上海煊仁環保儀器有限公司 尹俊峰 許清傳

關鍵詞：硝酸鹽氮 碳源自動投加 污水處理 反饋控制

摘要：在脫氮除磷系統中，反硝化菌脫氮、聚磷菌釋磷和異氧菌的正常代謝去除有機物都需要碳源。在脫氮過程中，有研究認為當BOD/TKN≥4～6時，可以認為碳源充足，但是，投加碳源無疑大大增加了污水處理成本，因此反硝化和釋磷碳源分配的問題逐漸成為人們研究的重點，本文介紹了以測量硝酸鹽參數作為反饋投加碳源參數的閉環控制系統，解決了碳源投加成本控制問題和污水排放穩定達到上等A標。

氮、磷等植物營養型污染物的排放會導致水體的富營養化。《污水綜合排放標準》(GB8978—1996)對所有排放污水中的氮、磷含量都做出了明確的規定，其中磷(以正磷酸鹽計)的排放要嚴格控制在0.5mg/L(上等標準)和1mg/L(二級標準)以下；氨氮國家上等A的排放標準為5（8）mg/l，因此今后大多數城市污水處理廠都要考慮采用除磷脫氮的技術措施。

生物脫氮除磷技術由于具有同時脫除C、N、P且處理成本低等優點而得到廣泛應用。傳統的硝化反硝化生物除磷脫氮工藝是國內外采用*多、技術*成熟的工藝。

1 硝化反硝化生物脫氮出磷

生物脫氮機理是在微生物的作用下，將有機氮和氨態氮轉化為N2氣體的過程，整個過程包括兩個階段：硝化和反硝化。

硝化反應是在好氧條件下和硝化**的作用下，氨態氮進一步分解、氧化成硝酸鹽的生化反應過程。首先，在亞硝化單胞菌的作用下，使氨氮(NH₄⁺)轉化為亞硝酸鹽NO₂-N，硝化桿菌再將NO₂-N氧化成穩定的硝酸鹽NO₃-N，后一反應較快，一般不會造成NO₂-N的積累。

反硝化反應是指污水中的硝酸鹽(NO₃^-)，在缺氧狀態下，在反硝化菌的作用下，被還原為氣態氮(N₂)的過程。

生物除磷基本原理是在好氧條件下，聚磷菌仍有氧呼吸，不斷的氧化體內儲存的有機底物，同時也不斷從外部環境向其體內攝取體內所需的有機底物，由于氧化分解，又不斷的放出能量。能量為ADP所獲得，并結合H₃PO₄而合成ATP (三磷酸腺苷) 。 H₃PO₄除一小部分是聚磷菌分解其體內聚磷酸鹽而取得的外，大部分是聚磷菌將外部環境中的H₃PO₄攝入體內的。攝入的H₃PO₄一部分用于合成ATP，另一部分則用于合成聚磷酸鹽。在厭氧的條件下，聚磷菌體內的ATP進行水解，放出H₃PO₄和能量，形成ADP。 這樣，通過上述兩個步驟，聚磷菌具有在好氧條件下，過剩攝取H₃PO₄，在厭氧條件下釋放H₃PO₄的功能。在污水生物除磷工藝中，厭氧狀態和好氧狀態在時間或空間上的交替運行，使聚磷菌群體能在快速生物降解基質的競爭中取得優勢，通過排除高含磷量的剩余污泥，獲得低含磷量的凈化處理出水。

由于快速生物降解COD理論的發展，人們逐漸認識到反硝化菌與聚磷菌間的矛盾主要是由基質競爭引起的，因而現今有很大一部分研究者將工作的重點轉移到了對碳源需求的研究上。

2 解決碳源需求問題的研究[1]

