该污水深度污水处理厂的瞬时进水量波动较大，反硝化生物滤池存在碳源投加不经济和出水总氮不稳定的问题。根据历史甲醇投加量及水质数据得知实际反硝化碳氮比在 7 左右，据此制定了《甲醇加药量指导表》。操作人员可根据进水流量、进水总氮数据，在该表中查询所需设定的甲醇投加流量。操作人员每小时调整一次甲醇投加量，从而实现了甲醇投加量的人工精细化调控。进水总氮以“硝氮+常数 n”表示，其中硝氮由曝气滤池总出水的硝氮仪表读取，“常数 n”则根据出水在线监测数据校核或调整，一般相对稳定且在 2 左右。尽管反硝化所需的碳氮比是变化的，且随总氮去除量的降低而升高，但仍可通过调整“常 数 n”的取值，实现甲醇投加量的精细化调控。通过精细化调控，使得出水总氮平均值由 5 mg/L 稳定提高至 8 mg/L，节约了约 3 mg/L 总氮所消耗的碳源。预计精细化调控可实现年均出水总氮提高 2 mg/L，年节约 25%（150 万元）的甲醇药剂费。该方法操作简单，基本可达到自动化精确加药相当的效果，具有一定的工程应用价值。
关键词：
深度处理；反硝化生物滤池；精细化调控；精确加药
引 言
随着我国出台“水十条”等一系列水污染防治政策，对污水处理厂出水水质提出了更高的要求，反硝化生物滤池也越来越多的应用于污水处理厂的提标改造。反硝化生物滤池在污水处理厂深度脱氮方面应用较广泛，具有投资较小，脱氮效率稳定，运行管理简单的特点。
引 言
随着我国出台“水十条”等一系列水污染防治政策，对污水处理厂出水水质提出了更高的要求，反硝化生物滤池也越来越多的应用于污水处理厂的提标改造。反硝化生物滤池在污水处理厂深度脱氮方面应用较广泛，具有投资较小，脱氮效率稳定，运行管理简单的特点。
反硝化滤池分为上向流和下向流两种形式，一般上向流的空床滤速（5~20 m/h）高于下向流（3~8 m/h）[1]。根据设计滤速，反硝化滤池的停留时间较短，在 15~30 min 范围，因而抗水量、水质冲击负荷较弱，给操作人员准确调控碳源投加量带来一定的挑战。当碳源供应不及时，极易造成出水总氮超标。过量投加碳源可保障较低的出水总氮，但容易使得碳源穿透滤池，造成出水 COD 升高的风险，而且背离了污水处理厂“节能降耗”的任务目标。过量的碳源投加还会造成填料表面生物膜增殖过快，使得滤池反冲洗频次增加，降低处理效率。
精确加药既可以减少人工投加误差造成的出水超标，又可以降低药耗节约运营成本，产生经济效益，是大型污水厂研究的热点方向之一。李鹏飞等[2]通过 DO、反硝化滤池出水硝氮及总氮在线监测数据，再结合碳氮比适配了反硝化滤池碳源精确投加的自动化控制逻辑，出水总氮基本可控制在 10~14 mg/L。尹亚云等[3]采用“前馈+反馈”的自动化控制模式，通过监测正磷酸盐浓度，实现了除磷药剂精确投加，节约了 12.9%的药耗。市场上成套的精确加药系统的价格高达几十万甚至上百万，药耗较低或规模较小的污水厂难以承受如此高昂的费用。
自动化精确加药的调控策略包括模型预测控制（MPC）[4]、比例-积分-微分控制（PID）[5]、人工神经网络控制（ANN）[6]等。PID 调控法的算法简单、应用广泛，但用于精确加药这种大滞后型的控制对象，往往难以保证精度，响应速度也较慢[7,8]。模型预测控制法的效果取决于采用的数学模型与实际工况的匹配度，需要配置的仪表数量较多，涉及的参数也较多，当实际工况发生较大变化时，也需要人工调整部分参数才能获得更理想的控制效果[9-11]。
