磷的在線測定在生物化學除磷控制中的應用
牛學義
北京首創股份有限公司
摘要：本文介紹了PO43—-P連續在線檢測技術和它在污水處理廠生物/化學除磷工藝中的應用情況。
關鍵詞：污水處理 磷在線檢測 生物/化學除磷
1. 引言
磷也是微生物生長的重要元素，污水中的磷（P）主要是以PO43—-P的形式存在，僅少量存在于有機物和其它化合物中。磷的排放可導致接納水域的富營養化，是污水處理廠出水控制的主要目標參數之一；另外，由于我國對污水處理廠出水中氮（N）和P的濃度采取了更加嚴格的排放控制標準（《污水綜合排放標準》（GB8978-1966）的一級標準為：BOD5£20mg/l，SS£20mg/l，COD£60mg/l，磷酸鹽£0,5mg/l,氨氮£15mg/l），所以今后大多數的城市污水處理廠都要考慮生物或化學除磷，以控制出水中總P的濃度。
在生物除磷的工藝中（如A2O工藝），由于入水中易生物降解的有機物量、其它工藝參數及構筑物尺寸的影響，常使生物除磷工藝過程不穩定，進而不能保證出水中總P濃度在法律規定的監視范圍內。所以，在污水處理廠實際運行中，常再通過投加化學藥劑進一步化學除磷來補充，從而對工藝過程中的P濃度測定和自動控制過程提出了更高的要求。現一般采用對某一處理單元或最終出水中的PO43—-P進行在線測量，實現對生物或化學除磷過程的自動調節，有效控制加藥量，節約運行費用，提高除磷效果。
2 PO43—-P的在線測定過程
2.1 污水的預處理
來自曝氣池或其它處理單元的污水在進入PO43—-P連續測定儀之前, 首先要進行預處理。最常使用的預處理裝置是超濾柱，處理單元的污水經小流量潛水泵輸送到連續測定室，然后經全自動控制的超濾柱內的超濾膜過濾；每一測連續測定儀前一般有兩個超濾柱，它們可輪換用來過濾和自動清洗，超濾后的清水進入PO43—-P連續測定儀進行測定，在測定儀上同時連續顯示動態的測定濃度信號值。為了延長超濾柱的使用壽命，對超濾膜要經常進行沖洗，沖洗的設定頻率與試樣來源的處理單元的位置有關，來自初沉池的出水位置的一般為7-14天，來自曝氣池的出水位置的一般為25天以上，膜的使用壽命一般可達6-9個月[4]。
第二種預處理工藝是將試樣連續經旋轉離心機分離和篩孔濾框過濾，它可用于測定初沉池和二沉池的出水，它的設備維護和沖洗過程較簡單。第三種預處理工藝是使用濾紙濾帶過濾，試樣連續經自動卷動的濾紙層，在濾帶上下壓差的作用下，把污水中的固體去除，此方法只可用于測定初沉池和二沉池出水，運行和設備費用都很低。
2.2 測定過程
現國外使用的PO43—-P在線光度測定儀的基本原理為：水中的PO43—-P在酸性介質中與測定系統內的釩—鉬試劑反應，生成黃色釩鉬磷酸鹽P-V-M，然后用光度儀測定PO43—-P濃度，通過控制測試液的酸度，可有效防止Si和As元素的干擾。其測定過程為：由測量儀內的電動泵1將預處理后的清水輸送到PO43—-P測定儀的溢流池、攪拌池，最后到達測試管，首先用未反應水樣進行零點校正；然后由泵1和泵2分別將水樣和反應試劑輸送到反應攪拌池，反應后流到測試管內；最后由光度測定系統根據反應物色度的深淺，測定、轉換計算得出PO43—-P濃度值。試劑量的控制、零點校準、反應過程、光度測量及濃度信號的轉換顯示過程都是全自動控制的。
3 PO43—-P的在線測定在生物/化學聯合除磷控制過程中的應用
3.1 用于加藥量的控制
在單純的化學除磷工藝中，由于污水處理廠的入水量和水中的N，P，C等污染負荷是每時每刻在變化的；如夜間由于生活污水量的減少，污水中的氮磷負荷減少，化學藥劑的加藥控制量也減少，所以有效的控制加藥量不僅可確保出水P濃度始終滿足排放要求，而且可節省藥劑消耗量和運行費用。
在生物/化學聯合工藝中，由于只有生物除磷會導致出水總P濃度的波動，所以往往需要在污水處理廠合適的處理單元投加一定量的化學沉淀藥劑，進行同步化學除磷，才能保證出水磷濃度總能達到排放標準。
PO43—-P的在線測定是對生物/化學聯合除磷工藝進行有效準確控制的重要條件，對于大、中型城市污水處理廠，現在我國國內主要采用入水流量比例和程序控制，其控制過程為：流量檢測系統將在線測得的流量信號傳送到PLC控制器，然后由控制器調節旋轉翻式進料器的轉速、計量泵的沖程或控制閥的開啟度大小，來實現加藥量的控制；程序控制是根據進水PO43—-P負荷的變化數據進行編程控制。而國外發達國家中的大、中型城市污水處理廠，為了更有效的實現加藥量的控制，一般根據在線測得的入水流量、在某一處理單元測得的 PO43—-P濃度組成的控制信號（ PO43--P污染負荷）來實現較復雜的前饋控制和反饋控制；例如：如果入水流量為400m3/h，測定的PO43—-P濃度為8mg/l，那么PO43—-P負荷為3.2mg/h，根據化學計量系數關系，每小時需加入3.2mg的Me3+金屬離子才可達到除磷的效果，但在實際中常增加20%的加入量。
