污水处理外加碳源与除磷药剂减量控制技术研究进展

杨一夫,夏阳光

(1.苏邑设计集团有限公司,江苏南京 210012;2.东南大学土木工程学院,江苏南京 211189)

为满足城镇污水处理厂日益严格的氮、磷排放标准,大量外加碳源和除磷药剂用于强化脱氮除磷[1-2]。外加药剂通常采用定量投加方法,容易导致投加过量,不仅影响生化处理效果,而且造成资源浪费[3]。而在线动态监测以及精确控制系统通过建模对外加药剂用量进行实时调控,能够减少外加药剂投加量,降低运行成本。此外,优化工艺流程也能实现高效脱氮除磷,节省外加药剂[4]。因此,本文介绍了外加碳源、除磷药剂和精准化投加技术的研究现状;分析了模型建模、机理探究以及投加控制策略;探讨了通过工艺流程优化提升生物脱氮除磷的技术手段;提出了将智能控制技术与全流程工艺优化相结合的药剂减量化整体调控策略,为污水处理厂实现节能降耗提供借鉴与指导。

1 外加碳源与除磷药剂投加技术研究进展

1.1 外加碳源

反硝化过程是污水生物脱氮的关键步骤之一,影响因素包括污水中碳源、温度、硝化液回流比等,其中碳源是重要的影响因素。在污水处理过程中,反硝化过程对碳氮比(C/N)要求较高,当进水生化需氧量/总氮(BOD5/TN)大于4时,认为原水中含有充足的碳源[4]。而研究表明我国污水处理厂进水普遍存在碳源不足的问题,如郭泓利等[5]研究发现全国127座污水处理厂进水BOD5/TN的平均值为2.66,低C/N进水容易导致反硝化过程不完全,造成出水TN不达标。为满足日趋严格的TN排放标准,污水处理厂通常采取投加甲醇、乙酸钠、葡萄糖等外加碳源,并通过传统控制技术或自动控制技术来强化生物脱氮[6]。

在实际运行过程中,污水处理厂的进水变化大、水质复杂,因此,碳源需求量变化大[7]。定量投加碳源在增加污水处理成本的同时,并未完全消除出水TN超标排放风险,当进水C/N较高时还可能影响出水有机物浓度。

1.2 化学除磷

目前国内外城镇污水处理厂采用的除磷方法包括生物法、化学法及两者协同处理技术。其中,传统生物除磷技术主要依赖聚磷菌厌氧释磷-好氧超量吸磷作用达到除磷的目的,其代表工艺主要有厌氧-好氧(AO)、厌氧-缺氧-好氧(AAO)、Bardenpho、序列间歇式活性污泥法(SBR)等。实际运行表明,单一的生物除磷效果受进水碳源、溶解氧(DO)等因素影响,出水总磷(TP)难以保持稳定达标[8]。因此,添加化学除磷单元辅助强化除磷十分必要。化学除磷过程通过向污水中投加铝和铁等金属盐化学药剂,使其与水中以磷酸盐形式存在的无机磷形成不溶性物质,同时金属盐也会发生凝聚作用,将不溶性小颗粒凝聚为大颗粒后经沉淀去除[8]。目前常用的药剂有聚合氯化铝、聚合硫酸铁、三氯化铁等。化学除磷过程受药剂反应时间、药剂种类、投加量及投加位置等诸多因素影响,其中药剂投加量影响程度最明显[9]。

化学除磷工艺根据化学药剂投加位置可分为前置沉淀、同步沉淀及后置沉淀3种类型[8]。由于废水中含有可与除磷药剂作用的物质,前置沉淀耗药量更高且产泥量大;后置沉淀涉及设备多且环节繁琐,费用最高。相较于前两者,同步沉淀过程优势明显,目前在实际应用中应用较为广泛,但除磷药剂的使用可能会对污泥性状产生影响。

