施漢昌， 柯細(xì)勇， 徐麗婕
(清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京　100084)

　　摘　要：討論了基于生物除磷預(yù)測(cè)的化學(xué)強(qiáng)化除磷優(yōu)化控制算法并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用研究，結(jié)果表明該算法基于磷的遷移和轉(zhuǎn)化模型而能夠正確估計(jì)加藥量，不僅使出水穩(wěn)定地滿足水質(zhì)要求，同時(shí)大大節(jié)省了加藥量、減少了污泥量。
　　關(guān)鍵詞：生物除磷；化學(xué)強(qiáng)化；優(yōu)化控制；模型預(yù)測(cè)
　　中圖分類號(hào)：X505
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)07-0035-04

1 化學(xué)強(qiáng)化的生物除磷

　　生物除磷作為一種經(jīng)濟(jì)有效的除磷技術(shù)被廣泛采用，但在對(duì)出水總磷控制嚴(yán)格的地區(qū)(磷＜0.5mg/L)，一般的生物處理工藝較難達(dá)到要求。因此，將化學(xué)除磷作為生物除磷的補(bǔ)充并使兩者結(jié)合起來就形成了一種運(yùn)行簡便、經(jīng)濟(jì)有效的除磷工藝［1、2］。?
　　對(duì)于脫氮除磷同步進(jìn)行的廢水處理工藝，由于脫氮的反硝化過程需要易生物降解的有機(jī)碳作為碳源，而生物除磷中磷的厭氧釋放過程也需要易生物降解的有機(jī)碳作為碳源，因此當(dāng)廢水中易生物降解的有機(jī)碳不足時(shí)需要采用化學(xué)方法來強(qiáng)化除磷。
　　生物脫氮和除磷所要求的工藝條件在某些方面是相反的，除磷需要較短的污泥齡和較高的污泥負(fù)荷，但是硝化則需要較長的污泥齡和較低的污泥負(fù)荷，因此同步脫氮除磷工藝的運(yùn)行條件必須滿足除磷和硝化兩者的需要，在此條件下易生物降解的碳源將成為除磷的主要影響因素。一般當(dāng)初沉池出水中BOD₅/PO₄^3-＞25時(shí)，二沉池出水的磷＜1mg/L；當(dāng)初沉池的BOD₅/PO₄^3-＞30時(shí)，二沉池出水的磷＜0.5mg/L。當(dāng)碳源低于上述條件時(shí)不能由微生物去除的磷就需要采用化學(xué)法去除。
　　用化學(xué)法強(qiáng)化的生物脫氮除磷工藝可按A₂/O、A/O方式運(yùn)行，其工藝流程見圖1。

　　① 初沉池：通過沉淀將進(jìn)水中的懸浮固體分離。如果采用在初沉池前投加藥劑進(jìn)行化學(xué)除磷的方法，則初沉池還需將含磷沉淀污泥去除。?
　　② 缺氧區(qū)：為脫氮提供反硝化條件，為除磷提供微生物釋磷條件。此外，缺氧區(qū)微生物的選擇作用可以抑制絲狀菌生長，因此與一般只起脫氮作用的缺氧區(qū)相比，要更嚴(yán)格地控制DO的濃度，需使其中不存在游離態(tài)氧(DO的濃度應(yīng)為零)。
　　③ 好氧池：好氧池中的微生物要去除有機(jī)碳、進(jìn)行硝化反應(yīng)，同時(shí)部分微生物還要吸收廢水中的磷。
　　④ 二沉池：進(jìn)行生物污泥的分離并排出一部分剩余污泥以便將吸收過量磷的微生物排出系統(tǒng)(達(dá)到除磷的目的)，對(duì)于在二沉池前投加藥劑進(jìn)行化學(xué)除磷的工藝，二沉池還需將含磷沉淀污泥進(jìn)行分離。
　　化學(xué)法與生物法相結(jié)合的脫氮除磷工藝可在初沉池或二沉池前加藥除磷。在初沉池前加藥時(shí)，由于廢水中的多種物質(zhì)都可能與藥劑反應(yīng)，所以藥耗高、產(chǎn)泥量大，同時(shí)降低了初沉池出水的有機(jī)碳濃度，不利于后續(xù)的生物脫氮除磷，因此一般不采用在初沉池前加藥的工藝。在二沉池前加藥時(shí)可將藥劑投加在好氧池的出水口處，藥劑經(jīng)過管道混合進(jìn)行反應(yīng)并在二沉池經(jīng)沉淀分離。經(jīng)過好氧池中微生物對(duì)磷的過量吸收，水中磷的濃度已較低，因此加藥量比在初沉池加藥的工藝小很多，化學(xué)污泥產(chǎn)量也少于生物污泥量，且不會(huì)因?yàn)榛瘜W(xué)污泥的積累影響生物處理工藝的正常運(yùn)行。特別是采用優(yōu)化運(yùn)行模式時(shí)，只在可能發(fā)生出水磷超標(biāo)的情況下投加藥劑，其藥耗和產(chǎn)泥量都會(huì)顯著減少。
　　因?yàn)檫M(jìn)水BOD₅和TP的比值、環(huán)境溫度、曝氣池中的污泥濃度等都會(huì)影響生物除磷的效率，故化學(xué)除磷所需要的藥量往往不是固定的，難以按傳統(tǒng)的人工方法進(jìn)行投藥，需要采用在線實(shí)時(shí)控制。