人工调控则更果断，更能适应各种工况，但受到个人技术能力和精力限制。本文主要是探索一种人工精细化投加碳源的方法，以达到操作简单、投资少、出水水质稳定可靠的效果。基于曝气滤池总出水的硝氮仪表（约 4.5 万元），再结合经验碳氮比，根据进水流量计算所需的碳源投加流量，并制定成表格形式。加药量指导表格放于中控室，操作人员可实时查阅并调控甲醇加药量，从而实现人工精细化调控，避免因个人技术水平差异影响碳源投加量调控的准确性。
1 项目概况
该污水深度处理厂设计规模为 20×104 m3/d，将上游污水厂的排水标准由国标一级 A 提标至准 V 类水（TN≤10 mg/L），设计进出水水质如表 1 所示。反硝化滤池前端设置有曝气滤池，主要用于去除氨氮，工艺流程图如图 1 所示。反硝化滤池后端设置有超滤膜、臭氧接触池和次氯酸钠消毒接触池，主要用于去除 SS、脱色（去除部分 COD）和出水消毒。
该污水深度处理厂共有曝气滤池 28 座，设计 NH3-N 容积负荷为 0.18 kg/(m3滤料·d)，滤速为 4.96 m/h。反硝化滤池共 12 座，设计 TN 容积负荷为 0.51 kg/(m3 滤料·d)，滤速为 11.5m/h。曝气滤池及反硝化滤池均采用上向流形式，单个滤池的尺寸结构相同，如图 2 所示。滤料的材质（陶粒，1.4~1.8 kg/dm3）、粒径（3.0~6.0 mm）以及滤层厚度（4.0 m）也均相同，也设计了相同反洗周期（12~24 h）、水反冲洗强度（18 m3/(m2·h)）、气洗强度（70 m3/(m2·h)）。
总配水渠向滤池进水管跌落配水，可保证各滤池配水均匀，但跌落过程中存在明显的充氧，不利于反硝化滤池的脱氮。一般曝气滤池出水 DO 在 5 mg/L 左右，跌落配水后反硝化滤池进水的 DO 最高甚至达到 7 mg/L 以上。当滤池水头损失越小，滤池进水渠的液位越低，则跌落配水的落差越大，充氧越明显。李鹏飞等[2]通过稳压虹吸装置及流量计调控滤池配水，并减少跌落充氧，实现了反硝化滤池的缺氧区容积较跌落配水提升 16%。蒋悦等[12]的研究中也指出跌水复氧使得兼氧性反硝化细菌优先进行有氧呼吸，降低了反硝化的碳源利用率。
2 项目生产情况
该污水深度处理厂近一年的每月平均水量及水质情况如图 3 所示。日均进水量达 15.4万吨/天，负荷率为 77%。反冲洗废水相对较少，产水率基本稳定在 95%以上。总体上，每月日均水量相对稳定，受雨季和市政污水调配影响，全年的丰水期在 7~9 月份。
平均水质数据来自化验室日常检测数据的平均值。深度处理厂的出水氨氮常常低于 0.3mg/L，而进水氨氮波动相对较大，尤其冬季期间上游污水厂的排水氨氮明显升高。进水 COD平均值低于 25 mg/L，深度处理厂平均去除 COD 的量约为 5 mg/L，去除率约 20%。由于进水先经曝气滤池，进水 COD 可用于反硝化的部分少，反硝化脱氮所需要的碳源，依赖于反硝化滤池前端投加的甲醇。进水总磷相对稳定，年平均值为 0.33 mg/L，深度处理厂平均生化除磷量 0.12 mg/L，最大除磷量可达 0.3 mg/L（未配置化学除磷）。年均进水总氮 12.0 mg/L，出水 5.1 mg/L（△TN = 6.9 mg/L），整体上出水总氮控制偏低，造成了部分碳源的浪费。通过精细化调控碳源投加量，提高出水总氮，是节约碳源成本并减少碳排放的重要方法之一。
