仪器资讯
陈烽栋、雷斌、赵延广
1、背景
氨氮和硝氮是水中Z重要的含氮污染物。由于水体富营养化的日益严重，特别是“水十条”的发布，污水处理厂对于脱氮的要求越来越严格，生物脱氮已经成为市政污水处理厂工艺中首要考虑的问题之一。同时，污水处理厂从自身的角度考虑，急需通过降低风机能耗等手段来降低运营成本。故而目前污水处理市场各大水务公司均研发了针对生物脱氮，节能减排的自动化控制系统，如哈希公司的RTC系统，威立雅STAR系统等，其目的是在更好的达到法规规范的排放标准的前提下，能够更精确的控制鼓风机能耗和药剂消耗，以达到控制运营成本的目的。这些系统无一例外，均需要配置氨氮和硝氮的在线分析仪表。
哈希公司拥有的多款不同测量原理的氨氮、硝氮在线分析仪，如逐出比色法（AmtaxCompactII）、气敏电极法（Amtaxsc）、紫外吸收法（Nitratraxsc）以及离子选择电极法（AN-ISEsc）。不同分析原理的在线分析仪都有各自的特点以及相应的应用领域，考虑到成本、在线控制方式等因素，离子选择电极（AN-ISEsc）非常适合用于生物反应池中脱氮的过程控制。
2、实验测试条件
我们选取了两个市政污水厂进行测试实验。这两个市政污水厂均使用威立雅公司提供的精确曝气系统，简单的说，就是利用生物池中的DO、MLSS、氨氮、硝氮等在线监控值，来精确控制风机所提供的风量，以达到节约能耗的目的。AN-ISE分析仪在线监测的氨氮和硝氮值是该系统Z重要的一个参数来源，对其自动控制有举足轻重的作用。
通过AN-ISE分析仪的在线测量值与实验室测定方法的对比，可以判断AN-ISE分析仪的在线测量是否真实可靠，再通过对系统能耗的评估，来判断其在污水处理中，节能降耗所发挥的作用。
3、HACH解决方案可行性实验
3.1AN-ISE在线分析仪可信性分析
将AN-ISE在线分析仪安装在污水处理厂的曝气池末端，分别记录其在线分析仪测量值、以及对应时刻所取水样通过实验室方法（氨氮：纳氏试剂分光光度法（HJ535-2009）；硝氮：铬变酸法（哈希方法号10020））的测定值。
下图是测试污水厂1，2#曝气池AN-ISE在线分析仪读数与实验室分析结果之间的对比。
从图中我们可以很明显的看出，无论是氨氮还是硝氮的曲线，在线分析仪的测量结果与实验室分析结果基本能够保持相对的一致性，偏差基本上都不超过±2mg/L，如果校准得当，在大部分时间段内，偏差都在±1mg/L。
由于在线分析方法（电化学法）与实验室分析方法（分光光度法）二者在原理上的差异，所以其二者的测量值无法完全比对上。但是二者所反映的趋势项目，数值偏差不大。所以在进行测试的两个污水厂中，客户均表示相同的观点：AN-ISE分析仪的测量结果已经能够反映曝气池中氨氮及硝氮的浓度变化，完全能够满足客户过程控制上的需求。
4、生物脱氮优化策略
生物脱氮的基本原理是通过活性污泥中的一些特定的微生物群体，在特点的环境下将水中的有机氮和氨氮转换成氮气逸出Z终达到脱氮的目的。生物脱氮包括三个阶段，首先氨化细菌将水中的有机氮转化为氨氮，这个过程叫做氨化过程。其次，由硝化细菌在好氧的条件下将氨氮转化为硝氮，称之为硝化过程。Z后，在反硝化过程中，反硝化细菌在缺氧的条件将硝氮转化为氮气，使其从水中逸出，达到脱氮的目的。
4.1硝化过程优化
硝化过程由于需要好氧的条件，因此在一般的活性污泥工艺中，都设置了好氧池或好氧区，通过曝气设备向水中充入大量空气或氧气，保证硝化过程的进行。在早期，污水处理厂对于曝气量的控制调整通常依据设计时的参数或经验，这样常常导致硝化的效率不稳定，时而不能达到要求，时而又曝气过量。由于曝气所需的电能占污水厂日常运行费用的很大部分，因此这种粗放型的控制方式会导致运行费用较高。当自动化控制逐渐被引入污水厂日常运行管理系统中后，逐渐出现了使用溶解氧在线分析仪在曝气区域对曝气量进行反馈控制，根据经验值一般将水中溶解氧控制在2mg/L左右可以基本保证硝化反应的正常进行。但是，水中的溶解氧浓度只是保证硝化反应可以正常进行的一个外部条件，影响硝化反应的因素还有很多，包括pH值、温度、有机物浓度、水力停留时间和污泥龄等，只通过溶解氧进行控制还是不能达到非常理想的效果。因此，为了进一步对硝化反应区的曝气量作精细控制，又引入了氨氮在线分析仪与溶解氧在线分析仪进行联合控制的理论。
对于大多数城市污水处理厂，主要的曝气能耗是氨氮的硝化因为大部分的可降解有机物已在反硝化过程中去除。氨氮在溶解氧的作用下转化为硝氮的过程是整个脱氮工艺的限速步骤，污水中氨氮对溶解氧的需求直接反应了系统对溶解氧的需求。如图3所示，通过测得的氨氮浓度和溶解氧浓度，进行叠加控制。调节曝气池总管上的空气阀开启度，控制供氧强度。浓度一般控制在2mg/L以下，以避免浪费能量。同时也避免由于溶解氧浓度过高而使大量溶解氧通过内回流带入到缺氧区。
