寧夏食品廠污水處理設備IC厭氧反應器廠家

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四類水體下的技術對策全文

 一、難點解析

2015年10月，醞釀已久的天津市污水處理廠出水排放新地標頒布實施，其中較北京地標對于TN的要求更為嚴格，如此大范圍嚴要求在國內是*。因為標準要求水質非常接近于地表水四類水質，因此慣稱類四類水體。

且不去分析標準本身是否合理，因為評論標準本身不是技術話題。那么，我們搞技術的人就要捫心自問了，新地標來了，我們如何應對？大幅度增加成本？不現實！采用超長工藝流程？不經濟！保守設計，少說話多干活？不擔當！其實說到底，對于新地標我們要解決的就是如何低成本的去實現，也就是我們常說的技術經濟可行性。

大話少說，直奔主題，先來數說達標難點。隨著“水十條”和新環保法的頒布，水質超標按日計罰和追究刑責堪稱嚴，又迎來新地標的實施可謂是雪上加霜。很多污水處理廠搞運營的朋友天天謹小慎微，寢食難安。污水處理廠又面臨進水水質水量多變，按照標準要求達到365天天天達標實為不易。新地標和原有標準以及地標水標準主要水質指標對比如下表：

1、COD

化學需氧量，出水中殘存的COD多為難降解成份，主要來源分兩個方面即微生物代謝產物、原水難降解成份，實踐表明微生物代謝產物貢獻值不足10mg/L，這一點在很多市政大型污水處理廠可以得到驗證，在來水條件好的情況下，經過二級生化以及三級加藥混凝、過濾處理后COD往往能夠降至10mg/L左右。那么COD的問題就簡化了，主要需應對來水中的難降解成份，而這些成份多來源于工業廢水，誠然對于污水處理來講源頭控制是的，但水來之則要安之，難降解COD如何解決，請繼續關注問題解決篇，且聽下回分解@！

2、BOD

我相信搞運行的人不會擔心BOD，因為活性污泥擅長消滅BOD，BOD甚至是大家心中的寶貝，BOD等于錢！是的，應該說BOD的達標不是問題。但是，為了TN的達標，很多設計者喜歡在三級處理段增設末端反硝化設施，這里需要投加大量碳源，也就是末端投BOD，于是問題來了，出水BOD的達標不是取決于二級生化段的運行優劣，而主要取決于末端反硝化段的投加量能否做到合理，筆者認為難！這好比用紗布兜細沙，你永遠阻擋不了沙子的穿透，這是自己在給自己設置絆腳石，這是必須要解決的問題！

3、氨氮

氨氮確實不是難題，水溫在10℃以上*壓力，還有認為氨氮很難的嗎？

4、懸浮物&總磷

絮凝劑可以同時去除總磷和懸浮物，因此此二位作為1個問題。運行經驗表明，普通的三級處理設施對此老兩位去除效果，懸浮物達到5mg/L以下，總磷達到0.2mg/L壓力不大，但絮凝劑確實是高成本，實際運行中應該適度增強二級生化段對于總磷的去除率。可以說大的困難是低成本化學除磷的方法。好在除磷藥劑費用還基本能夠控制在可接受的范圍，但新地表下懸浮物的達標仍存隱憂，隱憂還是來源于末端反硝化工藝，如反硝化濾池，反硝化濾池為了生物掛膜需要選用大直徑濾料，這便帶來了反硝化濾池過濾空隙當量的增大，這好比竹籃打水，濾池如果不保險了，懸浮物也便成了問題，這也是必須要解決的問題！

5、總氮

終于說到總氮了，標準制定者顯然充分考慮到了總氮達標的可行性。類四類和真四類的區別就是總氮，為什么從1.5mg/L放寬的10mg/L，而北京類四類地標實際總氮要求15mg/L，標準制定者為何對總氮放寬要求？顯然是因為總氮很難，確實很難，難題榜。前文所說的末端反硝化技術甚至不惜犧牲BOD和懸浮物指標來保總氮也是蠻拼的！總氮的達標，尤其總氮的低成本達標是否可行？且聽下文分解@！

