AAO工艺污水处理厂的总氮超标控制专家系统

2022-10-06周玺

农业与技术 2022年18期

周玺

(沈阳市政工程设计中心，辽宁沈阳 110005)

引言

大多数污水处理厂受到出水、出水TN超标困扰，尤其在冬季，TN、超标现象更是频繁，且若不及时进行工艺调整，轻则出水、TN等指标超标，重则生化系统“崩溃”。由于污水处理过程采用生化处理工艺，处理效果受多方面的因素影响，包括进水因素、有机负荷、工艺段运行操作等诸多要素，而且在处理过程中受到其影响而具有复杂性和不确定性。大多数污水处理厂在管理方面缺乏高水平专业技术人员，污水处理厂技术人员凭借多年工作经验进行操作，缺乏科学量化的依据，在目前智慧水务的大背景下[1]，建立一套具有报警、诊断等功能系统来协助专业人员对污水处理厂进行高效管理是有必要的，当面临出水水质出现恶化情况时，系统可以自主根据影响因子进行排查，通过调整工艺参数，更好地维护污水处理厂的高效运行。

所谓专家系统，是一类具有某领域专门知识和经验的智能计算机程序，本文旨在把污水处理领域的成熟理论研究和工程经验方法与污水处理过程控制理论、技术、方法相结合，在无法预料的环境下模拟人类的“大脑思维”实现对系统的智能化控制。该系统具有的优点：可以在一定程度上模拟人的大脑思维活动规律，使之有自我决策能力；可以对整个污水处理工艺进行全过程监控，以便在某些性能指标下实现最佳控制，而且可以提供操作指导[2]；可以在一定程度上降低由进水因素和环境因素引起各项出水指标的超标影响；可以对引发出水指标的影响因子进行诊断分析，并迅速根据相应影响因子策略对工艺段发出相应指令，直至出水水质不再恶化而达标。

AAO工艺作为传统活性污泥法脱氮除磷工艺，以COD去除、脱氮、除磷3种综合功能的污水处理工艺，且不易引发污泥膨胀，生产管理难度小；尤其适用于大、中型城镇污水处理工程，C、N、P元素在生化池中被去除；缺点是该工艺受到生化系统内系统的基质竞争和污泥龄矛盾等问题导致脱氮效率难以进一步提高，在实际运行过程中常会出现TN出水超标。

1 AAO工艺TN超标成因分析

大多数污水处理厂面临出水TN超标可以分为2种情况：由出水超标引起的TN出水超标；由出水-N超标引起的TN出水超标。污水处理厂常见的出水超标原因：由于进水因素导致后续处理效果受到冲击影响而出水超标；因污水工艺段出现异常而引起的出水水质超标。针对AAO工艺而言，其中影响脱氮效率因素甚多，如由进水方面引起的异常包括水量、水质等。由工艺段引起的异常包括溶解氧DO、pH、污泥浓度MLSS、污泥龄SRT等。以上各因素可以划分直接因素、间接因素；直接因素是直接通过传感器获取数据，如水量、DO、pH、MLSS等；间接因素是将构筑物功能传感器获取的数据传输到中央控制室，并用计算机进行计算得出的指标，如污泥负荷F/M、污泥龄SRT等。以下针对引起TN超标的影响因子做详细总结。

1.1 污泥负荷(F/M)

在活性污泥AAO工艺中，去除率与F/M呈负相关关系，低F/M有利于系统对去除、脱氮效率更高。有研究证明[3]，当污泥负荷F/M在0.14～0.22g·g-1·d-1，脱氮效果最佳。其原因为硝化菌作为严格的好氧化能自养菌，在氧化氮元素时所需要的能量来源很少，氧化氮元素较慢，低F/M运行时污水停留时间长，有利于和被充分氧化[3]。

1.2 水力停留时间(HRT)

硝化反应过程中，氧化氮元素较慢，需要较长的停留时间进行充分氧化。有关实验证明，随着水力停留时间的增加，对去除效果越来越好[4]。若HRT过短，曝气池内硝化菌在没有完全成长起来发挥作用时随着水流流失，硝化反应进行不充分，脱氮效率不高。

1.3 混合液回流比(R)

