牛學(xué)義
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　　摘要：本文介紹了PO₄^3—-P連續(xù)在線檢測技術(shù)和它在污水處理廠生物/化學(xué)除磷工藝中的應(yīng)用情況。
　　關(guān)鍵詞：污水處理　 磷在線檢測　 生物/化學(xué)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PO₄^3—-P的形式存在，僅少量存在于有機(jī)物和其它化合物中。磷的排放可導(dǎo)致接納水域的富營養(yǎng)化，是污水處理廠出水控制的主要目標(biāo)參數(shù)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(yán)格的排放控制標(biāo)準(zhǔn)（《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978-1966）的一級標(biāo)準(zhǔn)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(shù)的城市污水處理廠都要考慮生物或化學(xué)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(jī)物量、其它工藝參數(shù)及構(gòu)筑物尺寸的影響，常使生物除磷工藝過程不穩(wěn)定，進(jìn)而不能保證出水中總P濃度在法律規(guī)定的監(jiān)視范圍內(nèi)。所以，在污水處理廠實際運(yùn)行中，常再通過投加化學(xué)藥劑進(jìn)一步化學(xué)除磷來補(bǔ)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(xiàn)一般采用對某一處理單元或最終出水中的PO₄^3—-P進(jìn)行在線測量，實現(xiàn)對生物或化學(xué)除磷過程的自動調(diào)節(jié)，有效控制加藥量，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，提高除磷效果。

2 PO₄^3—-P的在線測定過程

2.1 污水的預(yù)處理
　　來自曝氣池或其它處理單元的污水在進(jìn)入PO₄^3—-P連續(xù)測定儀之前, 首先要進(jìn)行預(yù)處理。最常使用的預(yù)處理裝置是超濾柱，處理單元的污水經(jīng)小流量潛水泵輸送到連續(xù)測定室，然后經(jīng)全自動控制的超濾柱內(nèi)的超濾膜過濾；每一測連續(xù)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(jìn)入PO₄^3—-P連續(xù)測定儀進(jìn)行測定，在測定儀上同時連續(xù)顯示動態(tài)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(jīng)常進(jìn)行沖洗，沖洗的設(shè)定頻率與試樣來源的處理單元的位置有關(guān)，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(dá)6-9個月[4]。
　　第二種預(yù)處理工藝是將試樣連續(xù)經(jīng)旋轉(zhuǎn)離心機(jī)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(shè)備維護(hù)和沖洗過程較簡單。第三種預(yù)處理工藝是使用濾紙濾帶過濾，試樣連續(xù)經(jīng)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(yùn)行和設(shè)備費(fèi)用都很低。
2.2 測定過程
　　現(xiàn)國外使用的PO₄^3—-P在線光度測定儀的基本原理為：水中的PO₄^3—-P在酸性介質(zhì)中與測定系統(tǒng)內(nèi)的釩—鉬試劑反應(yīng)，生成黃色釩鉬磷酸鹽P-V-M，然后用光度儀測定PO₄^3—-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(nèi)的電動泵1將預(yù)處理后的清水輸送到PO₄^3—-P測定儀的溢流池、攪拌池，最后到達(dá)測試管，首先用未反應(yīng)水樣進(jìn)行零點(diǎn)校正；然后由泵1和泵2分別將水樣和反應(yīng)試劑輸送到反應(yīng)攪拌池，反應(yīng)后流到測試管內(nèi)；最后由光度測定系統(tǒng)根據(jù)反應(yīng)物色度的深淺，測定、轉(zhuǎn)換計算得出PO₄^3—-P濃度值。試劑量的控制、零點(diǎn)校準(zhǔn)、反應(yīng)過程、光度測量及濃度信號的轉(zhuǎn)換顯示過程都是全自動控制的。

