陈炀
上海环安环境管理有限公司 上海市 200333
摘要：本文主要介绍立式翼轮搅拌机和自动加药系统协同运行后对缺氧池工艺运行优化和节能效果提升的分析和研究。由于进水负荷偏高、碳氮比较低、缺氧区搅拌混合效果差而且能耗高、人工定量投加碳源难以做到精准精细投加等，导致污水处理厂出水总氮连续达标稳定性不高而且要承担的较高动力电费和碳源药剂费。因此需要进行必要的工艺优化和改造，本次工艺优化重点针对缺氧池搅拌系统和碳源加药精准方式进行研究和探索的。论文选取污水厂缺氧池工艺运行参数的稳定性和运行成本的经济性作为研究对象，论证和探索其对缺氧池反硝化环境的稳定性和脱氮运行成本节约空间。
工艺运行优化一方面采用立式翼轮搅拌机，安装方便无需停产，设备装机功率低，运行效率高，运行后缺氧池不同深度下污泥浓度基本保持一致，偏差很小。另一方面同步将传统人工定量投加碳源方式更换为DN-RTC反硝化碳源优化自动控制系统单池投加，该系统能够依据缺氧池反硝化进程对碳源的实际需求量进行实时检测和自动反馈，即“按需分配和供给”。二者协同运行能进一步稳定缺氧池DO和ORP数值，使得缺氧区缺氧反硝化效果更加稳定。从而提高了总氮处理效果和达标稳定性，又能实现能耗节约，整体达到污水厂经济运行和节能降耗的目的。
关键词：反硝化脱氮；混合搅拌能耗；精准加药；经济运行；达标稳定
前言
污水厂缺氧池池型呈正方形。缺氧池内起初并列安装两台5.5千瓦的搅拌机（池边角安装）。自建成运行以来，缺氧池运行效果相对较差，中心区域容易产生底部积泥，泥水混合不均，容易形成短流。反硝化效果难以达到理想状态，混合搅拌能耗也较高。同时由于进水碳源相对不足，为保证总氮达标需要人工定时定量投加足量碳源。期间会出现反硝化系统脱氮效果不稳定和碳源药剂投加过量现象。为彻底改善缺氧池工艺运行效果和降低缺氧池混合搅拌能耗，需要进行必要的改造才能提高混合搅拌和反硝化效果。通过增加碳源自动投加控制系统，实现精准精细投加，既要保证总氮稳定达标，又要实现药剂节约，从而达到污水厂经济运行和节能降耗的目的。
1 改造前工艺运行现状
某污水厂日处理能力3万吨/日，采用改良A2O+超滤膜工艺。生化池共有两个系列，工艺流程为：预缺氧-厌氧-缺氧-好氧区-二沉池，出水执行国家一级A的排放标准。生化池缺氧区规格为27×24.5×5m。
TN去除主要依靠反硝化细菌在缺氧池将硝酸盐还原为氮气，反硝化过程中对碳源的要求是BOD/TN>3～5时，即可认为碳源充足，不用投加碳源；对缺氧池溶解氧的限值要求是小于0.5mg/L[1]。
在实际运行中发现，进水碳源的投加量多少也会影响到溶解氧。同时，为保证充分反硝化脱氮效果，该污水厂日常运行控制好氧池污泥浓度在5000-6000mg/ L,混合液回流比控制在270%-300%左右；缺氧池DO均维持0.5mg/ L以下；出水氨氮基本维持在1mg/ L以下。由于进水C/N年平均在2.5-3.2，相对较低，不外加碳源出水总氮浓度难以稳定在15mg/L以下。经统计，日平均投加25%的醋酸钠在100mg/L左右，投加量较大。针对缺氧池反硝化效果不理想的问题，对于投加碳源通过自动加药系统，实现精准精细投加，既保证总氮稳定达标，实现节约运行成本。
2 具体实施过程
2.1 缺氧区搅拌机改造，实现均匀混合和降低搅拌能耗
由于缺氧池构筑物已经建设完成，现对缺氧池搅拌机安装位置进行调整，在缺氧池中心区域安装。重新选型为立式翼轮搅拌机，采用不锈钢大桨叶低速搅拌，低能耗变频控制运行。运行后不断提高缺氧池搅拌混合效果，可以保证泥水混合均匀。（缺氧池布局见下图1）
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（1）安装后运行效果评估
