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PROJECT
項目背景
位于德國北部漢堡附近 Glückstadt 市的 SBR（序批式反應器*）廢水處理廠，多年以來一直使用 WTW 旗下的測量技術。2008 年使用 VARiON® 傳感器（離子選擇性 ISE 測量技術）對定時流程控制進行了測試。
測試結(jié)果表明，硝化流程中的曝氣控制具有相當大的節(jié)能潛力。這就是為什么在一年左右的測試階段結(jié)束后，Stadtentw?sserung Glückstadt（SEG，即污水收集和處理市政當局）決定使用氨氮(NH4-N) 作為控制參數(shù)，替代原來簡單的定時 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)建了一個可容納 36,000 人的曝氣廠。在工廠現(xiàn)代化過程中，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)，然后暫時儲存在儲水池中。接下來為了進一步處理，廢水交替進入兩個可用的 SBR 反應器。在高壓管線將處理過的廢水導入到易北河之前，廢水將暫時儲存在一個排水蓄水池中。工廠沒有消解塔；離心機脫水后的剩余污泥通常用于農(nóng)業(yè)。污水處理廠的鳥瞰圖如圖 1 所示。
▲ 圖1：Glückstadt 污水處理廠的的鳥瞰圖
兩個 SBR 反應器的總體積均為 4500 立方米，每個反應器的每個處理周期可處理 750 立方米的廢水。每個反應器配有兩個 75 kW 的鼓風機裝置。Glückstadt 廢水處理廠基于多年的運營經(jīng)驗，制定了 SBR 操作各個階段的固定時長（表1）。
SBR 階段 | 過程控制 | 時長 | 活動組件 |
第 1 階段 | 進水 1 (500 m3 ) 和反硝化 | 60 min | 進水泵/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 | 進水 2 (250 m3 ) 和反硝化 | 30 min | 進水泵/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：采用簡單 O2 控制策略的定時 SBR 操作階段
SBR 為 Sequencing Batch Reactor（序批式反應器）的縮寫，該反應器可對污水進行逐批凈化。在 SBR 曝氣廠中，每個處理周期都通常包括以下階段：將廢水注入反應器、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潷水器排出干凈的水。
每個反應器的整個處理周期約為 10 小時。如有必要，例如在強降雨期間，還可以手動調(diào)整每個階段的固定時長。但是人工管理需要額外由有經(jīng)驗的操作人員執(zhí)行。還涉及到額外的組織工作，尤其是在晚上和周末時段。該工廠的反應器配備了 IQ Sensor Net System 2020 和光學溶解氧傳感器 FDO® 700 IQ。在引入 SBR 過程的動態(tài)控制之前，僅用溶解氧測量值作為控制變量，通過頻控鼓風機單元來控制氧氣輸入，以在硝化階段保持氧氣濃度恒定。
使用 VARiON® 傳感器進行測試測量
于 2008 年開始進行測試，旨在確定硝化和反硝化階段的固定時長是否仍然適合水廠，以及降解過程的各個階段是否具有優(yōu)化潛力。為了能夠在線測量氨氮氨氮和硝氮硝氮，將 VARiON® 700 IQ ISE 復合傳感器安裝在兩個反應器中。在現(xiàn)有 IQ Sensor Net 系統(tǒng)中集成傳感器及其啟動過程并不復雜。在試驗階段，測量值記錄在 MIQ/TC 2020 XT 終端/控制器的集成數(shù)據(jù)記錄器中，并通過 U 盤傳輸?shù)接嬎銠C上，以便在Excel 中進行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，很快就證明了在兩個硝化階段，只需固定曝氣時長的一半，氨氮就已經(jīng)降解（圖 2）。在使用 ISE 傳感器進行了為期一年的試驗后表明，SBR 反應器的各個階段具有相當大的節(jié)能潛力。
流程優(yōu)化
工程辦公室為動態(tài)過程控制編寫了一個名為“Energieoptimiert”（節(jié)能）的附加控制程序，以將氨氮和硝氮氨氮硝氮的測量值集成到現(xiàn)有的 PLC 中。氨氮是決定硝化階段何時結(jié)束的重要控制參數(shù)。個硝化過程（第 3 階段），關閉鼓風機裝置的控制值為 1.3 mg/l NH4-N；第二個硝化過程（第 6 階段），關閉鼓風機裝置的控制值為 0.7 mg/l NH4-N。下一個 SBR 階段在鼓風機關閉后開始。剩余氨氮的降解基本在沉降階段完成（NH4-N 值 < 0.4 mg/l；見圖 3）。
▲ 圖 2：定時控制：可以清楚地看到，只用了大約一半曝氣時長（藍色）后，氨氮（紅色）降解已經(jīng)基本完成
▲ 圖 3：氨氮控制 -動態(tài)控制：當氨氮達到特定值時停止鼓風機
對曝氣時間的動態(tài)控制可確保硝化僅在必要時運行，實現(xiàn)非常低的目標出水值而不產(chǎn)生不必要的能源消耗（圖 3）。上述控制設置以現(xiàn)有的經(jīng)驗值為基礎，可以在新的控制程序中進行自由調(diào)整。這樣，未來也可繼續(xù)輕松對降解過程進行簡單優(yōu)化，而不必再次購買昂貴的編程。通過同步測量硝氮和氨氮的濃度（NO3-N 和NH4-N 的化學計量比）可以隨時檢查氨氮降解的合理性，以及控制整個處理周期結(jié)束時的排出限值。不過，并不能只把硝氮測量值用作控制相關參數(shù)。即使在今天，定時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，例如在測量值錯誤或不可信時。此外，如果“節(jié)能”程序超過了硝化階段原有的固定時長，流程管理系統(tǒng)也會自動切換回定時控制模式。因此，通過流程的動態(tài)化，每個硝化階段多可以縮短一個小時。以每天 4 個硝化階段為例（每個 SBR 反應器的整個處理周期包括 2 個硝化階段），則曝氣裝置的運行時間多可減少 4 小時。如果將該值外推至一年，則每年鼓風機裝置的運行時間多可節(jié)省 1500 小時。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 測量技術能夠?qū)⒕S護成本降低。使用可靠的測量值可持續(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 復合傳感器和 FDO® 700 IQ 光學溶解氧傳感器的使用結(jié)果證明，IQ Sensor Net 能夠簡單方便且經(jīng)濟高效地優(yōu)化 SBR 工廠的廢水處理流程。在整個降解過程中，氨氮、硝氮和氧氣相關的過程參數(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
實踐優(yōu)勢包括：
高度透明、有效節(jié)能，實現(xiàn)安全的工廠管理；
動態(tài)控制可自動調(diào)整流入的廢水負荷，無需進行任何手動操作；
提高操作安全性、確保達到排放限值；
減輕操作員工作量。
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