1.3 精准化投加技术

外加碳源和除磷药剂精准化投加技术可分为传统控制、自动控制和智能控制3个发展阶段,图1为各阶段药剂精准化投加技术研究进展及特点。

传统外加碳源及除磷药剂控制策略普遍采用定量投加的方式,由于进水水质容易出现波动,这种投加策略在造成药剂浪费、污泥产量增大、运行成本增加的同时并未完全消除出水氮、磷超标排放风险。因此,在实际污水处理过程中外加碳源及除磷药剂的自动控制技术研究逐渐得到重视。

目前基于前馈、反馈及数学预测模型的自动控制技术在国内的研究应用已逐渐成熟。邱勇等[10]比较了时序、前馈、反馈3种控制策略,发现出水反馈控制在保证出水达标的情况下,可节约16%的药剂量。但前馈控制在实际应用中过于依赖数学模型的准确性,无法实现出水控制;反馈控制则存在进水水质周期性变化和生化反应周期较长导致反馈滞后的问题。近年来,在线监测设备的普及使自动控制技术向前馈-反馈复合控制方向发展,前馈-反馈复合控制首先利用前馈控制进水水质变化的影响,而后针对出水水质情况运用反馈控制进行调整。虽然在一定程度上降低了污水处理厂污泥产量及运行成本,但仍未彻底解决复杂生化反应的滞后性问题。

污水处理过程内部机理复杂,具有多变量、高度非线性、滞后性、复杂性等特点,为精准加药模型的建立带来了极大挑战。随着数据监测采集技术的发展,智能控制技术开始成为主要的探索方向。其中,模拟生物神经的神经网络控制系统、以模拟数学为基础进行模糊推理的模糊控制系统以及将专家经验知识与计算机程序智能化结合的专家控制系统目前研究较为普遍[11-14]。

智能控制技术的优化研究主要集中于算法优化、模型前后处理以及模型结合等方面,出水氮、磷保持达标且药耗明显减少,同时具有相对较高的精准度及通用性。但目前大多数工程案例仍处在将模糊控制和神经网络控制的建模方法同前馈、反馈等自动控制技术相结合的发展阶段,一些具有代表性药剂精准化投加工程案例如表1所示。

为进一步提高智能控制技术的精准性和可行性,国内外学者不断对碳源及除磷药剂动态投加机理模型进行研究和创新。Iacopozzi等[24]引入硝化过程两步法ASM3-2N模型,在Matlab/Simulink平台上实现了外加碳源模型化精准控制。Kim等[25]使用了一种带有在线实时电荷分析系统和滴定仪的中试设备,利用胶体电荷滴定实时控制药剂投加量,平均药剂投加量减少14%,装置TP去除率增加5%。上述对实际污水处理脱氮除磷机理模型的研究,在提高碳源及除磷药剂使用效率的同时,也为提高模型预测精准度提供了理论依据。但目前基于模糊控制和神经网络控制的智能控制策略仍处在小试和中试阶段,有待进一步研究和应用。

2 优化工艺流程提升生物脱氮除磷效果

外加碳源与除磷药剂精准化投加能够在一定程度上降低外加药剂的用量,节约运行成本。然而仅依靠控制外加药剂投加量并不能从根本上实现外加药剂的减量化,通过合理优化污水处理厂生物脱氮除磷工艺和运行条件,有望从源头上减少外加药剂的用量。

2.1 生物脱氮工艺优化

常见的生物脱氮强化措施包括优化进水方式、调节回流比、控制好氧段DO浓度等。

表2 生物脱氮工艺优化措施

多种工艺的组合调控是目前污水处理厂普遍采用的优化方法,优化进水方式耦合内回流比控制策略有着较强的抗冲击负荷能力,并且能够实现节能降耗,因此,适用于大多数污水处理厂。

2.2 生物除磷工艺优化

生物除磷强化措施包括侧流污泥回流技术、侧流磷回收工艺以及污泥回流控制技术等。

侧流污泥回流技术通过提高碳源浓度,从而提高聚磷菌厌氧释磷效果,进而促进好氧吸磷过程;侧流磷回收工艺通过降低生物处理过程中的磷负荷,从而提高碳磷比(COD/TP),进而提高生物除磷效果;污泥回流控制技术则能够缓解反硝化过程与厌氧释磷过程之间的碳源竞争问题,提高生物除磷效果。各技术对应的工艺优化措施如表3所示。

