生物池儀表及自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

李浩

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)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(yùn)行控制水平直接關(guān)系到全廠運(yùn)行狀況。近年來(lái)，隨著“智慧水務(wù)”、“精確控制”等技術(shù)的普及，對(duì)生物池儀表和自控設(shè)計(jì)提出了更高要求，生物池也是自控儀表設(shè)計(jì)中最為核心和復(fù)雜的單體之一。本文所討論生物池為常見(jiàn)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(jù)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(duì)污水進(jìn)行脫氮去磷處理，并有效地除污水中的有機(jī)物質(zhì)。

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(nèi)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(xì)胞吸收污水中的能溶解性的有機(jī)物，使其中BOD濃度降低。部分有機(jī)物能進(jìn)行氨化反應(yīng)，可以將有機(jī)氮氨化成氨氮。

參數(shù)要求：（1）為保證厭氧環(huán)境，ORP 值應(yīng)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(duì)厭氧釋磷的生化反應(yīng)產(chǎn)生的影響。（3）應(yīng)每隔一段時(shí)間檢測(cè)生物池厭氧區(qū)硝態(tài)氮和磷酸鹽濃度，同時(shí)分析ORP 值，作為評(píng)估生物池厭氧區(qū)的厭氧環(huán)境和釋磷效果的依據(jù)。

1.3 缺氧區(qū)

缺氧區(qū)的反硝化細(xì)菌利用污水中的有機(jī)物作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（碳源），在不足的情況下可能需要補(bǔ)充碳源，與硝態(tài)氮（來(lái)自好氧區(qū)內(nèi)回流）通過(guò)生物反硝化作用，轉(zhuǎn)化成NH3 逸入大氣中，從而達(dá)到脫氮的效果。

參數(shù)要求：（1）為保證缺氧環(huán)境，ORP 值應(yīng)為-50～110mV。對(duì)于反硝化反應(yīng)，在氧化條件下速率更快，更充分。（2）為嚴(yán)格保證缺氧環(huán)境，溶解氧保持在0.2mg/L 以下。（3）應(yīng)每隔一段時(shí)間檢測(cè)缺氧區(qū)硝態(tài)氮濃度，同時(shí)分析ORP 值，作為評(píng)估缺氧區(qū)反硝化效果的依據(jù)。

1.4 好氧區(qū)

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

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

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

2 生物池控制參數(shù)及方案

2.1 生物池相關(guān)參數(shù)

（1）水溫：環(huán)境溫度與微生物的生存活動(dòng)息息相關(guān)。對(duì)于脫氮過(guò)程，溫度對(duì)脫氮效果影響較大，硝化反應(yīng)的適宜溫度為20～30℃，而反硝化反應(yīng)的溫度在5～40℃范圍內(nèi)均可。因此，20～30℃污水處理的最事宜的溫度，硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)都是有利的。（2）PH 值：PH 值與微生物的生存活動(dòng)也有著重大影響。硝化菌易受PH 值的影響，一般應(yīng)保持PH 值在7～8 之間，PH＜6.5 時(shí)影響嚴(yán)重，處理效率下降。反硝化反應(yīng)的適宜PH 值為6.5～7.5，PH 值＞8 或＜6 時(shí)，反硝化速率迅速下降。（3）污泥濃度（MLSS）：當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)有機(jī)物含量增高時(shí)，應(yīng)提高M(jìn)LSS 以增大生物池內(nèi)微生物量，處理增多的有機(jī)污染物，因此可用MLSS值近似的表示生物池內(nèi)微生物的含量。（4）污泥泥齡（SRT）：是指生物細(xì)胞在生物池平均停留的時(shí)間，由于生物池污泥量會(huì)因?yàn)槌恋聿粩嘣黾?，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(duì)穩(wěn)定。對(duì)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(guò)剩余污泥排放即可實(shí)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(guò)短，為了維持生物池污泥濃度，回流污泥增多，釋磷過(guò)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(duì)磷的過(guò)量攝取，會(huì)降低磷的去除率。對(duì)于脫氮，泥齡反應(yīng)了硝化菌在生物池內(nèi)停留的時(shí)間，泥齡必須要大于最小世代時(shí)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(shí)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(jìn)水量的比值。外回流比對(duì)生物除磷效果有較大影響，當(dāng)R 值較高時(shí)，會(huì)加快生物池的剩余污泥的排放，有利于除磷。但過(guò)高的R 值會(huì)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(jìn)反硝化菌的增長(zhǎng)，從而造成大量的反硝化菌與聚磷菌爭(zhēng)奪營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（碳源），抑制聚磷菌的生長(zhǎng)和磷的釋放，最終導(dǎo)致后續(xù)階段由于聚磷菌數(shù)量減少而影響磷的吸收，降低了磷的去除率。（6）內(nèi)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(jìn)水流量的比值。當(dāng)RI 值較高時(shí)，反硝化越充分，脫氮效果越好，但RI 值過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致缺氧區(qū)的溶解氧溶度升高，不利于反硝化反應(yīng)，降低脫氮的效果。在污水處理過(guò)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?jiǎng)t主要在生物池內(nèi)完成的，可以適當(dāng)降低生物池對(duì)除磷的要求，著重關(guān)注生物池脫氮效果。

