近年来，城市污水脱氮除磷工艺成为城市污水处理的新兴热点，如何提高脱氮除磷效率，降低运行成本成为污水处理研究的热点。本文主要论述了各类在线测量仪表在污水处理脱氮除磷工艺中各个阶段的应用案例。表明了氮磷在线测量仪具有提升污水处理厂脱氮除磷工艺的整体运行与管理水平，降低生产运行成本的重要作用。

城市污水处理厂的有效运行对于削减污染物排放量、改善水环境、促进水资源有效利用发挥着重要作用，是缓解水资源匮乏的重要举措。近年来，随着我国国民经济的快速发展，我们身边的水环境也在不断恶化，水体富营养化十分严重，这就要求污水处理厂除了常规处理外，还要对污水进行有效的脱氮除磷，从而降低排到地表水中的氮磷元素，减少“水华”现象的发生。随着脱氮除磷要求的不断提高，为有效地对脱氮除磷工艺过程加以控制并对进出水氮磷浓度进行检测，氮磷浓度的在线测定得到了实际应用。目前经常使用的有NH4+-N，NO3--N 和PO43--P，DO，COD等在线测定装置。

线监测设备优化城市污水脱氮工艺

水中氮元素存在的主要形态是氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和有机氮，它们通过生物化学作用可以相互转换。城市污水中氮的主要来源是人类的排泄物，其中绝大多数以尿素形式存在，平均每人每天的氮排放量为11g。在未经处理的城市污水中，氮浓度以TKN（有机氮＋氨氮）表示，浓度范围50~60mg/L，且氨氮浓度高于有机氮。城市污水处理过程各阶段进出水的氮平衡如图1所示。

氨氮、硝氮在线检测仪表

根据应用环境、监测目的的不同，在污水厂的不同工艺段，需要使用不同的在线分析仪表（本文中介绍的是美国HACH公司的NH4D sc在线氨氮分析仪、AMTAX sc在线氨氮分析仪和NITRATAX plus/clear sc在线硝氮分析仪）。

NH4D sc在线氨氮分析仪采用离子选择电极法，通过离子选择电极直接检测曝气池中的铵离子。内置的钾离子电极和pH电极作为参比电极，参比电极和温度传感器（组成一体式电极）共同工作，消除钾离子的干扰，从而提高了检测精度。该仪表反应速度快，测量范围广，在城市污水处理中得到广泛应用。其测量范围可达0.2~1000mg/L 的NH4+-N。通过该仪表的监测，可以根据流入废水的氨氮含量调整氧气的设定点，检测和控制氨氮浓度，确保稳定的硝化过程，进而在硝化过程中节约能源。

AMTAX sc在线氨氮分析仪是一种应用气敏电极法的高精度在线测定仪。该仪器量程为0.02~1000mg/L NH4+-N，广泛应用于污水处理厂、河流水质和自来水厂的水质检测。

NITRATAX plus/clear sc在线硝氮探头采用不锈钢材质，可以直接测量水中硝氮和亚硝氮浓度；紫外吸收测量（无需使用试剂）；NO2--N量程为plus sc：0.1~100mg/L。

生物处理阶段的在线检测

在Markt Schwarzenfeld污水处理厂（进水负荷如表1所示），进水污染物负荷很高。人均BOD约为14000PE，人均氮负荷为20000PE，人均磷负荷约25000PE。同时，牛奶场预处理废水的排入经常导致污水中各类污染成分的无规律突变。预处理废水中的BOD相对较少，但总氮含量偏高，超过污水厂进水中总氮含量的50％。

经过污水处理厂机械处理（物理）阶段后，污水被分流进入两通道流程，以70:30的比例进入反硝化阶段上游。由于水力停留时间短、BOD负荷较低，阻碍了反硝化过程的顺利进行。在后续的曝气阶段，惟一的氧气管道为两个廊道内不同体积的污水提供相同的氧气量，结果导致二者溶解氧的差值可达5mg/L。结果表明，出水中总氮含量为12~18mg/L，能耗为0.40kWh/m3。

通过对分流装置进行简单的结构改造，将污水平均分配入两个廊道中。把上游的反硝化过程改造成间歇性操作，提高了反硝化能力。这样，即使在碳源缺乏的情况下，缺氧区仍可以具有较高的脱氮效率。通过加装采用独立的氧气管道和2个新型的活塞阀，使得运营过程中可以应用模糊控制器，根据污染负荷调节氧气的供给量。通过在线仪表检测数据的反馈值，使得控制系统有效的发挥作用。采用哈希公司的LDO在线溶解氧检测探头，可分别实时检测两个廊道的氧气含量；在曝气池的出水端，采用NH4D sc 在线氨氮和NITRATAX plus/clear sc在线硝氮分析仪进行连续检测氨氮和硝氮含量，根据监测数值调整曝气量。