缺氧池更改造后，缺氧池中心区域底部累积大块厌氧黑色污泥全部搅拌浮到水面上，效果非常明显。底部沉积腐化污泥被逐步搅拌混匀，死区明显减少；对缺氧区五个点位（如上图1示意图）进行检测不同水深下DO、ORP如下表1。
表1 搅拌机改造期间数据跟踪检测表
检测
值
点位 检测日期
9.28
（改造前） 9.29
（试运行前1天） 9.30
（试运行第1天） 10.10
（试运行第11天） 10.20（试运行第21天）
ORP（mV） DO（mg/L） ORP（mV） DO（mg/L） ORP（mV） DO（mg/L） ORP（mV） DO
（mg/L
） ORP
（mV
） DO（mg/L）
1 40 0.63 70 0.63 52 0.69 75 0.28 40 0.2
2 36 0.68 82 0.87 50 0.7 75 0.29 41 0.23
3 44 0.61 48 0.66 51 0.64 72 0.25 36 0.25
4 47 0.57 69 0.58 53 0.64 69 0.23 39 0.25
5 38 0.59 74 0.61 54 0.67 70 0.27 42 0.22
最大值 47 0.68 82 0.87 54 0.7 75 0.29 42 0.25
最小值 36 0.57 48 0.58 50 0.64 69 0.23 36 0.2
平均值 41 0.62 69 0.67 52 0.67 72 0.26 39.6 0.23
差值 11 0.11 34 0.29 4 0.06 6 0.06 6 0.05
由上表可知：搅拌机改造前各点位ORP波动差值在11-34mV之间,DO在0.11-0.29mg/L之间，各点位DO和ORP数据偏差较大；改造后，各点位ORP波动差值在6mV以内,DO在0.05-0.06mg/L之间，环境工况相对稳定。
汇总污泥浓度平均值对比曲线如下图2：
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由上图可知，搅拌机安装运行一周后连续检测不同水深污泥浓度变化，缺氧池底部污泥浓度与表层污泥浓度相差将近300-400mg/L，还存在一定差异。运行将近一个月后检测缺氧池不同水深下污泥浓度的变化，缺氧池底部、中间和表层污泥浓度基本上一致，相差在100mg/L以内。综上，改造后基本实现各区域污泥浓度搅拌均匀，混合效果较好，有利于缺氧池反硝化工艺的控制，运行稳定。
（2）经济运行情况对比
经过现场反复测试，与原搅拌器对电耗和维护保养费进行对比，如下：
①年度搅拌机混合搅拌电耗节约约56%，目前实际运行电流在4A-5A,均在额定电流6.9A范围内。初步测算，日节约电量337度，缺氧池搅拌机年度电费节约9万元左右。
②立式翼轮搅拌机维护费较少，原搅拌机大修保养费很高，更换后搅拌机年度大修维护费有一定下降。
③原有搅拌机搅拌功率为3.6W/m3,更换后降低到1.5W/m3；
④一次性投资费用较高，年化回报周期在5.9年，运行维护操作方便。
表2 设备购置及安装费用对比
设备名称 设备购置费（万元） 安装运输费（万元） 设备购置总费（万元） 年化投资回报周期(年) 投资增加费用与运行节约费用扣除后回报周期
原有搅拌机 26 4 30 / /
立式翼轮搅拌器 48.8 6.6 55.4 5.9 2.3
表3 电量节约计算表
设备名称 实际运行功率（千瓦） 数量 日消耗电量（度） 年消耗电量（度） 年度节约电费（度） 年度节约电费（元） 搅拌功率（W/m3）
原有搅拌机 5.8 4 557 203305 / / 3.6
立式翼轮搅拌器 2.5 4 240 87600 115705 92564 1.5
备注：