圖1示意了PO43—-P在線測量點位于同步化學除磷的加藥點之后的在線測量控制過程，測定儀測定的PO43—-P濃度值信號，轉換輸送到控制系統內，將測定值與處理單元要保持的PO43—-P濃度給定值在PLC運算控制調節器內比較，然后將比較的結果經PLC內控制器內的輸出模塊輸出一控制信號使加藥泵按設定的調節方式（開/關簡單雙向調節或高級PID調節），根據在線測得的PO43—-P負荷的變化調節加藥量。為了對PO43—-P負荷的變化迅速作出反應, 加藥泵應有足夠的調節范圍；另一方面，為了便于當PO43—-P負荷高時可及時地向池內快速添加足夠的藥劑，可選用2臺加藥泵。
3.2 在線測量點和加藥點的選擇
生物和化學聯合化學除磷工藝（如A2O工藝）中, 要求選擇合適的PO43—-P在線測定、取樣和藥劑添加點。根據沉淀藥劑在污水處理單元中加入的位置，附加的化學沉淀分為：在沉砂池入/出口處加藥的前置沉淀、在曝氣池入/出水處加藥的同步沉淀（可用較廉價的FeSO4）、在最終沉淀池出水處重新設置的后置沉淀；前置沉淀中的沉淀物的凝聚吸附作用將導致初沉池對有機物的處理效率過高，而初沉池高的去除率對后序的反硝化有負面的影響，所以一般不使用前置沉淀。同步沉淀在生物曝氣池內產生的多量污泥可導致生物段體積的增加，因此為了控制出水濃度，最理想的同步沉淀是在曝氣池出水處增加一小曝氣池，在對PO43—-P連續測定的基礎上，控制加藥量。后置沉淀要另外增加一個沉淀池，較少使用[5]。
下面用圖2來說明在線測定點和加藥點對工藝過程的影響。在線測定點位于加藥點之后有三種情況：
?。?）在曝氣池出水點（D點或E點）投加藥劑，考慮到生物P在二沉池內的回溶對在線測定結果的影響，在線測定點可選擇在二沉池的出水點（F）進行；在此情況下，由于測定點滯后加藥點一段時間（污水在二沉池內的停留時間），所以控制和加藥調節系統不能對測定P濃度的出水變化迅速作出反應。
（2）在回流污泥點（C）加藥，在曝氣池出水處（D/E）點進行在線測定；它也同樣存在一個控制和加藥系統滯后的問題，當出水濃度變化較大時，加藥量的增加或減少要明顯滯后。
（3）在曝氣池出水（D）或在串級曝氣池的最末一段池處加藥，在二沉池的入水處進行在線測定，比較便利的情況是在二沉池入水的分配井（E）處測定。此方案可使藥劑在污水中均勻的混合，等污水到二沉池入水處的測定點時，化學沉淀反應已經完成；如果在曝氣池出水堰處加藥，可通過增加相應的設備來改善反應混合效果。
加藥點位于測量點之后的情況：根據曝氣池出水處在線測得的P濃度，在二沉池入水處的合適位置加入藥劑，此種安排可使整個加藥控制系統對P濃度變化迅速作出反應，加藥量可與PO43—-P的負荷成比例地變化；但由于測定點位于加藥點之前，對沉淀的效果不能進一步的控制。
總之，在曝氣池出水處加藥，在其后緊結進行PO43—-P在線測定的布置方式是比較理想的在線測定和反饋加藥控制方案，在實際工藝中，可根據硝化曝氣區和二沉池之間管道布置和構筑物的組成及連結情況，來確定合適加藥和測定點。
4 曝氣池出水處P濃度的在線測定
4.1 曝氣池與二沉池出水處P濃度測定值的關系
根據以上分析，為了優化控制加藥過程，一般選擇在曝氣池出水處進行在線測定PO43—-P的濃度，但由于以下因數的影響，此點的測定值與最終出水值往往不一致。
?。?）二沉池中懸浮污泥的影響
二沉池中往往存在懸浮污泥, 而懸浮污泥中的P濃度比溶解于水中的高，所以最終出水中的實際總P濃度比經過濾后再測試的試樣濃度高。有生物除磷過程的城市污水處理廠的運行結果顯示[4]：污泥（包括懸浮污泥）中總磷濃度一般為30—40mgP/（g干固體），而污水經硝化和反硝化工藝處理后，污水廠出水SS<20mg/l，含懸浮污泥的二沉池出水的總磷含量一般可達到0.5mgP/l左右；因此，如果污泥的總磷濃度和二沉池出水中懸浮物都較高, 那么盡管生物除磷的效果很好和在曝氣池出水測得的用于控制化學除磷的PO43—-P濃度值較小，出水中的總磷仍然會較高。
