污水處理外加碳源與除磷藥劑減量控制技術(shù)研究進(jìn)展

楊一夫,夏陽光

(1.蘇邑設(shè)計集團(tuán)有限公司,江蘇南京 210012;2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇南京 211189)

為滿足城鎮(zhèn)污水處理廠日益嚴(yán)格的氮、磷排放標(biāo)準(zhǔn),大量外加碳源和除磷藥劑用于強(qiáng)化脫氮除磷[1-2]。外加藥劑通常采用定量投加方法,容易導(dǎo)致投加過量,不僅影響生化處理效果,而且造成資源浪費[3]。而在線動態(tài)監(jiān)測以及精確控制系統(tǒng)通過建模對外加藥劑用量進(jìn)行實時調(diào)控,能夠減少外加藥劑投加量,降低運行成本。此外,優(yōu)化工藝流程也能實現(xiàn)高效脫氮除磷,節(jié)省外加藥劑[4]。因此,本文介紹了外加碳源、除磷藥劑和精準(zhǔn)化投加技術(shù)的研究現(xiàn)狀;分析了模型建模、機(jī)理探究以及投加控制策略;探討了通過工藝流程優(yōu)化提升生物脫氮除磷的技術(shù)手段;提出了將智能控制技術(shù)與全流程工藝優(yōu)化相結(jié)合的藥劑減量化整體調(diào)控策略,為污水處理廠實現(xiàn)節(jié)能降耗提供借鑒與指導(dǎo)。

1 外加碳源與除磷藥劑投加技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 外加碳源

反硝化過程是污水生物脫氮的關(guān)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(dāng)進(jìn)水生化需氧量/總氮(BOD5/TN)大于4時,認(rèn)為原水中含有充足的碳源[4]。而研究表明我國污水處理廠進(jìn)水普遍存在碳源不足的問題,如郭泓利等[5]研究發(fā)現(xiàn)全國127座污水處理廠進(jìn)水BOD5/TN的平均值為2.66,低C/N進(jìn)水容易導(dǎo)致反硝化過程不完全,造成出水TN不達(dá)標(biāo)。為滿足日趨嚴(yán)格的TN排放標(biāo)準(zhǔn),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(tǒng)控制技術(shù)或自動控制技術(shù)來強(qiáng)化生物脫氮[6]。

在實際運行過程中,污水處理廠的進(jìn)水變化大、水質(zhì)復(fù)雜,因此,碳源需求量變化大[7]。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(biāo)排放風(fēng)險,當(dāng)進(jìn)水C/N較高時還可能影響出水有機(jī)物濃度。

1.2 化學(xué)除磷

目前國內(nèi)外城鎮(zhèn)污水處理廠采用的除磷方法包括生物法、化學(xué)法及兩者協(xié)同處理技術(shù)。其中,傳統(tǒng)生物除磷技術(shù)主要依賴聚磷菌厭氧釋磷-好氧超量吸磷作用達(dá)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(jìn)水碳源、溶解氧(DO)等因素影響,出水總磷(TP)難以保持穩(wěn)定達(dá)標(biāo)[8]。因此,添加化學(xué)除磷單元輔助強(qiáng)化除磷十分必要?；瘜W(xué)除磷過程通過向污水中投加鋁和鐵等金屬鹽化學(xué)藥劑,使其與水中以磷酸鹽形式存在的無機(jī)磷形成不溶性物質(zhì),同時金屬鹽也會發(fā)生凝聚作用,將不溶性小顆粒凝聚為大顆粒后經(jīng)沉淀去除[8]。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(xué)除磷過程受藥劑反應(yīng)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[9]。

化學(xué)除磷工藝根據(jù)化學(xué)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[8]。由于廢水中含有可與除磷藥劑作用的物質(zhì),前置沉淀耗藥量更高且產(chǎn)泥量大;后置沉淀涉及設(shè)備多且環(huán)節(jié)繁瑣,費用最高。相較于前兩者,同步沉淀過程優(yōu)勢明顯,目前在實際應(yīng)用中應(yīng)用較為廣泛,但除磷藥劑的使用可能會對污泥性狀產(chǎn)生影響。

1.3 精準(zhǔn)化投加技術(shù)

外加碳源和除磷藥劑精準(zhǔn)化投加技術(shù)可分為傳統(tǒng)控制、自動控制和智能控制3個發(fā)展階段,圖1為各階段藥劑精準(zhǔn)化投加技術(shù)研究進(jìn)展及特點。

傳統(tǒng)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(jìn)水水質(zhì)容易出現(xiàn)波動,這種投加策略在造成藥劑浪費、污泥產(chǎn)量增大、運行成本增加的同時并未完全消除出水氮、磷超標(biāo)排放風(fēng)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(shù)研究逐漸得到重視。