二、現狀分析

首先引用一句名言——沒有無緣無故的愛，也沒有無緣無故的恨！感謝此言作者@！筆者與AAO工藝、多級AO工藝、反硝化濾池工藝等本無愛也無恨，下文如有傷及無辜，還望海涵，更加歡迎不同意見，可關注“水技術”后直接留言。

下面進入正題，包括生物膜法在內的活性污泥法等現有工藝類型看似千變萬化，實則只有三種類型，即好氧、缺氧、厭氧。好氧是存在分子態氧的狀態，可以測出DO值，DO大于零就是好氧，因為DO本身就是分子氧輸入與消耗動態平衡后剩余量的體現；缺氧是沒有或絕少存在分子氧但存在化合態氧的狀態；厭氧則是既沒有分子態氧也沒有化合態氧的狀態，理想的厭氧環境ORP（氧化還原電位）應達到-400mV以下。這一數值為經驗值，與大家分享，在此范圍內生物除磷效果。正是好氧、缺氧、厭氧在時間和空間上的排列組合產生了現有各類生物脫氮除磷工藝如：氧化溝系列、SBR系列、MBR系列、AAO系列、多級AO系列、SND（同步硝化反硝化）技術等等。實際萬變不離其宗，既然總氮居難題榜，這里就典型生物脫氮工藝AAO、多級AO、SND、反硝化濾池在新地標要求下存在的問題進行討論。

圖2-1 AAO工藝流程

AAO通過好氧段末端硝化液的回流至缺氧段實現生物脫氮。該工藝的總氮去除率受內外回流量的影響，若回流比r（回流量/進水量）為300%，外回流比R（外回流量/進水量）為100%時總氮理論大去除率為： E0=(R+r)/(R+r+1)=80%，但實際上內回流同時帶來氧氣回流，回流比越大氧氣回流也越大，實際工程運行中是無法達到理論去除率的，實際運行中總氮去除率一般只能達到40-60%。

圖2-2 多級AO工藝流程

多級AO工藝將進水段分為若干個，每一段進水中的碳源用于完成前一段硝態氮的反硝化，以四段進水為例，假設平均每段進水25%，為減少總氮放棄率，第四段可適當減少配水比例，但為了保證對前一段硝態氮進行充分反硝化，也不宜過少，如果配水20%，這20%水中的TN將面臨沒有反硝化段對其進行脫總氮的尷尬，因此末點配水就意味著這部分TN的放棄，刻意減少配水量比如10%又會造成對前一段反硝化的不*，實際運行中總氮去除率一般只能達到70-80% 。

SND從技術層面可以說是偉大的發現，但是其工藝控制要求非常嚴格，在實際工程應用中也就大打折扣。但SND所發現的好氧反硝化現象卻非常值得深入研究并已有重大突破，在此埋一伏筆，且聽后文詳解@！

反硝化濾池工藝的問題在第1篇中已有說明，這里不再贅述。

至此，有必要引出兩個概念：碳源利用率和總氮放棄率。

碳源利用率：生物脫氮所涉及到的主要成本是鼓風電耗和碳源藥耗成本。可以認為凡是DO直接氧化rbCOD（易降解COD）就造成了上述兩種成本的同時增加。那么，生物脫氮工藝的化目標應該是*沒有rbCOD直接與氧氣反應和所有的rbCOD都用于反硝化，對于生物脫氮工藝的優劣也可通過與該目標的差距來考量。碳源的利用率就是rbCOD用于反硝化的比例。提高碳源利用率是工藝選型和運行管理兩個方面的事，應雙向努力，雙管齊下。可以認為在新地標要求下，過量曝氣和曝氣設備的粗放型控制是有罪的，但曝氣量關聯因素眾多并大多難以測準，在此背景下的曝氣量精確控制的實現則需采用模糊控制的手段。模糊控制具體說明將在問題解決篇詳述。

總氮放棄率：通俗來說總氮放棄率是指假設在碳源極大充足的情況下，工藝仍無法去除的總氮。總氮放棄率的存在是現有常用二級脫氮工藝的通病。這也是反硝化濾池流行的內在原因。

