AN-ISE氨氮/硝氮分析儀在市政污水廠中節(jié)能降耗的應(yīng)用
陳烽棟、雷斌、趙延廣
1、背景
氨氮和硝氮是水中zui重要的含氮污染物。由于水體富營(yíng)養(yǎng)化的日益嚴(yán)重，特別是“水十條”的發(fā)布，污水處理廠對(duì)于脫氮的要求越來(lái)越嚴(yán)格，生物脫氮已經(jīng)成為市政污水處理廠工藝中首要考慮的問題之一。同時(shí)，污水處理廠從自身的角度考慮，急需通過降低風(fēng)機(jī)能耗等手段來(lái)降低運(yùn)營(yíng)成本。故而目前污水處理市場(chǎng)各大水務(wù)公司均研發(fā)了針對(duì)生物脫氮，節(jié)能減排的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，如哈希公司的RTC系統(tǒng)，威立雅STAR系統(tǒng)等，其目的是在更好的達(dá)到法規(guī)規(guī)范的排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下，能夠更的控制鼓風(fēng)機(jī)能耗和藥劑消耗，以達(dá)到控制運(yùn)營(yíng)成本的目的。這些系統(tǒng)無(wú)一例外，均需要配置氨氮和硝氮的在線分析儀表。
哈希公司擁有的多款不同測(cè)量原理的氨氮、硝氮在線分析儀，如逐出比色法（Amtax Compact II）、氣敏電極法（Amtax sc）、紫外吸收法（Nitratrax sc）以及離子選擇電極法（AN-ISE sc）。不同分析原理的在線分析儀都有各自的特點(diǎn)以及相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域，考慮到成本、在線控制方式等因素，離子選擇電極（AN-ISE sc）非常適合用于生物反應(yīng)池中脫氮的過程控制。
2、實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件
我們選取了兩個(gè)市政污水廠進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。這兩個(gè)市政污水廠均使用威立雅公司提供的曝氣系統(tǒng)，簡(jiǎn)單的說，就是利用生物池中的DO、MLSS、氨氮、硝氮等在線監(jiān)控值，來(lái)控制風(fēng)機(jī)所提供的風(fēng)量，以達(dá)到節(jié)約能耗的目的。AN-ISE分析儀在線監(jiān)測(cè)的氨氮和硝氮值是該系統(tǒng)zui重要的一個(gè)參數(shù)來(lái)源，對(duì)其自動(dòng)控制有舉足輕重的作用。
通過AN-ISE分析儀的在線測(cè)量值與實(shí)驗(yàn)室測(cè)定方法的對(duì)比，可以判斷AN-ISE分析儀的在線測(cè)量是否真實(shí)可靠，再通過對(duì)系統(tǒng)能耗的評(píng)估，來(lái)判斷其在污水處理中，節(jié)能降耗所發(fā)揮的作用。
3、HACH解決方案可行性實(shí)驗(yàn)
3.1 AN-ISE在線分析儀可信性分析
將AN-ISE在線分析儀安裝在污水處理廠的曝氣池末端，分別記錄其在線分析儀測(cè)量值、以及對(duì)應(yīng)時(shí)刻所取水樣通過實(shí)驗(yàn)室方法（氨氮：納氏試劑分光光度法（HJ 535-2009）；硝氮：鉻變酸法（哈希方法號(hào)10020））的測(cè)定值。
下圖是測(cè)試污水廠1，2#曝氣池AN-ISE在線分析儀讀數(shù)與實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果之間的對(duì)比。
從圖中我們可以很明顯的看出，無(wú)論是氨氮還是硝氮的曲線，在線分析儀的測(cè)量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果基本能夠保持相對(duì)的一致性，偏差基本上都不超過±2mg/L，如果校準(zhǔn)得當(dāng)，在大部分時(shí)間段內(nèi)，偏差都在±1mg/L。
由于在線分析方法（電化學(xué)法）與實(shí)驗(yàn)室分析方法（分光光度法）二者在原理上的差異，所以其二者的測(cè)量值無(wú)法*比對(duì)上。但是二者所反映的趨勢(shì)項(xiàng)目，數(shù)值偏差不大。所以在進(jìn)行測(cè)試的兩個(gè)污水廠中，客戶均表示相同的觀點(diǎn)：AN-ISE分析儀的測(cè)量結(jié)果已經(jīng)能夠反映曝氣池中氨氮及硝氮的濃度變化，完夠滿足客戶過程控制上的需求。
4、生物脫氮優(yōu)化策略