目前基于前饋、反饋及數(shù)學(xué)預(yù)測模型的自動控制技術(shù)在國內(nèi)的研究應(yīng)用已逐漸成熟。邱勇等[10]比較了時序、前饋、反饋3種控制策略,發(fā)現(xiàn)出水反饋控制在保證出水達(dá)標(biāo)的情況下,可節(jié)約16%的藥劑量。但前饋控制在實際應(yīng)用中過于依賴數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性,無法實現(xiàn)出水控制;反饋控制則存在進(jìn)水水質(zhì)周期性變化和生化反應(yīng)周期較長導(dǎo)致反饋滯后的問題。近年來,在線監(jiān)測設(shè)備的普及使自動控制技術(shù)向前饋-反饋復(fù)合控制方向發(fā)展,前饋-反饋復(fù)合控制首先利用前饋控制進(jìn)水水質(zhì)變化的影響,而后針對出水水質(zhì)情況運用反饋控制進(jìn)行調(diào)整。雖然在一定程度上降低了污水處理廠污泥產(chǎn)量及運行成本,但仍未徹底解決復(fù)雜生化反應(yīng)的滯后性問題。

污水處理過程內(nèi)部機(jī)理復(fù)雜,具有多變量、高度非線性、滯后性、復(fù)雜性等特點,為精準(zhǔn)加藥模型的建立帶來了極大挑戰(zhàn)。隨著數(shù)據(jù)監(jiān)測采集技術(shù)的發(fā)展,智能控制技術(shù)開始成為主要的探索方向。其中,模擬生物神經(jīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、以模擬數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)進(jìn)行模糊推理的模糊控制系統(tǒng)以及將專家經(jīng)驗知識與計算機(jī)程序智能化結(jié)合的專家控制系統(tǒng)目前研究較為普遍[11-14]。

智能控制技術(shù)的優(yōu)化研究主要集中于算法優(yōu)化、模型前后處理以及模型結(jié)合等方面,出水氮、磷保持達(dá)標(biāo)且藥耗明顯減少,同時具有相對較高的精準(zhǔn)度及通用性。但目前大多數(shù)工程案例仍處在將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的建模方法同前饋、反饋等自動控制技術(shù)相結(jié)合的發(fā)展階段,一些具有代表性藥劑精準(zhǔn)化投加工程案例如表1所示。

為進(jìn)一步提高智能控制技術(shù)的精準(zhǔn)性和可行性,國內(nèi)外學(xué)者不斷對碳源及除磷藥劑動態(tài)投加機(jī)理模型進(jìn)行研究和創(chuàng)新。Iacopozzi等[24]引入硝化過程兩步法ASM3-2N模型,在Matlab/Simulink平臺上實現(xiàn)了外加碳源模型化精準(zhǔn)控制。Kim等[25]使用了一種帶有在線實時電荷分析系統(tǒng)和滴定儀的中試設(shè)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(jī)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(yù)測精準(zhǔn)度提供了理論依據(jù)。但目前基于模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的智能控制策略仍處在小試和中試階段,有待進(jìn)一步研究和應(yīng)用。

2 優(yōu)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(zhǔn)化投加能夠在一定程度上降低外加藥劑的用量,節(jié)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(xiàn)外加藥劑的減量化,通過合理優(yōu)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(yōu)化

常見的生物脫氮強(qiáng)化措施包括優(yōu)化進(jìn)水方式、調(diào)節(jié)回流比、控制好氧段DO濃度等。

表2 生物脫氮工藝優(yōu)化措施

多種工藝的組合調(diào)控是目前污水處理廠普遍采用的優(yōu)化方法,優(yōu)化進(jìn)水方式耦合內(nèi)回流比控制策略有著較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力,并且能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗,因此,適用于大多數(shù)污水處理廠。

2.2 生物除磷工藝優(yōu)化

生物除磷強(qiáng)化措施包括側(cè)流污泥回流技術(shù)、側(cè)流磷回收工藝以及污泥回流控制技術(shù)等。

側(cè)流污泥回流技術(shù)通過提高碳源濃度,從而提高聚磷菌厭氧釋磷效果,進(jìn)而促進(jìn)好氧吸磷過程;側(cè)流磷回收工藝通過降低生物處理過程中的磷負(fù)荷,從而提高碳磷比(COD/TP),進(jìn)而提高生物除磷效果;污泥回流控制技術(shù)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(shù)對應(yīng)的工藝優(yōu)化措施如表3所示。