?。?）污泥中的生物P在二沉池內回溶的影響
當二沉池內的污泥在二沉池底部的污泥濃縮區濃縮時，可能重新釋放被生物吸收的污泥中的P，從而導致最終出水中總P濃度的提高，有時由于P的回溶，PO43—-P濃度可增加0.4mg/l以上；如果污泥在二沉池`內的停留時間過長，PO43—-P的回溶量可達2-4mg/l[3]，所以有生物除磷池的污水處理廠要盡量避免污泥在二沉池內的停留時間。
（3）PO43—-P分析裝置的影響
一般連續測量儀在曝氣池出水處測得的PO43—-P濃度為總P濃度的90%以上，測量分析裝置的精度根據生產廠家的不同，一般測量標準偏差可達到±2-5%，如果測量范圍0-5mg/l，標準偏差可達±0.1—0.25 mg/l[3]。
4.2 測定過程的運行和可靠性保障
為了有效控制出水中的P含量，應仔細地選擇試樣過濾系統和易于核準的測定儀器，以保證在線測量系統和加藥系統具有較高的可靠性；另外，用自動取樣儀24小時收集出水試樣，在化驗室每天檢驗一次生物和化學除磷的效果，也可檢驗在線測定與控制系統的可靠性。測試系統一旦出現故障，為了使出水P濃度維持在監控值以下，在設定控制系統程序時，增加有一補償控制系統使加藥系統在最短的時間內恢復加藥；如果在曝氣池出水測試點的測定值在短期內超過設定值，也可通過后序的二沉池的水利學波動緩沖能力來調節控制最終出水的總P濃度。
根據上面的分析，一般情況下，為了保證出水總P在監控值（P出水）范圍內，曝氣池出水中控制設定的P濃度不能超過加藥點的控制值P加藥點[3]。
P加藥點+（P懸浮+0.2）=P出水 P懸浮為二沉池中懸浮污泥P含量
P懸浮=P污泥（mg/g）×懸浮污泥固體含量（mg/m3）
0.2值為測定系統的精度和加藥量偏低或出現P回溶現象的保險附加值（根據實際情況，此值可進行適當調整）。P懸浮值越高，說明二沉池懸浮污泥量越多，必須設法減少二沉池的懸浮污泥量。
4.3 污泥處理單元工藝濁水的處理
在具有生物除P工藝的城市污水處理廠的污泥處理單元產生的工藝濁水中，由于P回溶的出現，有時使濁水中總P負荷占污水廠進水中總的P負荷的30%以上，濃度高達1000mg/l，所以為了防止回溶P重新回到上游工藝單元中，一般推薦單獨用石灰對其化學沉淀處理，需石灰量的多少與pH值有關，例如，如果濁水中pH=7.6，理論上要向濁水中加入3.7g/lCa(OH)2，才能使pH達到10.5，達到開始化學沉淀的條件，但實際上的加入量要高。
如果測定的濁水中總P負荷占污水廠入水中總P負荷的10%，那么由于濁水的回流一般可導致上游生物處理工藝中的P濃度增加1mg/l，此增加量完全可由生物處理系統來消耗補償。
4 總結
生物除P的工藝穩定性可通過附加化學沉淀來改善，利用PO43—-P的在線測定值進行加藥量的反饋控制，可節省藥劑費用；另外在曝氣池出水處加藥，在其后緊結進行PO43—-P在線測定的布置方式是比較理想的在線測定和加藥控制方案。
參考文獻
1 王洪臣主編《城市污水處理廠運行控制與維護管理》，科學出版社，1997年 P606-616
2 《現代水質分析檢測技術》，中國建筑工業出版社，1988年，P106-120
3 Hillenbrand, T. ; Boehm, e. （1996） Massnahmen zur Verbesserung der Denitifikation , Heft2, p393-403
4 Schlegel,s.: Untersuchungen zur biologischen P-Elimination auf der Klaeranlage Schermbeck, Korrespondenz Abwasser, 1990,11,1365-1371
5 鄭興燦，李亞心新主編《污水除磷脫氮技術》，中國建筑工業出版社，1998年，301-303
作者簡介：牛學義，高級工程師，工學碩士，北京首創股份公司－投資發展部總經理。
通訊地址：北京朝陽區北三環東路8號靜安中心七層北京首創股份公司。
郵政編碼：100028，聯系電話：010－64625602 13381189528
論文搜索
月熱點論文
論文投稿
很多時候您的文章總是無緣變成鉛字。研究做到關鍵時，試驗有了起色時，是不是想和同行探討一下，工作中有了心得，您是不是很想與人分享，那么不要只是默默工作了，寫下來吧！投稿時，請以附件形式發至 paper@h2o-china.com ，請注明論文投稿。一旦采用，我們會為您增加100枚金幣。