3 PO₄^3—-P的在線測定在生物/化學(xué)聯(lián)合除磷控制過程中的應(yīng)用

3.1 用于加藥量的控制

　　在單純的化學(xué)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(fù)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(fù)荷減少，化學(xué)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(jié)省藥劑消耗量和運(yùn)行費(fèi)用。
　　在生物/化學(xué)聯(lián)合工藝中，由于只有生物除磷會導(dǎo)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(xué)沉淀藥劑，進(jìn)行同步化學(xué)除磷，才能保證出水磷濃度總能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
　　PO₄^3—-P的在線測定是對生物/化學(xué)聯(lián)合除磷工藝進(jìn)行有效準(zhǔn)確控制的重要條件，對于大、中型城市污水處理廠，現(xiàn)在我國國內(nèi)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(tǒng)將在線測得的流量信號傳送到PLC控制器，然后由控制器調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)翻式進(jìn)料器的轉(zhuǎn)速、計量泵的沖程或控制閥的開啟度大小，來實現(xiàn)加藥量的控制；程序控制是根據(jù)進(jìn)水PO₄^3—-P負(fù)荷的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行編程控制。而國外發(fā)達(dá)國家中的大、中型城市污水處理廠，為了更有效的實現(xiàn)加藥量的控制，一般根據(jù)在線測得的入水流量、在某一處理單元測得的 PO₄^3—-P濃度組成的控制信號（ PO₄^3--P污染負(fù)荷）來實現(xiàn)較復(fù)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PO₄^3—-P濃度為8mg/l，那么PO₄^3—-P負(fù)荷為3.2mg/h，根據(jù)化學(xué)計量系數(shù)關(guān)系，每小時需加入3.2mg的M_e³⁺金屬離子才可達(dá)到除磷的效果，但在實際中常增加20%的加入量。

圖1示意了PO₄^3—-P在線測量點(diǎn)位于同步化學(xué)除磷的加藥點(diǎn)之后的在線測量控制過程，測定儀測定的PO₄^3—-P濃度值信號，轉(zhuǎn)換輸送到控制系統(tǒng)內(nèi)，將測定值與處理單元要保持的PO₄^3—-P濃度給定值在PLC運(yùn)算控制調(diào)節(jié)器內(nèi)比較，然后將比較的結(jié)果經(jīng)PLC內(nèi)控制器內(nèi)的輸出模塊輸出一控制信號使加藥泵按設(shè)定的調(diào)節(jié)方式（開/關(guān)簡單雙向調(diào)節(jié)或高級PID調(diào)節(jié)），根據(jù)在線測得的PO₄^3—-P負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)加藥量。為了對PO₄^3—-P負(fù)荷的變化迅速作出反應(yīng), 加藥泵應(yīng)有足夠的調(diào)節(jié)范圍；另一方面，為了便于當(dāng)PO₄^3—-P負(fù)荷高時可及時地向池內(nèi)快速添加足夠的藥劑，可選用2臺加藥泵。
3.2 在線測量點(diǎn)和加藥點(diǎn)的選擇
　　生物和化學(xué)聯(lián)合化學(xué)除磷工藝（如A²O工藝）中, 要求選擇合適的PO₄^3—-P在線測定、取樣和藥劑添加點(diǎn)。根據(jù)沉淀藥劑在污水處理單元中加入的位置，附加的化學(xué)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(shè)置的后置沉淀；前置沉淀中的沉淀物的凝聚吸附作用將導(dǎo)致初沉池對有機(jī)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(fù)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(nèi)產(chǎn)生的多量污泥可導(dǎo)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PO₄^3—-P連續(xù)測定的基礎(chǔ)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(diǎn)和加藥點(diǎn)對工藝過程的影響。在線測定點(diǎn)位于加藥點(diǎn)之后有三種情況：

　　（1）在曝氣池出水點(diǎn)（D點(diǎn)或E點(diǎn)）投加藥劑，考慮到生物P在二沉池內(nèi)的回溶對在線測定結(jié)果的影響，在線測定點(diǎn)可選擇在二沉池的出水點(diǎn)（F）進(jìn)行；在此情況下，由于測定點(diǎn)滯后加藥點(diǎn)一段時間（污水在二沉池內(nèi)的停留時間），所以控制和加藥調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能對測定P濃度的出水變化迅速作出反應(yīng)。
　　（2）在回流污泥點(diǎn)（C）加藥，在曝氣池出水處（D/E）點(diǎn)進(jìn)行在線測定；它也同樣存在一個控制和加藥系統(tǒng)滯后的問題，當(dāng)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(jìn)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(diǎn)時，化學(xué)沉淀反應(yīng)已經(jīng)完成；如果在曝氣池出水堰處加藥，可通過增加相應(yīng)的設(shè)備來改善反應(yīng)混合效果。
　　加藥點(diǎn)位于測量點(diǎn)之后的情況：根據(jù)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(tǒng)對P濃度變化迅速作出反應(yīng)，加藥量可與PO₄^3—-P的負(fù)荷成比例地變化；但由于測定點(diǎn)位于加藥點(diǎn)之前，對沉淀的效果不能進(jìn)一步的控制。
　　總之，在曝氣池出水處加藥，在其后緊結(jié)進(jìn)行PO₄^3—-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(jù)硝化曝氣區(qū)和二沉池之間管道布置和構(gòu)筑物的組成及連結(jié)情況，來確定合適加藥和測定點(diǎn)。

