武旭輝 王建興 柴學(xué)義 保定市排水服務(wù)中心

保定市魯崗污水處理廠建成于1996年，處理能力8萬t/d，A2O工藝。由于位于白洋淀上游，對(duì)出水水質(zhì)要求較高，經(jīng)過多次升級(jí)改造，2019年魯崗污水處理廠深度處理工程完工。改造后生物池使用Bardenpho工藝，并增加深度處理工藝，使出水水質(zhì)達(dá)到《大清河流域水污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》中的重點(diǎn)控制區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，并盡量按準(zhǔn)三類水標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行（其中TN≤9mg/L）。Bardenpho工藝兼有前缺氧和后缺氧的反硝化，最早是由Barnard在1973年在南非提出的，后經(jīng)過了不斷改進(jìn)和發(fā)展。改良 Bandenpho 工藝是在 A2O 工藝基礎(chǔ)上,在后面增設(shè)了一個(gè)缺氧段和一個(gè)好氧段,其流程如圖1所示。

圖1 強(qiáng)化Bardenpho工藝

根據(jù)初沉池運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)， 2021～2022年度污水廠一沉池出水C/N數(shù)值，年均值為2.84，可見碳氮比存在不足的問題。為了達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，脫氮工藝需要投加大量的碳源。該廠使用醋酸鈉為碳源，主要投藥方式，是直接采用計(jì)量泵加藥到前置缺氧段，根據(jù)平時(shí)摸索出來的經(jīng)驗(yàn)確定流量數(shù)值。由于缺乏及時(shí)動(dòng)態(tài)的調(diào)整加藥量的自動(dòng)化手段，且為了防止受到進(jìn)水水質(zhì)和水量變動(dòng)的沖擊，就需要碳源在一定范圍內(nèi)過量投加。這樣能夠保證出水水質(zhì)的達(dá)標(biāo)，但同時(shí)也不可避免的造成了碳源的浪費(fèi)。為了改變這一現(xiàn)象，節(jié)約碳源并提高效率，我們通過3號(hào)生物池進(jìn)行了碳源投加試驗(yàn)，經(jīng)過試驗(yàn)摸索出了適合該廠實(shí)際情況的經(jīng)驗(yàn)公式，并進(jìn)行了優(yōu)化投加策略的工作。

保定魯崗污水處理廠3號(hào)生物池結(jié)構(gòu)具有明顯5段式Bardenpho工藝特征，從脫氮角度來看，該工藝內(nèi)部具有2次反硝化過程，第一次反硝化過程發(fā)生在第1缺氧段和第1好氧段，影響其脫氮效果的因素較多，其中內(nèi)回流比和好氧段溶解氧對(duì)出水硝氮的影響尤其重要，第二次反硝化過程則因?yàn)椴淮嬖趦?nèi)回流而控制參數(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，更接近理想狀態(tài)。

1 碳源投加經(jīng)驗(yàn)公式及其參數(shù)確定

1.1 根據(jù)碳平衡算式確定經(jīng)驗(yàn)投藥公式及其參數(shù)

魯崗污水處理廠采用醋酸鈉碳源投加物。醋酸鈉相比于污水處理除碳過程中剩余的部分COD，具有高效易水解的特點(diǎn)，無論缺氧環(huán)境下的反硝化反應(yīng)，還是缺氧段初期低氧環(huán)境下的消耗反應(yīng)，都發(fā)生的很快，會(huì)形成相對(duì)優(yōu)先的消耗。而缺氧池的封閉的環(huán)境中，氮、COD、溶解氧的消耗量都相對(duì)比較明確，以此為基礎(chǔ)，通過建立醋酸鈉的COD投加當(dāng)量與溶解氧變化以及總氮變化之間的平衡關(guān)系，對(duì)缺氧池內(nèi)的COD消耗情況進(jìn)行平衡計(jì)算，平衡關(guān)系式如式（1）所示。

式中Y—某特定碳源（醋酸鈉）的COD投加當(dāng)量濃度 ，單位mg／L；△(NO3_N)—反應(yīng)單元前后硝氮的變化量代替，單位mg／L；△DO—反應(yīng)單元前后溶解氧的濃度的變化量，單位mg／L；K1—△(NO3_N)的COD當(dāng)量系數(shù)；K2—△DO的COD當(dāng)量系數(shù)；r—內(nèi)回流比；b——△COD修正數(shù)，修正反應(yīng)單元前后不投加碳源情況下的COD變化情況，單位mg／L。

有了平衡關(guān)系式（1）作為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際工藝條件產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定K1、K2、b的值，就可以得到符合自身工藝特點(diǎn)的碳源投加經(jīng)驗(yàn)公式。

1.2 參數(shù)K1、K2、b的確定過程

根據(jù)公式（1），控制進(jìn)入反應(yīng)單元前的溶解氧濃度和進(jìn)水流量情況下，碳源投加COD當(dāng)量（y）可以視為硝氮變化量（x）的線性函數(shù)，通過統(tǒng)計(jì)足夠多的實(shí)際測(cè)量數(shù)值進(jìn)行線性回歸，就可以繪制出該函數(shù)y=f(x)的圖像，通過其斜率的繪制，可以足夠精確的得到K1的值。

