用化学法强化生物除磷的优化控制

施汉昌， 柯细勇， 徐丽婕
(清华大学环境科学与工程系，北京　100084)

　　摘　要：讨论了基于生物除磷预测的化学强化除磷优化控制算法并进行了实际应用研究，结果表明该算法基于磷的迁移和转化模型而能够正确估计加药量，不仅使出水稳定地满足水质要求，同时大大节省了加药量、减少了污泥量。
　　关键词：生物除磷；化学强化；优化控制；模型预测
　　中图分类号：X505
　　文献标识码：B
　　文章编号：1000-4602(2002)07-0035-04

1 化学强化的生物除磷

　　生物除磷作为一种经济有效的除磷技术被广泛采用，但在对出水总磷控制严格的地区(磷＜0.5mg/L)，一般的生物处理工艺较难达到要求。因此，将化学除磷作为生物除磷的补充并使两者结合起来就形成了一种运行简便、经济有效的除磷工艺［1、2］。?
　　对于脱氮除磷同步进行的废水处理工艺，由于脱氮的反硝化过程需要易生物降解的有机碳作为碳源，而生物除磷中磷的厌氧释放过程也需要易生物降解的有机碳作为碳源，因此当废水中易生物降解的有机碳不足时需要采用化学方法来强化除磷。
　　生物脱氮和除磷所要求的工艺条件在某些方面是相反的，除磷需要较短的污泥龄和较高的污泥负荷，但是硝化则需要较长的污泥龄和较低的污泥负荷，因此同步脱氮除磷工艺的运行条件必须满足除磷和硝化两者的需要，在此条件下易生物降解的碳源将成为除磷的主要影响因素。一般当初沉池出水中BOD₅/PO₄^3-＞25时，二沉池出水的磷＜1mg/L；当初沉池的BOD₅/PO₄^3-＞30时，二沉池出水的磷＜0.5mg/L。当碳源低于上述条件时不能由微生物去除的磷就需要采用化学法去除。
　　用化学法强化的生物脱氮除磷工艺可按A₂/O、A/O方式运行，其工艺流程见图1。

　　① 初沉池：通过沉淀将进水中的悬浮固体分离。如果采用在初沉池前投加药剂进行化学除磷的方法，则初沉池还需将含磷沉淀污泥去除。?
　　② 缺氧区：为脱氮提供反硝化条件，为除磷提供微生物释磷条件。此外，缺氧区微生物的选择作用可以抑制丝状菌生长，因此与一般只起脱氮作用的缺氧区相比，要更严格地控制DO的浓度，需使其中不存在游离态氧(DO的浓度应为零)。
　　③ 好氧池：好氧池中的微生物要去除有机碳、进行硝化反应，同时部分微生物还要吸收废水中的磷。
　　④ 二沉池：进行生物污泥的分离并排出一部分剩余污泥以便将吸收过量磷的微生物排出系统(达到除磷的目的)，对于在二沉池前投加药剂进行化学除磷的工艺，二沉池还需将含磷沉淀污泥进行分离。
　　化学法与生物法相结合的脱氮除磷工艺可在初沉池或二沉池前加药除磷。在初沉池前加药时，由于废水中的多种物质都可能与药剂反应，所以药耗高、产泥量大，同时降低了初沉池出水的有机碳浓度，不利于后续的生物脱氮除磷，因此一般不采用在初沉池前加药的工艺。在二沉池前加药时可将药剂投加在好氧池的出水口处，药剂经过管道混合进行反应并在二沉池经沉淀分离。经过好氧池中微生物对磷的过量吸收，水中磷的浓度已较低，因此加药量比在初沉池加药的工艺小很多，化学污泥产量也少于生物污泥量，且不会因为化学污泥的积累影响生物处理工艺的正常运行。特别是采用优化运行模式时，只在可能发生出水磷超标的情况下投加药剂，其药耗和产泥量都会显著减少。
　　因为进水BOD₅和TP的比值、环境温度、曝气池中的污泥浓度等都会影响生物除磷的效率，故化学除磷所需要的药量往往不是固定的，难以按传统的人工方法进行投药，需要采用在线实时控制。

