生物池儀表及自控系統(tǒng)設計分析

李浩

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢430000）

生物池是水處理工藝中的重要環(huán)節(jié)，生物池運行控制水平直接關系到全廠運行狀況。近年來，隨著“智慧水務”、“精確控制”等技術的普及，對生物池儀表和自控設計提出了更高要求，生物池也是自控儀表設計中最為核心和復雜的單體之一。本文所討論生物池為常見的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，可對污水進行脫氮去磷處理，并有效地除污水中的有機物質。

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。

微生物細胞吸收污水中的能溶解性的有機物，使其中BOD濃度降低。部分有機物能進行氨化反應，可以將有機氮氨化成氨氮。

參數(shù)要求：（1）為保證厭氧環(huán)境，ORP 值應小于-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)氮對厭氧釋磷的生化反應產(chǎn)生的影響。（3）應每隔一段時間檢測生物池厭氧區(qū)硝態(tài)氮和磷酸鹽濃度，同時分析ORP 值，作為評估生物池厭氧區(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)的反硝化細菌利用污水中的有機物作為營養(yǎng)物質（碳源），在不足的情況下可能需要補充碳源，與硝態(tài)氮（來自好氧區(qū)內(nèi)回流）通過生物反硝化作用，轉化成NH3 逸入大氣中，從而達到脫氮的效果。

參數(shù)要求：（1）為保證缺氧環(huán)境，ORP 值應為-50～110mV。對于反硝化反應，在氧化條件下速率更快，更充分。（2）為嚴格保證缺氧環(huán)境，溶解氧保持在0.2mg/L 以下。（3）應每隔一段時間檢測缺氧區(qū)硝態(tài)氮濃度，同時分析ORP 值，作為評估缺氧區(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)，通過硝化作用，硝化細菌將污水中的氨氮及有機氮氨化成的氨氮轉化成硝態(tài)氮。

聚磷菌從污水中吸收過量的正磷酸鹽，以合成新的細胞，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，可通過提高溶解氧濃度和污泥濃度，提高生物池的硝化能力。（2）應定期分析好氧區(qū)溶解氧濃度、氨氮及其他工藝原理指標，評估好氧區(qū)的生化反應效果。

2 生物池控制參數(shù)及方案

2.1 生物池相關參數(shù)

（1）水溫：環(huán)境溫度與微生物的生存活動息息相關。對于脫氮過程，溫度對脫氮效果影響較大，硝化反應的適宜溫度為20～30℃，而反硝化反應的溫度在5～40℃范圍內(nèi)均可。因此，20～30℃污水處理的最事宜的溫度，硝化反應和反硝化反應都是有利的。（2）PH 值：PH 值與微生物的生存活動也有著重大影響。硝化菌易受PH 值的影響，一般應保持PH 值在7～8 之間，PH＜6.5 時影響嚴重，處理效率下降。反硝化反應的適宜PH 值為6.5～7.5，PH 值＞8 或＜6 時，反硝化速率迅速下降。（3）污泥濃度（MLSS）：當進水水質有機物含量增高時，應提高MLSS 以增大生物池內(nèi)微生物量，處理增多的有機污染物，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）：是指生物細胞在生物池平均停留的時間，由于生物池污泥量會因為沉淀不斷增加，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穩(wěn)定。對于除磷，好氧區(qū)聚磷菌吸磷量大于厭氧區(qū)聚磷菌釋磷量，通過剩余污泥排放即可實現(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。但是泥齡過短，為了維持生物池污泥濃度，回流污泥增多，釋磷過程所需的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磷的過量攝取，會降低磷的去除率。對于脫氮，泥齡反應了硝化菌在生物池內(nèi)停留的時間，泥齡必須要大于最小世代時間，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水量的比值。外回流比對生物除磷效果有較大影響，當R 值較高時，會加快生物池的剩余污泥的排放，有利于除磷。但過高的R 值會使大量的硝酸鹽同回流污泥流至厭氧區(qū)，硝酸鹽能夠促進反硝化菌的增長，從而造成大量的反硝化菌與聚磷菌爭奪營養(yǎng)物質（碳源），抑制聚磷菌的生長和磷的釋放，最終導致后續(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)的流量與進水流量的比值。當RI 值較高時，反硝化越充分，脫氮效果越好，但RI 值過高時，會導致缺氧區(qū)的溶解氧溶度升高，不利于反硝化反應，降低脫氮的效果。在污水處理過程中，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，而脫氮則主要在生物池內(nèi)完成的，可以適當降低生物池對除磷的要求，著重關注生物池脫氮效果。

