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氨氮過(guò)程儀表新技術(shù)及在污水廠節(jié)能改造的應(yīng)用

閱讀：1324 發(fā)布時(shí)間：2022-7-8

HORIBA對(duì)現(xiàn)有的氨氮分析儀HC-200NH進(jìn)行升級(jí)改造，推出了氨氮和DO雙通道變送器，并對(duì)探頭的性能進(jìn)行改進(jìn)，增加了清洗功能。通過(guò)在SBR反應(yīng)池內(nèi)半年多的應(yīng)用，新型的分析儀得到了很好的氨氮和DO測(cè)試數(shù)據(jù)，響應(yīng)迅速并且有很好的重復(fù)性，可以為節(jié)能降耗設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。根據(jù)對(duì)不同規(guī)模污水廠的經(jīng)濟(jì)分析，污水廠的規(guī)模越大節(jié)省的能耗越多，鼓風(fēng)機(jī)的日均能耗可減低10%左右。

引言

隨著我國(guó)城市人口的逐年增長(zhǎng)、城鎮(zhèn)化率的逐年提高，城鎮(zhèn)污水量逐年增加，為城市污水處理帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在城市污水的處理中，以活性污泥法為代表的生物處理方法占據(jù)主導(dǎo)地位，通過(guò)控制反應(yīng)池中氧氣的濃度可實(shí)現(xiàn)好氧，缺氧，厭氧工序，培養(yǎng)不同的微生物群體，從而去除污水中的有機(jī)物、P、N等污染物質(zhì)。其中，曝氣能耗作為污水處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，已成為實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程控制污水處理能耗的重要組成單元[1,2]。全球90%以上的城市污水和工業(yè)有機(jī)廢水均采用活性污泥法處理，表明生物處理方法對(duì)于削減污染物特別是有機(jī)污染物的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位。

在 “綠水青山就是金山銀山"的綠色發(fā)展理念下，國(guó)家正加大力度對(duì)各種污染物進(jìn)行減排和治理。污水生物處理離不開供氧，我國(guó)污水和廢水的年排放總量已經(jīng)超過(guò)700×108m3，每年因供氧消耗的電力是三峽工程發(fā)電量的2～3倍[3]，其中生物處理系統(tǒng)的曝氣能耗約為50%以上[4,5]。因此對(duì)高效率、低投入、低運(yùn)行成本、節(jié)能降耗的污水處理工藝或改進(jìn)技術(shù)十分必要。

精確曝氣系統(tǒng)介紹

在污水的生物處理過(guò)程中，由于好氧反應(yīng)池內(nèi)的DO含量直接影響到好氧微生物的代謝功能、酶的活性與菌膠團(tuán)的形成狀況[6]，多數(shù)污水處理廠的節(jié)能設(shè)計(jì)和運(yùn)行改造都采用DO為控制目標(biāo)，利用模糊PID控制、自適應(yīng)專家系統(tǒng)控制等方法實(shí)現(xiàn)對(duì)曝氣量的調(diào)控，降低風(fēng)機(jī)的供氣量。DO探頭的安裝位置一般位于曝氣池的末端，并不能準(zhǔn)確的反應(yīng)整個(gè)曝氣池的DO濃度，加之DO分析儀的響應(yīng)時(shí)間和線路反饋等造成的延遲，以DO為控制目標(biāo)的節(jié)能控制方法存在滯后性相對(duì)較大等問(wèn)題[7]。

DO和氨氮聯(lián)合控制是更為節(jié)能的精確曝氣控制系統(tǒng)，采用“氨氮前饋＋DO模型控制＋氨氮反饋"的控制策略，根據(jù)進(jìn)水、出水和運(yùn)行條件的變化（水量、水質(zhì)、水溫等），通過(guò)數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)計(jì)算得出系統(tǒng)所需的曝氣量，并通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)和閥門的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，來(lái)保證曝氣池的DO濃度維持在預(yù)設(shè)水平，實(shí)現(xiàn)DO濃度的精細(xì)化控制[8]，其控制過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 DO和氨氮為控制對(duì)象的精確曝氣控制

Fig.1 DO + ammonia nitrogen aeration volume control system

氨氮在線分析儀的性能改進(jìn)

堀場(chǎng)公司針對(duì)污水廠節(jié)能降耗的需求，對(duì)現(xiàn)有的氨氮分析儀進(jìn)行升級(jí)改造，推出了氨氮和DO雙通道變送器，見(jiàn)圖2，可通過(guò)同時(shí)測(cè)量氨氮和DO實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制風(fēng)機(jī)曝氣，達(dá)到節(jié)能和抑制N2O的排放，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和削減碳排放。

