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以测量硝酸盐参数作为反馈投加碳源参数的闭环控制系统

    在脱氮除磷系统中,反硝化菌脱氮、聚磷菌释磷和异氧菌的正常代谢去除有机物都需要碳源。在脱氮过程中,有研究认为当BOD/TKN≥4~6时,可以认为碳源充足,但是,投加碳源无疑大大增加了污水处理成本,因此反硝化和释磷碳源分配的问题逐渐成为人们研究的重点,本文介绍了以测量硝酸盐参数作为反馈投加碳源参数的闭环控制系统,解决了碳源投加成本控制问题和污水排放稳定达到一及A标。氮、磷等植物营养型污染物的排放会导致水体的富营养化。《污水综合排放标准》(GB8978—1996)对所有排放污水中的氮、磷含量都做出了明确的规定,其中磷(以正磷酸盐计)的排放要严格控制在0.5mg/L(一级标准)和1mg/L(二级标准)以下;氨氮国家一级A的排放标准为5(8)mg/l,因此今后大多数城市污水处理厂都要考虑采用除磷脱氮的技术措施。生物脱氮除磷技术由于具有同时脱除C、N、P且处理成本低等优点而得到广泛应用。传统的硝化反硝化生物除磷脱氮工艺是国内外采用蕞多、技术蕞成熟的工艺。
1 硝化反硝化生物脱氮出磷
    生物脱氮机理是在微生物的作用下,将有机氮和氨态氮转化为N2气体的过程,整个过程包括两个阶段:硝化和反硝化。硝化反应是在好氧条件下和硝化细菌的作用下,氨态氮进一步分解、氧化成硝酸盐的生化反应过程。首先,在亚硝化单胞菌的作用下,使氨氮(NH4+)转化为亚硝酸盐NO2-N,硝化杆菌再将NO2-N氧化成稳定的硝酸盐NO3-N,后一反应较快,一般不会造成NO2-N的积累。
    反硝化反应是指污水中的硝酸盐(NO3-),在缺氧状态下,在反硝化菌的作用下,被还原为气态氮(N2)的过程。
    生物除磷基本原理是在好氧条件下,聚磷菌仍有氧呼吸,不断的氧化体内储存的有机底物,同时也不断从外部环境向其体内摄取体内所需的有机底物,由于氧化分解,又不断的放出能量。能量为ADP所获得,并结合H3PO4而合成ATP (三磷酸腺苷) 。 H3PO4除一小部分是聚磷菌分解其体内聚磷酸盐而取得的外,大部分是聚磷菌将外部环境中的H3PO4摄入体内的。摄入的H3PO4一部分用于合成ATP,另一部分则用于合成聚磷酸盐。在厌氧的条件下,聚磷菌体内的ATP进行水解,放出H3PO4和能量,形成ADP。 这样,通过上述两个步骤,聚磷菌具有在好氧条件下,过剩摄取H3PO4,在厌氧条件下释放H3PO4的功能。在污水生物除磷工艺中,厌氧状态和好氧状态在时间或空间上的交替运行,使聚磷菌群体能在快速生物降解基质的竞争中取得优势,通过排除高含磷量的剩余污泥,获得低含磷量的净化处理出水。
    由于快速生物降解COD理论的发展,人们逐渐认识到反硝化菌与聚磷菌间的矛盾主要是由基质竞争引起的,因而现今有很大一部分研究者将工作的重点转移到了对碳源需求的研究上。
2   解决碳源需求问题的研究[1]
    脱氮和除磷过程中的反硝化菌和聚磷菌间的矛盾主要是由基质竞争引起的。传统生物除磷机理认为:在厌氧环境下,聚磷菌只能利用污水中的易生物降解物质,其他都要经水解/发酵后转化为乙酸等VFA后才能被聚磷菌利用。而在缺氧环境下,反硝化菌先于聚磷菌利用这类有机物进行脱氮,导致PAO释磷程度降低,细胞内PHB“库存量”减少。同时厌氧条件下磷释放的充分程度和合成的PHB量是随后好氧条件下过量摄磷的充分条件和决定性因素。因此,系统的除磷效率取决于污水中易生物降解的溶解性有机物(RBCOD)的多少,一般进水溶解性BOD/TP≥15时才能保证出水磷含量<1mg/L,而实际上污水中这类有机物有限,这部分碳源相对不足导致整个系统脱氮除磷效率不佳。为此,国外自20世纪80年代以来进行了大量的研究,提出了向污水中投加甲醇、醋酸等(称外加有机碳源),并应用于工程实践。然而,虽然外加有机碳源使反硝化速率加快,脱氮效率提高,但运行成本也相应大幅度增加。如何自动控制碳源的添加以保证脱氮除磷的效果,又保证不浪费碳源呢?
3   碳源自动投加系统
    目前主要污水处理厂已经实现污水处理工艺流程中主要参数的自动测试和控制,控制方式大多数采用开环控制,然而开环控制在运行中存在许多问题,如进水污染物浓度较高时,出水水质不达标;污染物浓度较低时,容易引起污泥解体和浪费能源。自动测试参数也往往局限于DO、MLSS和ORP或pH,这些参数无法精准、直接地反映出有机物降解和脱氮除磷过程。近几年随着传感器技术不断地创欣、进步,可直接、实时反应生物处理过程的氨氮、硝酸盐氮的仪表大量的得到应用,使用成本也不断地降低,同时测量的稳定性和可靠性也不断地提高。
    蕞近,我公司为山西潞城污水处理厂开发设计并安装了一套闭环硝氮控制系统,用于自动控制碳源的投加,出水氨氮浓度控制在3mg/l以下,总氮浓度控制在15mg/l以下。
3.1  系统介绍
    闭环碳源投加系统是通过实时检测好氧段的硝酸盐氮浓度(前反馈)和厌氧段的硝酸盐氮浓度(后反馈)来实现的,控制器采用闭环控制理论来设计,通过该控制器对出水的氨氮和硝酸盐氮以及硝化-反硝化作用进行自动控制。
3.2 系统组成
    碳源投加系统是由几部分组成:自动仪表监测部分、数据处理及控制部分、碳源投加部分。自动化仪表部分包括进出水的硝氮监测及流量监测、储罐液位检测。硝氮测量采用用奥地利s-can公司光谱传感器Nitro::lyser,具有安装简单、无试剂、免维护运行等特点,测量精度高。流量计采用的是电磁流量计,液位计采用的是超声波液位计。
数据处理及及控制部分,采用性能稳定的西门子PLC来进行控制,监测数据通过PLC的运算处理计算出所应加的药量,从而设置计量泵在所应流量进行加药。界面采用西门子的触摸屏进行显示操作及控制等。碳源投加部分,计量泵采用专业品牌普罗明特的Vario系列计量泵,计量准确。
3.3  系统原理及实现
    系统经过在线监测硝化池出水的硝氮值及反硝化池出水的硝氮,自动计算得出硝氮差值,再根据流量计所测流量可以计算出每小时硝氮总量,再根据硝化及反硝化反应的碳氮比计算出每小时所需要的碳源总量,依此可以设定计量泵所要设置的流量值进行投加碳源,达到合理控制投加碳源的问题。很好的解决前面所提的反硝化及磷释放过程中碳源需求的问题。
4  结束语
山西潞城污水处理厂是我国第以家采用此系统的污水厂,现场应用情况良好,出水处理效果稳定良好,达到一级A标,碳源投加控制合理,降低了成本。
点击次数:  更新时间:2018-12-20 18:32:51  【打印此页】  【关闭