2 　加药过程在线控制

　　加药在线控制的典型工作方式是安装TP在线检测仪表，检测一个参考点的TP值，通过反馈控制调整加药量以使检测点处的TP值能够达到控制指标。
　　对污水处理厂数据的综合分析表明，进水中磷浓度较高且BOD₅浓度较低时，一般1～2d后出水磷浓度才过高^［1］，而污水处理系统是一个惯性大、滞后长、变量和参数多的系统，若仅靠检测二沉池出水的总磷对加药进行控制则很难选择合适的控制算法以达到预期的效果。
　　牛学义^［3］比较了在初沉池进、出口处加药的前置沉淀，在曝气池进、出水处加药的同步沉淀等几种加药点与在线检测分析情况后，认为在曝气池出水处加药且其后紧接着进 行PO₄^3--P在线测定是比较理想的在线测定和反馈加药控制方案，但实际上该点的 测定值与最终出水值往往不一致，主要原因如下：
　　① 二沉池中往往存在悬浮污泥，而悬浮污泥中的磷浓度比水中的高，所以最终出水中的实际TP浓度比经过滤后再测试的试样浓度高；
　　② 污泥中的生物磷会在二沉池中回溶(在二沉池底部进行污泥浓缩时被生物吸收的磷可能被重新释放，从而导致最终出水中?TP浓度的提高)，有时由于磷的回溶可使PO₄^3--P浓度增加0.4mg/L以上，如果污泥在二沉池内的停留时间过长则POPO₄^3--P的回溶量可达2～4mg/L；
　　③一般POPO₄^3--P在线测定需要良好的试样过滤 前处理系统，仪器本身也有一定的偏差，测量标准偏差可达到±(2%～5%)。
　　此外，因磷在线检测设备比较昂贵也使单纯依赖磷在线检测仪的控制方案很难在大范围推广。
　　好氧生物处理系统的实时控制周期往往与水力停留时间有较大的关系，一般可长达4～8h，甚至1d，同时需要的参数较多(不是单参数、单目标的系统)，采用传统PID控制算法往往 很难获得理想的控制效果，因目前无法编制恰当的专家规则表故也难以实现专家控制或模糊控制。由于生物处理模型技术的发展，已经有一些简单的纯经验模型^［1］或复杂的理论和经验相结合的模型可以比较准确地预测群体微生物生长和变化的规律。通过这些模型，可进行数值计算分析得到模糊控制需要的规则表或者直接应用于实际的在线控制中。
　　加药过程在线控制往往采用简单的经验模型建立进水BOD₅或水量或污泥浓度与除磷速率之间的关系并以此来估计生物除磷量。若已知进水中的总磷量，就可以计算出需要采用化学法除磷的量，也就可以计算出所需要的化学药剂量。

3 基于生物除磷分析的化学药量计算

　　采用化学法的除磷量可表述为Pch=初沉池出水中的总磷+回流污泥中液相的总磷-微生物去除的总磷，即：?
　　　　　　?P_ch·(Q+R)=Q(k₁·P_pe+a₁)+R(k₂P_se+a₂)-(k₃COD_pe+a₃)(Q+R)　　　(1)?
　　经整理得到式(2)：
　　　　　　?P_ch=［(k₁P_pe+a₁)Q+(k₂P_se+a₂)R］/(Q+R)-(k₃CODpe+a₃)　　(2)?
　　式中 ?Q——污水处理量，m³/d
?　　　　 R——污泥回流量，m³/d
?　　　　 P_se——二沉池出水中POPO₄^3-的浓度，mg/L?
? P_pe?——初沉池出水中POPO₄^3-的浓度，mg/L?
?　　　　COD_pe——初沉池出水中COD浓度，mg/L?
?　　　　k1、a1——常数(通过试验取得)
　　为求得k₁、k₂、k₃和a₁、a₂、a₃，需要分别作出初沉池出水中总磷与POPO₄^3-、二沉池出水中总磷与POPO₄^3-、初沉池出水中COD与二沉池出水中总磷、初沉池出水COD与BOD₅的关系曲线。一般化学除磷采用铁盐或铝盐为除磷剂，通过投加药剂除磷的烧杯试验可以建立药剂投量与水中总磷浓度的关系：
?　　　　M=a₄-k₄Pch?　　　　(3)
　　式中 ?M?——所投除磷剂的金属离子浓度，mg/L
?　　　　k₄——除磷剂投量与水中总磷浓度关系曲线的斜率
?　　　　a₄——除磷剂投量与水中总磷浓度曲线的截距
　　实际运行中除磷剂投量为：
?　　　　qm＝M(Q_Pe+R)·B/C　　　(4)
　　式中　?qm——除磷剂的实际投量，t/h
?　　　　　Qpe——初沉池出水流量，m³/h
?　　　　　B——除磷剂分子质量与其中金属离子量的比值
?　　　　　C——除磷剂商品的质量浓度
　　通过以上计算就可以确定需要投加的除磷剂量。为运行和计算方便，可以编制一个简单的计算程序来进行计算并给出除磷剂的投量。

