由于水体富营养化的日益严重,污水处理厂对脱氮除磷的要求越来越严格,生物脱氮除磷已经成为市政污水处理厂工艺中首要考虑的问题之一。
生物脱氮的基本原理是通过活性污泥中的某些特定的微生物群体,在特点的环境下将水中的有机氮和氨氮转换成氮气逸出最终达到脱氮的目的。生物脱氮包括三个阶段,首先氨化细菌将水中的有机氮转化为氨氮,这个过程称为氨化过程。其次,由硝化细菌在好氧的条件下将氨氮转化为硝氮,称为硝化过程。最后,在反硝化过程中,反硝化细菌在缺氧的条件将硝氮转化为氮气,使其从水中逸出,达到脱氮的目的。
硝化过程由于需要好氧的条件,因此在一般的活性污泥工艺中,都设置了好氧池或好氧区,通过曝气设备向水中充入大量空气或氧气,保证硝化过程的进行。在早期,污水处理厂对于曝气量的控制调整通常依据设计时的参数或经验,这样常常导致硝化的效率不稳定,时而不能达到要求,时而又曝气过量。由于曝气所需的电能占污水厂日常运行费用的很大部分,因此这种粗放型的控制方式会导致运行费用较高。当自动化控制逐渐被引入污水厂日常运行管理系统中后,逐渐出现了使用溶解氧在线分析仪在曝气区域对曝气量进行反馈控制,根据经验值一般将水中溶解氧控制在2 mg/L 左右可以基本保证硝化反应的正常进行。但是,水中的溶解氧浓度只是保证硝化反应可以正常进行的一个外部条件,影响硝化反应的因素还有很多,包括pH值、温度、有机物浓度、水力停留时间和污泥龄等,只通过溶解氧进行控制还是不能达到非常理想的效果。因此,为了进一步对硝化反应区的曝气量作精细控制,又引入了氨氮在线分析仪与溶解氧在线分析仪进行联合控制的理论。
(2)硝化过程优化控制策略:由氨氮的浓度确定曝气区域的溶解氧浓度
对于大多数城市污水处理厂,主要的曝气能耗是氨氮的硝化,因为大部分的可降解有机物已在反硝化过程中去除。氨氮在溶解氧的作用下转化为硝氮的过程是整个脱氮工艺的限速步骤,污水中氨氮对溶解氧的需求直接反映系统对溶解氧的需求。如图9.13所示,通过测得的氨氮浓度和溶解氧浓度,进行叠加控制。调节曝气池总管上的空气阀开启度,控制供氧强度。浓度一般控制在2 mg/L 左右,以避免浪费能量。同时也避免由于溶解氧浓度过高而使大量溶解氧通过内回流带入到缺氧区。
图9.13 氨氮和溶解氧联合控制曝气
如图9.14所示,在硝化池末端安装溶解氧和氨氮分析仪,对溶解氧和氨氮进行实时监控。当溶解氧浓度高于2 mg/L 时,鼓风机关闭节约能耗,其中氨氮浓度维持在一个相对稳定的水平上。(www.xing528.com)
图9.14 曝气池溶解氧与氨氮的实时监控图
(3)硝化过程优化控制策略:通过氨氮在线分析仪控制好氧过渡区的体积
通过在线监测氨氮的浓度值,来选择过渡区的运行状态(曝气还是搅拌)。比如北方地区冬季温度较低,硝化过程受抑制,即使在增加硝化区容积条件下,仍不能有效地降低出水氨氮的浓度,而曝气池中的溶解氧浓度已经超过2 mg/L。此时应通过溶解氧浓度的在线测定限制供氧强度,使溶解氧浓度控制在2 mg/L 左右;当氨氮浓度出现下降时,供氧强度再转换到由氨氮浓度进行控制。
如图9.15所示,当溶解氧浓度足够,但氨氮浓度仍不能满足出水要求时,应增加硝化区的容积,此时好氧过渡区应作为硝化用;如氨氮浓度已经很低,则好氧过渡区应作为反硝化用,以尽可能多地进行反硝化。通过这种控制措施,可以根据不同的进水负荷和条件,自动地改变硝化区和反硝化区的容积比例,以最大限度地满足硝化和反硝化的要求。
图9.15 通过氨氮在线分析仪控制好氧过渡区的运行状态
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