在生物池的脫氮除磷過(guò)程中，生物池各項(xiàng)控制項(xiàng)參數(shù)是相互制制約，為使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最佳效果，需在生物池工藝流程中檢測(cè)各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行不斷調(diào)試才能達(dá)到最佳效果。

2.2 生物池控制方案

在自控設(shè)計(jì)中，生物池的自控關(guān)鍵在于外回流控制、內(nèi)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(guò)外回流比控制，外回流比是根據(jù)生物池和污泥泵房的污泥濃度進(jìn)行計(jì)算，得到回流比后，根據(jù)進(jìn)水量計(jì)算出實(shí)際所需污泥回流量，再根據(jù)該數(shù)值對(duì)污泥回流泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)、啟停及轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。（2）內(nèi)回流控制方案：通過(guò)進(jìn)水水量、缺氧區(qū)ORP 值、硝態(tài)氮濃度得到內(nèi)回流比，根據(jù)內(nèi)回流比和進(jìn)水流量對(duì)內(nèi)回流泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)、啟停及轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。（3）曝氣控制方案：曝氣系統(tǒng)的控制參數(shù)主要為鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，主要控制對(duì)象為鼓風(fēng)機(jī)。每臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)有對(duì)應(yīng)的鼓風(fēng)機(jī)控制柜，控制柜可以根據(jù)溶解氧濃度、氣體流量計(jì)反饋信號(hào)作為重要依據(jù)，計(jì)算當(dāng)前所需曝氣量，進(jìn)而對(duì)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

由于鼓風(fēng)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(duì)曝氣進(jìn)行合理分配，避免過(guò)度曝氣，不僅可以大大降低全廠能耗，還可以達(dá)到更佳的曝氣效果。因此對(duì)于規(guī)模較大的廠區(qū)，可以對(duì)生物池的好氧區(qū)進(jìn)行再分區(qū)，分區(qū)越多，曝氣越精確，曝氣分配越合理。

對(duì)于分區(qū)曝氣系統(tǒng)，通過(guò)以每個(gè)區(qū)域溶解氧濃度作為依據(jù)，計(jì)算出每個(gè)區(qū)域所需曝氣量，將總數(shù)值反饋給鼓風(fēng)機(jī)，結(jié)合出風(fēng)管上氣體流量計(jì)所測(cè)實(shí)際流量，對(duì)總的鼓風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。對(duì)于各個(gè)區(qū)域，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)閥門(mén)（FM），可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)區(qū)域風(fēng)量的精確控制。如圖2 所示，圖中對(duì)好氧區(qū)分了三個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域含有一個(gè)曝氣支管，調(diào)節(jié)閥可分別對(duì)每個(gè)區(qū)域調(diào)整曝氣量。

3 生物池儀表設(shè)計(jì)

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

（1）對(duì)于無(wú)人化、智能化要求較高的廠區(qū)，生物池每個(gè)區(qū)域儀表可設(shè)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(cè)儀；缺氧區(qū)：硝態(tài)氮濃度和ORP 檢測(cè)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(cè)儀。（2）對(duì)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(cè)儀價(jià)格較高，且這些儀表并不參與自控系統(tǒng)實(shí)時(shí)自控，僅對(duì)生物池反應(yīng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，可采取定期取樣檢測(cè)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（不計(jì)入自控工程量）。由于ORP 是生物生存的重要環(huán)境指標(biāo)，厭氧區(qū)和缺氧區(qū)應(yīng)設(shè)置ORP。生物池每個(gè)區(qū)域儀表可設(shè)置如下：厭氧區(qū)：污泥濃度和ORP 檢測(cè)儀；缺氧區(qū)：ORP 檢測(cè)儀；好氧區(qū)：污泥濃度和溶解氧濃度檢測(cè)儀。

4 結(jié)論

關(guān)于生物池的檢測(cè)儀表種類雖然眾多，但參與自控的儀表并不多。針對(duì)生物池儀表設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)工藝原理和自控原理需求，結(jié)合廠區(qū)實(shí)際情況，選擇合理的在線檢測(cè)儀表。