2 　加藥過程在線控制

　　加藥在線控制的典型工作方式是安裝TP在線檢測(cè)儀表，檢測(cè)一個(gè)參考點(diǎn)的TP值，通過反饋控制調(diào)整加藥量以使檢測(cè)點(diǎn)處的TP值能夠達(dá)到控制指標(biāo)。
　　對(duì)污水處理廠數(shù)據(jù)的綜合分析表明，進(jìn)水中磷濃度較高且BOD₅濃度較低時(shí)，一般1～2d后出水磷濃度才過高^［1］，而污水處理系統(tǒng)是一個(gè)慣性大、滯后長、變量和參數(shù)多的系統(tǒng)，若僅靠檢測(cè)二沉池出水的總磷對(duì)加藥進(jìn)行控制則很難選擇合適的控制算法以達(dá)到預(yù)期的效果。
　　牛學(xué)義^［3］比較了在初沉池進(jìn)、出口處加藥的前置沉淀，在曝氣池進(jìn)、出水處加藥的同步沉淀等幾種加藥點(diǎn)與在線檢測(cè)分析情況后，認(rèn)為在曝氣池出水處加藥且其后緊接著進(jìn) 行PO₄^3--P在線測(cè)定是比較理想的在線測(cè)定和反饋加藥控制方案，但實(shí)際上該點(diǎn)的 測(cè)定值與最終出水值往往不一致，主要原因如下：
　　① 二沉池中往往存在懸浮污泥，而懸浮污泥中的磷濃度比水中的高，所以最終出水中的實(shí)際TP濃度比經(jīng)過濾后再測(cè)試的試樣濃度高；
　　② 污泥中的生物磷會(huì)在二沉池中回溶(在二沉池底部進(jìn)行污泥濃縮時(shí)被生物吸收的磷可能被重新釋放，從而導(dǎo)致最終出水中?TP濃度的提高)，有時(shí)由于磷的回溶可使PO₄^3--P濃度增加0.4mg/L以上，如果污泥在二沉池內(nèi)的停留時(shí)間過長則POPO₄^3--P的回溶量可達(dá)2～4mg/L；
　　③一般POPO₄^3--P在線測(cè)定需要良好的試樣過濾 前處理系統(tǒng)，儀器本身也有一定的偏差，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差可達(dá)到±(2%～5%)。
　　此外，因磷在線檢測(cè)設(shè)備比較昂貴也使單純依賴磷在線檢測(cè)儀的控制方案很難在大范圍推廣。
　　好氧生物處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制周期往往與水力停留時(shí)間有較大的關(guān)系，一般可長達(dá)4～8h，甚至1d，同時(shí)需要的參數(shù)較多(不是單參數(shù)、單目標(biāo)的系統(tǒng))，采用傳統(tǒng)PID控制算法往往 很難獲得理想的控制效果，因目前無法編制恰當(dāng)?shù)膶＜乙?guī)則表故也難以實(shí)現(xiàn)專家控制或模糊控制。由于生物處理模型技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有一些簡單的純經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?sup>［1］或復(fù)雜的理論和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的模型可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)群體微生物生長和變化的規(guī)律。通過這些模型，可進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析得到模糊控制需要的規(guī)則表或者直接應(yīng)用于實(shí)際的在線控制中。
　　加藥過程在線控制往往采用簡單的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑦M(jìn)水BOD₅或水量或污泥濃度與除磷速率之間的關(guān)系并以此來估計(jì)生物除磷量。若已知進(jìn)水中的總磷量，就可以計(jì)算出需要采用化學(xué)法除磷的量，也就可以計(jì)算出所需要的化學(xué)藥劑量。

