1. 引言
污水处理的需求是伴随着城市的诞生而产生的，随着城市人口的集中和工农业的发展，水体的富营养化问题日益突出 [1]。引起富营养化的营养元素有碳、磷、氮等，其中，氮和磷是引起藻类大量繁殖的主要因素。为遏制水环境不断恶化的趋势，一大批污水处理设施在我国城市及城镇相继投资建成并投入运行，大大改善了不断污染的河流、湖泊及地下水资源。但是由于去除机理和水质特点和工艺缺陷等问题，污水处理设施的污水净化工艺对化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)、氨氮、总磷(TP)、悬浮物(SS)的去除效果良好，而对总氮(TN)的去除效果不理想 [2]。而且在总氮排放标准上国家和地方近几年又不断提出了新的严格要求，所以脱氮压力和成本日益增长。
国内由于绝大部分污水处理厂受季节、降雨、时间、居民用水习惯、工业水掺杂等因素影响，进水C/N比值(BOD5/总氮)普遍偏低，总氮去除的反硝化过程中常需要添加碳源，外投加碳源是C/N较低的污水生化处理厂运行中必不可少的药剂投加过程。但是因为存在进水水量、进水总氮浓度和进水总氮浓度等指标的波动情况，污水处理厂为了保证出水的稳定达标合格，针对反硝化脱氮的碳源药剂不得不人工控制调整加药量，但人工控制调整加药量的过程中，因为水质波动、工艺流程复杂、结果反馈滞后和每个人的经验水平不同等因素，造成了碳源药剂投加成本的浪费和出水指标的不稳定性 [2]。
2. 污水厂碳源药剂投加过程中存在问题
恒定过量投加：进出水波动范围大，药剂投加量以最高值恒定，出水均值较低，药剂过量的投加方式。
延时过量投加：以出水指标变化来调整加药量时，因系统工艺流程较长，导致出水指标波动较大控制结果滞后的投加方式。
波动过量投加：当人工控制加药量随着水质波动进行调整时，因工艺流程与数据检测的滞后性，为保证出水数据稳定合格而过量的投加方式 [3]。
3. 碳源药剂精准投加系统
3.1. 系统介绍
碳源药剂精准投加系统是适用于污水处理厂水处理药剂使用运行过程中，一整套的提高药剂投加效果、自动精准加药、降低吨水药剂成本、指标实时管控的水处理药剂综合解决方案技术。该系统的能够极大的减少因进水水量及总氮浓度无规律波动造成的碳源药剂过量投加情况，同时可以大大增强系统抗波动的冲击性和出水稳定性。实现碳源药剂的精准自动投加，提高了药剂投加效率，实现了药剂成本的控制及降低。系统由药量投加分析算法、水质指标在线监测模块、自动智能控制系统PLC、药剂精准投加模块、数据传输及存储、可视化智能化管理模块组成 [4] [5]。系统组成及流程图见图1。
Figure 1. The composition and flow chart of the precision casting system of carbon-sourced pharmaceuticals
图1. 碳源药剂精准投加系统组成及流程图
3.2. 系统机理
加药分析算法：根据现场工艺、药剂效率影响因素、工艺沿程水质指标等数据分析，制定加药点设置及运行参数条件优化；同时，根据药剂筛选结果定制药剂组分 [6] [7] [8]；
在线监测模块：工艺沿程关键数据测试点的计算及确定、在线数据监测上传；
智能控制模块PLC：根据在线监测数据，以及历史曲线和在线实时指标数据曲线拟合计算系统；对水质的变化实现预判、精准调控加药；
精准加药模块：通过PLC控制、变频加药控制等设备，实现数据联动式、自动、精准投加及控制；
智能化管理模块：工艺沿程在线监测数据、加药等数据的实时显示并上传存储；实现对工艺流程处理药剂应用的远程化、智能化管理 [9] [10]。
3.3. 系统算法
加药算法计算公式：
——碳源药剂投加需求量D，碳源药剂投加量基值d；
——水量基值A、前置反馈生化池硝氮基值B、后置反馈滤池进水硝氮基值C、后置反馈滤池出水总氮E；
——动态水量监测值a、前置反馈硝氮浓度监测值b、后置反馈滤池进水硝氮监测值c、后置反馈滤池出水总氮监测值e；
——α为水量与碳源投加量的波动关联影响系数、β为前置反馈硝氮浓度与碳源投加量的波动关联影响系数、γ为后置反馈滤池进水硝氮监测浓度与碳源投加量的波动关联影响系数、θ为后置反馈滤池出水总氮监测浓度与碳源投加量的波动关联影响系数 [11]。
其中：α + β + γ + θ = 1。
4. 碳源药剂精准投加系统试验案例
