摘要：在污水处理过程中，生物池是脱氮除磷的重要环节。根据适用性、合理性、经济性的要求，在生物池布置相关的仪表，如污泥浓度、ORP、溶解氧浓度、磷酸盐浓度、硝态氮浓度、氨氮浓度检测仪等在线检测仪表，将其检测数据作为生物池外回流、内回流和曝气控制的重要参数，同时用于对生物池的环境评价，以期达到预期出水水质要求。从A2O生物池工艺原理和自控原理需求角度，对生物池仪表、自控设计进行总结。
关键词：生物池；仪表设置；自动控制
生物池是水处理工艺中的重要环节，生物池运行控制水平直接关系到全厂运行状况。近年来，随着“智慧水务”、“精确控制”等技术的普及，对生物池仪表和自控设计提出了更高要求，生物池也是自控仪表设计中最为核心和复杂的单体之一。本文所讨论生物池为常见的A2O生物池。
1生物池基本工艺原理
1.1生物池的组成
在城镇污水处理工艺流程中根据不同种类微生物的生存环境要求，常规的A2O生物池由厌氧区、好氧区和缺氧区组成。生物池中不同区域的微生物菌群相互配合，可对污水进行脱氮去磷处理，并有效地除污水中的有机物质。生物池的组成如图1所示，其中生物池、二沉池、污泥泵房组成外回流系统，污泥从污泥泵房回流到厌氧区。缺氧区和好氧区组成内回流系统，含有硝态氮的污水从好氧区回流到缺氧区。
1.2厌氧区
厌氧区主要功能：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，以正磷酸盐的形式释放到污水中。微生物细胞吸收污水中的能溶解性的有机物，使其中BOD浓度降低。部分有机物能进行氨化反应，可以将有机氮氨化成氨氮。参数要求：（1）为保证厌氧环境，ORP值应小于-250mV。（2）溶解氧浓度宜小于0.2mg/L，硝态氮宜小于1.5mg/L，主要是削减溶解氧和硝态氮对厌氧释磷的生化反应产生的影响。（3）应每隔一段时间检测生物池厌氧区硝态氮和磷酸盐浓度，同时分析ORP值，作为评估生物池厌氧区的厌氧环境和释磷效果的依据。
1.3缺氧区
缺氧区的反硝化细菌利用污水中的有机物作为营养物质（碳源），在不足的情况下可能需要补充碳源，与硝态氮（来自好氧区内回流）通过生物反硝化作用，转化成NH3逸入大气中，从而达到脱氮的效果。参数要求：（1）为保证缺氧环境，ORP值应为-50~110mV。对于反硝化反应，在氧化条件下速率更快，更充分。（2）为严格保证缺氧环境，溶解氧保持在0.2mg/L以下。（3）应每隔一段时间检测缺氧区硝态氮浓度，同时分析ORP值，作为评估缺氧区反硝化效果的依据。
1.4好氧区
好氧区也称曝气池，在好氧区，通过硝化作用，硝化细菌将污水中的氨氮及有机氮氨化成的氨氮转化成硝态氮。聚磷菌从污水中吸收过量的正磷酸盐，以合成新的细胞，形成富磷污泥，排出生物池。参数要求：（1）溶解氧需保持在2mg/L以上，低水温时，可通过提高溶解氧浓度和污泥浓度，提高生物池的硝化能力。（2）应定期分析好氧区溶解氧浓度、氨氮及其他工艺原理指标，评估好氧区的生化反应效果。
2生物池控制参数及方案
2.1生物池相关参数
（1）水温：环境温度与微生物的生存活动息息相关。对于脱氮过程，温度对脱氮效果影响较大，硝化反应的适宜温度为20~30℃，而反硝化反应的温度在5~40℃范围内均可。因此，20~30℃污水处理的最事宜的温度，硝化反应和反硝化反应都是有利的。（2）PH值：PH值与微生物的生存活动也有着重大影响。硝化菌易受PH值的影响，一般应保持PH值在7~8之间，PH<6.5时影响严重，处理效率下降。反硝化反应的适宜PH值为6.5~7.5，PH值>8或<6时，反硝化速率迅速下降。（3）污泥浓度（MLSS）：当进水水质有机物含量增高时，应提高MLSS以增大生物池内微生物量，处理增多的有机污染物，因此可用MLSS值近似的表示生物池内微生物的含量。（4）污泥泥龄(SRT)：是指生物细胞在生物池平均停留的时间，由于生物池污泥量会因为沉淀不断增加，所以必须从系统中排出剩余的活性污泥，才能使生物池污泥浓度保持相对稳定。对于除磷，好氧区聚磷菌吸磷量大于厌氧区聚磷菌释磷量，通过剩余污泥排放即可实现除磷的目的。泥龄越短，排放的剩余污泥量越多，除磷效果越好。