圖2 氨氮和DO雙通道變送器示意圖

Fig.2 Ammonia nitrogen and DO dual-probe with one transmitter

氨氮的分析原理為液膜式離子電極法，探頭部分由離子電極和參比電極兩部分組成，探頭浸入水樣后，離子的定向移動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)能斯特方程即可換算得到氨氮濃度，原理類似于pH電極。DO的分析原理為熒光法，不需要使用選擇透過(guò)氧氣的薄膜，避免了薄膜破損的風(fēng)險(xiǎn)；不受流速和環(huán)境的影響，即使靜止的水體也可獲得準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。變送器可以提供自我診斷功能，對(duì)于各種故障和異常都會(huì)發(fā)出警報(bào)，方便現(xiàn)場(chǎng)操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行排查。

為了滿足在污水廠惡劣水質(zhì)中的應(yīng)用，堀場(chǎng)對(duì)傳感器做出如下改進(jìn)，以提高測(cè)試的準(zhǔn)確性，保持較快的響應(yīng)，并延長(zhǎng)電極使用壽命。

3.1 調(diào)整電極內(nèi)部液滲透壓，提高長(zhǎng)期穩(wěn)定性

傳統(tǒng)的氨氮離子電極在線連續(xù)測(cè)量時(shí)，具有傳感器壽命短、測(cè)量值漂移大等問(wèn)題，產(chǎn)生這一問(wèn)題的主要原因是離子電極內(nèi)部液在使用過(guò)程中被稀釋了。通常為了減小溫度補(bǔ)償誤差，一般會(huì)將離子電極的內(nèi)部液和比較電極的內(nèi)部液的氯化物離子設(shè)為相同的值。因此，離子電極的內(nèi)部液必然為高濃度。另外，許多離子電極的響應(yīng)膜選用軟質(zhì)氯化乙烯樹脂，能夠透過(guò)微量的水分。與電極所接觸的反應(yīng)池中的污水比電極內(nèi)部液中溶質(zhì)的濃度低，所以水分在滲透壓差的驅(qū)動(dòng)下會(huì)進(jìn)入到高濃度的溶液中，內(nèi)部液會(huì)被逐漸稀釋，導(dǎo)致測(cè)試數(shù)值不準(zhǔn)確。

圖3 調(diào)整內(nèi)部液滲透壓提高穩(wěn)定性

Fig.3 Adjust the osmotic pressure of internal solution to increase stability

堀場(chǎng)通過(guò)調(diào)整電極內(nèi)部液滲透壓的方法來(lái)解決這一問(wèn)題，我們采用了預(yù)先稀釋電極內(nèi)部液，使其濃度與現(xiàn)場(chǎng)的生物反應(yīng)池的鹽濃度相同，降低滲透壓，從而減緩電極內(nèi)部液的稀釋。我們測(cè)試比較了調(diào)整滲透壓和不調(diào)整滲透壓兩種方式對(duì)電動(dòng)勢(shì)變化的影響，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。調(diào)整前傳感器在100天后觀察到平均+27mV的電位變化，但是在調(diào)整后的傳感器在相同條件下的平均變動(dòng)被抑制在-3.9mV。

3.2 保護(hù)膜延緩應(yīng)答膜的腐蝕，延長(zhǎng)使用壽命

污水處理的生物反應(yīng)池中,有機(jī)物的降解主要靠微生物，微生物的濃度很高，很容易在電極的表面聚集形成生化膜。生化膜的存在影響傳感器的應(yīng)答膜,阻礙溶液中離子和離子電極內(nèi)部的物質(zhì)交換，會(huì)對(duì)響應(yīng)時(shí)間和測(cè)量結(jié)果造成影響。應(yīng)答膜的材質(zhì)為有機(jī)樹脂具有選擇透過(guò)性，具有能夠使離子保持高效傳輸?shù)奶匦?，但?yīng)答膜也會(huì)隨著時(shí)間而消耗，發(fā)生響應(yīng)延遲或性能劣化的情況。在生物反應(yīng)池中，一方面，隨著使用時(shí)間的增加，應(yīng)答膜本身就會(huì)緩慢地進(jìn)行自我分解消耗；另一方面，微生物的存在會(huì)加快應(yīng)答膜的分解，并且因此產(chǎn)生分解速度比起由于長(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致的自我分解要快得多,尤其是水中氨氮濃度較低時(shí)，應(yīng)答膜中的含氮物質(zhì)就會(huì)成為微生物的氮源，這是生物反應(yīng)池中傳感器的壽命縮短的主要原因之一,在污水處理的后段這種影響十分明顯。