4.1. 工艺介绍
安徽某水厂一期主体工艺采用微曝氧化沟处理工艺(南北2组)及深床滤池深度处理工艺，污水经外部收集管网送至厂区后，经过粗格栅截留污水中的悬浮污染物以保护后续处理系统正常运行。污水经提升泵房提升后依次进入细格栅、沉砂池，去除污水中的无机性砂粒。再依次进入厌氧池、缺氧池、好氧池进行生物处理 [12] [13] [14] [15]。最后由二沉池进行泥水分离，上清液进入深床滤池及消毒池然后排放 [16] [17]。具体工艺流程见图2 (出水污染物浓度以均值来判定合格标准)。
Figure 2. Water plant process flow chart
图2. 水厂一期工艺流程图
4.2. 水质要求
水厂进出水设计值及实际值见表1。
Table 1. Water plant access water quality requirements
表1. 水厂进出水水质要求
4.3. 碳源药剂精准投加系统阶段一试验方案
4.3.1. 阶段一试验方法
开启碳源药剂精准投加系统模式1，和人工控制在南北生化池采取平行试验的方式进行对比(只开起生化池加药)。
2020年11月22日~2020年12月11日：南池(人工控制)、北池(精准加药)。
2020年12月12日~2020年12月31日：南池(精准加药)、北池(人工控制)。
4.3.2. 阶段一试验条件
南北池进水量43,000 m3/d、外回流80%、内回流200%、好氧末端溶解氧不高于2 mg/L、污泥浓度控制在5000 mg/L。
4.3.3. 阶段一试验评价指标
进出水化学需氧量(COD)、进出水总氮(TN)、碳源投加量、脱氮成本、吨水运行成本。
4.3.4. 阶段一试验数据图
由图3可以看出，碳源药剂精准投加系统与人工控制加药量的试验对比期间进水BOD5/TN分别为2.19~3.78 (平均2.97 < 4)，波动较大且出水总氮要求≤5 mg/L，需补充碳源以保证出水TN达标。
Figure 3. Inlet BOD5/TN comparison chart
图3. 进水BOD5/TN对比图
由图4、图5对比可以看出，碳源药剂精准投加系统相较人工控制加药量的模式下，碳源投加量日均值降低了0.5 t/d、出水TN均值降低了0.18 mg/L。
Figure 4. Comparison of carbon source additions
图4. 碳源投加量对比图
基于以上调试得出模式1单沟运行设置参数如表2所示。
Table 2. Precision dosing system mode 1 single trench operating parameters
表2. 精准加药系统模式1单沟运行参数
由图6、图7可以看出碳源药剂精准投加系统与人工控制加药量的试验对比期间：精准加药相较人工控制消耗BOD5/TN均值降低了0.08、吨水成本降低了8.33%。
Figure 6. Consumption BOD5/TN comparison chart
图6. 消耗BOD5/TN对比图
4.3.5. 碳源药剂精准投加系统阶段一试验数汇总表
阶段一试验期间数据汇总见表3。
Figure 7. Cost comparison of tons of water
图7. 吨水成本对比图
Table 3. A summary table of phase one test data
表3. 阶段一试验数据汇总表
备注：日脱氮量 = (进水TN − 出水TN)*水量；消耗BOD5/TN = [(进水COD*0.5 − 出水COD*0.5)*水量 + 碳源投加量*自身COD值*0.5]/日脱氮量；脱氮量成本 = 加药量*单价/日脱氮量；脱氮量降本 = (脱氮量成本人工控制 − 脱氮量成本精准加药)/脱氮量成本人工控制*100%；吨水处理成本 = 供货单价*加药量/水量；吨水处理降本 = (吨水处理成本(人工控制) − 吨水处理成本(精准加药))/吨水处理成本(人工控制)*100%。
4.4. 碳源药剂精准投加系统阶段二试验方案
4.4.1. 阶段二试验方法
开启碳源药剂精准投加系统模式1 (南北池均开启精准加药)，进行7天单点位控制投加碳源的生产性试验。
在开启模式1的基础上开启模式2，进行7天双点位控制投加碳源的生产性试验，结合单点位控制进行综合对比。
4.4.2. 阶段二试验条件
