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城市污水處理廠生物反應(yīng)池控制優(yōu)化運(yùn)行的探討

  
評論: 更新日期:2011年08月21日

 在污水生物處理過程中,影響微生物活性的因素可分為基質(zhì)類和環(huán)境類兩大類。
  基質(zhì)類包括營養(yǎng)物質(zhì),如以碳元素為主的有機(jī)化合物即碳源物質(zhì)、氮源、磷源等營養(yǎng)物質(zhì)、以及鐵、鋅、錳等微量元素;另外,還包括一些有毒有害化學(xué)物質(zhì)如酚類、苯類等化合物、也包括一些重金屬離子如銅、鎘、鉛離子等。
  環(huán)境類影響因素主要有:
 ?。?)溫度。溫度對微生物的影響是很廣泛的,盡管在高溫環(huán)境(50℃~70℃)和低溫環(huán)境(-5~0℃)中也活躍著某些類的細(xì)菌,但污水處理中絕大部分微生物最適宜生長的溫度范圍是20-30℃。在適宜的溫度范圍內(nèi),微生物的生理活動旺盛,其活性隨溫度的增高而增強(qiáng),處理效果也越好。超出此范圍,微生物的活性變差,生物反應(yīng)過程就會受影響。一般的,控制反應(yīng)進(jìn)程的最高和最低限值分別為35℃和10℃。
 ?。?)PH值。活性污泥系統(tǒng)微生物最適宜的PH值范圍是6.5-8.5,酸性或堿性過強(qiáng)的環(huán)境均不利于微生物的生存和生長,嚴(yán)重時會使污泥絮體遭到破壞,菌膠團(tuán)解體,處理效果急劇惡化。
 ?。?)溶解氧。對好氧生物反應(yīng)來說,保持混合液中一定濃度的溶解氧至關(guān)重要。當(dāng)環(huán)境中的溶解氧高于0.3mg/l時,兼性菌和好氧菌都進(jìn)行好氧呼吸;當(dāng)溶解氧低于0.2-0.3mg/l接近于零時,兼性菌則轉(zhuǎn)入?yún)捬鹾粑?,絕大部分好氧菌基本停止呼吸,而有部分好氧菌(多數(shù)為絲狀菌)還可能生長良好,在系統(tǒng)中占據(jù)優(yōu)勢后常導(dǎo)致污泥膨脹。一般的,曝氣池出口處的溶解氧以保持2mg/l左右為宜,過高則增加能耗,經(jīng)濟(jì)上不合算。
  在所有影響因素中,基質(zhì)類因素和PH值決定于進(jìn)水水質(zhì),對這些因素的控制,主要靠日常的監(jiān)測和有關(guān)條例、法規(guī)的嚴(yán)格執(zhí)行。對一般城市污水而言,這些因素大都不會構(gòu)成太大的影響,各參數(shù)基本能維持在適當(dāng)范圍內(nèi)。溫度的變化與氣候有關(guān),對于萬噸級的城市污水處理廠,特別是采用活性污泥工藝時,對溫度的控制難以實(shí)施,在經(jīng)濟(jì)上和工程上都不是十分可行的。因此,一般是通過設(shè)計參數(shù)的適當(dāng)選取來滿足不同溫度變化的處理要求,以達(dá)到處理目標(biāo)。因此,工藝控制的主要目標(biāo)就落在活性污泥本身以及可通過調(diào)控手段來改變的環(huán)境因素上,控制的主要任務(wù)就是采取合適的措施,克服外界因素對活性污泥系統(tǒng)的影響,使其能持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)揮作用。
  實(shí)現(xiàn)對生物反應(yīng)系統(tǒng)的過程控制關(guān)鍵在于控制對象或控制參數(shù)的選取,而這又與處理工藝或處理目標(biāo)密切相關(guān)。
  前已述及溶解氧是生物反應(yīng)類型和過程中一個非常重要的指示參數(shù),它能直觀且比較迅速地反映出整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,運(yùn)行管理方便,儀器、儀表的安裝及維護(hù)也較簡單,這也是近十年我國新建的污水處理廠基本都實(shí)現(xiàn)了溶解氧現(xiàn)場和在線監(jiān)測的原因。
  對于有特殊處理要求或某項(xiàng)指標(biāo)成為處理過程的限制因素時,也可將出水的某項(xiàng)指標(biāo)作為控制參數(shù)。例如,對出水中氨氮或硝酸鹽氮有嚴(yán)格限制時,限制的指標(biāo)可以被選取作為控制參數(shù)。這需要在反應(yīng)池內(nèi)設(shè)置氨氮和硝酸鹽氮以及亞硝酸鹽氮的監(jiān)測儀表,將現(xiàn)場監(jiān)測到的數(shù)據(jù)反饋到控制系統(tǒng),通過改變供氣量的多少來增強(qiáng)或減弱某一生物反應(yīng)(硝化或反硝化),從而達(dá)到所希望的出水指標(biāo)。這一控制方式在國外有應(yīng)用,如美國奧蘭多(Orlando)的一個Water Reclamation Facility,該廠在1986年擴(kuò)建時并無對出水中硝酸鹽氮控制的要求,但在1992年,佛羅里達(dá)州環(huán)境保護(hù)部對所有處理設(shè)施增加了出水硝酸鹽氮需在10mg/l以下的限制要求。在不改動處理構(gòu)筑物的條件下,該廠通過增設(shè)現(xiàn)場儀表,采取自動控制供氣量的方式達(dá)到了處理要求。但在我國,以采集這類水質(zhì)指標(biāo)為控制參數(shù)的控制方式尚未見有應(yīng)用實(shí)例,其原因可能是此類參數(shù)的在線監(jiān)測儀表十分昂貴,特別是如硝酸鹽氮等在線監(jiān)測儀表基本上得依賴于國外進(jìn)口。因此,現(xiàn)階段這種控制方式在我國還難以實(shí)施。