但是泥龄过短，为了维持生物池污泥浓度，回流污泥增多，释磷过程所需的BOD升高，若BOD不够，则聚磷菌释磷不充分，后续氧化阶段不能完成对磷的过量摄取，会降低磷的去除率。对于脱氮，泥龄反应了硝化菌在生物池内停留的时间，泥龄必须要大于最小世代时间，否则将使硝化菌从系统中流失殆尽，一般硝化菌在适宜温度下的最小世代时间为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与生物池进水量的比值。外回流比对生物除磷效果有较大影响，当R值较高时，会加快生物池的剩余污泥的排放，有利于除磷。但过高的R值会使大量的硝酸盐同回流污泥流至厌氧区，硝酸盐能够促进反硝化菌的增长，从而造成大量的反硝化菌与聚磷菌争夺营养物质（碳源），抑制聚磷菌的生长和磷的释放，最终导致后续阶段由于聚磷菌数量减少而影响磷的吸收，降低了磷的去除率。（6）内回流比（混合液回流比）（RI）：是指生物池中混合液从好氧区回流到缺氧区的流量与进水流量的比值。当RI值较高时，反硝化越充分，脱氮效果越好，但RI值过高时，会导致缺氧区的溶解氧溶度升高，不利于反硝化反应，降低脱氮的效果。在污水处理过程中，磷在后续高效沉淀池、生物滤池等环节可以得到有效去除，而脱氮则主要在生物池内完成的，可以适当降低生物池对除磷的要求，着重关注生物池脱氮效果。在生物池的脱氮除磷过程中，生物池各项控制项参数是相互制制约，为使整个系统达到最佳效果，需在生物池工艺流程中检测各项参数，对控制系统进行不断调试才能达到最佳效果。
2.2生物池控制方案
在自控设计中，生物池的自控关键在于外回流控制、内回流控制和曝气控制。（1）外回流控制方案：污泥回流量主要通过外回流比控制，外回流比是根据生物池和污泥泵房的污泥浓度进行计算，得到回流比后，根据进水量计算出实际所需污泥回流量，再根据该数值对污泥回流泵的运行台数、启停及转速进行实时控制。（2）内回流控制方案：通过进水水量、缺氧区ORP值、硝态氮浓度得到内回流比，根据内回流比和进水流量对内回流泵的运行台数、启停及转速进行实时控制。（3）曝气控制方案：曝气系统的控制参数主要为鼓风机的转速，主要控制对象为鼓风机。每台鼓风机有对应的鼓风机控制柜，控制柜可以根据溶解氧浓度、气体流量计反馈信号作为重要依据，计算当前所需曝气量，进而对鼓风机进行实时控制。由于鼓风曝气系统的能耗是污水处理厂能耗的主要组成部分，如果能对曝气进行合理分配，避免过度曝气，不仅可以大大降低全厂能耗，还可以达到更佳的曝气效果。因此对于规模较大的厂区，可以对生物池的好氧区进行再分区，分区越多，曝气越精确，曝气分配越合理。对于分区曝气系统，通过以每个区域溶解氧浓度作为依据，计算出每个区域所需曝气量，将总数值反馈给鼓风机，结合出风管上气体流量计所测实际流量，对总的鼓风量进行实时控制。对于各个区域，调节对应阀门（FM），可实现对每个区域风量的精确控制。如图2所示，图中对好氧区分了三个区域，每个区域含有一个曝气支管，调节阀可分别对每个区域调整曝气量。
3生物池仪表设计
根据上述工艺原理和自控原理需求，生物池仪表设置的区域、仪表名称、作用及重要性如表1所示。（1）对于无人化、智能化要求较高的厂区，生物池每个区域仪表可设置如下：厌氧区：污泥浓度、硝态氮浓度、磷酸盐浓度和ORP检测仪；缺氧区：硝态氮浓度和ORP检测仪；好氧区：溶解氧浓度、污泥浓度、氨氮浓度和磷酸盐浓度检测仪。（2）对于常规的厂区，由于磷酸盐浓度、硝态氮浓度、氨氮浓度在线检测仪价格较高，且这些仪表并不参与自控系统实时自控，仅对生物池反应环境进行评估，可采取定期取样检测的方式进行数据采集（不计入自控工程量）。由于ORP是生物生存的重要环境指标，厌氧区和缺氧区应设置ORP。生物池每个区域仪表可设置如下：厌氧区：污泥浓度和ORP检测仪；缺氧区：ORP检测仪；好氧区：污泥浓度和溶解氧浓度检测仪。
4结论
关于生物池的检测仪表种类虽然众多，但参与自控的仪表并不多。针对生物池仪表设计时，可根据工艺原理和自控原理需求，结合厂区实际情况，选择合理的在线检测仪表。
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作者：李浩 单位：中国市政工程中南设计研究总院有限公司