蓋纖蟲(chóng)、等枝蟲(chóng)等固著型纖毛蟲(chóng)，原生動(dòng)物較正常時(shí)略有減少。

4 結(jié)論