施漢昌， 柯細勇， 徐麗婕
(清華大學環境科學與工程系，北京　100084)

　　摘　要：討論了基于生物除磷預測的化學強化除磷優化控制算法并進行了實際應用研究，結果表明該算法基于磷的遷移和轉化模型而能夠正確估計加藥量，不僅使出水穩定地滿足水質要求，同時大大節省了加藥量、減少了污泥量。
　　關鍵詞：生物除磷；化學強化；優化控制；模型預測
　　中圖分類號：X505
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1000-4602(2002)07-0035-04

1 化學強化的生物除磷

　　生物除磷作為一種經濟有效的除磷技術被廣泛采用，但在對出水總磷控制嚴格的地區(磷＜0.5mg/L)，一般的生物處理工藝較難達到要求。因此，將化學除磷作為生物除磷的補充并使兩者結合起來就形成了一種運行簡便、經濟有效的除磷工藝［1、2］。?
　　對于脫氮除磷同步進行的廢水處理工藝，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碳作為碳源，因此當廢水中易生物降解的有機碳不足時需要采用化學方法來強化除磷。
　　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荷，但是硝化則需要較長的污泥齡和較低的污泥負荷，因此同步脫氮除磷工藝的運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。一般當初沉池出水中BOD₅/PO₄^3-＞25時，二沉池出水的磷＜1mg/L；當初沉池的BOD₅/PO₄^3-＞30時，二沉池出水的磷＜0.5mg/L。當碳源低于上述條件時不能由微生物去除的磷就需要采用化學法去除。
　　用化學法強化的生物脫氮除磷工藝可按A₂/O、A/O方式運行，其工藝流程見圖1。

　　① 初沉池：通過沉淀將進水中的懸浮固體分離。如果采用在初沉池前投加藥劑進行化學除磷的方法，則初沉池還需將含磷沉淀污泥去除。?
　　② 缺氧區：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相比，要更嚴格地控制DO的濃度，需使其中不存在游離態氧(DO的濃度應為零)。
　　③ 好氧池：好氧池中的微生物要去除有機碳、進行硝化反應，同時部分微生物還要吸收廢水中的磷。
　　④ 二沉池：進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(達到除磷的目的)，對于在二沉池前投加藥劑進行化學除磷的工藝，二沉池還需將含磷沉淀污泥進行分離。
　　化學法與生物法相結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，由于廢水中的多種物質都可能與藥劑反應，所以藥耗高、產泥量大，同時降低了初沉池出水的有機碳濃度，不利于后續的生物脫氮除磷，因此一般不采用在初沉池前加藥的工藝。在二沉池前加藥時可將藥劑投加在好氧池的出水口處，藥劑經過管道混合進行反應并在二沉池經沉淀分離。經過好氧池中微生物對磷的過量吸收，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，化學污泥產量也少于生物污泥量，且不會因為化學污泥的積累影響生物處理工藝的正常運行。特別是采用優化運行模式時，只在可能發生出水磷超標的情況下投加藥劑，其藥耗和產泥量都會顯著減少。
　　因為進水BOD₅和TP的比值、環境溫度、曝氣池中的污泥濃度等都會影響生物除磷的效率，故化學除磷所需要的藥量往往不是固定的，難以按傳統的人工方法進行投藥，需要采用在線實時控制。

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在線檢測儀表，檢測一個參考點的TP值，通過反饋控制調整加藥量以使檢測點處的TP值能夠達到控制指標。
　　對污水處理廠數據的綜合分析表明，進水中磷濃度較高且BOD₅濃度較低時，一般1～2d后出水磷濃度才過高^［1］，而污水處理系統是一個慣性大、滯后長、變量和參數多的系統，若僅靠檢測二沉池出水的總磷對加藥進行控制則很難選擇合適的控制算法以達到預期的效果。
　　牛學義^［3］比較了在初沉池進、出口處加藥的前置沉淀，在曝氣池進、出水處加藥的同步沉淀等幾種加藥點與在線檢測分析情況后，認為在曝氣池出水處加藥且其后緊接著進 行PO₄^3--P在線測定是比較理想的在線測定和反饋加藥控制方案，但實際上該點的 測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際TP濃度比經過濾后再測試的試樣濃度高；
　　② 污泥中的生物磷會在二沉池中回溶(在二沉池底部進行污泥濃縮時被生物吸收的磷可能被重新釋放，從而導致最終出水中?TP濃度的提高)，有時由于磷的回溶可使PO₄^3--P濃度增加0.4mg/L以上，如果污泥在二沉池內的停留時間過長則POPO₄^3--P的回溶量可達2～4mg/L；
　　③一般POPO₄^3--P在線測定需要良好的試樣過濾 前處理系統，儀器本身也有一定的偏差，測量標準偏差可達到±(2%～5%)。
　　此外，因磷在線檢測設備比較昂貴也使單純依賴磷在線檢測儀的控制方案很難在大范圍推廣。
　　好氧生物處理系統的實時控制周期往往與水力停留時間有較大的關系，一般可長達4～8h，甚至1d，同時需要的參數較多(不是單參數、單目標的系統)，采用傳統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的專家規則表故也難以實現專家控制或模糊控制。由于生物處理模型技術的發展，已經有一些簡單的純經驗模型^［1］或復雜的理論和經驗相結合的模型可以比較準確地預測群體微生物生長和變化的規律。通過這些模型，可進行數值計算分析得到模糊控制需要的規則表或者直接應用于實際的在線控制中。
　　加藥過程在線控制往往采用簡單的經驗模型建立進水BOD₅或水量或污泥濃度與除磷速率之間的關系并以此來估計生物除磷量。若已知進水中的總磷量，就可以計算出需要采用化學法除磷的量，也就可以計算出所需要的化學藥劑量。