表3 生物除磷工艺优化措施

工程实践表明,侧流污泥回流技术与侧流磷回收工艺需增设构筑物,而污泥回流控制技术所需成本较低,并且可以实现脱氮除磷同步优化。此外,反硝化除磷技术能够有效地解决碳源竞争问题,实现同步脱氮除磷,然而目前该工艺实际应用案例较少,是未来的重点研究方向。

3 药剂减量化整体调控策略与案例分析

目前我国污水处理厂水质监测虽然已开始进行工艺全流程监测和药剂精准化投加,但当出水水质超标时,仍通过增大外加药剂投加量来保障水质达标,这种将污水系统割裂的处理方式很难在保障处理效果最优的同时兼顾运营成本。

在污水处理厂工艺流程优化过程中,应着重关注各构筑物的进出水和沿流程水质。结合仪表、控制和自动化技术精细化管理各道工艺及设备的运行情况,各段进出水水质波动范围较大时可实时调节进水量、回流量、DO浓度等参数,从而达到节能降耗的目的。同时,引入如模糊控制、人工神经网络等智能控制系统,进一步提高预测精准度,降低自动控制技术的滞后性局限[39-40]。此外,将药剂精准化投加与全流程工艺优化措施相结合,协同提升整体处理效果和能源药剂利用效率是药剂减量化控制策略的发展方向,其代表性工程案例如表4所示。

表4 药剂减量化整体调控策略

工程实践表明,采用全流程工艺优化和前馈/反馈控制药剂投加量是药剂减量化的主要工程措施,均不同程度地降低了外加药剂的投加量和运行能耗。考虑到不同地域城镇污水处理厂进水水质特征及波动特征差异性,精准化投加技术与工艺流程优化技术结合策略应根据实际情况略有侧重。进水水质波动大、对外加药剂依赖性较强的污水处理厂,应当优先建立完整的智能控制系统;而对于进水水质稳定、外加药剂投加量变化幅度小或主要依靠主体工艺实现出水达标排放的污水处理厂,则重点关注全流程工艺优化改造措施。各个污水处理厂还需做好数据记录与分析,需要提高脱氮除磷效率的污水处理厂应首要关注生化反应段,根据季节性运行数据,制定“一厂一策”的工艺运行方案。

4 结语

外加药剂减量化控制技术的研究与发展为我国城镇污水处理厂实现外加药剂精准投加提供了可行途径,将促进污水处理厂向低碳、智能、高效化方向发展。针对药剂减量化投加控制技术研究现状分析,提出以下建议与展望。

(1)外加碳源与除磷药剂精准化投加技术应用正向智能化控制技术方向发展,大部分智能控制技术与自动控制技术相结合的案例已被初步证明有效,但基于模糊控制和神经网络控制的智能化控制技术仍停留在数值模拟及小试、中试阶段,缺乏大规模处理工程实际运行数据。因此,应进一步将模糊控制、神经网络控制、遗传算法优化相结合,进一步降低智能控制误差,并开展示范工程以考察外加药剂智能控制策略减量化效果。

(2)采用全流程工艺优化可以从源头提高氮、磷处理效果,减少外加药剂投加。目前药剂减量化技术主要集中在智能控制技术研究,应优先从工艺运行与调控的视角进行源头药剂减量。通过进水方式优化、增/改设内回流、精准曝气等工艺流程优化技术可有效提高脱氮除磷效能,适用于大多数污水处理厂提质增效。而对于进水水质波动大、对外加药剂依赖性较强的污水处理厂,应优先建立完整的智能控制系统;进水水质稳定、外加药剂投加量变化幅度小或依靠主体工艺可实现出水稳定达标的污水处理厂,则应重点关注全流程工艺优化改造措施。

(3)将全流程工艺优化和智能控制技术相结合的整体调控策略是污水处理厂药剂减量化的主要发展方向。同时,应根据污水处理厂进水水质特征、波动特征及运行特征制定出“一厂一策”的药剂减量化整体调控方案。