已有研究表明，混合液回流比对去除率影响不明显，但对TN的去除率影响较大。混合液回流比过大，会导致混合液含有部分DO回流至缺氧池，反硝化作用受到抑制。混合液回流比过小，会导致缺氧池内的不足，脱氮不够彻底，从而致使TN去除效果不佳[5]。

1.4 溶解氧(DO)

已有研究表明，DO在好氧池中首、末端逐渐升高，硝化速度也随之加快，出水不断降低。由于内回流作用，并且保证缺氧池DO<0.5mg·L-1，才不会影响反硝化效果。此外，保持一定的溶解氧有利于污泥的沉降，避免因DO过低滋生丝状菌，导致污泥膨胀从而影响污泥沉降性能[6]。

1.5 碳源(C/N)

碳源是影响反硝化作用的重要因素之一，在进行反硝化反应过程中，反硝化菌需要消耗污水中有机物作为电子供体进行反硝化反应，因此需要满足反硝化系统C/N>4，如果达不到上述要求，需要向污水中投加碳源，保证反硝化作用顺利进行。

1.6 污泥龄(SRT)

污泥龄反映了生化池中活性污泥的生长状态、生长条件和世代时间。研究表明，对于AAO工艺，硝化菌污泥的龄期不应小于15d。硝化细菌泥龄较长的原因是硝化细菌繁殖慢，世代时间长，如果不能保证硝化细菌较长的泥龄，硝化菌无法发挥作用而脱氮效果不佳。

1.7 温度

在北方污水处理厂，出水TN超标易在冬季频发。低温是限制微生物生长的重要因素。硝化菌适宜生长温度范围20～40℃，反硝化菌适宜生长温度范围20～40℃。当温度低于15℃时，生物脱氮效率将明显下降，且每降低1℃时，硝化菌增长速率下降10%[7]。

1.8 pH和碱度

微生物生长适宜pH值为6.5～8.5，大多数污水厂入流污水pH值一般偏碱性。好氧池中硝化作用会使系统pH和碱度降低，如果好氧池中硝化系统降至pH<7.0，则硝化进程会受阻，须补充碱度以维持处理过程pH的稳定。

2 TN超标控制专家系统的建立

随着大数据、人工智能的发展和智能控制技术的逐步完善，污水处理领域已经具备了实现专家系统控制的条件和能力。该系统以成熟的科学理论为支撑，通过对工艺数据的监控、采集和存储，在已知理论和符合逻辑思维的基础上进行各因素筛分分析，对工艺异常情况进行诊断，及时调整工艺，将出水超标风险遏制在萌芽初期，同时也提高了污水处理的质量和效率。以下将结合引起TN超标原因和AAO工艺特点进行TN超标专家系统的介绍。

本文诊断过程思路如下。为了建立出水TN异常情况与故障原因(或者影响因子)之间的逻辑关系，需要引入中间节点，中间节点包括进水水质参数、工艺段工况运行参数、设计标准值(设计标准范围)。进水水质参数反映是否因进水浓度过大导致系统负荷增加而出水超标：工艺段运行参数反映污水处理厂的运行状态，如是否因为DO过低，导致好氧池硝化作用不彻底而出水超标；设计标准值反映了污水处理厂建设过程中各项指标的设计规范和标准。为此，根据进、出水和工艺段运行工况实测沿程数据获得信息，判断出水水质浓度是否大于设计出水标准，若大于，则确定出水TN超标，此时需要根据TN出水超标排查对应的诱发因子，检查工艺段对影响出水TN的工艺参数并进行诊断分析，提出符合污水处理思维逻辑的故障诊断排查流程。该系统结合微生物脱氮原理及大量实际工程经验针对出水TN超标问题，把污水厂TN超标控制专家系统分成硝化系统故障专家系统、反硝化系统故障专家系统2类不同问题。

2.1 硝化系统故障专家系统的建立

系统首先通过分析TN浓度和出水氨氮浓度以及识别其他引起硝化反应不佳现象等信息来指示系统硝化效果的好坏。判断原水水质浓度是否大于设计值，若小于设计值，说明不是由进水因素导致系统硝化效果不佳，若系统已识别受到进水冲击而影响硝化反应，则需要进入进水因素故障排查系统，根据识别不同种类水质冲击，选择不同排查方案。当进水未受到冲击时，此时应从工艺段进行排查，排查过程如下。

