HORIBA對現(xiàn)有的氨氮分析儀HC-200NH進(jìn)行升級改造,，推出了氨氮和DO雙通道變送器，并對探頭的性能進(jìn)行改進(jìn),，增加了清洗功能,。通過在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。
隨著我國城市人口的逐年增長,、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)營過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,，國家正加大力度對各種污染物進(jìn)行減排和治理,。污水生物處理離不開供氧，我國污水和廢水的年排放總量已經(jīng)超過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,。在污水的生物處理過程中,，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較大等問題[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，并通過鼓風(fēng)機(jī)和閥門的聯(lián)動調(diào)節(jié),，來保證曝氣池的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]，其控制過程見圖1,。Fig.1 DO + ammonia nitrogen aeration volume control system堀場公司針對污水廠節(jié)能降耗的需求,，對現(xiàn)有的氨氮分析儀進(jìn)行升級改造，推出了氨氮和DO雙通道變送器,，見圖2,，可通過同時(shí)測量氨氮和DO實(shí)現(xiàn)聯(lián)動控制風(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,。
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,，離子的定向移動產(chǎn)生相應(yīng)的電動勢，通過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)確的測試結(jié)果,。變送器可以提供自我診斷功能,，對于各種故障和異常都會發(fā)出警報(bào)，方便現(xiàn)場操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行排查,。為了滿足在污水廠惡劣水質(zhì)中的應(yīng)用,，堀場對傳感器做出如下改進(jìn)，以提高測試的準(zhǔn)確性,，保持較快的響應(yīng),，并延長電極使用壽命。3.1 調(diào)整電極內(nèi)部液滲透壓,，提高長期穩(wěn)定性傳統(tǒng)的氨氮離子電極在線連續(xù)測量時(shí),，具有傳感器壽命短,、測量值漂移大等問題，產(chǎn)生這一問題的主要原因是離子電極內(nèi)部液在使用過程中被稀釋了,。通常為了減小溫度補(bǔ)償誤差,，一般會將離子電極的內(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)動下會進(jìn)入到高濃度的溶液中,，內(nèi)部液會被逐漸稀釋，導(dǎo)致測試數(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堀場通過調(diào)整電極內(nèi)部液滲透壓的方法來解決這一問題,，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。我們測試比較了調(diào)整滲透壓和不調(diào)整滲透壓兩種方式對電動勢變化的影響,，測試結(jié)果見圖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被抑制在-3.9mV,。3.2 保護(hù)膜延緩應(yīng)答膜的腐蝕,，延長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，會對響應(yīng)時(shí)間和測量結(jié)果造成影響,。應(yīng)答膜的材質(zhì)為有機(jī)樹脂具有選擇透過性,，具有能夠使離子保持高效傳輸?shù)奶匦裕珣?yīng)答膜也會隨著時(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)答膜本身就會緩慢地進(jìn)行自我分解消耗；另一方面,，微生物的存在會加快應(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)膜有選擇透過性，離子可以通過而微生物不能通過,，見圖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,，降低微生物對應(yīng)答膜的侵蝕,，減緩離子電極應(yīng)答膜的劣化，延長使用壽命,。圖4 保護(hù)膜對應(yīng)答膜的防護(hù)示意Fig.4 The protection for the response membrane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)測為目的,，測試結(jié)果有一定的響應(yīng)延遲沒有什么問題,，但是如果是以控制目的的話，是不能無視響應(yīng)延長的影響,。如果在電極的應(yīng)答膜上有雜質(zhì)和微生物的附著,，就會影響污水中離子到應(yīng)答膜的傳質(zhì)過程，進(jìn)而會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，即使我們在應(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)測數(shù)據(jù),，在線氨氮監(jiān)測設(shè)備的定期維護(hù)非常必要[9]。為了解決這一問題,，堀場研發(fā)了具有間歇式發(fā)振功能的新型超聲波清洗器,，見圖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電極的損害,；發(fā)振頻率并非固定值,，采用68kHz～72kHz的動態(tài)可變發(fā)振范圍（見圖6），不會產(chǎn)生駐波對傳感器造成損傷,，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,，而且在清洗過程中儀器無法正常測量，因此必須在清洗過程中和清洗后的一段時(shí)間內(nèi)停止測量,，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,，分析儀沒有準(zhǔn)確的監(jiān)測數(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)場安裝簡單方便,，在清洗的過程中可以正常測量,，及時(shí)、迅速地輸出測試結(jié)果,，為自控系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù),。Fig.5 Construction of the ultrasonic cleaner Fig.6 Frequency of the ultrasonic cleaner另外，即使采用保護(hù)膜和加裝超聲波洗凈器來提高日常維護(hù)和清洗效率,，傳感器還是會慢慢劣化,。傳感器劣化的主要因素是響應(yīng)膜中某些成分的分解。堀場發(fā)現(xiàn)電極的劣化過程與響應(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,。因此堀場在氨氮傳感器上加載了自動測量內(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定結(jié)果,。對于在線監(jiān)測的分析設(shè)備,，此項(xiàng)警報(bào)功能可以自動對電極性能進(jìn)行劣化診斷，提高測試數(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法及時(shí)應(yīng)對，或需所需更換電極無庫存等風(fēng)險(xiǎn),。Fig.7 Alarm function of the electrode degradation4.1 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)置了堀場的雙通道變送器，并與其他測定指標(biāo)pH,、ORP一起進(jìn)行了約半年的連續(xù)試驗(yàn),。本次測試現(xiàn)場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)對水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測,。SBR各工序的時(shí)間序列見表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,。Tab.1 Time process control of the SBRSBR反應(yīng)器連續(xù)3天的測試數(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,，從圖中可以看出對于每個(gè)周期，各組數(shù)值均有很好的再現(xiàn)性,，和手工測試數(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天的測試數(shù)量Fig.8 Three days monitoring data of SBRSBR反應(yīng)器一天內(nèi)2個(gè)反應(yīng)周期的測試數(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,，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)完成硝化過程,，降到低位,，出現(xiàn)俗稱的“氨谷"，反應(yīng)室內(nèi)已經(jīng)沒有可以降解的氨氮,，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)周期的測試數(shù)值Fig.9 Two cycle monitoring data of SBR實(shí)際上,，通過對其他水質(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),。通過利用氨氮和DO聯(lián)合對曝氣量進(jìn)行控制,，能實(shí)現(xiàn)污水廠的電耗削減30%以上[11]。設(shè)備儀表可以通過監(jiān)測提高控制的準(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,，及自動化水平的成本,，導(dǎo)致了各水廠的能耗不盡相同。一般來講,，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，我國污水處理的平均能耗為0.29～0.5KW·h/噸水[4]。對不同的污水廠風(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],。
為了適用于污水處理廠節(jié)能改造的需求，堀場升級改造了現(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)和長期的穩(wěn)定性，延長了電極的使用壽命,，減少了用戶的維護(hù)作業(yè),。在SBR的反應(yīng)池的測試過程中，證實(shí)雙探頭變送器能快速,，準(zhǔn)確的對反應(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)確可靠的測試數(shù)據(jù),。根據(jù)在不同規(guī)模水廠的應(yīng)用分析，對于不同的規(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)測途徑,，同時(shí)為污水處理過程的多參數(shù)調(diào)節(jié),、控制提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),。堀場未來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，為我國的環(huán)境保護(hù)事業(yè)貢獻(xiàn)自己的一份力量,。
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