1.工业用电单价按照0.8元/度计费；
2.搅拌功率=实际运行功率?缺氧池容积（3240m3）
2.2 精准精细控制碳源投加量，实现总氮低成本稳定达标
选择北侧处理线（靠近碳源投加系统一侧）作为测试对象，分别将DN-RTC反硝化碳源优化控制系统及N-RTC硝化实时溶氧系统在本项目中测试。
2.2.1 系统运行过程分析
20天的前期调试后，反硝化模块于8月17日正式开始介入运行。图中上侧为8.17-9.20碳源投加泵的投加量曲线；下面为缺氧池末端硝氮氮的曲线，其中橙色的线表示设定值。下图中超过设定值的硝氮浓度，碳源投加泵将启动投加碳源，而当硝氮浓度低于设定值时，反硝化模块控制投加泵及时停止投药，整个过程中反硝化模块的响应具有很高的灵敏性。
从8月22日16:00起，硝氮数值不断上升，于24号5:30达到最高值，在此期间系统基本维持满量程加药量；随后硝氮数值呈快速回落趋势，此时系统稍微降低了给药量；24号14:00左右硝氮数值再次出现上升趋势，此时系统迅速反应，给出了适当的加药量信号，直至20：25左右，硝氮数值开始低于设定值，此时系统停止给出加药信号。
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由上可知，DN-RTC系统根据处理水量、缺氧池出口硝酸盐浓度，并结合内置计算模型和硝氮目标设定值（8mg/l），实时计算所需投加的外加碳源，实际硝酸盐浓度几乎接近目标值。运行状况和灵敏度可以满足现场对外加碳源投加量控制的要求。
2.2.2 空白对照数据分析
由于一期生化池南、北两侧池体分别运行。在北侧DN-RTC控制碳源投加，南侧维持原有人工手动投加。经过一个月运行比较南北生化池出水TN的情况。北池出水TN全部达标。南池当进水TN浓度波动较大（23.5mg/L-42.4mg/L）时，南池的现场工艺人员未能及时或准确作出判断时，则南池会存在出水TN超标情况（8月24日、8月29日和9月20日），当工艺人员发现即将超标或已经超标时，人为将加药量调大却又出现加药量过量情况，人为把控调整药量的幅度难以准确定量。
图5 试验期间自动加药系统与人工手动加药量同步对比曲线图
2.2.3DN-RTC系统运行后加药量对比分析
北侧、南侧生物池加药均为25%的醋酸钠液体，北侧生物池出水TN浓度稳定达标，日均外加碳源投加量0.96t/d，总氮平均值11.9mg/l；南侧生物池现场原本手动控制外加碳源投加，日均投加量在1.31t/d，总氮平均值为12.4mg/l，存在间歇性存在短期超标情况。
综合估算，DN-RTC系统运行后，从9月1日到11月30日运行三个月内，北池自动投加较南池手动投加节约药剂量91*（1.31-0.96）=31.8吨，节约药剂成本费=31.8*1450=4.6万元。在确保TN稳定达标前提下，外加碳源的节约率在26%左右。如遇到进水总氮浓度波动较大情况，DN-RTC系统碳源节约率将更加明显。
DN-RTC系统自运行后，可根据处理水量及硝酸盐反馈浓度，实时调节外加碳源投加量，能够实现实时优化控制总氮。确保总氮浓度稳定达标，且药剂精细精准。
3 结论
针对污水厂缺氧池反硝化效果差和混合搅拌能耗高的情况，经过改造后，缺氧池泥水混合均匀、充分。能耗由原来3.6W/m3降低到1.5W/m3,电费年度节约明显（9万元）。通过将传统人工定量投加碳源方式更换为DN-RTC反硝化碳源优化控制系统自动单边投加，结合空白对照实验数据对比分析，碳源药剂量节约率达26%左右，系统运行稳定，同时污水厂出水总氮达标更加稳定。建议这些工艺优化和节能降耗的经验在其他有需要的污水厂可以推广。
参考文献
[1]张自杰，林荣忱，金儒霖．第四版．北京；中国建筑工业出版社，2000