AN-ISE氨氮/硝氮分析儀於縣市污水廠中節能降耗之應用
Source ： Hach China
作者： 陳烽棟、雷斌、趙延廣
1、背景
氨氮和硝氮是水中最重要的含氮污染物。由於水體富營養化的日益嚴重，特別是“水十條”的發佈，汙水處理廠對於脫氮的要求越來越嚴格，生物脫氮已經成為市政汙水處理廠工藝中首要考慮的問題之一。同時，汙水處理廠從自身的角度考慮，急需通過降低風機能耗等手段來降低運營成本。故而目前汙水處理市場各大水務公司均研發了針對生物脫氮，節能減排的自動化控制系統，如Hach公司的RTC系統，威立雅STAR系統等，其目的是在更好的達到法規規範的排放標準的前提下，能夠更精確的控制鼓風機能耗和藥劑消耗，以達到控制運營成本的目的。這些系統無一例外，均需要配置氨氮和硝氮的線上分析儀錶。
Hach公司擁有的多款不同測量原理的氨氮、硝氮線上分析儀，如逐出比色法（Amtax Compact II）、氣敏電極法（Amtax sc）、紫外吸收法（Nitratrax sc）以及離子選擇電極法（AN-ISE sc）。不同分析原理的線上分析儀都有各自的特點以及相應的應用領域，考慮到成本、線上控制方式等因素，離子選擇電極（AN-ISE sc）線上分析儀非常適合用於生物反應池中脫氮的程序控制。
2、實驗測試條件
我們選取了兩個市政污水廠進行測試實驗。這兩個市政污水廠均使用威立雅公司提供的精確曝氣系統，簡單的說，就是利用生物池中的DO、MLSS、氨氮、硝氮等線上監控值，來精確控制風機所提供的風量，以達到節約能耗的目的。AN-ISE分析儀線上監測的氨氮和硝氮值是該系統最重要的一個參數來源，對其自動控制有舉足輕重的作用。
通過AN-ISE分析儀的線上測量值與實驗室測定方法的對比，可以判斷AN-ISE分析儀的線上測量是否真實可靠，再通過對系統能耗的評估，來判斷其在汙水處理中，節能降耗所發揮的作用。
3、HACH解決方案可行性實驗
3.1 AN-ISE線上分析儀可信性分析
將AN-ISE線上分析儀安裝在汙水處理廠的曝氣池末端，分別記錄其線上分析儀測量值、以及對應時刻所取水樣通過實驗室方法（氨氮：納氏試劑分光光度法（HJ 535-2009）；硝氮：鉻變酸法（Hach方法號10020））的測定值。
下圖是測試污水廠1，2#曝氣池AN-ISE線上分析儀讀數與實驗室分析結果之間的對比。
從圖中我們可以很明顯的看出，無論是氨氮還是硝氮的曲線，線上分析儀的測量結果與實驗室分析結果基本能夠保持相對的一致性，偏差基本上都不超過±2mg/L，如果校準得當，在大部分時間段內，偏差都在±1mg/L。
由於線上分析方法（電化學法）與實驗室分析方法（分光光度法）二者在原理上的差異，所以其二者的測量值無法完全比對上。但是二者所反映的趨勢項目，數值偏差不大。所以在進行測試的兩個污水廠中，客戶均表示相同的觀點：AN-ISE分析儀的測量結果已經能夠反映曝氣池中氨氮及硝氮的濃度變化，完全能夠滿足客戶程序控制上的需求。
4、生物脫氮優化策略
生物脫氮的基本原理是通過活性污泥中的一些特定的微生物群體，在特點的環境下將水中的有機氮和氨氮轉換成氮氣逸出最終達到脫氮的目的。生物脫氮包括三個階段，首先氨化細菌將水中的有機氮轉化為氨氮，這個過程叫做氨化過程。其次，由硝化細菌在好氧的條件下將氨氮轉化為硝氮，稱之為硝化過程。最後，在反硝化過程中，反硝化細菌在缺氧的條件將硝氮轉化為氮氣，使其從水中逸出，達到脫氮的目的。
4.1 硝化過程優化
硝化過程由於需要好氧的條件，因此在一般的活性污泥工藝中，都設置了好氧池或好氧區，通過曝氣設備向水中充入大量空氣或氧氣，保證硝化過程的進行。在早期，汙水處理廠對於曝氣量的控制調整通常依據設計時的參數或經驗，這樣常常導致硝化的效率不穩定，時而不能達到要求，時而又曝氣過量。由於曝氣所需的電能占污水廠日常運行費用的很大部分，因此這種粗放型的控制方式會導致運行費用較高。當自動化控制逐漸被引入污水廠日常運行管理系統中後，逐漸出現了使用溶解氧線上分析儀在曝氣區域對曝氣量進行回饋控制，根據經驗值一般將水中溶解氧控制在2mg/L左右可以基本保證硝化反應的正常進行。但是，水中的溶解氧濃度只是保證硝化反應可以正常進行的一個外部條件，影響硝化反應的因素還有很多，包括pH值、溫度、有機物濃度、水力停留時間和污泥齡等，只通過溶解氧進行控制還是不能達到非常理想的效果。因此，為了進一步對硝化反應區的曝氣量作精細控制，又引入了氨氮線上分析儀與溶解氧線上分析儀進行聯合控制的理論。