三、問題解決之總氮

先來算一筆賬，去除10mg/L總氮投加碳源（這里順便插曲說一下碳源，并無所指，盡義務爾！任何形式的碳源BOD/TN和BOD/TP都應該遠大于進水中的這兩項比值，并且難降解成份不宜太高，否則單看BOD、COD數值再高也是枉然！）的BOD當量至少30mg/L，以普遍使用的乙酸鈉為例，BOD有效量僅為40%，以2700元/噸計算噸水成本為0.2元，對于10萬噸/天規模的污水廠一天成本就是2萬元，一年七百余萬元！我堅信運營單位都是好人，但想必好人都會被餓死的，所以勸工藝設計者的事就不要做了。當然，后接純碳源缺氧段和好氧段對于某些缺少占地的改造項目也存在困難，這也是分離式硝化-反硝化的問題之一。

下面進入正題，在第2篇現狀分析中已經提到現有生化工藝的脫氮效率極限為80%，對于進水總氮大于50mg/L的污水廠達到類四類水體地標均無望！低成本的解決總氮從概念角度講是兩個方面：一要降低工藝對總氮的放棄率；二要提高來水中碳源的利用率。向剛才所說的分離式硝化-反硝化工藝做到了，總氮放棄率低了，但是第二點沒有做到，也就是來水中有部分碳源被浪費掉同時末端又要投加碳源，這是它的癥結所在。總氮放棄率和碳源利用率的概念請參見“水技術”公眾平臺分享的《類四類水體下的技術對策第2篇——現狀分析》。

好吧，干貨來了！好氧反硝化，雖然好氧反硝化現象在SND（同步硝化反硝化）的技術研究中已被發現，但這個意義上的好氧反硝化只是低氧環境下實現的，其實多數學者甚至認為這種反硝化只是發生在菌膠團內部無分子氧的微觀區域。偶然的機緣，與搞生物工程的草根聊到好氧反硝化，瞬間跨專業的結合的火花便產生了，原來搞個菌種分離對人家來說不叫個事@！通過對好氧反硝化菌種的深入研究，發現該菌種在一定條件刺激下會大幅度加速繁殖速率，而能夠完成好氧反硝化的酶系統要在好氧、缺氧交替的環境下才能*形成！那么，當好氧反硝化菌種的種群密度提高上來之后，神奇的現象便產生了，在DO達到2mg/L左右的好氧段居然發生著穩定而強烈的反硝化，其爭奪碳源的能力甚至高于普通的好氧異養菌，我們戲稱其為開著外掛的反硝化菌！

先來說說這一技術的實現方式，好氧反硝化來源于SND但與SND又有本質的區別，它的實現需要缺氧、好氧環境的交替，更像是多級AO工藝，工藝形式就是帶側流段的多級AO，因此命名為改良多級AO工藝，流程圖如下：

圖3-1 改良多級AO工藝流程示意圖

其中，側流段菌種選擇與分離器整體HRT小于1小時，因此改造難度非常低。在實際應用中通過菌種的一次性投放和持續側流強化培養，使其在生化系統中長期保持優勢地位，即可實現長期穩定的好氧反硝化。該工藝同時保留原有缺氧反硝化的脫氮能力，加上好氧反硝化的強化脫氮，大幅度降低了碳源的浪費也即提高了碳源利用率，同時大幅度降低了總氮的放棄率，姑且稱之為生物脫氮工藝中的生化工藝，如有更優工藝隨時讓賢@！

這項技術在某12萬噸/天的多級AO工藝中進行了生產性試用，同時與在進水水質*相同的情況下在同一廠內與普通多級AO工藝進行同步對比，從2013年11月至2014年8月試用期間9個月的運行數據如下：

