PROJECT
項(xiàng)目背景
位于德國(guó)北部漢堡附近 Glückstadt 市的 SBR（序批式反應(yīng)器*）廢水處理廠，多年以來(lái)一直使用 WTW 旗下的測(cè)量技術(shù)。2008 年使用 VARiON® 傳感器（離子選擇性 ISE 測(cè)量技術(shù)）對(duì)定時(shí)流程控制進(jìn)行了測(cè)試。
測(cè)試結(jié)果表明，硝化流程中的曝氣控制具有相當(dāng)大的節(jié)能潛力。這就是為什么在一年左右的測(cè)試階段結(jié)束后，Stadtentw?sserung Glückstadt（SEG，即污水收集和處理市政當(dāng)局）決定使用氨氮(NH4-N) 作為控制參數(shù)，替代原來(lái)簡(jiǎn)單的定時(shí) SBR 流程控制。
Gl ü ckstadt 廢水處理廠
工廠和流程概述
在此污水處理廠的位置，SEG 起初創(chuàng)建了一個(gè)可容納 36,000 人的曝氣廠。在工廠現(xiàn)代化過(guò)程中，于 2004 年改建為可容納 20,000 人的 SBR 工廠。廢水首先流經(jīng)篩網(wǎng)和沉砂池系統(tǒng)，然后暫時(shí)儲(chǔ)存在儲(chǔ)水池中。接下來(lái)為了進(jìn)一步處理，廢水交替進(jìn)入兩個(gè)可用的 SBR 反應(yīng)器。在高壓管線將處理過(guò)的廢水導(dǎo)入到易北河之前，廢水將暫時(shí)儲(chǔ)存在一個(gè)排水蓄水池中。工廠沒(méi)有消解塔；離心機(jī)脫水后的剩余污泥通常用于農(nóng)業(yè)。污水處理廠的鳥(niǎo)瞰圖如圖 1 所示。
▲ 圖1：Glückstadt 污水處理廠的的鳥(niǎo)瞰圖
兩個(gè) SBR 反應(yīng)器的總體積均為 4500 立方米，每個(gè)反應(yīng)器的每個(gè)處理周期可處理 750 立方米的廢水。每個(gè)反應(yīng)器配有兩個(gè) 75 kW 的鼓風(fēng)機(jī)裝置。Glückstadt 廢水處理廠基于多年的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，制定了 SBR 操作各個(gè)階段的固定時(shí)長(zhǎng)（表1）。
SBR 階段 | 過(guò)程控制 | 時(shí)長(zhǎng) | 活動(dòng)組件 |
第 1 階段 | 進(jìn)水 1 (500 m3 ) 和反硝化 | 60 min | 進(jìn)水泵/攪拌器 |
第 2 階段 | 反硝化 1/ Bio-P | 45 min | 攪拌器 |
第 3 階段 | 硝化 1 | 110 min | 攪拌器 |
第4 階段 | 進(jìn)水 2 (250 m3 ) 和反硝化 | 30 min | 進(jìn)水泵/攪拌器 |
第5階段 | 反硝化 2 | 75 min | 攪拌器 |
第6 階段 | 硝化 2 | 120 min | 曝氣裝置 |
第 7 階段 | 沉淀 | 130 min | |
第 8階段 | 澄清水排放 (750 m3) 和剩余澄清水排 | 40 min | 潷水器/泵 |
第9階段 | 暫停 |
▲ 表 1：采用簡(jiǎn)單 O2 控制策略的定時(shí) SBR 操作階段
SBR 為 Sequencing Batch Reactor（序批式反應(yīng)器）的縮寫，該反應(yīng)器可對(duì)污水進(jìn)行逐批凈化。在 SBR 曝氣廠中，每個(gè)處理周期都通常包括以下階段：將廢水注入反應(yīng)器、混合（反硝化 => 硝氮降解）、曝氣（硝化 => 氨降解）、活性污泥沉淀，將凈化后的廢水通過(guò)潷水器排出干凈的水。
每個(gè)反應(yīng)器的整個(gè)處理周期約為 10 小時(shí)。如有必要，例如在強(qiáng)降雨期間，還可以手動(dòng)調(diào)整每個(gè)階段的固定時(shí)長(zhǎng)。但是人工管理需要額外由有經(jīng)驗(yàn)的操作人員執(zhí)行。還涉及到額外的組織工作，尤其是在晚上和周末時(shí)段。該工廠的反應(yīng)器配備了 IQ Sensor Net System 2020 和光學(xué)溶解氧傳感器 FDO® 700 IQ。在引入 SBR 過(guò)程的動(dòng)態(tài)控制之前，僅用溶解氧測(cè)量值作為控制變量，通過(guò)頻控鼓風(fēng)機(jī)單元來(lái)控制氧氣輸入，以在硝化階段保持氧氣濃度恒定。
使用 VARiON® 傳感器進(jìn)行測(cè)試測(cè)量
于 2008 年開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試，旨在確定硝化和反硝化階段的固定時(shí)長(zhǎng)是否仍然適合水廠，以及降解過(guò)程的各個(gè)階段是否具有優(yōu)化潛力。為了能夠在線測(cè)量氨氮氨氮和硝氮硝氮，將 VARiON® 700 IQ ISE 復(fù)合傳感器安裝在兩個(gè)反應(yīng)器中。在現(xiàn)有 IQ Sensor Net 系統(tǒng)中集成傳感器及其啟動(dòng)過(guò)程并不復(fù)雜。在試驗(yàn)階段，測(cè)量值記錄在 MIQ/TC 2020 XT 終端/控制器的集成數(shù)據(jù)記錄器中，并通過(guò) U 盤傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，以便在Excel 中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，很快就證明了在兩個(gè)硝化階段，只需固定曝氣時(shí)長(zhǎng)的一半，氨氮就已經(jīng)降解（圖 2）。在使用 ISE 傳感器進(jìn)行了為期一年的試驗(yàn)后表明，SBR 反應(yīng)器的各個(gè)階段具有相當(dāng)大的節(jié)能潛力。
