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生物池儀表及自控系統(tǒng)設計分析

2021-01-21 03:35李浩
科學技術創(chuàng)新 2021年2期
關鍵詞:硝態(tài)溶解氧硝化

李浩

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北 武漢430000)

生物池是水處理工藝中的重要環(huán)節(jié),生物池運行控制水平直接關系到全廠運行狀況。近年來,隨著“智慧水務”、“精確控制”等技術的普及,對生物池儀表和自控設計提出了更高要求,生物池也是自控儀表設計中最為核心和復雜的單體之一。本文所討論生物池為常見的A2O 生物池。

1 生物池基本工藝原理

1.1 生物池的組成

在城鎮(zhèn)污水處理工藝流程中根據不同種類微生物的生存環(huán)境要求,常規(guī)的A2O 生物池由厭氧區(qū)、好氧區(qū)和缺氧區(qū)組成。

生物池中不同區(qū)域的微生物菌群相互配合,可對污水進行脫氮去磷處理,并有效地除污水中的有機物質。

圖1 生物池組成

生物池的組成如圖1 所示,其中生物池、二沉池、污泥泵房組成外回流系統(tǒng),污泥從污泥泵房回流到厭氧區(qū)。缺氧區(qū)和好氧區(qū)組成內回流系統(tǒng),含有硝態(tài)氮的污水從好氧區(qū)回流到缺氧區(qū)。

1.2 厭氧區(qū)

厭氧區(qū)主要功能:原污水及污泥泵房外回流的含磷污泥中的磷,在聚磷菌作用下,以正磷酸鹽的形式釋放到污水中。

微生物細胞吸收污水中的能溶解性的有機物,使其中BOD濃度降低。部分有機物能進行氨化反應,可以將有機氮氨化成氨氮。

參數要求:(1)為保證厭氧環(huán)境,ORP 值應小于-250mV。(2)溶解氧濃度宜小于0.2mg/L,硝態(tài)氮宜小于1.5mg/L,主要是削減溶解氧和硝態(tài)氮對厭氧釋磷的生化反應產生的影響。(3)應每隔一段時間檢測生物池厭氧區(qū)硝態(tài)氮和磷酸鹽濃度,同時分析ORP 值,作為評估生物池厭氧區(qū)的厭氧環(huán)境和釋磷效果的依據。

1.3 缺氧區(qū)

缺氧區(qū)的反硝化細菌利用污水中的有機物作為營養(yǎng)物質(碳源),在不足的情況下可能需要補充碳源,與硝態(tài)氮(來自好氧區(qū)內回流)通過生物反硝化作用,轉化成NH3 逸入大氣中,從而達到脫氮的效果。

參數要求:(1)為保證缺氧環(huán)境,ORP 值應為-50~110mV。對于反硝化反應,在氧化條件下速率更快,更充分。(2)為嚴格保證缺氧環(huán)境,溶解氧保持在0.2mg/L 以下。(3)應每隔一段時間檢測缺氧區(qū)硝態(tài)氮濃度,同時分析ORP 值,作為評估缺氧區(qū)反硝化效果的依據。

1.4 好氧區(qū)

好氧區(qū)也稱曝氣池,在好氧區(qū),通過硝化作用,硝化細菌將污水中的氨氮及有機氮氨化成的氨氮轉化成硝態(tài)氮。

聚磷菌從污水中吸收過量的正磷酸鹽,以合成新的細胞,形成富磷污泥,排出生物池。

參數要求:(1)溶解氧需保持在2mg/L 以上,低水溫時,可通過提高溶解氧濃度和污泥濃度,提高生物池的硝化能力。(2)應定期分析好氧區(qū)溶解氧濃度、氨氮及其他工藝原理指標,評估好氧區(qū)的生化反應效果。

2 生物池控制參數及方案

2.1 生物池相關參數

(1)水溫:環(huán)境溫度與微生物的生存活動息息相關。對于脫氮過程,溫度對脫氮效果影響較大,硝化反應的適宜溫度為20~30℃,而反硝化反應的溫度在5~40℃范圍內均可。因此,20~30℃污水處理的最事宜的溫度,硝化反應和反硝化反應都是有利的。(2)PH 值:PH 值與微生物的生存活動也有著重大影響。硝化菌易受PH 值的影響,一般應保持PH 值在7~8 之間,PH<6.5 時影響嚴重,處理效率下降。反硝化反應的適宜PH 值為6.5~7.5,PH 值>8 或<6 時,反硝化速率迅速下降。(3)污泥濃度(MLSS):當進水水質有機物含量增高時,應提高MLSS 以增大生物池內微生物量,處理增多的有機污染物,因此可用MLSS值近似的表示生物池內微生物的含量。(4)污泥泥齡(SRT):是指生物細胞在生物池平均停留的時間,由于生物池污泥量會因為沉淀不斷增加,所以必須從系統(tǒng)中排出剩余的活性污泥,才能使生物池污泥濃度保持相對穩(wěn)定。對于除磷,好氧區(qū)聚磷菌吸磷量大于厭氧區(qū)聚磷菌釋磷量,通過剩余污泥排放即可實現(xiàn)除磷的目的。泥齡越短,排放的剩余污泥量越多,除磷效果越好。但是泥齡過短,為了維持生物池污泥濃度,回流污泥增多,釋磷過程所需的BOD 升高,若BOD 不夠,則聚磷菌釋磷不充分,后續(xù)氧化階段不能完成對磷的過量攝取,會降低磷的去除率。對于脫氮,泥齡反應了硝化菌在生物池內停留的時間,泥齡必須要大于最小世代時間,否則將使硝化菌從系統(tǒng)中流失殆盡,一般硝化菌在適宜溫度下的最小世代時間為3d。(5)外回流比(污泥回流比)(R):是指生物池中外回流的污泥量與生物池進水量的比值。外回流比對生物除磷效果有較大影響,當R 值較高時,會加快生物池的剩余污泥的排放,有利于除磷。但過高的R 值會使大量的硝酸鹽同回流污泥流至厭氧區(qū),硝酸鹽能夠促進反硝化菌的增長,從而造成大量的反硝化菌與聚磷菌爭奪營養(yǎng)物質(碳源),抑制聚磷菌的生長和磷的釋放,最終導致后續(xù)階段由于聚磷菌數量減少而影響磷的吸收,降低了磷的去除率。(6)內回流比(混合液回流比)(RI):是指生物池中混合液從好氧區(qū)回流到缺氧區(qū)的流量與進水流量的比值。當RI 值較高時,反硝化越充分,脫氮效果越好,但RI 值過高時,會導致缺氧區(qū)的溶解氧溶度升高,不利于反硝化反應,降低脫氮的效果。在污水處理過程中,磷在后續(xù)高效沉淀池、生物濾池等環(huán)節(jié)可以得到有效去除,而脫氮則主要在生物池內完成的,可以適當降低生物池對除磷的要求,著重關注生物池脫氮效果。

