市政污水处理厂碳源投加技术的节能优化

武旭辉 王建兴 柴学义 保定市排水服务中心

保定市鲁岗污水处理厂建成于1996年，处理能力8万t/d，A2O工艺。由于位于白洋淀上游，对出水水质要求较高，经过多次升级改造，2019年鲁岗污水处理厂深度处理工程完工。改造后生物池使用Bardenpho工艺，并增加深度处理工艺，使出水水质达到《大清河流域水污染物控制标准》中的重点控制区标准，并尽量按准三类水标准运行（其中TN≤9mg/L）。Bardenpho工艺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，后经过了不断改进和发展。改良 Bandenpho 工艺是在 A2O 工艺基础上,在后面增设了一个缺氧段和一个好氧段,其流程如图1所示。

图1 强化Bardenpho工艺

根据初沉池运行数据统计， 2021～2022年度污水厂一沉池出水C/N数值，年均值为2.84，可见碳氮比存在不足的问题。为了达到排放标准，脱氮工艺需要投加大量的碳源。该厂使用醋酸钠为碳源，主要投药方式，是直接采用计量泵加药到前置缺氧段，根据平时摸索出来的经验确定流量数值。由于缺乏及时动态的调整加药量的自动化手段，且为了防止受到进水水质和水量变动的冲击，就需要碳源在一定范围内过量投加。这样能够保证出水水质的达标，但同时也不可避免的造成了碳源的浪费。为了改变这一现象，节约碳源并提高效率，我们通过3号生物池进行了碳源投加试验，经过试验摸索出了适合该厂实际情况的经验公式，并进行了优化投加策略的工作。

保定鲁岗污水处理厂3号生物池结构具有明显5段式Bardenpho工艺特征，从脱氮角度来看，该工艺内部具有2次反硝化过程，第一次反硝化过程发生在第1缺氧段和第1好氧段，影响其脱氮效果的因素较多，其中内回流比和好氧段溶解氧对出水硝氮的影响尤其重要，第二次反硝化过程则因为不存在内回流而控制参数相对简单，更接近理想状态。

1 碳源投加经验公式及其参数确定

1.1 根据碳平衡算式确定经验投药公式及其参数

鲁岗污水处理厂采用醋酸钠碳源投加物。醋酸钠相比于污水处理除碳过程中剩余的部分COD，具有高效易水解的特点，无论缺氧环境下的反硝化反应，还是缺氧段初期低氧环境下的消耗反应，都发生的很快，会形成相对优先的消耗。而缺氧池的封闭的环境中，氮、COD、溶解氧的消耗量都相对比较明确，以此为基础，通过建立醋酸钠的COD投加当量与溶解氧变化以及总氮变化之间的平衡关系，对缺氧池内的COD消耗情况进行平衡计算，平衡关系式如式（1）所示。

式中Y—某特定碳源（醋酸钠）的COD投加当量浓度 ，单位mg／L；△(NO3_N)—反应单元前后硝氮的变化量代替，单位mg／L；△DO—反应单元前后溶解氧的浓度的变化量，单位mg／L；K1—△(NO3_N)的COD当量系数；K2—△DO的COD当量系数；r—内回流比；b——△COD修正数，修正反应单元前后不投加碳源情况下的COD变化情况，单位mg／L。

有了平衡关系式（1）作为基础，根据实际工艺条件产生的实验数据确定K1、K2、b的值，就可以得到符合自身工艺特点的碳源投加经验公式。

1.2 参数K1、K2、b的确定过程

根据公式（1），控制进入反应单元前的溶解氧浓度和进水流量情况下，碳源投加COD当量（y）可以视为硝氮变化量（x）的线性函数，通过统计足够多的实际测量数值进行线性回归，就可以绘制出该函数y=f(x)的图像，通过其斜率的绘制，可以足够精确的得到K1的值。

从公式中可以看出，当碳源投加量降低到某一数值时，等式右侧第一项K1·[△(NO3_N)]就会接近于无药投加时的硝氮COD当量变化情况。这时投入的碳源可以视为将大部分用于后两项K2·[△DO]和b的消耗。通过实地测量第2缺氧反应器未投加碳源情况下，进出水口前后的COD变化，就可以确定K3的值。同时，根据散点线性回归后的函数y=f(x)，其图像延长后落在y轴上的截距，就能够在数值上确定K2。

通过一系列数值的测定并作图，就可以根据式（1）确定出具有该污水厂自身特点的加药量公式及其特征参数。具体过程如下：

碳源的投加位置选择在第1好氧段结束和第2缺氧段开始的交界位置，在这里把溶解氧精确的控制在3mg/L左右，投药主要依赖变频泵精确控制流量，加药量分70、105、150、180、200等多个档次不同日期内分别投加，每一组投加都通过化验室在至少间隔1日的不同时间段测量至少3组数据。根据测量的数据经过散点线性回归后的图像如图2所示。

图2 碳源投加当量与硝氮变化关系

如图2，根据回归后的线段的斜率可以得到K1=4.58；根据该回归线段延长后的截距可以得到[K2·△ DO]-K3=3.45。

把加药量降低到0，测量不加药情况下的第2缺氧池前后的COD变化数据，发现数据变化非常小。由于对公式右侧的影响非常小，即式（1）中的最后一项b在计算中的实际影响可以忽略。由此得到K2=3.45/3=1.15，最终得到的公式（2），可以作为最基础的碳源自动化投加的核心公式来使用。