3 基于生物除磷分析的化學藥量計算

　　采用化學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(通過試驗取得)
　　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的關系曲線。一般化學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可以建立藥劑投量與水中總磷濃度的關系：
?　　　　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
　　實際運行中除磷劑投量為：
?　　　　qm＝M(Q_Pe+R)·B/C　　　(4)
　　式中　?qm——除磷劑的實際投量，t/h
?　　　　　Qpe——初沉池出水流量，m³/h
?　　　　　B——除磷劑分子質量與其中金屬離子量的比值
?　　　　　C——除磷劑商品的質量濃度
　　通過以上計算就可以確定需要投加的除磷劑量。為運行和計算方便，可以編制一個簡單的計算程序來進行計算并給出除磷劑的投量。

4 　控制算法試驗研究

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

表1 進、出水水質　　　　 mg/L 項目 BOD₅ SS NH₃-N TP? 進水 159 182 14.9 5.4 出水 10 10 2 0.6

　　該廠對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強化的除磷工藝(見圖2)。?

　　1994年開始采用優化運行，并在1995年全部實施，其出水水質達標，而且節省了大量的藥劑，取得了良好的效果。該廠的優化運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有時偏高；?
　　b.進水中的碳源偏低；?
　　c.FeCl₃的藥耗高，增加了運行成本。?
　　② 適當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 經過比較發現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1992年—1993年的運行數據進行分析，發現初沉池出水中BOD₅/TP＜28.5 時二沉池出水中的TP濃度會超過0.6mg/L，由此確定了優化運行的判別條件。?
　　⑤ 根據式(2)建立了化學強化除磷的關系，并通過一系列試驗確定了各參數，得到實際應用公式(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)?
　　依據式(5)、(6)、(7)和程序框圖編制計算優化軟件并用于指導實際運行，結果如圖3所示。

　　圖3表明，1993年未采用優化方法時(6月1日—9月30日)出水中TP超標率為50%，即一半的運行時間內TP超標，最大磷濃度(1.72mg/L)超過排放標準(0.6mg/L)186%。采用優化的化學法與生物法結合的處理工藝后即1995年6月1日—9月30日的出水中?TP超標率為7%，最大濃度(0.67mg/L)超過排放標準(0.6mg/L)11%。?
　　采用優化工藝前FeCl3平均投量為89.5t/月，而優化后僅為29.6t/月，藥耗降低了66.9%，同時保證了出水總磷達標。由于投藥量的減少使化學污泥的產量大大降低，由此進一步降低了污泥處理的費用和總運行成本。?

5 除磷優化控制器

　　優化除磷系統原理見圖4。

　　優化除磷控制器通過采集相關的COD和總磷信息并進行分析處理以實施對加藥量的控制，它不僅能夠進行有效的檢測和控制、采用標準通信協議與上級系統進行數據通信，還具有可靠性高、滿足戶外運行條件的特點。?
　　該除磷優化控制器中還融合了更復雜的生物除磷預測模型和在線參數整定等功能，操作人員使用和維護方便，配套計算機軟件操作簡單，并能與其他自動化設備進行信息交換。?
　　考慮到在線磷檢測儀和在線COD檢測儀的費[CM(22]用較高，該系統支持無法使用在線磷、COD檢測的場合，人工輸入每日檢測數據并通過通信網絡傳遞到該控制器，控制器將根據內嵌的數值預測變化進行計算以實現優化除磷控制。

6 結論

　　生物除磷不能滿足出水水質要求時可以采用化學除磷進行強化，通過正確估計生物除磷能力可計算出化學除磷所需的藥劑量。所研制的優化除磷控制器對污水處理廠穩定除磷效果起到了積極作用。?

參考文獻：

　　［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［M］.北京：中國建筑工業出版社，1998.
　　［3］牛學義.PO₄^3--P在線測定在生物、化學聯合除磷控制中的應用［J］.給水排水，2000，26(9):22-24.

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　　收稿日期：2002-04-30