表3 生物除磷工藝優(yōu)化措施

工程實踐表明,側(cè)流污泥回流技術(shù)與側(cè)流磷回收工藝需增設(shè)構(gòu)筑物,而污泥回流控制技術(shù)所需成本較低,并且可以實現(xiàn)脫氮除磷同步優(yōu)化。此外,反硝化除磷技術(shù)能夠有效地解決碳源競爭問題,實現(xiàn)同步脫氮除磷,然而目前該工藝實際應(yīng)用案例較少,是未來的重點研究方向。

3 藥劑減量化整體調(diào)控策略與案例分析

目前我國污水處理廠水質(zhì)監(jiān)測雖然已開始進(jìn)行工藝全流程監(jiān)測和藥劑精準(zhǔn)化投加,但當(dāng)出水水質(zhì)超標(biāo)時,仍通過增大外加藥劑投加量來保障水質(zhì)達(dá)標(biāo),這種將污水系統(tǒng)割裂的處理方式很難在保障處理效果最優(yōu)的同時兼顧運營成本。

在污水處理廠工藝流程優(yōu)化過程中,應(yīng)著重關(guān)注各構(gòu)筑物的進(jìn)出水和沿流程水質(zhì)。結(jié)合儀表、控制和自動化技術(shù)精細(xì)化管理各道工藝及設(shè)備的運行情況,各段進(jìn)出水水質(zhì)波動范圍較大時可實時調(diào)節(jié)進(jìn)水量、回流量、DO濃度等參數(shù),從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。同時,引入如模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制系統(tǒng),進(jìn)一步提高預(yù)測精準(zhǔn)度,降低自動控制技術(shù)的滯后性局限[39-40]。此外,將藥劑精準(zhǔn)化投加與全流程工藝優(yōu)化措施相結(jié)合,協(xié)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(fā)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(diào)控策略

工程實踐表明,采用全流程工藝優(yōu)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(zhèn)污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)特征及波動特征差異性,精準(zhǔn)化投加技術(shù)與工藝流程優(yōu)化技術(shù)結(jié)合策略應(yīng)根據(jù)實際情況略有側(cè)重。進(jìn)水水質(zhì)波動大、對外加藥劑依賴性較強(qiáng)的污水處理廠,應(yīng)當(dāng)優(yōu)先建立完整的智能控制系統(tǒng);而對于進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定、外加藥劑投加量變化幅度小或主要依靠主體工藝實現(xiàn)出水達(dá)標(biāo)排放的污水處理廠,則重點關(guān)注全流程工藝優(yōu)化改造措施。各個污水處理廠還需做好數(shù)據(jù)記錄與分析,需要提高脫氮除磷效率的污水處理廠應(yīng)首要關(guān)注生化反應(yīng)段,根據(jù)季節(jié)性運行數(shù)據(jù),制定“一廠一策”的工藝運行方案。

4 結(jié)語

外加藥劑減量化控制技術(shù)的研究與發(fā)展為我國城鎮(zhèn)污水處理廠實現(xiàn)外加藥劑精準(zhǔn)投加提供了可行途徑,將促進(jìn)污水處理廠向低碳、智能、高效化方向發(fā)展。針對藥劑減量化投加控制技術(shù)研究現(xiàn)狀分析,提出以下建議與展望。

(1)外加碳源與除磷藥劑精準(zhǔn)化投加技術(shù)應(yīng)用正向智能化控制技術(shù)方向發(fā)展,大部分智能控制技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合的案例已被初步證明有效,但基于模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的智能化控制技術(shù)仍停留在數(shù)值模擬及小試、中試階段,缺乏大規(guī)模處理工程實際運行數(shù)據(jù)。因此,應(yīng)進(jìn)一步將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法優(yōu)化相結(jié)合,進(jìn)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(yōu)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(shù)主要集中在智能控制技術(shù)研究,應(yīng)優(yōu)先從工藝運行與調(diào)控的視角進(jìn)行源頭藥劑減量。通過進(jìn)水方式優(yōu)化、增/改設(shè)內(nèi)回流、精準(zhǔn)曝氣等工藝流程優(yōu)化技術(shù)可有效提高脫氮除磷效能,適用于大多數(shù)污水處理廠提質(zhì)增效。而對于進(jìn)水水質(zhì)波動大、對外加藥劑依賴性較強(qiáng)的污水處理廠,應(yīng)優(yōu)先建立完整的智能控制系統(tǒng);進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定、外加藥劑投加量變化幅度小或依靠主體工藝可實現(xiàn)出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的污水處理廠,則應(yīng)重點關(guān)注全流程工藝優(yōu)化改造措施。

(3)將全流程工藝優(yōu)化和智能控制技術(shù)相結(jié)合的整體調(diào)控策略是污水處理廠藥劑減量化的主要發(fā)展方向。同時,應(yīng)根據(jù)污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)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(diào)控方案。