市政污水處理廠碳源投加技術的節能優化

武旭輝 王建興 柴學義 保定市排水服務中心

保定市魯崗污水處理廠建成于1996年，處理能力8萬t/d，A2O工藝。由于位于白洋淀上游，對出水水質要求較高，經過多次升級改造，2019年魯崗污水處理廠深度處理工程完工。改造后生物池使用Bardenpho工藝，并增加深度處理工藝，使出水水質達到《大清河流域水污染物控制標準》中的重點控制區標準，并盡量按準三類水標準運行（其中TN≤9mg/L）。Bardenpho工藝兼有前缺氧和后缺氧的反硝化，最早是由Barnard在1973年在南非提出的，后經過了不斷改進和發展。改良 Bandenpho 工藝是在 A2O 工藝基礎上,在后面增設了一個缺氧段和一個好氧段,其流程如圖1所示。

圖1 強化Bardenpho工藝

根據初沉池運行數據統計， 2021～2022年度污水廠一沉池出水C/N數值，年均值為2.84，可見碳氮比存在不足的問題。為了達到排放標準，脫氮工藝需要投加大量的碳源。該廠使用醋酸鈉為碳源，主要投藥方式，是直接采用計量泵加藥到前置缺氧段，根據平時摸索出來的經驗確定流量數值。由于缺乏及時動態的調整加藥量的自動化手段，且為了防止受到進水水質和水量變動的沖擊，就需要碳源在一定范圍內過量投加。這樣能夠保證出水水質的達標，但同時也不可避免的造成了碳源的浪費。為了改變這一現象，節約碳源并提高效率，我們通過3號生物池進行了碳源投加試驗，經過試驗摸索出了適合該廠實際情況的經驗公式，并進行了優化投加策略的工作。

保定魯崗污水處理廠3號生物池結構具有明顯5段式Bardenpho工藝特征，從脫氮角度來看，該工藝內部具有2次反硝化過程，第一次反硝化過程發生在第1缺氧段和第1好氧段，影響其脫氮效果的因素較多，其中內回流比和好氧段溶解氧對出水硝氮的影響尤其重要，第二次反硝化過程則因為不存在內回流而控制參數相對簡單，更接近理想狀態。

1 碳源投加經驗公式及其參數確定

1.1 根據碳平衡算式確定經驗投藥公式及其參數

魯崗污水處理廠采用醋酸鈉碳源投加物。醋酸鈉相比于污水處理除碳過程中剩余的部分COD，具有高效易水解的特點，無論缺氧環境下的反硝化反應，還是缺氧段初期低氧環境下的消耗反應，都發生的很快，會形成相對優先的消耗。而缺氧池的封閉的環境中，氮、COD、溶解氧的消耗量都相對比較明確，以此為基礎，通過建立醋酸鈉的COD投加當量與溶解氧變化以及總氮變化之間的平衡關系，對缺氧池內的COD消耗情況進行平衡計算，平衡關系式如式（1）所示。

式中Y—某特定碳源（醋酸鈉）的COD投加當量濃度 ，單位mg／L；△(NO3_N)—反應單元前后硝氮的變化量代替，單位mg／L；△DO—反應單元前后溶解氧的濃度的變化量，單位mg／L；K1—△(NO3_N)的COD當量系數；K2—△DO的COD當量系數；r—內回流比；b——△COD修正數，修正反應單元前后不投加碳源情況下的COD變化情況，單位mg／L。

有了平衡關系式（1）作為基礎，根據實際工藝條件產生的實驗數據確定K1、K2、b的值，就可以得到符合自身工藝特點的碳源投加經驗公式。

1.2 參數K1、K2、b的確定過程

根據公式（1），控制進入反應單元前的溶解氧濃度和進水流量情況下，碳源投加COD當量（y）可以視為硝氮變化量（x）的線性函數，通過統計足夠多的實際測量數值進行線性回歸，就可以繪制出該函數y=f(x)的圖像，通過其斜率的繪制，可以足夠精確的得到K1的值。

從公式中可以看出，當碳源投加量降低到某一數值時，等式右側第一項K1·[△(NO3_N)]就會接近于無藥投加時的硝氮COD當量變化情況。這時投入的碳源可以視為將大部分用于后兩項K2·[△DO]和b的消耗。通過實地測量第2缺氧反應器未投加碳源情況下，進出水口前后的COD變化，就可以確定K3的值。同時，根據散點線性回歸后的函數y=f(x)，其圖像延長后落在y軸上的截距，就能夠在數值上確定K2。

通過一系列數值的測定并作圖，就可以根據式（1）確定出具有該污水廠自身特點的加藥量公式及其特征參數。具體過程如下：

碳源的投加位置選擇在第1好氧段結束和第2缺氧段開始的交界位置，在這里把溶解氧精確的控制在3mg/L左右，投藥主要依賴變頻泵精確控制流量，加藥量分70、105、150、180、200等多個檔次不同日期內分別投加，每一組投加都通過化驗室在至少間隔1日的不同時間段測量至少3組數據。根據測量的數據經過散點線性回歸后的圖像如圖2所示。

圖2 碳源投加當量與硝氮變化關系

如圖2，根據回歸后的線段的斜率可以得到K1=4.58；根據該回歸線段延長后的截距可以得到[K2·△ DO]-K3=3.45。

把加藥量降低到0，測量不加藥情況下的第2缺氧池前后的COD變化數據，發現數據變化非常小。由于對公式右側的影響非常小，即式（1）中的最后一項b在計算中的實際影響可以忽略。由此得到K2=3.45/3=1.15，最終得到的公式（2），可以作為最基礎的碳源自動化投加的核心公式來使用。