生物脫氮的基本原理是通過活性污泥中的一些特定的微生物群體，在特點(diǎn)的環(huán)境下將水中的有機(jī)氮和氨氮轉(zhuǎn)換成氮?dú)庖莩鰖ui終達(dá)到脫氮的目的。生物脫氮包括三個(gè)階段，首先氨化細(xì)菌將水中的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮，這個(gè)過程叫做氨化過程。其次，由硝化細(xì)菌在好氧的條件下將氨氮轉(zhuǎn)化為硝氮，稱之為硝化過程。zui后，在反硝化過程中，反硝化細(xì)菌在缺氧的條件將硝氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，使其從水中逸出，達(dá)到脫氮的目的。
4.1 硝化過程優(yōu)化
硝化過程由于需要好氧的條件，因此在一般的活性污泥工藝中，都設(shè)置了好氧池或好氧區(qū)，通過曝氣設(shè)備向水中充入大量空氣或氧氣，保證硝化過程的進(jìn)行。在早期，污水處理廠對(duì)于曝氣量的控制調(diào)整通常依據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)或經(jīng)驗(yàn)，這樣常常導(dǎo)致硝化的效率不穩(wěn)定，時(shí)而不能達(dá)到要求，時(shí)而又曝氣過量。由于曝氣所需的電能占污水廠日常運(yùn)行費(fèi)用的很大部分，因此這種粗放型的控制方式會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用較高。當(dāng)自動(dòng)化控制逐漸被引入污水廠日常運(yùn)行管理系統(tǒng)中后，逐漸出現(xiàn)了使用溶解氧在線分析儀在曝氣區(qū)域?qū)ζ貧饬窟M(jìn)行反饋控制，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值一般將水中溶解氧控制在2mg/L左右可以基本保證硝化反應(yīng)的正常進(jìn)行。但是，水中的溶解氧濃度只是保證硝化反應(yīng)可以正常進(jìn)行的一個(gè)外部條件，影響硝化反應(yīng)的因素還有很多，包括pH值、溫度、有機(jī)物濃度、水力停留時(shí)間和污泥齡等，只通過溶解氧進(jìn)行控制還是不能達(dá)到非常理想的效果。因此，為了進(jìn)一步對(duì)硝化反應(yīng)區(qū)的曝氣量作精細(xì)控制，又引入了氨氮在線分析儀與溶解氧在線分析儀進(jìn)行聯(lián)合控制的理論。
對(duì)于大多數(shù)城市污水處理廠，主要的曝氣能耗是氨氮的硝化因?yàn)榇蟛糠值目山到庥袡C(jī)物已在反硝化過程中去除。氨氮在溶解氧的作用下轉(zhuǎn)化為硝氮的過程是整個(gè)脫氮工藝的限速步驟，污水中氨氮對(duì)溶解氧的需求直接反應(yīng)了系統(tǒng)對(duì)溶解氧的需求。如圖 3所示，通過測(cè)得的氨氮濃度和溶解氧濃度，進(jìn)行疊加控制。調(diào)節(jié)曝氣池總管上的空氣閥開啟度，控制供氧強(qiáng)度。濃度一般控制在2mg/L以下，以避免浪費(fèi)能量。同時(shí)也避免由于溶解氧濃度過高而使大量溶解氧通過內(nèi)回流帶入到缺氧區(qū)。
如圖 4所示，在硝化池末端安裝溶解氧和氨氮分析儀，對(duì)溶解氧和氨氮進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)溶解氧濃度較高時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)降頻以節(jié)約能耗，其中氨氮濃度維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平上。
5.2 反硝化過程優(yōu)化
反硝化過程由于需要在缺氧的條件下才能使反硝化細(xì)菌將硝氮作為電子受體，將其還原成氮?dú)猓虼舜蠖鄶?shù)的活性污泥工藝都設(shè)置了缺氧池或缺氧區(qū)，以完成反硝化反應(yīng)。反硝化過程能否順利進(jìn)行，除了要求有缺氧的環(huán)境，還需要充足的有機(jī)物作為反硝化細(xì)菌的碳源，才能獲得較高的反硝化速率。由于脫氮過程需要先進(jìn)行硝化再進(jìn)行反硝化，如果按照這個(gè)順序布置構(gòu)筑物，當(dāng)污水從硝化區(qū)流入到反硝化區(qū)時(shí)，大部分的有機(jī)物已經(jīng)在之前的過程中都被降解了，往往沒有充足的有機(jī)物作為反硝化細(xì)菌的碳源，影響了反硝化過程的順利進(jìn)行。為了解決這個(gè)問題，人們采用了兩種方法。一種是在反硝化區(qū)域人為地投加碳源，通常是以甲醇為主。另一種是改變工藝，將反硝化區(qū)域移至硝化區(qū)域的前端，使得污水先流入反硝化區(qū)域，保證了水中有較高的有機(jī)物可以作為反硝化細(xì)菌的碳源，另一方面，設(shè)置內(nèi)回流管道，將硝化區(qū)已經(jīng)硝化完成的含有大量硝氮的水回流至反硝化區(qū)，進(jìn)行反硝化，實(shí)現(xiàn)zui后的脫氮。