2 碳源投加策略的确定

2.1 碳源投加量偏差造成的影响

为了量化碳源的过量投加和不足投加如何影响前置反硝化段的最后出水，进行投加试验。根据投药模式改进前的单点投加的日常投加量，控制第1缺氧段的加药量从720L/h开始逐渐降低，每天测量2组数据，2～3d进行一次加药量的调整，通过经验公式计算出当下需要投加的碳源的量，控制实际投加量从过量投加逐渐减少，直到低于计算投药量，观察并统计出水硝氮的变化情况。当实际加药量少于计算加药量的时候，会导致前置反硝化段出水指标的升高；而过量的碳源投加对出水硝氮的降低效果并不明显；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响外，还受厌氧出水硝氮和碳源共同影响。即公式（2）中的△(NO3_N)项，其实际值应该包括“厌氧段出口硝氮+前置好氧段末端硝氮-前置缺氧段末端硝氮控制值”。而这个前置缺氧段末端的硝氮控制值，就是整个投药分配的关键所在。

2.2 多点投加策略的量化方案确定过程

当进水氨氮、总氮较低或对脱氮要求不高（TN≤15mg/L）的时候，单独前反硝化段投加碳源就可以满足要求，前缺氧段作为反硝化的主要区域，对TN的抗冲击能力要更强、脱氮效率更加稳定。在进水氨氮、总氮较高或出水总氮要求较低（例如出水TN稳定小于9mg/L）受前置缺氧段脱氮效率和后置缺氧段去除能力限制，单独投加碳源无法达到目标。因此在该厂的投加策略选择上，采用以前置为主，前、后置缺氧段两段投加的方式。而两段投加量化的关键，是如何同时让2个反硝化池的碳源效率都达到最高。

通过试验，可以找出前置缺氧段末端的硝氮指标达到的拐点，拐点的达到也就标志着整个反硝化池中的硝氮的去除率开始下降。这个拐点同时碳源投加效率的拐点，因为之后的过量投加不但会造成碳源利用率的降低，还会造成后面好氧段溶解氧的需求负荷逐渐加大，试验结果如图3所示。

图3 前置缺氧段的碳源投加当量与出口硝氮的关系

从图3曲线中可以看出，第1缺氧段末端的硝氮与实际的碳源投加量基本上呈现反比关系，在COD当量达到45mg/L左右的时候（此时对应实际醋酸钠投加量400mg/L），出口的硝氮值开始降低到1mg/L以下并减势趋缓。可以认为碳源在这个投加量在缺氧池中实现了刚好完全反硝化，该反硝化池的效率达到最高。此时通过对经验公式加药量计算，其结果与试验曲线中拐点处的数值45mg/L也非常接近。

根据上述条件，最后适用于运行的分段投加策略： ①在前置缺氧段末端、前置好氧段末端分别设置硝氮仪表，以经验公式中所需的硝氮、进水量、溶解氧数据作为基本参数。加药分成两部分，第1部分的加药投加在第1缺氧段入口处，以控制前置缺氧段末端硝氮指标保持在1～1.5 mg/L范围内为目标，以第一好氧段末端硝氮数据与控制目标之差计算加药量为基准，修正加药量。这种修正控制需要随时根据水质和测量参数进行动态的调整。②第2部分的加药投加到第2缺氧段入口处，以第一好氧段末端硝氮数据与出水控制硝氮指标之差为基准计算需要的加药计算量，同时留出一部分加药余量防止进水水质突然变化的冲击。出水控制硝氮指标可以根据要求动态变化，目前我们的控制指标是：以前置好氧出水硝氮是否大于7mg/L作为标准。③以上的投加策略，通过配备必要的测量仪表，根据进出水参数设计了自动化的加药程序控制加药量来实现。通过参数的控制，每一段的反硝化都可以以最高的效率进行，以达到保证出水指标的前提下，节约碳源的目的。

3 建立后的精确加药系统及其节能效果

精确加药系统的本质是一套PLC控制下的自动流量反馈系统如图4所示，其核心依据是我们总结出的经验公式和加药策略。

图4 自动精确加药系统原理图

精确加药系统经过一个多月的试运行，出水水质稳定达标。为了评估该系统投产后对整个处理成本节约情况，按照2022年5～6月份的运行数据，测算了1年内的单池成本节约效果如表1所示。

表1 鲁岗污水处理厂3号池碳源投加改造后的成本节约效果

自动投药运行后单池节约成本可以达到217.4万元/a，考虑到该厂的另外2座曝气池可以进行模式推广。按照总进水量计算，总共节约成本可以达到386.5万元/a。

4 结语

采用实际运行数据线性回归的方式得到的市政污水处理厂碳源投加公式中的参数，其取值更加贴近污水处理厂的实际情况。运行效果表明，这种参数的取值方式要优于依赖设计参数和理论数据的方式。动态分段式的碳源投加，相较目前大部分污水厂单一投加方式来说，是比较先进的投药策略，尤其对于Bandenpho工艺的污水处理厂具有明显的节能降费效果。建立以PLC控制为基础的自动化流程，有助于实现污水处理厂碳源复杂投加策略，并可以保证脱氮工艺的稳定高效运行。