3 基于生物除磷分析的化學(xué)藥量計(jì)算

　　采用化學(xué)法的除磷量可表述為Pch=初沉池出水中的總磷+回流污泥中液相的總磷-微生物去除的總磷，即：?
　　　　　　?P_ch·(Q+R)=Q(k₁·P_pe+a₁)+R(k₂P_se+a₂)-(k₃COD_pe+a₃)(Q+R)　　　(1)?
　　經(jīng)整理得到式(2)：
　　　　　　?P_ch=［(k₁P_pe+a₁)Q+(k₂P_se+a₂)R］/(Q+R)-(k₃CODpe+a₃)　　(2)?
　　式中 ?Q——污水處理量，m³/d
?　　　　 R——污泥回流量，m³/d
?　　　　 P_se——二沉池出水中POPO₄^3-的濃度，mg/L?
? P_pe?——初沉池出水中POPO₄^3-的濃度，mg/L?
?　　　　COD_pe——初沉池出水中COD濃度，mg/L?
?　　　　k1、a1——常數(shù)(通過試驗(yàn)取得)
　　為求得k₁、k₂、k₃和a₁、a₂、a₃，需要分別作出初沉池出水中總磷與POPO₄^3-、二沉池出水中總磷與POPO₄^3-、初沉池出水中COD與二沉池出水中總磷、初沉池出水COD與BOD₅的關(guān)系曲線。一般化學(xué)除磷采用鐵鹽或鋁鹽為除磷劑，通過投加藥劑除磷的燒杯試驗(yàn)可以建立藥劑投量與水中總磷濃度的關(guān)系：
?　　　　M=a₄-k₄Pch?　　　　(3)
　　式中 ?M?——所投除磷劑的金屬離子濃度，mg/L
?　　　　k₄——除磷劑投量與水中總磷濃度關(guān)系曲線的斜率
?　　　　a₄——除磷劑投量與水中總磷濃度曲線的截距
　　實(shí)際運(yùn)行中除磷劑投量為：
?　　　　qm＝M(Q_Pe+R)·B/C　　　(4)
　　式中　?qm——除磷劑的實(shí)際投量，t/h
?　　　　　Qpe——初沉池出水流量，m³/h
?　　　　　B——除磷劑分子質(zhì)量與其中金屬離子量的比值
?　　　　　C——除磷劑商品的質(zhì)量濃度
　　通過以上計(jì)算就可以確定需要投加的除磷劑量。為運(yùn)行和計(jì)算方便，可以編制一個(gè)簡單的計(jì)算程序來進(jìn)行計(jì)算并給出除磷劑的投量。

4 　控制算法試驗(yàn)研究

　　美國密執(zhí)安州Ann Arbor污水處理廠^［1］處理能力為12×10⁴m³/d，由于該廠地處密執(zhí)安湖的上游，要求處理后的水質(zhì)如表1所示。

表1 進(jìn)、出水水質(zhì)　　　　 mg/L 項(xiàng)目 BOD₅ SS NH₃-N TP? 進(jìn)水 159 182 14.9 5.4 出水 10 10 2 0.6

　　該廠對(duì)BOD₅、SS、NH₃-N和TP的去除率要求分別為93.7%、94.5%、86.6%和88.9%，采用A/O加FeCl₃強(qiáng)化的除磷工藝(見圖2)。?