进水量86,000 m3/d、外回流80%、内回流200%、好氧末端溶解氧不高于2 mg/L、污泥浓度5000 mg/L。
4.4.3. 阶段二试验评价指标
进出水化学需氧量(COD)、进出水总氮(TN)、碳源投加量、脱氮成本、吨水运行成本。
4.4.4. 碳源药剂精准投加系统阶段二试验数据图
由图8可以看出7日单点位碳源药剂精准投加系统进水BOD5/TN分别为2.26~3.1 (平均2.65)；7日双点位碳源药剂精准投加系统进水BOD5/TN分别为2.11~2.89 (平均2.44)；进水C/N基本相同无较大波动。
Figure 8. Inlet BOD5/TN comparison chart
图8. 进水BOD5/TN对比图
由图9、图10可以看出，碳源药剂精准投加系统双点位相较单点位模式下，碳源投加量日均值降低了1.35 t/d、出水TN均值降低了0.17 mg/L。
Figure 9. Comparison of carbon source additions
图9. 碳源投加量对比图
基于以上调试得出以下精准加药运行设置参数如表4、表5所示。
Table 4. Precision dosing system mode 1 double trench operating parameters
表4. 精准加药系统模式1双沟运行参数
Table 5. Precision dosing system mode 1 plus mode 2 operating parameters
表5. 精准加药系统模式1 + 模式2运行参数
由图11、图12可以看出，碳源药剂精准投加系统双点位与单点位试验对比期间：双点位相较单点位消耗BOD5/TN均值降低了0.41、吨水成本降低了14.29%。
4.4.5. 碳源药剂精准投加系统阶段三试验数汇总表
阶段二试验期间数据汇总见表6。
5. 碳源药剂精准加药系统改造建设成本及对比分析
5.1. 碳源药剂精准投加系统改造建设成本
碳源药剂精准投加系统在现场原有加药系统基础上改造，成本见表7。
Figure 11. Consumption BOD5/TN comparison chart
图11. 消耗BOD5/TN对比图
Table 6. Stage 2 test data summary table
表6. 阶段二试验数据汇总表
备注：日脱氮量 = (进水TN − 出水TN)*水量；消耗BOD5/TN = [(进水COD*0.5 − 出水COD*0.5)*水量 + 碳源投加量*自身COD值*0.5]/日脱氮量；脱氮量成本 = 加药量*单价/日脱氮量；脱氮量降本 = (脱氮量成本单点位 − 脱氮量成本双点位) /脱氮量成本单点位*100%；吨水处理成本 = 供货单价*加药量/水量；吨水处理降本 = (吨水处理成本单点位 − 吨水处理成本双点位) /吨水处理成本单点位)*100%。
Table 7. Carbon source pharmaceutical precision dosing system transformation construction cost table
表7. 碳源药剂精准加药系统改造建设成本表
5.2. 碳源药剂精准投加系统改造建设成本对比分析
在碳源药剂精准加药系统单点位控制方式下比人工控制方式脱氮成本降低了0.59元/kg，以调试污水厂日平均进水量为85,000 m3/d、日平均进水TN为30 mg/L、日平均出水TN为4 mg/L为例，则一年可节约药剂成本475,923.5元。
6. 结论
通过碳源药剂精准加药系统单点位控制与人工控制加药量及碳源药剂精准加药系统单点位与双点位的对比可以看出：
1) 碳源药剂精准加药系统单点位相较人工控制加药量的方式，去除单位总氮可降低0.51 kg碳源，脱氮成本降低了0.59元/kg，吨水成本降低了8.33%。
2) 碳源药剂精准加药系统双点位控制相较单点位控制方式，去除单位总氮可降低1.33 kg碳源，脱氮成本降低了1.54元/kg，吨水成本降低了14.29%。
3) 碳源药剂精准加药系统可以减少因进水水量及总氮指标浓度波动造成的碳源药剂过量投加情况，同时增强系统抗冲击波动性和出水稳定性 [18]。
4) 碳源药剂精准加药系统可以在保证出水水质稳定达标的前提下，实现污水厂的降本增效，具有较高的市场推广价值 [19]。