如果投加碳源，則對(duì)于污水廠而言又增加了運(yùn)行費(fèi)用；如果不投加碳源，而采用反硝化前置的工藝，將硝化液內(nèi)回流，則回流比是非常重要的參數(shù)，如果回流量過大，回流泵的電能消耗也是一筆不小的費(fèi)用，同時(shí)還有可能因?yàn)樘荚床蛔愣鵁o(wú)法將回流的硝酸鹽全部反硝化。如果只使用溶解氧和ORP在線分析儀對(duì)反硝化進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，則只能保證反硝化區(qū)域的溶氧環(huán)境適宜反硝化反應(yīng)，但是無(wú)論是人為投加的碳源量，還是回流硝化液的回流比，都無(wú)法進(jìn)行控制。因而引入了硝氮在線分析儀對(duì)反硝化的優(yōu)化控制。
1反硝化過程優(yōu)化控制策略：以硝氮濃度控制硝化液內(nèi)回流
如圖所示，通過在線測(cè)定反硝化區(qū)尾部的硝氮濃度，在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)內(nèi)回流流量，使回流的硝氮恰好能與系統(tǒng)的反硝化能力相匹配，以力求zui大程度地使硝化過程中產(chǎn)生的硝氮進(jìn)行反硝化，同時(shí)也可避免不必要的回流，造成能量浪費(fèi)和把大量硝化區(qū)的溶解氧通過內(nèi)回流帶入反硝化區(qū)而影響反硝化效果。
2反硝化過程優(yōu)化控制策略：以硝氮濃度控制外部碳源的添加
如下圖所示，硝氮在線分析儀設(shè)置在缺氧區(qū)（前置反硝化區(qū)）的zui后一格內(nèi)。根據(jù)所測(cè)得的缺氧區(qū)出水的硝氮濃度，結(jié)合測(cè)定的進(jìn)水流量，即可調(diào)節(jié)內(nèi)回流的流量。如果所測(cè)定的硝氮濃度呈上升趨勢(shì)，則表明所回流的硝氮可能由于進(jìn)水碳源不足等原因超過了系統(tǒng)的反硝化能力，此時(shí)應(yīng)增加碳源投加量，使反硝化過程所需的碳源更加充分，同時(shí)減少由內(nèi)回流流量；反之，如硝氮濃度下降，則應(yīng)降低碳源投加量，控制碳源消耗，并提高內(nèi)回流流量，以zui大程度地利用系統(tǒng)的反硝化能力將硝化區(qū)形成的硝酸鹽氮進(jìn)行反硝化。
5.3 實(shí)際能耗節(jié)省
測(cè)試的兩個(gè)污水處理廠均利用AN-ISE分析儀的測(cè)量值，來(lái)控制風(fēng)機(jī)所提供的風(fēng)量，以達(dá)到節(jié)約能耗的目的。目前由于總氮的排放優(yōu)于排放標(biāo)準(zhǔn)，故并無(wú)投加碳源，并對(duì)硝氮進(jìn)行太多優(yōu)化和管控。
測(cè)試污水廠1曝氣系統(tǒng)介入前，手動(dòng)控制曝氣池中的溶氧值。由曝氣系統(tǒng)介入后，在排放符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下，溶氧的平均值由之前的1.54mg/L,降低至自動(dòng)控制的0.50mg/L。風(fēng)機(jī)的總電耗下降了20%左右，單位COD的風(fēng)機(jī)電耗下降10%，節(jié)能*。
圖 8為測(cè)試污水廠2 2014年與2015年處理每噸廢水所需要的電耗對(duì)比，在引入曝氣系統(tǒng)之后，單位電耗有了明顯降低，從2014年的0.140kWh/m³下降至從2015年的0.121kWh/m³，單位能耗下降13.5%，節(jié)能*。
以一個(gè)日處理量為10萬(wàn)噸的污水廠為例，利用AN-ISE在線分析儀的測(cè)量值來(lái)對(duì)風(fēng)量進(jìn)行控制，處理每噸污水節(jié)約電耗0.02kWh，電費(fèi)以0.7元/kWh計(jì)，每年僅在風(fēng)機(jī)降耗上就能夠節(jié)約電費(fèi)約為51萬(wàn)元。
6、結(jié)論
隨著我國(guó)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益提高，環(huán)保監(jiān)管部門對(duì)污水處理單位排放的總氮要求近一步提高。于此同時(shí)，污水處理單位從自身節(jié)能降耗的需求出發(fā)，也非常需要尋找能夠改善工藝，降低能耗的工藝優(yōu)化途徑。AN-ISE探頭所檢測(cè)的氨氮和總氮值正是順應(yīng)目前趨勢(shì)，提供給污水處理單位的一個(gè)選擇。根據(jù)實(shí)際客戶的使用案例，AN-ISE分析儀與曝氣控制系統(tǒng)相配合，完夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)能耗的降低，為污水處理單位節(jié)約大量成本，具有極大的推廣意義。
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