為了解決這一問(wèn)題,在應(yīng)答膜的外側(cè)增加親水性保護(hù)膜，保護(hù)膜有選擇透過(guò)性，離子可以通過(guò)而微生物不能通過(guò)，見(jiàn)圖4。反應(yīng)池中的微生物多為疏水性，這樣就可以防止微生物在電極表面的附著，降低微生物對(duì)應(yīng)答膜的侵蝕，減緩離子電極應(yīng)答膜的劣化，延長(zhǎng)使用壽命。

圖4 保護(hù)膜對(duì)應(yīng)答膜的防護(hù)示意

Fig.4 The protection for the response membrane

3.3 超聲波清洗功能，延長(zhǎng)維護(hù)周期

響應(yīng)時(shí)間是傳感器的性能指標(biāo)之一。如果只是以在線監(jiān)測(cè)為目的，測(cè)試結(jié)果有一定的響應(yīng)延遲沒(méi)有什么問(wèn)題，但是如果是以控制目的的話，是不能無(wú)視響應(yīng)延長(zhǎng)的影響。如果在電極的應(yīng)答膜上有雜質(zhì)和微生物的附著，就會(huì)影響污水中離子到應(yīng)答膜的傳質(zhì)過(guò)程，進(jìn)而會(huì)影響到樣品水的離子到達(dá)應(yīng)答膜的需要時(shí)間，這是響應(yīng)延遲的一個(gè)方面。另外，即使我們?cè)趹?yīng)答膜外增加了保護(hù)膜，一定程度上防止了微生物的分解作用，但若是微生物接近了應(yīng)答膜,還是一定程度上影響離子的傳質(zhì)，導(dǎo)致響應(yīng)延遲。為了獲得更準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在線氨氮監(jiān)測(cè)設(shè)備的定期維護(hù)非常必要[9]。

為了解決這一問(wèn)題，堀場(chǎng)研發(fā)了具有間歇式發(fā)振功能的新型超聲波清洗器，見(jiàn)圖5。超聲波清洗器24h連續(xù)工作，在極短的周期內(nèi)采用間歇發(fā)振的工作方式，每個(gè)周期為7.5毫秒，防止因能量集中于一處而造成對(duì)電極的損害；發(fā)振頻率并非固定值，采用68kHz～72kHz的動(dòng)態(tài)可變發(fā)振范圍（見(jiàn)圖6），不會(huì)產(chǎn)生駐波對(duì)傳感器造成損傷，提高洗凈能力，與傳統(tǒng)的間歇式噴射型清洗器相比，清潔效果更為顯著。

另外，采用噴射型清洗需要水或空氣源，而且在清洗過(guò)程中儀器無(wú)法正常測(cè)量，因此必須在清洗過(guò)程中和清洗后的一段時(shí)間內(nèi)停止測(cè)量，保持輸出固定的數(shù)值。一般情況下清洗后有10~20min的保持輸出時(shí)間，如果反應(yīng)池在此期間氨氮和DO濃度發(fā)生改變，分析儀沒(méi)有準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)值輸出，自控系統(tǒng)將不能快速調(diào)整反應(yīng)池曝氣量。而超聲波洗凈器不需要水源和壓縮空氣源，只需要10VA左右的小功率電源即可工作，現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單方便，在清洗的過(guò)程中可以正常測(cè)量，及時(shí)、迅速地輸出測(cè)試結(jié)果，為自控系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖5 超聲波清洗器結(jié)構(gòu)圖