该污水深度处理厂的电耗主要来源于提升泵房、曝气滤池房、膜设备间（臭氧设备暂无需启用）、排水泵房，其中提升泵房、膜设备间、排水泵房的电耗主要受水量影响。曝气滤池的电耗受进水氨氮影响，根据进出水氨氮情况调整曝气风机的开启数量。深度处理厂近一年度各月的电耗情况如图 4 所示，总体电耗相对稳定介于 0.09~0.12 kWh/吨水。
深度处理厂主要消耗的药剂为甲醇（碳源）、次氯酸钠（消毒、洗膜）和柠檬酸（洗膜），近一年的药耗情况如图 4 所示（柠檬酸消耗量少，暂忽略不计）。次氯酸钠年均药耗 24 mg/L，主要用于出水消毒，因疫情期间要求保障出水余氯，上半年用量相对较大。甲醇消耗量受实时水质波动影响大，因而月平均药耗波动较大，年均药耗 31.5 mg/L（△COD/△TN = 6.9）。
3 碳源投加量精细化调控的方法及原理
3.1 精细化调控的方法
影响反硝化滤池脱氮的因素包括反硝化细菌丰度、总氮容积负荷、溶解氧、碳源等。该污水深度处理厂已连续运行 3 年以上，反硝化细菌的丰度已稳定。根据实际运行过程中，当瞬时水量超过 9000 m3/h（设计瞬时流量 8500 m3/h），进水总氮在 15 mg/L 左右的情况下，合理投加碳源依然能保证出水水质稳定达标，表明当前运行状况下，总氮容积负荷不是反硝化滤池脱氮的限制因素。反硝化滤池进水溶解氧可达到 5~7 mg/L，即使高溶解氧使得部分滤料层无法反硝化脱氮，但低溶解氧的部分进行反硝化脱氮足以使出水达标，表明进水溶解氧高不足以造成出水总氮超标。
反硝化所需甲醇碳源 = (2.47 [NO3--N] + 1.53 [NO2--N] + 0.87 [DO])/f （1）反硝化所需的碳源量相关研究的计算公式（1）（f 为碳源利用因子，＜1.0）[2,13,14]，表明反硝化所需的碳源量与硝氮、亚硝氮、溶解氧呈一定的线性关系，其中溶解氧是影响反硝化碳氮比的干扰因素。本污水深度处理厂共 12 座反硝化滤池，每座滤池的反洗均错峰进行，任意时间内的跌落充氧状态也各自不同，由于滤池数量较多，可视为滤池进水溶解氧的平均值在较小的范围内波动，因而可根据碳氮比指导调控碳源投加量。李鹏飞等[2]研究的自动化碳源精确加药系统也有用到碳氮比的逻辑原理。
进水 COD 较稳定且常低于 25 mg/L，因而可忽略进水 COD 波动对碳源投加量调控的干扰。近一年的平均水质（△TN）及甲醇加药量（△COD）数据显示△COD/△TN = 6.9，可在不同进水量、进水总氮的情况，参照平均△COD/△TN = 7.0 计算出甲醇的加药流量，制定了用于指导操作人员调控甲醇加药量的表格如表 2 所示，以实现精细化调控。
《甲醇加药量指导表》设定的出水总氮为 8.0 mg/L，操作人员可以根据进水总氮、进水流量，运用“内插法”查表即可确定合适的甲醇加药流量。例如，当进水流量在 7000~8000m3/h，进水总氮在 10~11 mg/L 时，甲醇加药量在 100~160 L/h 之间估算即可。受实时进水流量波动的影响，以及出水在线监测设备检测周期为每小时一次的特点，要求操作人员每小时至少调整或确认一次甲醇加药量。
3.2 精细化调控的原理