　　1994年開始采用優(yōu)化運(yùn)行，并在1995年全部實(shí)施，其出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，而且節(jié)省了大量的藥劑，取得了良好的效果。該廠的優(yōu)化運(yùn)行主要從以下幾方面著手：?
　　① 找出原工藝的主要問題?
　　a.缺氧池的DO有時(shí)偏高；?
　　b.進(jìn)水中的碳源偏低；?
　　c.FeCl₃的藥耗高，增加了運(yùn)行成本。?
　　② 適當(dāng)降低好氧池的曝氣量，保持DO濃度＜3mg/L；回流污泥中的DO濃度降低， 保證了缺氧池的DO＜0.1mg/L。?
　　③ 經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)在好氧池出水口加藥不僅除磷效果好而且藥耗較低，因此將投藥位置移至好氧池出水口處。?
　　④ 對(duì)1992年—1993年的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)初沉池出水中BOD₅/TP＜28.5 時(shí)二沉池出水中的TP濃度會(huì)超過0.6mg/L，由此確定了優(yōu)化運(yùn)行的判別條件。?
　　⑤ 根據(jù)式(2)建立了化學(xué)強(qiáng)化除磷的關(guān)系，并通過一系列試驗(yàn)確定了各參數(shù)，得到實(shí)際應(yīng)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)?
　　依據(jù)式(5)、(6)、(7)和程序框圖編制計(jì)算優(yōu)化軟件并用于指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行，結(jié)果如圖3所示。

　　圖3表明，1993年未采用優(yōu)化方法時(shí)(6月1日—9月30日)出水中TP超標(biāo)率為50%，即一半的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)TP超標(biāo)，最大磷濃度(1.72mg/L)超過排放標(biāo)準(zhǔn)(0.6mg/L)186%。采用優(yōu)化的化學(xué)法與生物法結(jié)合的處理工藝后即1995年6月1日—9月30日的出水中?TP超標(biāo)率為7%，最大濃度(0.67mg/L)超過排放標(biāo)準(zhǔn)(0.6mg/L)11%。?
　　采用優(yōu)化工藝前FeCl3平均投量為89.5t/月，而優(yōu)化后僅為29.6t/月，藥耗降低了66.9%，同時(shí)保證了出水總磷達(dá)標(biāo)。由于投藥量的減少使化學(xué)污泥的產(chǎn)量大大降低，由此進(jìn)一步降低了污泥處理的費(fèi)用和總運(yùn)行成本。?

5 除磷優(yōu)化控制器

　　優(yōu)化除磷系統(tǒng)原理見圖4。

　　優(yōu)化除磷控制器通過采集相關(guān)的COD和總磷信息并進(jìn)行分析處理以實(shí)施對(duì)加藥量的控制，它不僅能夠進(jìn)行有效的檢測(cè)和控制、采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議與上級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，還具有可靠性高、滿足戶外運(yùn)行條件的特點(diǎn)。?
　　該除磷優(yōu)化控制器中還融合了更復(fù)雜的生物除磷預(yù)測(cè)模型和在線參數(shù)整定等功能，操作人員使用和維護(hù)方便，配套計(jì)算機(jī)軟件操作簡單，并能與其他自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行信息交換。?
　　考慮到在線磷檢測(cè)儀和在線COD檢測(cè)儀的費(fèi)[CM(22]用較高，該系統(tǒng)支持無法使用在線磷、COD檢測(cè)的場合，人工輸入每日檢測(cè)數(shù)據(jù)并通過通信網(wǎng)絡(luò)傳遞到該控制器，控制器將根據(jù)內(nèi)嵌的數(shù)值預(yù)測(cè)變化進(jìn)行計(jì)算以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化除磷控制。

6 結(jié)論

　　生物除磷不能滿足出水水質(zhì)要求時(shí)可以采用化學(xué)除磷進(jìn)行強(qiáng)化，通過正確估計(jì)生物除磷能力可計(jì)算出化學(xué)除磷所需的藥劑量。所研制的優(yōu)化除磷控制器對(duì)污水處理廠穩(wěn)定除磷效果起到了積極作用。?

參考文獻(xiàn)：

　　［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］鄭興燦，李亞新.污水除磷脫氮技術(shù)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.
　　［3］牛學(xué)義.PO₄^3--P在線測(cè)定在生物、化學(xué)聯(lián)合除磷控制中的應(yīng)用［J］.給水排水，2000，26(9):22-24.

---

　　電　話：(010)62773095?
　　E-mail:shihch@mail.ied.ac.cn
　　收稿日期：2002-04-30