脫氮和除磷過程中的反硝化菌和聚磷菌間的矛盾主要是由基質競爭引起的。傳統生物除磷機理認為：在厭氧環境下，聚磷菌只能利用污水中的易生物降解物質，其他都要經水解/發酵后轉化為乙酸等VFA后才能被聚磷菌利用。而在缺氧環境下，反硝化菌先于聚磷菌利用這類有機物進行脫氮，導致PAO釋磷程度降低，細胞內PHB“庫存量”減少。同時厭氧條件下磷釋放的充分程度和合成的PHB量是隨后好氧條件下過量攝磷的充分條件和決定性因素。因此，系統的除磷效率取決于污水中易生物降解的溶解性有機物(RBCOD)的多少，一般進水溶解性BOD/TP≥15時才能保證出水磷含量＜1mg/L，而實際上污水中這類有機物有限，這部分碳源相對不足導致整個系統脫氮除磷效率不佳。為此，國外自20世紀80年代以來進行了大量的研究，提出了向污水中投加甲醇、醋酸等(稱外加有機碳源)，并應用于工程實踐。然而，雖然外加有機碳源使反硝化速率加快，脫氮效率提高，但運行成本也相應大幅度增加。如何自動控制碳源的添加以保證脫氮除磷的效果，又保證不浪費碳源呢？

目前主要污水處理廠已經實現污水處理工藝流程中主要參數的自動測試和控制，控制方式大多數采用開環控制，然而開環控制在運行中存在許多問題，如進水污染物濃度較高時，出水水質不達標；污染物濃度較低時，容易引起污泥解體和浪費能源。自動測試參數也往往局限于DO、MLSS和ORP或pH，這些參數無法精準、直接地反映出有機物降解和脫氮除磷過程。近幾年隨著傳感器技術不斷地**、進步，可直接、實時反應生物處理過程的氨氮、硝酸鹽氮的儀表大量的得到應用，使用成本也不斷地降低，同時測量的穩定性和可靠性也不斷地提高。

*近，我公司為山西潞城污水處理廠開發設計并安裝了一套閉環硝氮控制系統，用于自動控制碳源的投加，出水氨氮濃度控制在3mg/l以下，總氮濃度控制在15mg/l以下。

閉環碳源投加系統是通過實時檢測好氧段的硝酸鹽氮濃度（前反饋）和厭氧段的硝酸鹽氮濃度（后反饋）來實現的，控制器采用閉環控制理論來設計，通過該控制器對出水的氨氮和硝酸鹽氮以及硝化-反硝化作用進行自動控制。

3.2 系統組成

碳源投加系統是由幾部分組成：自動儀表監測部分、數據處理及控制部分、碳源投加部分。

自動化儀表部分包括進出水的硝氮監測及流量監測、儲罐液位檢測。

硝氮測量采用用奧地利s-can公司光譜傳感器Nitro::lyser，具有安裝簡單、無試劑、免維護運行等特點，測量精度高。流量計采用的是電磁流量計，液位計采用的是超聲波液位計。

數據處理及及控制部分，采用性能穩定的西門子PLC來進行控制，監測數據通過PLC的運算處理計算出所應加的藥量，從而設置計量泵在所應流量進行加藥。界面采用西門子的觸摸屏進行顯示操作及控制等。

碳源投加部分，計量泵采用普羅明特的Vario系列計量泵，計量準確。

系統經過在線監測硝化池出水的硝氮值及反硝化池出水的硝氮，自動計算得出硝氮差值，再根據流量計所測流量可以計算出每小時硝氮總量，再根據硝化及反硝化反應的碳氮比計算出每小時所需要的碳源總量，依此可以設定計量泵所要設置的流量值進行投加碳源，達到合理控制投加碳源的問題。很好的解決前面所提的反硝化及磷釋放過程中碳源需求的問題。

4 結束語

山西潞城污水處理廠是我國**家采用此系統的污水廠，現場應用情況良好，出水處理效果穩定良好，達到上等A標，碳源投加控制合理，降低了成本。

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參考文獻：

1、 高大文、彭永臻，實時控制技術在污水生物處理中的研究進展；