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(guān)系
　　根據(jù)以上分析，為了優(yōu)化控制加藥過程，一般選擇在曝氣池出水處進(jìn)行在線測定PO₄^3—-P的濃度，但由于以下因數(shù)的影響，此點(diǎn)的測定值與最終出水值往往不一致。
　　（1）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(jīng)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(yùn)行結(jié)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(jīng)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(dá)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(xué)除磷的PO₄^3—-P濃度值較小，出水中的總磷仍然會較高。
　　（2）污泥中的生物P在二沉池內(nèi)回溶的影響
　　當(dāng)二沉池內(nèi)的污泥在二沉池底部的污泥濃縮區(qū)濃縮時，可能重新釋放被生物吸收的污泥中的P，從而導(dǎo)致最終出水中總P濃度的提高，有時由于P的回溶，PO₄^3—-P濃度可增加0.4mg/l以上；如果污泥在二沉池`內(nèi)的停留時間過長，PO₄^3—-P的回溶量可達(dá)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(nèi)的停留時間。
　　（3）PO₄^3—-P分析裝置的影響
　　一般連續(xù)測量儀在曝氣池出水處測得的PO₄^3—-P濃度為總P濃度的90%以上，測量分析裝置的精度根據(jù)生產(chǎn)廠家的不同，一般測量標(biāo)準(zhǔn)偏差可達(dá)到±2-5%，如果測量范圍0-5mg/l，標(biāo)準(zhǔn)偏差可達(dá)±0.1—0.25 mg/l[3]。
4.2 測定過程的運(yùn)行和可靠性保障
　　為了有效控制出水中的P含量，應(yīng)仔細(xì)地選擇試樣過濾系統(tǒng)和易于核準(zhǔn)的測定儀器，以保證在線測量系統(tǒng)和加藥系統(tǒng)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(xué)除磷的效果，也可檢驗在線測定與控制系統(tǒng)的可靠性。測試系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，為了使出水P濃度維持在監(jiān)控值以下，在設(shè)定控制系統(tǒng)程序時，增加有一補(bǔ)償控制系統(tǒng)使加藥系統(tǒng)在最短的時間內(nèi)恢復(fù)加藥；如果在曝氣池出水測試點(diǎn)的測定值在短期內(nèi)超過設(shè)定值，也可通過后序的二沉池的水利學(xué)波動緩沖能力來調(diào)節(jié)控制最終出水的總P濃度。
　　根據(jù)上面的分析，一般情況下，為了保證出水總P在監(jiān)控值（P_出水）范圍內(nèi)，曝氣池出水中控制設(shè)定的P濃度不能超過加藥點(diǎn)的控制值P_{加藥點(diǎn)}[3]。
　　P_{加藥點(diǎn)}+（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(tǒng)的精度和加藥量偏低或出現(xiàn)P回溶現(xiàn)象的保險附加值（根據(jù)實際情況，此值可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整）。P_懸浮值越高，說明二沉池懸浮污泥量越多，必須設(shè)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(chǎn)生的工藝濁水中，由于P回溶的出現(xiàn)，有時使?jié)崴锌侾負(fù)荷占污水廠進(jìn)水中總的P負(fù)荷的30%以上，濃度高達(dá)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(dú)用石灰對其化學(xué)沉淀處理，需石灰量的多少與pH值有關(guān)，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(dá)到10.5，達(dá)到開始化學(xué)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(fù)荷占污水廠入水中總P負(fù)荷的10%，那么由于濁水的回流一般可導(dǎo)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(tǒng)來消耗補(bǔ)償。

4 總結(jié)

　　生物除P的工藝穩(wěn)定性可通過附加化學(xué)沉淀來改善，利用PO₄^3—-P的在線測定值進(jìn)行加藥量的反饋控制，可節(jié)省藥劑費(fèi)用；另外在曝氣池出水處加藥，在其后緊結(jié)進(jìn)行PO₄^3—-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。

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作者簡介：牛學(xué)義，高級工程師，工學(xué)碩士，北京首創(chuàng)股份公司－投資發(fā)展部總經(jīng)理。
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