2 碳源投加策略的確定

2.1 碳源投加量偏差造成的影響

為了量化碳源的過量投加和不足投加如何影響前置反硝化段的最后出水，進行投加試驗。根據投藥模式改進前的單點投加的日常投加量，控制第1缺氧段的加藥量從720L/h開始逐漸降低，每天測量2組數據，2～3d進行一次加藥量的調整，通過經驗公式計算出當下需要投加的碳源的量，控制實際投加量從過量投加逐漸減少，直到低于計算投藥量，觀察并統計出水硝氮的變化情況。當實際加藥量少于計算加藥量的時候，會導致前置反硝化段出水指標的升高；而過量的碳源投加對出水硝氮的降低效果并不明顯；前置缺氧出水硝氮除了受前置出水硝氮和碳源投加量的影響外，還受厭氧出水硝氮和碳源共同影響。即公式（2）中的△(NO3_N)項，其實際值應該包括“厭氧段出口硝氮+前置好氧段末端硝氮-前置缺氧段末端硝氮控制值”。而這個前置缺氧段末端的硝氮控制值，就是整個投藥分配的關鍵所在。

2.2 多點投加策略的量化方案確定過程

當進水氨氮、總氮較低或對脫氮要求不高（TN≤15mg/L）的時候，單獨前反硝化段投加碳源就可以滿足要求，前缺氧段作為反硝化的主要區域，對TN的抗沖擊能力要更強、脫氮效率更加穩定。在進水氨氮、總氮較高或出水總氮要求較低（例如出水TN穩定小于9mg/L）受前置缺氧段脫氮效率和后置缺氧段去除能力限制，單獨投加碳源無法達到目標。因此在該廠的投加策略選擇上，采用以前置為主，前、后置缺氧段兩段投加的方式。而兩段投加量化的關鍵，是如何同時讓2個反硝化池的碳源效率都達到最高。

通過試驗，可以找出前置缺氧段末端的硝氮指標達到的拐點，拐點的達到也就標志著整個反硝化池中的硝氮的去除率開始下降。這個拐點同時碳源投加效率的拐點，因為之后的過量投加不但會造成碳源利用率的降低，還會造成后面好氧段溶解氧的需求負荷逐漸加大，試驗結果如圖3所示。

圖3 前置缺氧段的碳源投加當量與出口硝氮的關系

從圖3曲線中可以看出，第1缺氧段末端的硝氮與實際的碳源投加量基本上呈現反比關系，在COD當量達到45mg/L左右的時候（此時對應實際醋酸鈉投加量400mg/L），出口的硝氮值開始降低到1mg/L以下并減勢趨緩。可以認為碳源在這個投加量在缺氧池中實現了剛好完全反硝化，該反硝化池的效率達到最高。此時通過對經驗公式加藥量計算，其結果與試驗曲線中拐點處的數值45mg/L也非常接近。

根據上述條件，最后適用于運行的分段投加策略： ①在前置缺氧段末端、前置好氧段末端分別設置硝氮儀表，以經驗公式中所需的硝氮、進水量、溶解氧數據作為基本參數。加藥分成兩部分，第1部分的加藥投加在第1缺氧段入口處，以控制前置缺氧段末端硝氮指標保持在1～1.5 mg/L范圍內為目標，以第一好氧段末端硝氮數據與控制目標之差計算加藥量為基準，修正加藥量。這種修正控制需要隨時根據水質和測量參數進行動態的調整。②第2部分的加藥投加到第2缺氧段入口處，以第一好氧段末端硝氮數據與出水控制硝氮指標之差為基準計算需要的加藥計算量，同時留出一部分加藥余量防止進水水質突然變化的沖擊。出水控制硝氮指標可以根據要求動態變化，目前我們的控制指標是：以前置好氧出水硝氮是否大于7mg/L作為標準。③以上的投加策略，通過配備必要的測量儀表，根據進出水參數設計了自動化的加藥程序控制加藥量來實現。通過參數的控制，每一段的反硝化都可以以最高的效率進行，以達到保證出水指標的前提下，節約碳源的目的。

3 建立后的精確加藥系統及其節能效果

精確加藥系統的本質是一套PLC控制下的自動流量反饋系統如圖4所示，其核心依據是我們總結出的經驗公式和加藥策略。

圖4 自動精確加藥系統原理圖

精確加藥系統經過一個多月的試運行，出水水質穩定達標。為了評估該系統投產后對整個處理成本節約情況，按照2022年5～6月份的運行數據，測算了1年內的單池成本節約效果如表1所示。

表1 魯崗污水處理廠3號池碳源投加改造后的成本節約效果

自動投藥運行后單池節約成本可以達到217.4萬元/a，考慮到該廠的另外2座曝氣池可以進行模式推廣。按照總進水量計算，總共節約成本可以達到386.5萬元/a。

4 結語

采用實際運行數據線性回歸的方式得到的市政污水處理廠碳源投加公式中的參數，其取值更加貼近污水處理廠的實際情況。運行效果表明，這種參數的取值方式要優于依賴設計參數和理論數據的方式。動態分段式的碳源投加，相較目前大部分污水廠單一投加方式來說，是比較先進的投藥策略，尤其對于Bandenpho工藝的污水處理廠具有明顯的節能降費效果。建立以PLC控制為基礎的自動化流程，有助于實現污水處理廠碳源復雜投加策略，并可以保證脫氮工藝的穩定高效運行。