Fig.5 Construction of the ultrasonic cleaner

圖6 超聲波清洗器的發(fā)振頻率

Fig.6 Frequency of the ultrasonic cleaner

3.4 電極性能警報(bào)功能

另外，即使采用保護(hù)膜和加裝超聲波洗凈器來(lái)提高日常維護(hù)和清洗效率，傳感器還是會(huì)慢慢劣化。傳感器劣化的主要因素是響應(yīng)膜中某些成分的分解。堀場(chǎng)發(fā)現(xiàn)電極的劣化過(guò)程與響應(yīng)膜的電阻值變化有相關(guān)性，當(dāng)響應(yīng)膜的電阻值呈現(xiàn)斷崖式變化時(shí)，標(biāo)志電極的響應(yīng)膜中的有效物質(zhì)已消耗殆盡，電極將不能工作。因此堀場(chǎng)在氨氮傳感器上加載了自動(dòng)測(cè)量?jī)?nèi)部電阻的功能，并設(shè)定2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值表征電極的性能，見(jiàn)圖7。當(dāng)電阻值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值1時(shí)，表示電極已經(jīng)到臨界狀態(tài)，儀器輸出R3預(yù)警，提示用戶需要在1個(gè)月內(nèi)更換新的電極，此時(shí)電極還可以正常測(cè)量；當(dāng)電阻值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值2時(shí)，儀器輸出R4警報(bào)，提示用戶電極故障，已經(jīng)不能再正常工作，此時(shí)儀器保持輸出之前的測(cè)定結(jié)果。

對(duì)于在線監(jiān)測(cè)的分析設(shè)備，此項(xiàng)警報(bào)功能可以自動(dòng)對(duì)電極性能進(jìn)行劣化診斷，提高測(cè)試數(shù)值的可靠性。在傳感器故障之前和故障時(shí)發(fā)出預(yù)警和警報(bào)，從而避免突然的電極突然故障無(wú)法及時(shí)應(yīng)對(duì)，或需所需更換電極無(wú)庫(kù)存等風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 電極劣化程度警報(bào)功能

Fig.7 Alarm function of the electrode degradation

改造后HC-200NH在污水廠的應(yīng)用

4.1 序批式活性污泥法反應(yīng)池中的節(jié)能分析

在某污水處理廠的序批式活性污泥法（SBR）中，設(shè)置了堀場(chǎng)的雙通道變送器，并與其他測(cè)定指標(biāo)pH、ORP一起進(jìn)行了約半年的連續(xù)試驗(yàn)。

本次測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)SBR的運(yùn)行條件為：MLSS濃度約為6000mg/L、整個(gè)反應(yīng)周期時(shí)長(zhǎng)540分鐘、反應(yīng)時(shí)間305分鐘。反應(yīng)池內(nèi)設(shè)置雙通道變送器和pH，ORP分析儀器同時(shí)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。SBR各工序的時(shí)間序列見(jiàn)表1。進(jìn)水階段同時(shí)攪拌曝氣，曝氣方式采用水噴射式攪拌機(jī)攪拌。在進(jìn)水結(jié)束后的反應(yīng)工序采用間歇曝氣工藝，也是用攪拌機(jī)間歇進(jìn)行曝氣，一次曝氣結(jié)束后，靜止一段時(shí)間再進(jìn)行第二次曝氣。

表1 SBR工藝各工序的時(shí)間控制

Tab.1 Time process control of the SBR

SBR反應(yīng)器連續(xù)3天的測(cè)試數(shù)據(jù)，如圖8所示，該圖完整記錄了氨氮、pH、ORP、DO 4種參數(shù)在反應(yīng)器的進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水各工序的變化趨勢(shì)，從圖中可以看出對(duì)于每個(gè)周期，各組數(shù)值均有很好的再現(xiàn)性，和手工測(cè)試數(shù)據(jù)也有很好的相關(guān)性。而且氨氮和DO的電極反應(yīng)迅速，可以快速對(duì)反應(yīng)器中污水的濃度變化做出反應(yīng)。

圖8 SBR反應(yīng)器連續(xù)3天的測(cè)試數(shù)量

Fig.8 Three days monitoring data of SBR

SBR反應(yīng)器一天內(nèi)2個(gè)反應(yīng)周期的測(cè)試數(shù)值如圖9所示。從圖9中可以看出，氨氮濃度在進(jìn)水工序迅速上升，當(dāng)進(jìn)水結(jié)束后，開始反應(yīng)工序中的第一次攪拌曝氣時(shí)，反應(yīng)池中的氨氮濃度呈現(xiàn)迅速下降趨勢(shì)，在第二次攪拌曝氣的最初階段氨氮濃度降到低位，標(biāo)志著硝化作用幾乎結(jié)束，此時(shí)DO濃度低于1mg/L。圖8中所示的曲線清晰的將氨氮的硝化過(guò)程“可視化"，在反應(yīng)工序，曝氣時(shí)間設(shè)定為兩次間歇曝氣，但是在設(shè)定曝氣時(shí)間的一半時(shí)，氨氮已經(jīng)完成硝化過(guò)程，降到低位，出現(xiàn)俗稱的“氨谷"，反應(yīng)室內(nèi)已經(jīng)沒(méi)有可以降解的氨氮，因此可以減少曝氣量或者停止曝氣[10]。圖7中紅色箭頭標(biāo)注的A部是屬于過(guò)量曝氣階段，是曝氣時(shí)間和曝氣量可以調(diào)整的范圍。