如圖2，進水COD平均值283mg/L，BOD5平均值146mg/L，B/C平均0.52。

 圖3-2進水COD、BOD情況

如圖3，進水TN平均49mg/L，進水BOD/TN平均2.99，進水COD/TN平均5.78

圖3-3進水TN情況

  如圖4，改良多級AO工藝出水TN平均6.2mg/L；同樣水質對比普通多級AO工藝出水TN平均16.4mg/L。

圖3-4 出水TN情況

可見同等碳氮比條件下，改良多級AO具有如下優勢：

1、運行電耗更低，這得益于更多的硝態氮參與了反硝化，使得化合態氧氣更多的參與COD的氧化，從而節約了曝氣量。

2、改良多級AO較普通多級AO可以多脫除10mg/L的TN，相當于節約30mg/LBOD當量的碳源，以乙酸鈉計折合節約碳源*.2元/噸。

3、改良多級AO可使TN穩定達到10mg/L以下，而普通多級AO則無法突破瓶頸，而這一點比節約運行成本更為重要。

4、即使在不得不采用分離式硝化-反硝化工藝時，改良多級AO仍可以減輕純碳源反硝化段的壓力，從而降低電耗和碳源藥耗。

聲明：該技術已申請國家，同時澄清提高碳源利用率不等于*不需要外加碳源，當進水中碳氮比實在太低時外加碳源也是必要的，但同等條件下投加量是可以降低的！

俗話說好馬配好鞍，好的工藝設計還需要好的運行管理才能發揮出它大的效能，不同的運行管理者必然有不同的管理水平，能夠不斷集成進管理水平并普及應用的手段就是工業機器人。下篇預告《類四類水體下的技術對策第4篇——問題解決之運行智能化》！

四、問題解決之運行智能化

污水廠進水由提升泵提升，運行中進水泵的臺數在一天之內會有很大的變化，當進水泵數量變化時進水量也隨之變化。此外，進水水質受晝夜差距，工作日、休息日差距，以及個別偷排現象的影響也是隨時變化的。對于這些變化的進水參數，在新環保法按日計罰和超標可入刑的新形勢下，污水處理廠的運行壓力*增大，單純依靠工藝工程師每天上班時間對工藝參數的人工調節已經不能滿足新形勢下污水廠穩定達標的需求。

假設一個污水處理廠有一名非常優秀的工藝工程師，他上班時間可以把所有工藝調整到合理水平，但只要是人就需要休息，難以做到24小時不間斷調整，除非有2名甚至更多的優秀的工藝工程師輪班倒，這顯然不太現實，污水處理廠開的工資好像對這些優秀的工藝工程師也沒有那么大的吸引力，玩笑@！

那么問題來了，在人力資源有限的情況下如何實現污水處理廠的穩定運行？答案就是運行智能化，所謂運行智能化就是將工藝工程師對工藝的調整策略表達到電腦上，讓電腦代替人去執行工藝調整指令。在這一思路指導下，運行智能化走過了由精確控制到模糊控制的歷程，先說精確控制是符合常人思維的，大家都想嚴謹一些，精確一些再精確一些，但污水的特點就是不精確，每時每刻都在變化。從小的方面，比如某位同志某一天上火了或者好東西吃多了，那他們家排放的COD可能就會高一些，這種情況污水處理廠當然是無法預測的，再比如上游企業間歇性排放污水了，這種沖擊也是很難預料的。污水的復雜性決定了精確控制的目標實際很難實現，實際應用中也印證了這一點，很多依靠數學模型和大量在線儀表運算的精確控制系統在實際應用中都出現了難以穩定運行的尷尬局面，對于儀表完好率和準確度的依賴性*，對于來水變化的反應力很差。其實，工藝工程師在調整工藝時也并沒有進行太多精確計算，人的思維模式實際上是一種大局分析模式，簡單說就是對于某個工藝控制量人會比較容易作出該值是偏高了或偏低了的判斷，但究竟應該是多少往往是說不準的，但有這個判斷就夠了，俗話說蹚水試著來，偏高了往下調一點看看唄，對了，這就是模糊控制，把復雜的定量計算轉為簡易的定型判斷，然后再進行不斷的重復性調整，使得調整值不斷的向合理區間靠近，終便實現了相對的精確，只要這種相對精確能夠將水質控制在一定的范圍內那也就足夠了。