污水深度处理厂未配置进水在线监测设备，且进水在线监测设备费用及运营维护费用较高，因此采用硝态氮仪表（CAS40D-AA1B1A2+F4，WTW）的数据推算出总氮。硝氮仪表安装于曝气滤池的总出水，相比于在线监测设备，硝氮仪表的时效性更好，可实时监测硝氮的变化，以便于操作人员更早的采取措施。在众多碳源精确加药的研究中，也均采用硝态氮仪表监控工艺单元的硝氮浓度，以硝氮的去除量表征反硝化过程中总氮的去除量。本污水厂中控室上位机实时显示进水流量和曝气滤池出水硝氮数据，甲醇加药量可通过上位机设定，使得精细化调控操作更简单、便利。
总氮的构成分为有机氮和无机氮，该污水处理厂的进水以城区生活污水为主，一般经生化处理后的有机氮含量较稳定。经检测，曝气滤池的出水的有机氮浓度一般在 1~2 mg/L。水体中的无机氮主要以硝氮、亚硝氮和氨氮的形式存在。经检测曝气滤池出水的亚硝氮小于0.1 mg/L，历史水质数据显示出水氨氮常常低于 0.3 mg/L，因此利用硝氮仪表监测硝氮，“硝 氮+常数 n”可近似表示反硝化滤池的进水总氮，即“常数 n”表示水体中总氮与硝氮的差值，同时又作为修正甲醇投加量的参数。精细化调控甲醇加药量的原理如图 5 所示，曝气滤池出水的硝氮监测及总进水流量作为“前馈”信号，出水总氮作为“反馈”信号，构成了“前馈+反馈”的闭环系统，“前馈”及“反馈”信号的处理均由人工参照《甲醇加药量指导表》完成，而自动化精确加药系统则是由 PLC 根据数学模型完成的。
出水在线监测反馈的数据，作为校核或判断调整“常数 n”的依据，一般较稳定在 2 左右，无需频繁调整。当出水总氮持续低于目标值时，表明甲醇加药量偏大，即“常数 n”应减小。当出水总氮持续高于目标值时，则“常数 n”应增大，直至出水总氮控制在目标值范围内。“常数 n”的调整量参考[实际出水总氮]与[目标出水总氮]的差值如公式。
[新“常数 n”] = [原“常数 n0”] ＋ ([实际出水 TN] － [目标出水 TN]) （2）例如当出水总氮持续 2 个数据在 6 mg/L 左右，则应对当前的“常数 n”减小 2 以使得出水总氮接近 8 mg/L。参照谨慎运行的惯例，实际操作可分两步进行：先减小 1.5 观察出水总氮，根据需要再考虑是否继续减 0.5。
吴宇行等[9]研究建立的碳源智能投加系统，设定有多个参数包含反馈系数和修正系数，其中反馈系数需根据生产经验判断，修正系数则用于人工调整以应对突发情况。智能化精确加药系统是污水厂节能降耗的重要发展方向，但也需要操作人员根据出水水质的实际情况，对部分参数进行修正、纠偏，才能使得精确加药的效果更好。
4 结果与讨论
4.1 精细化调控过程中的水量及加药量
按照《甲醇加药量指导表》，精细化调控过程中进水量及甲醇加药量的变化如图 6 所示。
每小时瞬时流量波动频繁，波动幅度较大，为甲醇加药量调控带来了困难，盲目调控加药量将难以保障出水总氮稳定并兼顾甲醇投加的经济性。精细化调控前，甲醇加药流量的变化幅度大，存在较短时间内 100~650 L/h 来回切换的情况。精细化调控后，甲醇加药量的变化幅度明显降低，而且加药量的变化随进水量变化的同步性更好，加药量微调的频次也明显提高，更加精细化。从调控开始至调控完成，加药量有明显的下降趋势，最终走向相对平稳的状态。
4.2 精细化调控过程中的水质