从2007年6月27、28日的时间过程曲线（如图2）中可以看出，基于时间的控制系统与基于负荷的控制系统之间的处理效率具有显著差异。基于时间的控制系统的限值数值都是固定的，与污水的实时污染负荷无关，因此很少符合理想状态。仅以时间为基础的曝气控制不考虑负荷的变化；而通过氨氮的曝气控制，当氨氮浓度超出上限值时系统启动，低于下限值时系统关闭（同理对于硝氮的控制）。这种基于溶解氧和氨氮的串级控制一般通过模糊控制系统来实现。模糊控制器不仅考虑绝对测量值，同时还考虑到单位时间内的浓度变化趋势，如图2所示，在进水负荷较低的夜间，关闭两个廊道内的曝气系统，氨氮浓度的增加非常缓慢，硝氮的浓度也很低，约为2mg/L左右。为降低能耗，模糊控制器尽可能延长关闭时间，直至氨氮浓度达到0.8mg/L左右时开启曝气系统。这种改进的运行方法可以避开用电高峰，合理利用“峰谷电价”政策，节约了成本。根据2004年的进水量统计，在2004/2005年前七个月中，该污水厂出水总氮显著减少，同时也降低了能耗（如图3）。

线监测设备优化城市污水除磷工艺

城市污水中绝大多数的磷来自于洗涤剂、家用清洗剂和人类的排泄物。在自然界，磷仅以化合物的形式存在，最常见形式为正磷酸盐。水体中溶解性含磷化合物中的磷平衡，只能通过测量磷酸盐的方法进行转化计算，以总磷浓度表示。当前城市污水中磷的浓度约为8.0~12.5mg/L。图4列出了城市污水中磷酸盐的存在形式，以及在各个污水处理阶段中磷酸盐是如何去除的。

总磷、正磷在线检测仪表

磷元素的在线监测通常有总磷在线分析仪和正磷在线分析仪（本文中介绍的是美国HACH公司的PHOSPHAX sc正磷酸盐在线分析仪和PHOSPHAX sigma总磷在线分析仪）。

PHOSPHAX sc是一种基于钼黄比色法的高精度在线分析仪，通过集成的过滤探头进行取样。该仪器有绝缘的、防风雨外壳，便于室内外安装，使用sc1000控制器进行校正与运行。测量量程为0.05~15mg/L PO43--P，广泛应用于污水处理厂的除磷监测。

PHOSPHAX sigma总磷在线分析仪基于钼蓝法原理，可用于连续测量水体中的总磷和正磷酸盐浓度，水样中固体粒径最大不超过0.5mm，分析过程约需10min。对于含有固体的水样，可使用SIGMATAX 2采样预处理系统进行采样，并对水样进行均质化处理。该仪器测量量程为0~10mg/L，适于污水厂进出口总磷的在线监测。

优化除磷过程

图5所示的是在德国南部一个大型污水处理厂中高效的优化除磷过程。通常情况下，沉淀剂的投加量与磷的去除效果成正比。在保证除磷效率的前提下，应尽可能节省沉淀剂的投加量，以达到既能有效除磷又能降低消耗的目的。

控制系统的工作原理如图5所示。首先测量生物处理阶段进水的流量（Q）和正磷酸盐的浓度（图5①）以确定负荷量，并以此计算回流污泥中沉淀剂的投加量（图5②）。对于廊道末端的磷酸盐浓度进行检测并绘制浓度/时间曲线，可以看出生物去除与化学沉淀的成功应用效果。控制器根据最终磷酸盐的剩余量，对沉淀剂的投加量进行修正。通过总磷在线分析仪（图5④）监测污水处理厂出水中的实际含磷量，也可以修正沉淀剂的投加量。

这样，通过对于总磷的在线监测，不但可以得到出水中磷元素的含量，还可以通过该参数控制沉淀剂的投放，达到高效除磷的目的。

① 沉淀之前正磷酸盐的浓度；② 控制沉淀剂的量；③ 沉淀之后正磷酸盐的浓度；④ 出水中总磷的浓度。

通过上述对于污水厂脱氮除磷优化的论述，可以看出，利用在线分析仪器可以有效的对处理过程中的污水中相应控制指标进行监测，从而达到利用监测数据反控工艺的目的，如反控曝气泵及阀门，反控沉淀剂的投放等。这样，保证脱氮除磷的硝化、反硝化等过程完全在合适的时间、合适的氧含量下进行，从而达到高效去除氮磷元素的目的，同时达到节能降耗的目的。

具体优化数据如下：

控制系统的高效使用使电耗降低了30％（0.40~0.28kWh/m3），且出水中氮的浓度小于5mg/L，COD值低于30mg/L（如表2）。

出水中含氮污染物浓度比使用在线检测前减少了20％以上，使排放费用节省大约85％（占总投资）以上。此外，在线检测与优化控制技术提高了生物除磷效率，使出水中的总磷和COD减少了50％。

上述系统优化技术给Markt Schwarzenfeld污水处理厂带来了长期的赢利，使其成功回收了系统优化的总投资（如表3）。

其中20%的回报来源于氮排放的消减。

小结

在污水处理厂的脱氮除磷过程中，应用现代自动监测和自动控制技术可以有效的提高氮磷元素的去除率，降低能耗，从而提高污水厂的经济效益。因此，选择可靠的在线监测仪器，正确的工艺优化方式十分重要。