图1是硝化系统故障排查程序，从中给出硝化反应的影响因素、判断节点以及提高硝化效果的解决方案。

图1 硝化系统故障诊断流程图

如果检测出水TN>15mg·L-1，出水-N>1mg·L-1。系统需对进水C/N值进行分析，通过在线数据综合计算判断是否小于设计值(4～6)，若小于，说明是由C/N过低引起的硝化作用不佳，此时需要对碳源进行调整。若C/N不小于设计值，说明系统硝化作用不佳并非进水C/N不足引起，需判断好氧池内pH是否持续降低，若持续降低，可能是碱度不足或进水pH较低的原因，为了准确判断原因，系统需检测进水是否受到pH冲击，若进水受到pH冲击，则需进入进水因素故障排查程序。若没有受到pH冲击，进一步检测出水碱度是否小于70mg·L-1，若是，则确认由于硝化反应过程中消耗了大量碱度，需对碱度进行调整，保证硝化作用顺利进行。若好氧池内pH没有持续降低，说明系统硝化作用不佳并非进水pH方面原因引起，需进一步判断好氧池内的DO浓度是否大于2mg·L-1，若好氧池DO<2mg·L-1，说明是由曝气量过低引起的硝化作用不佳，此时需要对DO进行调整。若DO处于正常，说明系统硝化作用不佳并非DO引起，需进一步检测F/M是否较低、污泥龄是否不计算合理等方面因素。通过在线和离线数据综合计算判断系统的F/M值是否小于设计值，若小于，说明是由低负荷引起的硝化作用不佳，此时应对F/M进行调控。判断系统的污泥龄是否计算不合理，若污泥龄异常，此时应通过改变剩余污泥排放量对污泥龄进行调控。

如果出水-N<5mg·L-1，系统会分析出水-N浓度，如果>10mg·L-1，则表明系统反硝化不充分，进入反硝化系统故障排查程序。若出水-N浓度满足排放标准，则表明系统硝化和反硝化效果都很好，保持当前运行状态。

如果出水-N<1mg·L-1，为节约曝气能耗，系统分析好氧池DO浓度，如果DO浓度较低，为了进一步降低曝气能耗，建议降低硝化区容积，如果DO浓度较高，建议降低硝化区DO浓度。

2.2 反硝化系统故障专家系统的建立

系统分析进水是否受到进水冲击，若是，则进入进水因素故障排查程序。若没有，则系统需检测出水NO3-N浓度以及识别二沉池污泥是否上浮等信息来指示系统反硝化效果的好坏。如果出水NO3-N>10mg·L-1或者识别二沉池污泥上浮现象，表明系统反硝化效果差，系统会进入反硝化系统故障排查程序开始分析相应的原因。

图2是反硝化系统故障排查程序，从中给出反硝化反应的影响因素、判断节点以及提高反硝化效果的解决方案。系统通过检测缺氧池末端的出水NO3-N的浓度是否介于1～3mg·L-1来判断反硝化是否不佳，试验证明，维持缺氧池末端NO3-N浓度为1～3mg·L-1[8]时，可以最大程度降低出水TN浓度。维持缺氧池末端硝态氮浓度为1mg·L-1，可以实现以相对较少的外碳源投加量，最大程度降低出水TN和NO3-N浓度。若没有介于1～3mg·L-1，则需检测进水碳源C/N是否小于4，实际运行过程中污水处理厂一般C/N>4才能满足脱氮要求[9,10]。若C/N<4，则说明是由碳源不足引起反硝化作用不佳，若进水碳源C/N不小于4，则进一步检测缺氧池内的DO含量是否大于0.2mg·L-1，若是，可能是由内回流比较大和好氧池末端DO含量过大导致，为了准确证明出水氨氮出水浓度判断DO>0.2mg·L-1的原因，若出水NH3-N>1mg·L-1，则是由内回流比较大引起反硝化作用不佳，此时需对内回流进行调控；若出水NH3-N浓度小于1mg·L-1，则是由好氧池末端曝气过量引起的反硝化作用不佳，此时需对好氧池末端DO进行调控。若检测缺氧池内的DO含量不大于0.5mg·L-1，则说明反硝化作用不佳并非是由缺氧池DO引起的。在此之前，系统已经针对各项主要引发反硝化作用不佳做了系统梳理和排查，此时需从其他因素排查，主要分析水温是否过低，生化池内机械是否故障等一系列非“主观因素”[11]。