說了這么多廢話，終于隆重推出——工藝管理機器人（PMR系統），基本原理是基于控制工程領域的模糊控制理論，對于多變的或測不準的控制目標避開直接計算目標值，根據選定的在線調控因子對目標值進行模糊控制，通過數據選擇性采集、模糊化分析、解模糊和周期性調整，使得控制值不斷自動趨近于合理區間。這種控制方式與機器人制造時采用的模糊控制理論相同，因此也可稱為工藝管理“機器人”。這里需澄清機器人只針對工藝關鍵點，不等于無人值守。

PMR系統已發展包括了曝氣總量智能控制系統、曝氣分量智能控制系統、配水量智能控制系統、污泥回流量智能控制系統、加藥量智能控制系統、加氯量智能控制系統。這六種控制系統根據現場條件進行集成設置或分別設置均可，也可以部分設置發揮單項調控功能，同時支持云端管理、WEB發布和遠程調控功能，實現互聯網+智能管理。

PMR系統在污水處理廠整體自控系統中所處位置如下圖：

采用以太網通訊，即插即用，可以非常便利的在現有或新建污水處理廠應用。在實際應用的工程中，對于20萬噸/天規模的污水處理廠，達到一級A標準時每年節約運行成本達900余萬元，同時穩定的工藝參數也有效的促進了各項水質指標的穩定達標，實現達標與節能降耗的雙贏。由于模糊控制進行的是定性判斷，這一點使得系統對儀表的準確性和完好率的要求大幅度降低了，比如對于流量計的要求僅僅是水量增大的時候它測得數會變大，反之會變小就足夠了，至于它測量是否非常準確并不需要嚴格要求，降低對儀表的依賴帶來的直接好處就是系統的運行穩定性大幅度增強，同時也給儀表維修提供了便利，在實際應用中出現過儀表故障率達到50%的情況PMR系統仍可以穩定運行，這是常規精確控制系統所無法企及的。

PMR系統的WEB發布和云端管理功能可以使管理者通過電腦、等便利的訪問控制系統，隨時隨地參與工藝控制，也可以使水務集團的核心技術人員實行對全集團污水處理廠的集中掌控，更加有利于*技術的富集和更新，使得污水處理廠運行走上智能、高效、穩定、節能的康莊大道。

我們驚奇的發現原來污水廠也可以玩移動式辦公@！必須再次重申，智能化管理不等于無人值守，PMR只針對工藝控制關鍵環節，廠內設備設施維護、安保等工作還是需要考人員來完成，PMR雖然對在線儀表完好率要求降低了，但加入儀表全故障也是無法運行的，因此對于儀器儀表正常的維修保養也是必須的。

五、問題解決之COD

 今天主要談COD的解決方案，但在此之前必需要談一下人工智能與圍棋大師之間的對戰，人工智能已經獲得兩連勝，這說明人工智能在某一專門領域的能力是非常具有潛力的，有人因此而恐慌，我認為大可不必。比如汽車，現在人們都用，汽車在奔跑能力上早就超越了人類和任何一種生物，所以人類早就在體力方面輸給了機器，那么現在在智力方面輸給機器也是科技發展的必然結果了。這又好比將和王的區別，將在武力和用兵上往往強于王，但王卻可以牢牢控制住將，人工智能好比將，人類好比王，大家做好自己的王，不要隨便嫉妒將，各司其職，各取所長，在鳥盡那天之前弓還是要用的！

轉入正題，在第1篇中已經分析，COD主要難點在于難降解COD的去除，難降解COD又多為大分子，現有難降解COD去除主要包括高級氧化、活性炭吸附、水解酸化及其組合工藝。研究表明，高級氧化在成本可行的情況下實際上只能起到斷鏈和氧化個別發色基團的作用，如果使用高級氧化做COD*氧化其經濟性基本無法接受，折衷的辦法是高級氧化斷鏈后接活性炭吸附，活性炭的特點是擅長吸附小分子有機物，但這樣做的成本對于一些小規模工業水廠基本能夠接受，但萬噸級以上達到新地標*的廠將是巨大的挑戰。

那么COD低成本解決的出路在哪，給大家推薦一種新型吸附材料——生物焦！ 生物焦孔徑不固定，這決定了它對于各種分子量有機物均具有廣譜的吸附效果，同時可再生次數多，其運行和再生成本低于單活性炭吸附工藝，卻可以達到高級氧化+活性炭的去除效果，因此在新地標改造中具有巨大潛力。工藝流程如下：