流程優(yōu)化
工程辦公室為動(dòng)態(tài)過(guò)程控制編寫了一個(gè)名為“Energieoptimiert"（節(jié)能）的附加控制程序，以將氨氮和硝氮氨氮硝氮的測(cè)量值集成到現(xiàn)有的 PLC 中。氨氮是決定硝化階段何時(shí)結(jié)束的重要控制參數(shù)。個(gè)硝化過(guò)程（第 3 階段），關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)裝置的控制值為 1.3 mg/l NH4-N；第二個(gè)硝化過(guò)程（第 6 階段），關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)裝置的控制值為 0.7 mg/l NH4-N。下一個(gè) SBR 階段在鼓風(fēng)機(jī)關(guān)閉后開(kāi)始。剩余氨氮的降解基本在沉降階段完成（NH4-N 值 < 0.4 mg/l；見(jiàn)圖 3）。
▲ 圖 2：定時(shí)控制：可以清楚地看到，只用了大約一半曝氣時(shí)長(zhǎng)（藍(lán)色）后，氨氮（紅色）降解已經(jīng)基本完成
▲ 圖 3：氨氮控制 -動(dòng)態(tài)控制：當(dāng)氨氮達(dá)到特定值時(shí)停止鼓風(fēng)機(jī)
對(duì)曝氣時(shí)間的動(dòng)態(tài)控制可確保硝化僅在必要時(shí)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)非常低的目標(biāo)出水值而不產(chǎn)生不必要的能源消耗（圖 3）。上述控制設(shè)置以現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)值為基礎(chǔ)，可以在新的控制程序中進(jìn)行自由調(diào)整。這樣，未來(lái)也可繼續(xù)輕松對(duì)降解過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單優(yōu)化，而不必再次購(gòu)買昂貴的編程。通過(guò)同步測(cè)量硝氮和氨氮的濃度（NO3-N 和NH4-N 的化學(xué)計(jì)量比）可以隨時(shí)檢查氨氮降解的合理性，以及控制整個(gè)處理周期結(jié)束時(shí)的排出限值。不過(guò)，并不能只把硝氮測(cè)量值用作控制相關(guān)參數(shù)。即使在今天，定時(shí)控制程序仍然還是流程控制的一部分，但主要用于緊急程序控制，例如在測(cè)量值錯(cuò)誤或不可信時(shí)。此外，如果“節(jié)能"程序超過(guò)了硝化階段原有的固定時(shí)長(zhǎng)，流程管理系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)切換回定時(shí)控制模式。因此，通過(guò)流程的動(dòng)態(tài)化，每個(gè)硝化階段多可以縮短一個(gè)小時(shí)。以每天 4 個(gè)硝化階段為例（每個(gè) SBR 反應(yīng)器的整個(gè)處理周期包括 2 個(gè)硝化階段），則曝氣裝置的運(yùn)行時(shí)間多可減少 4 小時(shí)。如果將該值外推至一年，則每年鼓風(fēng)機(jī)裝置的運(yùn)行時(shí)間多可節(jié)省 1500 小時(shí)。這不僅降低了能源成本，而且還減少了曝氣裝置的磨損。
結(jié)論
所采用的 IQ Sensor Net 測(cè)量技術(shù)能夠?qū)⒕S護(hù)成本降低。使用可靠的測(cè)量值可持續(xù)控制工廠的廢水處理流程并有效提高能源利用率。成熟的 VARiON® 700 IQ 復(fù)合傳感器和 FDO® 700 IQ 光學(xué)溶解氧傳感器的使用結(jié)果證明，IQ Sensor Net 能夠簡(jiǎn)單方便且經(jīng)濟(jì)高效地優(yōu)化 SBR 工廠的廢水處理流程。在整個(gè)降解過(guò)程中，氨氮、硝氮和氧氣相關(guān)的過(guò)程參數(shù)均透明可查。
▲ Glückstadt 污水處理廠使用的 IQ Sensor Net System 2020 和 VARiON® 傳感器
實(shí)踐優(yōu)勢(shì)包括：
高度透明、有效節(jié)能，實(shí)現(xiàn)安全的工廠管理；
動(dòng)態(tài)控制可自動(dòng)調(diào)整流入的廢水負(fù)荷，無(wú)需進(jìn)行任何手動(dòng)操作；
提高操作安全性、確保達(dá)到排放限值；
減輕操作員工作量。
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