4 　控制算法试验研究

　　美国密执安州Ann Arbor污水处理厂^［1］处理能力为12×10⁴m³/d，由于该厂地处密执安湖的上游，要求处理后的水质如表1所示。

表1 进、出水水质　　　　 mg/L 项目 BOD₅ SS NH₃-N TP? 进水 159 182 14.9 5.4 出水 10 10 2 0.6

　　该厂对BOD₅、SS、NH₃-N和TP的去除率要求分别为93.7%、94.5%、86.6%和88.9%，采用A/O加FeCl₃强化的除磷工艺(见图2)。?

　　1994年开始采用优化运行，并在1995年全部实施，其出水水质达标，而且节省了大量的药剂，取得了良好的效果。该厂的优化运行主要从以下几方面着手：?
　　① 找出原工艺的主要问题?
　　a.缺氧池的DO有时偏高；?
　　b.进水中的碳源偏低；?
　　c.FeCl₃的药耗高，增加了运行成本。?
　　② 适当降低好氧池的曝气量，保持DO浓度＜3mg/L；回流污泥中的DO浓度降低， 保证了缺氧池的DO＜0.1mg/L。?
　　③ 经过比较发现在好氧池出水口加药不仅除磷效果好而且药耗较低，因此将投药位置移至好氧池出水口处。?
　　④ 对1992年—1993年的运行数据进行分析，发现初沉池出水中BOD₅/TP＜28.5 时二沉池出水中的TP浓度会超过0.6mg/L，由此确定了优化运行的判别条件。?
　　⑤ 根据式(2)建立了化学强化除磷的关系，并通过一系列试验确定了各参数，得到实际应用公式(5)、(6)和(7)，即?
?　　　　P_ch=［Q(1.37×Ppe+1.14)+R(0.94×Pse+0.30)］/(Q+R)-(0.006×CODpe+1.99)　　　　(5)?
?　　　　M=10.5-12.5Pch?　　　　(6)?
?　　　　QM=M(Qpe+R)×2.9/C　　　(7)?
　　依据式(5)、(6)、(7)和程序框图编制计算优化软件并用于指导实际运行，结果如图3所示。

　　图3表明，1993年未采用优化方法时(6月1日—9月30日)出水中TP超标率为50%，即一半的运行时间内TP超标，最大磷浓度(1.72mg/L)超过排放标准(0.6mg/L)186%。采用优化的化学法与生物法结合的处理工艺后即1995年6月1日—9月30日的出水中?TP超标率为7%，最大浓度(0.67mg/L)超过排放标准(0.6mg/L)11%。?
　　采用优化工艺前FeCl3平均投量为89.5t/月，而优化后仅为29.6t/月，药耗降低了66.9%，同时保证了出水总磷达标。由于投药量的减少使化学污泥的产量大大降低，由此进一步降低了污泥处理的费用和总运行成本。?

5 除磷优化控制器

　　优化除磷系统原理见图4。

　　优化除磷控制器通过采集相关的COD和总磷信息并进行分析处理以实施对加药量的控制，它不仅能够进行有效的检测和控制、采用标准通信协议与上级系统进行数据通信，还具有可靠性高、满足户外运行条件的特点。?
　　该除磷优化控制器中还融合了更复杂的生物除磷预测模型和在线参数整定等功能，操作人员使用和维护方便，配套计算机软件操作简单，并能与其他自动化设备进行信息交换。?
　　考虑到在线磷检测仪和在线COD检测仪的费[CM(22]用较高，该系统支持无法使用在线磷、COD检测的场合，人工输入每日检测数据并通过通信网络传递到该控制器，控制器将根据内嵌的数值预测变化进行计算以实现优化除磷控制。

6 结论

　　生物除磷不能满足出水水质要求时可以采用化学除磷进行强化，通过正确估计生物除磷能力可计算出化学除磷所需的药剂量。所研制的优化除磷控制器对污水处理厂稳定除磷效果起到了积极作用。?

参考文献：

　　［1］Shehab O K,Shi H C.Optimizing phosphorus removal in an A/O wastewater treatment plant［R］.Ann Arbor:Utilities of Ann Arbor,USA,1995.
　　［2］郑兴灿，李亚新.污水除磷脱氮技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998.
　　［3］牛学义.PO₄^3--P在线测定在生物、化学联合除磷控制中的应用［J］.给水排水，2000，26(9):22-24.

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　　收稿日期：2002-04-30