人工精细化调控甲醇加药量过程中进出水水质变化如图 7 所示，整体上进水 COD、总氮的瞬时波动量较小。受瞬时进水量波动的影响，精细化调控之前，出水总氮呈现出“过山车”式的剧烈震荡，一天内的震荡幅度可达 9 mg/L。当出水总氮接近 10 mg/L，则急剧提高甲醇加药量如图 6，保持加药量后出水总氮又迅速下降至 1 mg/L 左右。随后开始大幅降低甲醇加药量，又导致了出水总氮在短时间内升高并有超标风险。如此形成恶性循环，使得出水总氮不可控，导致了甲醇投加量不经济且出水总氮有超标风险。如图 7，第 72~96 h 的出水 COD 峰值近 30 mg/L，明显超过 20 mg/L 左右的进水值和 15 mg/L 左右的出水均值，表明甲醇投加过量并穿透了滤料层。对照图 6 可以发现，是由于甲醇加药流量从 100 L/h 大幅提高到了 650 L/h，导致了这一情况。大幅提高甲醇加药量的原因，是由于出水总氮升高的过程中未及时调整到合适的甲醇加药量，导致出水总氮达到近 10 mg/L，因此匹配合适的甲醇加药量尤为重要。
精细化调控按四个阶段控制目标，逐步将出水总氮控制在 7~9 mg/L，如图 7。当出水总氮控制目标在 4~5 mg/L 时，按照“总氮 = 硝氮 + 4”查《甲醇加药量指导表》精细化调控甲醇加药量，后三个阶段分别按照“+ 3”、“+ 2”、“+ 1”。调整的时间间隔为每小时一次，均实现了出水总氮稳定控制在目标值范围内。最终，出水总氮的日均值可达到 7.9 mg/L，出水总氮的变化幅度基本可控制在 3 mg/L 左右。李鹏飞等[2]研究的反硝化滤池自动化精确加药系统，以 10 mg/L 作为出水总氮的基准值，使得 96%的滤池出水总氮控制在 10~14 mg/L。相比较而言，人工精细化调控的出水总氮的稳定性，基本可达到自动化精确加药相当的水平。
4.3 精细化调控过程中的药耗及碳氮比
精细化调控过程中进出水总氮、甲醇药耗及碳氮比日均值的变化如图 8 所示。平均进水总氮由 13 mg/L 左右降至 12 mg/L 左右，平均出水总氮由 5.0 mg/L 左右提高至 7.9 mg/L 左右，即通过精细化调控节约了 3 mg/L 总氮产生的药耗。实施精细化调控后，以整体提高年平均出水总氮 2 mg/L 计，预计可降低甲醇药耗 25%左右，年节约甲醇药剂费约 150 万元（甲醇以 3000 元/吨计）。吴宇行等[9]构建了多级参数反馈校正理论模型的碳源智能投加系统，实现乙酸钠投加量比上一年同期节约 21.2%。尹亚云等[3]研究的除磷精确加药系统，节约了12.9%的药耗。人工精细化调控的药耗节约效果和自动化精确加药相当，因此该方法具有一定的实际工程应用价值。
精细化调控前平均总氮去除量为 8 mg/L，精细化调控后平均总氮去除量为 4 mg/L，随着总氮去除量的降低，碳氮比（△COD/△TN）呈较明显的上升趋势，从 7 左右升高至 10 左右，表明随着总氮去除量的降低，反硝化的碳源利用效率也逐步降低。精细化调控前后总氮去除量减少 4 mg/L 左右，按照碳氮比 7 计，应节约甲醇药耗 18.7 mg/L，正是由于反硝化的碳源利用效率降低，而实际节约量仅为 13 mg/L。
4.4 精细化调控的干扰因素