從公式中可以看出，當(dāng)碳源投加量降低到某一數(shù)值時(shí)，等式右側(cè)第一項(xiàng)K1·[△(NO3_N)]就會(huì)接近于無藥投加時(shí)的硝氮COD當(dāng)量變化情況。這時(shí)投入的碳源可以視為將大部分用于后兩項(xiàng)K2·[△DO]和b的消耗。通過實(shí)地測(cè)量第2缺氧反應(yīng)器未投加碳源情況下，進(jìn)出水口前后的COD變化，就可以確定K3的值。同時(shí)，根據(jù)散點(diǎn)線性回歸后的函數(shù)y=f(x)，其圖像延長后落在y軸上的截距，就能夠在數(shù)值上確定K2。

通過一系列數(shù)值的測(cè)定并作圖，就可以根據(jù)式（1）確定出具有該污水廠自身特點(diǎn)的加藥量公式及其特征參數(shù)。具體過程如下：

碳源的投加位置選擇在第1好氧段結(jié)束和第2缺氧段開始的交界位置，在這里把溶解氧精確的控制在3mg/L左右，投藥主要依賴變頻泵精確控制流量，加藥量分70、105、150、180、200等多個(gè)檔次不同日期內(nèi)分別投加，每一組投加都通過化驗(yàn)室在至少間隔1日的不同時(shí)間段測(cè)量至少3組數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)過散點(diǎn)線性回歸后的圖像如圖2所示。

圖2 碳源投加當(dāng)量與硝氮變化關(guān)系

如圖2，根據(jù)回歸后的線段的斜率可以得到K1=4.58；根據(jù)該回歸線段延長后的截距可以得到[K2·△ DO]-K3=3.45。

把加藥量降低到0，測(cè)量不加藥情況下的第2缺氧池前后的COD變化數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)變化非常小。由于對(duì)公式右側(cè)的影響非常小，即式（1）中的最后一項(xiàng)b在計(jì)算中的實(shí)際影響可以忽略。由此得到K2=3.45/3=1.15，最終得到的公式（2），可以作為最基礎(chǔ)的碳源自動(dòng)化投加的核心公式來使用。

2 碳源投加策略的確定

2.1 碳源投加量偏差造成的影響

為了量化碳源的過量投加和不足投加如何影響前置反硝化段的最后出水，進(jìn)行投加試驗(yàn)。根據(jù)投藥模式改進(jìn)前的單點(diǎn)投加的日常投加量，控制第1缺氧段的加藥量從720L/h開始逐漸降低，每天測(cè)量2組數(shù)據(jù)，2～3d進(jìn)行一次加藥量的調(diào)整，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出當(dāng)下需要投加的碳源的量，控制實(shí)際投加量從過量投加逐漸減少，直到低于計(jì)算投藥量，觀察并統(tǒng)計(jì)出水硝氮的變化情況。當(dāng)實(shí)際加藥量少于計(jì)算加藥量的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致前置反硝化段出水指標(biāo)的升高；而過量的碳源投加對(duì)出水硝氮的降低效果并不明顯；前置缺氧出水硝氮除了受前置出水硝氮和碳源投加量的影響外，還受厭氧出水硝氮和碳源共同影響。即公式（2）中的△(NO3_N)項(xiàng)，其實(shí)際值應(yīng)該包括“厭氧段出口硝氮+前置好氧段末端硝氮-前置缺氧段末端硝氮控制值”。而這個(gè)前置缺氧段末端的硝氮控制值，就是整個(gè)投藥分配的關(guān)鍵所在。

2.2 多點(diǎn)投加策略的量化方案確定過程

當(dāng)進(jìn)水氨氮、總氮較低或?qū)γ摰蟛桓撸═N≤15mg/L）的時(shí)候，單獨(dú)前反硝化段投加碳源就可以滿足要求，前缺氧段作為反硝化的主要區(qū)域，對(duì)TN的抗沖擊能力要更強(qiáng)、脫氮效率更加穩(wěn)定。在進(jìn)水氨氮、總氮較高或出水總氮要求較低（例如出水TN穩(wěn)定小于9mg/L）受前置缺氧段脫氮效率和后置缺氧段去除能力限制，單獨(dú)投加碳源無法達(dá)到目標(biāo)。因此在該廠的投加策略選擇上，采用以前置為主，前、后置缺氧段兩段投加的方式。而兩段投加量化的關(guān)鍵，是如何同時(shí)讓2個(gè)反硝化池的碳源效率都達(dá)到最高。