1、解氧控制
  生物池溶氧值的運(yùn)行控制是污水處理廠中至為重要的環(huán)節(jié),該運(yùn)行控制品質(zhì)的好壞,直接關(guān)系到出水質(zhì)量和污水廠的能耗的高低。溶解氧控制的主要目標(biāo)是:確保供氧量滿足有機(jī)物氧化分解過程動態(tài)變化的需要并且維持一個期望的混合液DO濃度;有效的控制氧氣的傳輸以最大限度的減小曝氣能耗;最大限度地減少實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所需的人力。
  污水處理廠實(shí)行曝氣運(yùn)行控制的益處在于降低運(yùn)行成本。曝氣池中DO濃度持續(xù)不足可抑制生物活性,會在處理過程中產(chǎn)生一些問題,如污泥膨脹,絮凝效果差,抑制硝化作用。相反,過度曝氣會造成能量過度消耗。提高過程的可靠性、除氮效率、污泥可沉淀性及出水水質(zhì)等都?xì)w功于DO的控制。曝氣能量的消耗一般約占普通活性污泥法污水處理廠能源總需求的50%以上,曝氣過程有效的運(yùn)行控制能大大節(jié)省能耗。
  需氧量的變化使得操作人員很難手動控制空氣流速和空氣分配量,從而在整個處理過程中難以維持期望的混合液DO濃度值,即使對于設(shè)計得很好且有靈活曝氣系統(tǒng)的污水處理廠也是如此。因此,手動調(diào)節(jié)曝氣系統(tǒng)一般在空氣流量分配固定的情況下使用,通常是每周或每月調(diào)一兩次。手動調(diào)節(jié)空氣流量使其固定在一個足夠高的值上,以滿足峰值負(fù)荷期間的需氧量,但這樣卻導(dǎo)致了負(fù)荷降低期間不必要的昂貴的過量曝氣。
  自動DO控制是曝氣系統(tǒng)運(yùn)行控制的最佳方式,它可以最大限度地減小與曝氣不足或過量有關(guān)的運(yùn)行問題,最大限度地減少曝氣能量消耗。一般來說,采用自動控制曝氣的方式節(jié)能可達(dá)25%~40%。
在生物反應(yīng)過程中,溶解氧的變化率可用下式表示:
      dc/dt =αKla(βCs- C)-γ
式中:dc/dt--溶解氧的變化率(mg/(Loh))
   Kla--氧在清水中的總轉(zhuǎn)移系數(shù)(h-1)
   αKla--氧在污水中的總轉(zhuǎn)移系數(shù)(h-1)
   Cs--氧在清水中的溶解度(mg/L)
   βCs--氧在污水中的溶解度(mg/L)
   C--氧在污水中的實(shí)際濃度(mg/L)
   γ--生物池中氧的消耗速率(mg/(Loh))
  生化反應(yīng)需氧量決定生物池中氧的消耗速率,如不考慮硝化作用,則碳化需氧量O2表示為:
O2 = aQ(So-Se)+bVX
式中:Q(So-Se)--基質(zhì)去除量(kg/d)
   VX--微生物量(kg)
   a--常數(shù)(kg O2 /kg基質(zhì))
   b--常數(shù)(微生物內(nèi)呼吸需氧率d-1)
  當(dāng)氧傳遞速率αKla (βCs - C)與耗氧速率γ相等,即傳氧與耗氧達(dá)到平衡時,dc/dt=0,溶解氧濃度保持相對穩(wěn)定。當(dāng)耗氧速率上升時,dc/dt<0,導(dǎo)致C下降,但C的下降使傳氧動力(βCs - C)增加,氧傳遞速率相應(yīng)增加,直至氧傳遞速率與耗氧速率達(dá)到新的平衡,C停止下降。溶解氧又在一個較低水平上保持相對穩(wěn)定。反之,當(dāng)耗氧速率下降時,dc/dt>0,C和氧傳遞速率朝與上述相反的方向變化,直至氧傳遞速率與耗氧速率在較高的溶解氧水平上達(dá)到新的平衡。對于耗氧速率,由于生物反應(yīng)池中微生物量相對穩(wěn)定,因而進(jìn)水流量和進(jìn)水BOD5是導(dǎo)致耗氧速率變化的直接因素,BOD5目前尚不易實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測,故不能得到Q(So-Se)的實(shí)時數(shù)據(jù)。因此,溶解氧濃度成為生化反應(yīng)過程中氧傳遞速率和耗氧速率平衡狀況的關(guān)鍵指示值,也是曝氣控制的重要被調(diào)參數(shù)。基于上述氧傳遞原理,為最大程度的節(jié)約能源,對于推流式生物反應(yīng)池,延其流向溶解氧可按梯度設(shè)定,即進(jìn)入口附近溶解氧可以控制在最低水平,出水口附近溶解氧控制在2mg/l左右,以保證污泥良好的沉降特性,使出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。而對于完全混合式生物反應(yīng)池,也可分區(qū)域控制溶解氧的濃度,如奧貝爾氧化溝采用外、中、內(nèi)溝溶解氧分別控制在0-1-2的范圍內(nèi)。
  對于溶解氧濃度的控制,由于其動態(tài)過程是非線性的、時變的、滯后的,因此在確定控制方案時應(yīng)選擇理想控制和維持控制器的穩(wěn)定性兩者之間的折中方案,即控制器在某種程度上不可調(diào)或斷續(xù)調(diào)節(jié),以適應(yīng)溶解氧變化的動態(tài)過程。

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