圖9 SBR 2個(gè)反應(yīng)周期的測(cè)試數(shù)值

Fig.9 Two cycle monitoring data of SBR

實(shí)際上，通過(guò)對(duì)其他水質(zhì)條件如水量、排水限值等綜合分析，計(jì)算反應(yīng)池的負(fù)荷，預(yù)判排水是否可以達(dá)標(biāo)排放，并可以設(shè)定控制程序根據(jù)反應(yīng)池負(fù)荷的變化聯(lián)動(dòng)曝氣調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)排水水質(zhì)的穩(wěn)定、達(dá)標(biāo)。通過(guò)利用氨氮和DO聯(lián)合對(duì)曝氣量進(jìn)行控制，能實(shí)現(xiàn)污水廠的電耗削減30%以上[11]。

4.2 污水廠節(jié)能案例

設(shè)備儀表可以通過(guò)監(jiān)測(cè)提高控制的準(zhǔn)確性，提高處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性與高效性，節(jié)省人力與改善操作環(huán)境，進(jìn)而達(dá)到在出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放的前提下節(jié)省運(yùn)行成本。然而水廠的規(guī)模，管理，及自動(dòng)化水平的成本，導(dǎo)致了各水廠的能耗不盡相同。一般來(lái)講，污水處理廠規(guī)模越大，其年人均能耗及單位污水處理能耗就越低，我國(guó)污水處理的平均能耗為0.29～0.5KW·h/噸水[4]。

對(duì)不同的污水廠風(fēng)機(jī)的節(jié)能情況也不均相同，楊岸明[13]等研究的城市污水廠的風(fēng)機(jī)月均電耗由0.242kW·h/m3降低至0.218kW·h/m3，降低了9.7%；沈軍[14]研究在水質(zhì)凈化廠進(jìn)行節(jié)能改造后三個(gè)月內(nèi)曝氣環(huán)節(jié)電耗降低11.13%。下表列舉了采用氨氮和DO監(jiān)控進(jìn)行節(jié)能控制后，不同規(guī)模水廠風(fēng)機(jī)日均電耗的削減情況。

表2 不同規(guī)模水廠的風(fēng)機(jī)節(jié)能分析

Tab.2 The energy saving efficiency for different size of plants

另外，氨氮和DO雙探頭變送器還可以用于脫氮除磷工藝，可提高除磷效果，降低排放口的出水總氮濃度，降低pH值，減少中和藥劑用量，另一方面，控制風(fēng)機(jī)的曝氣量，使曝氣池的DO維持在合適的濃度，可以減少曝氣池N2O的排放量，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益雙贏[12]。

結(jié)論

為了適用于污水處理廠節(jié)能改造的需求，堀場(chǎng)升級(jí)改造了現(xiàn)有的氨氮在線分析儀，推出了氨氮和DO雙通道變送器，并且調(diào)整了電極內(nèi)部液的滲透壓，增加了電極保護(hù)膜，超聲波清洗和電阻監(jiān)測(cè)功能，這一系列的技術(shù)改進(jìn)使分析儀能保持快速響應(yīng)和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了電極的使用壽命，減少了用戶的維護(hù)作業(yè)。在SBR的反應(yīng)池的測(cè)試過(guò)程中，證實(shí)雙探頭變送器能快速，準(zhǔn)確的對(duì)反應(yīng)器中的濃度變化做出反應(yīng)，可以客觀的展示污染物降解的整個(gè)過(guò)程，為曝氣風(fēng)量的調(diào)節(jié)和曝氣時(shí)間的控制提供參考，并能為節(jié)能控制提供準(zhǔn)確可靠的測(cè)試數(shù)據(jù)。根據(jù)在不同規(guī)模水廠的應(yīng)用分析，對(duì)于不同的規(guī)模均能達(dá)到一定的節(jié)能，但是水廠規(guī)模越大，節(jié)能越明顯。

氨氮和DO雙通道變送器為不同規(guī)模水廠提供了便捷的監(jiān)測(cè)途徑，同時(shí)為污水處理過(guò)程的多參數(shù)調(diào)節(jié)、控制提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。堀場(chǎng)未來(lái)將在污水處理的脫氮除磷和減少溫室氣體排放方面進(jìn)行更深入的研究，為我國(guó)的環(huán)境保護(hù)事業(yè)貢獻(xiàn)自己的一份力量。

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