對於大多數城市汙水處理廠，主要的曝氣能耗是氨氮的硝化因為大部分的可降解有機物已在反硝化過程中去除。氨氮在溶解氧的作用下轉化為硝氮的過程是整個脫氮工藝的限速步驟，污水中氨氮對溶解氧的需求直接反應了系統對溶解氧的需求。如圖 3所示，通過測得的氨氮濃度和溶解氧濃度，進行疊加控制。調節曝氣池總管上的空氣閥開啟度，控制供氧強度。濃度一般控制在2mg/L以下，以避免浪費能量。同時也避免由於溶解氧濃度過高而使大量溶解氧通過內回流帶入到缺氧區。
如圖 4所示，在硝化池末端安裝溶解氧和氨氮分析儀，對溶解氧和氨氮進行即時監控。當溶解氧濃度較高時，鼓風機降頻以節約能耗，其中氨氮濃度維持在一個相對穩定的水準上。
5.2 反硝化過程優化
反硝化過程由於需要在缺氧的條件下才能使反硝化細菌將硝氮作為電子受體，將其還原成氮氣，因此大多數的活性污泥工藝都設置了缺氧池或缺氧區，以完成反硝化反應。反硝化過程能否順利進行，除了要求有缺氧的環境，還需要充足的有機物作為反硝化細菌的碳源，才能獲得較高的反硝化速率。由於脫氮過程需要先進行硝化再進行反硝化，如果按照這個順序佈置構築物，當污水從硝化區流入到反硝化區時，大部分的有機物已經在之前的過程中都被降解了，往往沒有充足的有機物作為反硝化細菌的碳源，影響了反硝化過程的順利進行。為了解決這個問題，人們採用了兩種方法。一種是在反硝化區域人為地投加碳源，通常是以甲醇為主。另一種是改變工藝，將反硝化區域移至硝化區域的前端，使得污水先流入反硝化區域，保證了水中有較高的有機物可以作為反硝化細菌的碳源，另一方面，設置內回流管道，將硝化區已經硝化完成的含有大量硝氮的水回流至反硝化區，進行反硝化，實現最後的脫氮。如果投加碳源，則對於污水廠而言又增加了運行費用；如果不投加碳源，而採用反硝化前置的工藝，將硝化液內回流，則回流比是非常重要的參數，如果回流量過大，回流泵的電能消耗也是一筆不小的費用，同時還有可能因為碳源不足而無法將回流的硝酸鹽全部反硝化。如果只使用溶解氧和ORP線上分析儀對反硝化進行監測控制，則只能保證反硝化區域的溶氧環境適宜反硝化反應，但是無論是人為投加的碳源量，還是回流硝化液的回流比，都無法進行控制。因而引入了硝氮線上分析儀對反硝化的優化控制。
1反硝化過程優化控制策略：以硝氮濃度控制硝化液內回流
如圖所示，通過線上測定反硝化區尾部的硝氮濃度，在一定的範圍內調節內回流流量，使回流的硝氮恰好能與系統的反硝化能力相匹配，以力求最大程度地使硝化過程中產生的硝氮進行反硝化，同時也可避免不必要的回流，造成能量浪費和把大量硝化區的溶解氧通過內回流帶入反硝化區而影響反硝化效果。
2反硝化過程優化控制策略：以硝氮濃度控制外部碳源的添加
如下圖所示，硝氮線上分析儀設置在缺氧區（前置反硝化區）的最後一格內。根據所測得的缺氧區出水的硝氮濃度，結合測定的進水流量，即可調節內回流的流量。如果所測定的硝氮濃度呈上升趨勢，則表明所回流的硝氮可能由於進水碳源不足等原因超過了系統的反硝化能力，此時應增加碳源投加量，使反硝化過程所需的碳源更加充分，同時減少由內回流流量；反之，如硝氮濃度下降，則應降低碳源投加量，控制碳源消耗，並提高內回流流量，以最大程度地利用系統的反硝化能力將硝化區形成的硝酸鹽氮進行反硝化。
5.3 實際能耗節省
測試的兩個汙水處理廠均利用AN-ISE分析儀的測量值，來精確控制風機所提供的風量，以達到節約能耗的目的。目前由於總氮的排放優於排放標準，故並無投加碳源，並對硝氮進行太多優化和管控。
1測試污水廠1
測試污水廠1精確曝氣系統介入前，手動控制曝氣池中的溶氧值。由精確曝氣系統介入後，在排放符合標準的前提下，溶氧的平均值由之前的1.54mg/L,降低至自動控制的0.50mg/L。風機的總電耗下降了20%左右，單位COD的風機電耗下降10%，節能效果顯著。
2測試污水廠2
圖 8為測試污水廠2 2014年與2015年處理每噸廢水所需要的電耗對比，在引入精確曝氣系統之後，單位電耗有了明顯降低，從2014年的0.140kWh/m³下降至從2015年的0.121kWh/m³，單位能耗下降13.5%，節能效果顯著。以一個日處理量為10萬噸的污水廠為例，利用AN-ISE線上分析儀的測量值來對風量進行精確控制，處理每噸污水節約電耗0.02kWh，電費以0.7元/kWh計，每年僅在風機降耗上就能夠節約電費約為51萬元。
6、結論
隨著中國環保標準的日益提高，環保監管部門對汙水處理單位排放的總氮要求近一步提高。於此同時，汙水處理單位從自身節能降耗的需求出發，也非常需要尋找能夠改善工藝，降低能耗的工藝優化途徑。AN-ISE探頭所檢測的氨氮和總氮值正是順應目前趨勢，提供給汙水處理單位的一個極佳選擇。根據實際客戶的使用案例，AN-ISE分析儀與精確曝氣控制系統相配合，完全能夠實現風機能耗的降低，為汙水處理單位節約大量成本，具有極大的推廣意義。