如图4所示，在硝化池末端安装溶解氧和氨氮分析仪，对溶解氧和氨氮进行实时监控。当溶解氧浓度较高时，鼓风机降频以节约能耗，其中氨氮浓度维持在一个相对稳定的水平上。
5.2反硝化过程优化
反硝化过程由于需要在缺氧的条件下才能使反硝化细菌将硝氮作为电子受体，将其还原成氮气，因此大多数的活性污泥工艺都设置了缺氧池或缺氧区，以完成反硝化反应。反硝化过程能否顺利进行，除了要求有缺氧的环境，还需要充足的有机物作为反硝化细菌的碳源，才能获得较高的反硝化速率。由于脱氮过程需要先进行硝化再进行反硝化，如果按照这个顺序布置构筑物，当污水从硝化区流入到反硝化区时，大部分的有机物已经在之前的过程中都被降解了，往往没有充足的有机物作为反硝化细菌的碳源，影响了反硝化过程的顺利进行。为了解决这个问题，人们采用了两种方法。一种是在反硝化区域人为地投加碳源，通常是以甲醇为主。另一种是改变工艺，将反硝化区域移至硝化区域的前端，使得污水先流入反硝化区域，保证了水中有较高的有机物可以作为反硝化细菌的碳源，另一方面，设置内回流管道，将硝化区已经硝化完成的含有大量硝氮的水回流至反硝化区，进行反硝化，实现Z后的脱氮。如果投加碳源，则对于污水厂而言又增加了运行费用；如果不投加碳源，而采用反硝化前置的工艺，将硝化液内回流，则回流比是非常重要的参数，如果回流量过大，回流泵的电能消耗也是一笔不小的费用，同时还有可能因为碳源不足而无法将回流的硝酸盐全部反硝化。如果只使用溶解氧和ORP在线分析仪对反硝化进行监测控制，则只能保证反硝化区域的溶氧环境适宜反硝化反应，但是无论是人为投加的碳源量，还是回流硝化液的回流比，都无法进行控制。因而引入了硝氮在线分析仪对反硝化的优化控制。
1反硝化过程优化控制策略：以硝氮浓度控制硝化液内回流
如图所示，通过在线测定反硝化区尾部的硝氮浓度，在一定的范围内调节内回流流量，使回流的硝氮恰好能与系统的反硝化能力相匹配，以力求Zda程度地使硝化过程中产生的硝氮进行反硝化，同时也可避免不必要的回流，造成能量浪费和把大量硝化区的溶解氧通过内回流带入反硝化区而影响反硝化效果。
2反硝化过程优化控制策略：以硝氮浓度控制外部碳源的添加
如下图所示，硝氮在线分析仪设置在缺氧区（前置反硝化区）的Z后一格内。根据所测得的缺氧区出水的硝氮浓度，结合测定的进水流量，即可调节内回流的流量。如果所测定的硝氮浓度呈上升趋势，则表明所回流的硝氮可能由于进水碳源不足等原因超过了系统的反硝化能力，此时应增加碳源投加量，使反硝化过程所需的碳源更加充分，同时减少由内回流流量；反之，如硝氮浓度下降，则应降低碳源投加量，控制碳源消耗，并提高内回流流量，以Zda程度地利用系统的反硝化能力将硝化区形成的硝酸盐氮进行反硝化。
5.3实际能耗节省
测试的两个污水处理厂均利用AN-ISE分析仪的测量值，来精确控制风机所提供的风量，以达到节约能耗的目的。目前由于总氮的排放优于排放标准，故并无投加碳源，并对硝氮进行太多优化和管控。
测试污水厂1精确曝气系统介入前，手动控制曝气池中的溶氧值。由精确曝气系统介入后，在排放符合标准的前提下，溶氧的平均值由之前的1.54mg/L,降低至自动控制的0.50mg/L。风机的总电耗下降了20%左右，单位COD的风机电耗下降10%，节能效果显著。
图8为测试污水厂22014年与2015年处理每吨废水所需要的电耗对比，在引入精确曝气系统之后，单位电耗有了明显降低，从2014年的0.140kWh/m下降至从2015年的0.121kWh/m，单位能耗下降13.5%，节能效果显著。
以一个日处理量为10万吨的污水厂为例，利用AN-ISE在线分析仪的测量值来对风量进行精确控制，处理每吨污水节约电耗0.02kWh，电费以0.7元/kWh计，每年仅在风机降耗上就能够节约电费约为51万元。
6、结论
随着我国环保标准的日益提高，环保监管部门对污水处理单位排放的总氮要求近一步提高。于此同时，污水处理单位从自身节能降耗的需求出发，也非常需要寻找能够改善工艺，降低能耗的工艺优化途径。AN-ISE探头所检测的氨氮和总氮值正是顺应目前趋势，提供给污水处理单位的一个选择。根据实际客户的使用案例，AN-ISE分析仪与精确曝气控制系统相配合，完全能够实现风机能耗的降低，为污水处理单位节约大量成本，具有极大的推广意义。
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