在生物池的脫氮除磷過程中,生物池各項控制項參數是相互制制約,為使整個系統(tǒng)達到最佳效果,需在生物池工藝流程中檢測各項參數,對控制系統(tǒng)進行不斷調試才能達到最佳效果。

2.2 生物池控制方案

在自控設計中,生物池的自控關鍵在于外回流控制、內回流控制和曝氣控制。

(1)外回流控制方案:污泥回流量主要通過外回流比控制,外回流比是根據生物池和污泥泵房的污泥濃度進行計算,得到回流比后,根據進水量計算出實際所需污泥回流量,再根據該數值對污泥回流泵的運行臺數、啟停及轉速進行實時控制。(2)內回流控制方案:通過進水水量、缺氧區(qū)ORP 值、硝態(tài)氮濃度得到內回流比,根據內回流比和進水流量對內回流泵的運行臺數、啟停及轉速進行實時控制。(3)曝氣控制方案:曝氣系統(tǒng)的控制參數主要為鼓風機的轉速,主要控制對象為鼓風機。每臺鼓風機有對應的鼓風機控制柜,控制柜可以根據溶解氧濃度、氣體流量計反饋信號作為重要依據,計算當前所需曝氣量,進而對鼓風機進行實時控制。

由于鼓風曝氣系統(tǒng)的能耗是污水處理廠能耗的主要組成部分,如果能對曝氣進行合理分配,避免過度曝氣,不僅可以大大降低全廠能耗,還可以達到更佳的曝氣效果。因此對于規(guī)模較大的廠區(qū),可以對生物池的好氧區(qū)進行再分區(qū),分區(qū)越多,曝氣越精確,曝氣分配越合理。

對于分區(qū)曝氣系統(tǒng),通過以每個區(qū)域溶解氧濃度作為依據,計算出每個區(qū)域所需曝氣量,將總數值反饋給鼓風機,結合出風管上氣體流量計所測實際流量,對總的鼓風量進行實時控制。對于各個區(qū)域,調節(jié)對應閥門(FM),可實現(xiàn)對每個區(qū)域風量的精確控制。如圖2 所示,圖中對好氧區(qū)分了三個區(qū)域,每個區(qū)域含有一個曝氣支管,調節(jié)閥可分別對每個區(qū)域調整曝氣量。

3 生物池儀表設計

根據上述工藝原理和自控原理需求,生物池儀表設置的區(qū)域、儀表名稱、作用及重要性如表1 所示。

(1)對于無人化、智能化要求較高的廠區(qū),生物池每個區(qū)域儀表可設置如下:厭氧區(qū):污泥濃度、硝態(tài)氮濃度、磷酸鹽濃度和ORP 檢測儀;缺氧區(qū):硝態(tài)氮濃度和ORP 檢測儀;好氧區(qū):溶解氧濃度、污泥濃度、氨氮濃度和磷酸鹽濃度檢測儀。(2)對于常規(guī)的廠區(qū),由于磷酸鹽濃度、硝態(tài)氮濃度、氨氮濃度在線檢測儀價格較高,且這些儀表并不參與自控系統(tǒng)實時自控,僅對生物池反應環(huán)境進行評估,可采取定期取樣檢測的方式進行數據采集(不計入自控工程量)。由于ORP 是生物生存的重要環(huán)境指標,厭氧區(qū)和缺氧區(qū)應設置ORP。生物池每個區(qū)域儀表可設置如下:厭氧區(qū):污泥濃度和ORP 檢測儀;缺氧區(qū):ORP 檢測儀;好氧區(qū):污泥濃度和溶解氧濃度檢測儀。

4 結論

關于生物池的檢測儀表種類雖然眾多,但參與自控的儀表并不多。針對生物池儀表設計時,可根據工藝原理和自控原理需求,結合廠區(qū)實際情況,選擇合理的在線檢測儀表。

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