分析通过“硝氮+常数 n”表示曝气滤池的出水总氮，“常数 n”直接关系到碳源投加量是否准确，出水总氮是否在预期范围内，其中亚硝氮、有机氮对“常数 n”的干扰小。由于日常运行过程中出水氨氮偶尔有波动，如图 9 所示，将直接干扰“常数 n”的准确性，容易导致甲醇加药量偏低。
分析通过“硝氮+常数 n”表示曝气滤池的出水总氮，“常数 n”直接关系到碳源投加量是否准确，出水总氮是否在预期范围内，其中亚硝氮、有机氮对“常数 n”的干扰小。由于日常运行过程中出水氨氮偶尔有波动，如图 9 所示，将直接干扰“常数 n”的准确性，容易导致甲醇加药量偏低。
日常运行精细化调控甲醇加药量过程中，还需要注意根据进水氨氮的变化，及时调控曝气风机开启的数量，降低并稳定出水氨氮。当出水氨氮升高时，操作人员可以根据出水氨氮在线监测设备的数据，用“硝氮+氨氮+常数 n”的模式进行精细化调控甲醇投加量。若在曝气滤池的总出水安装一台氨氮在线仪表，实时监测氨氮的变化，利用“硝氮+氨氮+常数 n” 的模式，查《甲醇加药量指导表》确定甲醇加药量将更准确。自动化的精确加药系统除了监 测硝氮外，也应考虑出水氨氮变化引起出水总氮控制值发生偏差，吴宇行等[9]研究的精确加药系统就有用到安装于生化池的氨氮仪表。
反硝化脱氮的碳源利用率是变化的，受总氮去除量影响，也可能受到反硝化进水溶解氧、温度等影响，导致实际运行的碳氮比（△COD/△TN）在一定范围内变化。污水深度处理厂运行过程中，若操作人员能够熟练确定合适的“常数 n”，可以使得《甲醇加药量指导表》更灵活地指导生产，并产生良好的经济效益。
5 结 论通过查《甲醇加药量指导表》实现人工精细化调控甲醇加药流量的方法，达到了出水总氮控制在 7~9 mg/L 的目标。该方法使得出水总氮稳定可控，既降低了出水超标的风险，又产生了经济效益并减少碳排放。预计年均出水总氮可提高 2 mg/L，年节约甲醇费用达 150万元。
人工精细化调控甲醇加药量的过程中，会受到曝气滤池出水氨氮波动和反硝化碳氮比变化等因素的干扰。硝氮仪表的位置加装氨氮仪表，以“硝氮+氨氮+常数 n”的模式查《甲醇加药量指导表》即可解决氨氮波动的影响，其他干扰因素可通过调整“常数 n”的方式克服。 “常数 n”的调整是精细化调控的核心，可使得精细化调控更好地适应各种工况。
人工精细化调控甲醇加药量的方法简单有效，一定程度上消除了操作人员技术水平差异的影响。在出水总氮稳定性和药耗节约程度方面，基本可达到自动化精确加药相当的效果，具有实际工程应用价值。
原标题：某污水深度处理厂人工精细化调控碳源投加量的探究
原作者：包遵胜，熊晓励，刘纪成，辛路，张丹宇，李善强
相关文章
- 含油废水电化学处理研究进展 2022-04-21
- 不同絮凝剂对光合细菌沉降与净水能力的影响 2020-06-11
- Freundlich方程在油脂脱色体系中的应用及其返色研究 2020-08-26
- 改性淀粉絮凝剂处理造纸废水效果研究结果与讨论 2020-01-16
- 有机氟废水的预处理实验研究 2020-05-15
最新文章
- 城镇污水处理厂全流程水质管理方法分析 2023-01-29
- 高排放标准下某高新园区污水处理厂工程实例 2023-01-16
- 一种树状多支化破乳剂的合成与应用 2023-01-14
- 地层注入水悬浮物含量偏高原因分析与治理 2023-01-13
- 浅谈胶印润版液的净化循环使用 2023-01-13