在生物池的脫氮除磷過程中，生物池各項控制項參數(shù)是相互制制約，為使整個系統(tǒng)達到最佳效果，需在生物池工藝流程中檢測各項參數(shù)，對控制系統(tǒng)進行不斷調(diào)試才能達到最佳效果。

2.2 生物池控制方案

在自控設計中，生物池的自控關鍵在于外回流控制、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行計算，得到回流比后，根據(jù)進水量計算出實際所需污泥回流量，再根據(jù)該數(shù)值對污泥回流泵的運行臺數(shù)、啟停及轉速進行實時控制。（2）內(nèi)回流控制方案：通過進水水量、缺氧區(qū)ORP 值、硝態(tài)氮濃度得到內(nèi)回流比，根據(jù)內(nèi)回流比和進水流量對內(nèi)回流泵的運行臺數(shù)、啟停及轉速進行實時控制。（3）曝氣控制方案：曝氣系統(tǒng)的控制參數(shù)主要為鼓風機的轉速，主要控制對象為鼓風機。每臺鼓風機有對應的鼓風機控制柜，控制柜可以根據(jù)溶解氧濃度、氣體流量計反饋信號作為重要依據(jù)，計算當前所需曝氣量，進而對鼓風機進行實時控制。

由于鼓風曝氣系統(tǒng)的能耗是污水處理廠能耗的主要組成部分，如果能對曝氣進行合理分配，避免過度曝氣，不僅可以大大降低全廠能耗，還可以達到更佳的曝氣效果。因此對于規(guī)模較大的廠區(qū)，可以對生物池的好氧區(qū)進行再分區(qū)，分區(qū)越多，曝氣越精確，曝氣分配越合理。

對于分區(qū)曝氣系統(tǒng)，通過以每個區(qū)域溶解氧濃度作為依據(jù)，計算出每個區(qū)域所需曝氣量，將總數(shù)值反饋給鼓風機，結合出風管上氣體流量計所測實際流量，對總的鼓風量進行實時控制。對于各個區(qū)域，調(diào)節(jié)對應閥門（FM），可實現(xiàn)對每個區(qū)域風量的精確控制。如圖2 所示，圖中對好氧區(qū)分了三個區(qū)域，每個區(qū)域含有一個曝氣支管，調(diào)節(jié)閥可分別對每個區(qū)域調(diào)整曝氣量。

3 生物池儀表設計

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

（1）對于無人化、智能化要求較高的廠區(qū)，生物池每個區(qū)域儀表可設置如下：厭氧區(qū)：污泥濃度、硝態(tài)氮濃度、磷酸鹽濃度和ORP 檢測儀；缺氧區(qū)：硝態(tài)氮濃度和ORP 檢測儀；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儀。（2）對于常規(guī)的廠區(qū)，由于磷酸鹽濃度、硝態(tài)氮濃度、氨氮濃度在線檢測儀價格較高，且這些儀表并不參與自控系統(tǒng)實時自控，僅對生物池反應環(huán)境進行評估，可采取定期取樣檢測的方式進行數(shù)據(jù)采集（不計入自控工程量）。由于ORP 是生物生存的重要環(huán)境指標，厭氧區(qū)和缺氧區(qū)應設置ORP。生物池每個區(qū)域儀表可設置如下：厭氧區(qū)：污泥濃度和ORP 檢測儀；缺氧區(qū)：ORP 檢測儀；好氧區(qū)：污泥濃度和溶解氧濃度檢測儀。

4 結論

關于生物池的檢測儀表種類雖然眾多，但參與自控的儀表并不多。針對生物池儀表設計時，可根據(jù)工藝原理和自控原理需求，結合廠區(qū)實際情況，選擇合理的在線檢測儀表。