通過試驗(yàn)，可以找出前置缺氧段末端的硝氮指標(biāo)達(dá)到的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)的達(dá)到也就標(biāo)志著整個(gè)反硝化池中的硝氮的去除率開始下降。這個(gè)拐點(diǎn)同時(shí)碳源投加效率的拐點(diǎn)，因?yàn)橹蟮倪^量投加不但會(huì)造成碳源利用率的降低，還會(huì)造成后面好氧段溶解氧的需求負(fù)荷逐漸加大，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 前置缺氧段的碳源投加當(dāng)量與出口硝氮的關(guān)系

從圖3曲線中可以看出，第1缺氧段末端的硝氮與實(shí)際的碳源投加量基本上呈現(xiàn)反比關(guān)系，在COD當(dāng)量達(dá)到45mg/L左右的時(shí)候（此時(shí)對(duì)應(yīng)實(shí)際醋酸鈉投加量400mg/L），出口的硝氮值開始降低到1mg/L以下并減勢(shì)趨緩?？梢哉J(rèn)為碳源在這個(gè)投加量在缺氧池中實(shí)現(xiàn)了剛好完全反硝化，該反硝化池的效率達(dá)到最高。此時(shí)通過對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式加藥量計(jì)算，其結(jié)果與試驗(yàn)曲線中拐點(diǎn)處的數(shù)值45mg/L也非常接近。

根據(jù)上述條件，最后適用于運(yùn)行的分段投加策略： ①在前置缺氧段末端、前置好氧段末端分別設(shè)置硝氮儀表，以經(jīng)驗(yàn)公式中所需的硝氮、進(jìn)水量、溶解氧數(shù)據(jù)作為基本參數(shù)。加藥分成兩部分，第1部分的加藥投加在第1缺氧段入口處，以控制前置缺氧段末端硝氮指標(biāo)保持在1～1.5 mg/L范圍內(nèi)為目標(biāo)，以第一好氧段末端硝氮數(shù)據(jù)與控制目標(biāo)之差計(jì)算加藥量為基準(zhǔn)，修正加藥量。這種修正控制需要隨時(shí)根據(jù)水質(zhì)和測(cè)量參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整。②第2部分的加藥投加到第2缺氧段入口處，以第一好氧段末端硝氮數(shù)據(jù)與出水控制硝氮指標(biāo)之差為基準(zhǔn)計(jì)算需要的加藥計(jì)算量，同時(shí)留出一部分加藥余量防止進(jìn)水水質(zhì)突然變化的沖擊。出水控制硝氮指標(biāo)可以根據(jù)要求動(dòng)態(tài)變化，目前我們的控制指標(biāo)是：以前置好氧出水硝氮是否大于7mg/L作為標(biāo)準(zhǔn)。③以上的投加策略，通過配備必要的測(cè)量?jī)x表，根據(jù)進(jìn)出水參數(shù)設(shè)計(jì)了自動(dòng)化的加藥程序控制加藥量來實(shí)現(xiàn)。通過參數(shù)的控制，每一段的反硝化都可以以最高的效率進(jìn)行，以達(dá)到保證出水指標(biāo)的前提下，節(jié)約碳源的目的。

3 建立后的精確加藥系統(tǒng)及其節(jié)能效果

精確加藥系統(tǒng)的本質(zhì)是一套PLC控制下的自動(dòng)流量反饋系統(tǒng)如圖4所示，其核心依據(jù)是我們總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式和加藥策略。

圖4 自動(dòng)精確加藥系統(tǒng)原理圖

精確加藥系統(tǒng)經(jīng)過一個(gè)多月的試運(yùn)行，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。為了評(píng)估該系統(tǒng)投產(chǎn)后對(duì)整個(gè)處理成本節(jié)約情況，按照2022年5～6月份的運(yùn)行數(shù)據(jù)，測(cè)算了1年內(nèi)的單池成本節(jié)約效果如表1所示。

表1 魯崗污水處理廠3號(hào)池碳源投加改造后的成本節(jié)約效果

自動(dòng)投藥運(yùn)行后單池節(jié)約成本可以達(dá)到217.4萬元/a，考慮到該廠的另外2座曝氣池可以進(jìn)行模式推廣。按照總進(jìn)水量計(jì)算，總共節(jié)約成本可以達(dá)到386.5萬元/a。

4 結(jié)語

采用實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)線性回歸的方式得到的市政污水處理廠碳源投加公式中的參數(shù)，其取值更加貼近污水處理廠的實(shí)際情況。運(yùn)行效果表明，這種參數(shù)的取值方式要優(yōu)于依賴設(shè)計(jì)參數(shù)和理論數(shù)據(jù)的方式。動(dòng)態(tài)分段式的碳源投加，相較目前大部分污水廠單一投加方式來說，是比較先進(jìn)的投藥策略，尤其對(duì)于Bandenpho工藝的污水處理廠具有明顯的節(jié)能降費(fèi)效果。建立以PLC控制為基礎(chǔ)的自動(dòng)化流程，有助于實(shí)現(xiàn)污水處理廠碳源復(fù)雜投加策略，并可以保證脫氮工藝的穩(wěn)定高效運(yùn)行。