該工藝應用于某含大分子有機物的化工企業廢水處理獲得了很高的COD去除效果，運行數據如下圖：

可以看出，COD去除率能夠穩定的達到50%以上，且運行成本低于0.1元/噸，對于大多數污水廠該工藝也可以作為應急工藝，正常COD利用生化處理能夠達標時該工藝可超越，如果來水產生較大沖擊可隨時啟用，以增大出水COD的穩定性。

六、整體解決方案

天津市新地標對脫氮除磷要求的提高以及大部分污水廠碳源的缺乏，在整體方案設計中降低碳源的浪費顯得非常關鍵，碳源浪費除前文中提到的過量曝氣消耗、氧氣回流消耗之外還有預處理段的消耗比如曝氣沉砂池預曝氣消耗、初沉池底部污泥帶走部分碳源消耗。因此在達到新標準的設計中，一級處理段應避免采用曝氣沉砂池，初沉池HRT可取較小值以減少有機成分的沉淀，使用改良多級AO時則可免去初沉池，進水SS尤其無機SS過高時初沉池則可正常設置。

二級處理段推薦工藝為改良多級AO，該工藝可非常便利的切入現有AAO、多級AO、SBR、CASS、氧化溝、MBR等工藝，改造成本較低，改造后對碳源的節約非常明顯，可有效降低運行成本。改良多級AO工藝也已被納入“天津節能環保技術超市”，并作為主推工藝。在輔助設施方面應設置配水量自動控制裝置以及曝氣量自動控制裝置，以提高工藝管理水平，提高處理水質的達標率和工藝的整體抗沖擊能力。建議設置PMR工藝智能管理系統，加強對工藝的科學控制，該系統成本回收期一般不超過1年，在節能和達標方面具有顯著的優勢。PMR技術也已被納入“天津節能環保技術超市”，并作為主推工藝。

三級處理段沒有了反硝化壓力可選工藝范圍變得更為寬廣，加藥除磷建議選在三級處理段，因為加藥除磷的同時可以去除SS一舉兩得。三級處理段加藥除磷時投藥量小，除磷效果好，運行中在生物池加藥除磷比三級處理段加藥除磷的加藥量要高2-3倍，因此從經濟性考慮三級處理段建議設置加藥絮凝反應、沉淀池。目前較為*的沉淀工藝已經可以滿足SS＜5mg/L的要求，此時可不必設置濾池。若采用普通沉淀池可設置沙濾或膜過濾以及其它形式的過濾工藝，關鍵因素為工藝的過濾孔徑當量夠用即可，傳統沙濾*可以滿足需求，膜過濾根據具體情況也可作為備選工藝，因為在末端采用膜過濾比在二級段采用膜過濾在水質保證和膜壽命方面都具有巨大優勢，整體成本也比用在二級處理段低得多。對于部分含難降解COD高、色度高的廠推薦采用活性焦吸附工藝，該材料對各種分子量有機物具有廣譜的吸附能力，吸附效果優于高級氧化+活性炭的組合工藝，運行成本低于單活性炭吸附，也可作為應急工藝，當上游受到高COD沖擊時可隨時投用，以備不時之需，生物焦工藝也已納入“天津節能環保技術超市”，并作為主推工藝。

“水技術”所推薦的新地標背景下的水質低成本達標整體解決方案如下圖：

圖6-1 整體解決方案

該方案在碳氮比（BOD/TN）大于2.5的廠，達到新地標*時的運行成本可與達到一級A標準持平，即使在碳氮比較低的廠也可以有效降低碳源投加量，較常規工藝可降低0.2元/噸*10mgTN的碳源成本，具有非常強的推廣價值。

該方案是新環保法、水十條、新地標、低價競爭背景下污水處理廠穩定運行達標的一劑良藥，實踐是檢驗真理的標準，希望這些技術應夠應用到更多的污水處理廠，為我國的水處理事業做出更多更大的貢獻！