在線水質(zhì)儀表在城市污水廠節(jié)能中的應(yīng)用

我國城市污水的排放量每年為356億t，隨著城市化的發(fā)展，城市污水的排放量還在不斷增加。2008年底，建有城市污水處理廠共1400座，尚有1000座城市污水處理廠在建設(shè)中。根據(jù)中國環(huán)境保護遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要，2010年設(shè)市城市的污水處理率不低于60%，重點城市的污水處理率不低于70%，要在10年的時間內(nèi)達(dá)到這一目標(biāo)將需要建設(shè)一大批城市污水處理廠。
目前，我國污水處理廠比較重視出水水質(zhì)的檢測，一般都設(shè)有在線分析儀表。進水水質(zhì)檢測則依靠實驗室檢測，檢測次數(shù)少。然而，進水負(fù)荷是不斷變化的，使得設(shè)備運行狀態(tài)調(diào)整滯后，導(dǎo)致出水水質(zhì)不穩(wěn)定。為保證出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，一般采取保守“可靠”的方式運行，具有一定的富余量。這種運行方式效率低，浪費大。當(dāng)出現(xiàn)沖擊負(fù)荷時，這種運行方式就變得不可靠了，出水很難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
ICA技術(shù)概念
    國際水質(zhì)協(xié)會（IAWQ）提出了ICA技術(shù)概念，即儀器化（Instrumentation）、控制化（Control）和自動化（Automation）。通過實時監(jiān)測污水處理過程中的進水負(fù)荷和出水水質(zhì)，如溫度、pH、ORP、DO、氨氮、硝氮、磷、污泥界面、污泥濃度、流量等參數(shù)，利用廢水生物處理動力學(xué)模型，緊密結(jié)合前（反）饋、PID、自適應(yīng)等現(xiàn)代控制理論，實時計算工廠控制的各種設(shè)定值，自動調(diào)節(jié)供氧強度、優(yōu)化脫氮除磷、控制藥劑投加、優(yōu)化排泥和污泥脫水過程，從而對整個工藝過程進行優(yōu)化控制。通過對進水負(fù)荷的實時監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)，提高處理效率，滿足日益嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減輕沖擊負(fù)荷對水處理系統(tǒng)的危害，實現(xiàn)節(jié)能降耗，減少運行成本和碳排放。
       ICA的技術(shù)核心是檢測儀器、數(shù)學(xué)模型和過程控制系統(tǒng)，所有可靠的優(yōu)化控制策略都是基于有效準(zhǔn)確的檢測值。國內(nèi)外大量運行經(jīng)驗表明，通過在線水質(zhì)分析儀器的監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)污水處理系統(tǒng)的過程優(yōu)化控制。在歐洲一些污水處理技術(shù)的地區(qū),已經(jīng)投入了大量的研究,并取得了階段性的成果。
Peel Common污水處理廠
    英國南部的Peel Common污水處理廠，是英國早期建立的污水處理廠之一，已經(jīng)有了66年的運行歷史，服務(wù)人口25萬人，處理水量約6萬m3/d，采用4級Bardenpho工藝（在傳統(tǒng)AAO工藝的好氧區(qū)末段增加停曝氣缺氧區(qū)，加強反硝化）

       Peel Common污水處理廠實時控制系統(tǒng)項目是Hach公司與兩家系統(tǒng)集成公司合作完成。該案例的思路就是基于模型計算來調(diào)節(jié)過去固定的設(shè)定值，從而減少曝氣量和加藥量，節(jié)能降耗。為滿足優(yōu)化控制的需求，安裝多臺Hach公司溶解氧、硝氮、氨氮、COD和MLSS等在線水質(zhì)分析儀。

系統(tǒng)組成
整個優(yōu)化系統(tǒng)包括多個控制策略：
    對生化池的1、2組實行溶解氧開環(huán)+閉環(huán)控制策略，裝有全部的Hach公司在線水質(zhì)分析儀器，根據(jù)進水氨氮濃度，計算四段好氧段的溶解氧設(shè)定值，并根據(jù)出水氨氮的濃度進行檢驗。生化池的7、8組作為對比池，僅安裝在線溶解氧儀、氨氮依然沿用傳統(tǒng)的溶解氧恒定的PID控制策略，好氧4區(qū)的溶解氧設(shè)定值分別為2、2、1、0.5 mg/L。 

    根據(jù)缺氧段出水的在線硝氮數(shù)據(jù)，實行甲醇投加閉環(huán)控制策略，使用PID算法確定需要投加的甲醇含量。

    根據(jù)出水附近的硝氮濃度，實行回流比控制策略，使用PID算法，確定內(nèi)回流的比例，使出水硝氮濃度降低至設(shè)定值。

    根據(jù)混合液和回流污泥的濃度，實行排泥量/污泥齡控制策略，控制排泥量，使用PID控制算法，使生化單元的混合液污泥濃度穩(wěn)定在設(shè)定值上。
以上是Peel Common污水處理廠的控制策略，在工藝中還有很多控制策略，在除磷過程中，通過在線磷酸鹽濃度和流量自動控制加藥量，減少絮凝污泥和加藥成本。
在污泥脫水控制中，通過監(jiān)測懸浮固體的濃度，來控制加藥量，穩(wěn)定排泥質(zhì)量，減少加藥成本。

數(shù)據(jù)比對
應(yīng)用優(yōu)化控制系統(tǒng)之后，取得了明顯的社會效益和環(huán)境效益。據(jù)粗略估計，系統(tǒng)應(yīng)用后可節(jié)約曝氣量20%，節(jié)省甲醇投藥量50%。更重要的是，應(yīng)用優(yōu)化控制后，系統(tǒng)處理氨氮沖擊負(fù)荷的能力提高了，出水更加穩(wěn)定，削峰明顯。

數(shù)據(jù)分析
Peel Common污水處理廠的氨氮排放標(biāo)準(zhǔn)為氨氮出水濃度<3mg/L或氨氮去除率>90%。以前的出水氨氮的平均值是0.2mg/L，應(yīng)用優(yōu)化控制系統(tǒng)后，可把出水氨氮平均值提高到1mg/L而不超標(biāo)，這樣自然就節(jié)省了曝氣的能耗。
結(jié)論
在線水質(zhì)儀表應(yīng)用于污水處理廠，能夠?qū)崿F(xiàn)了水質(zhì)的連續(xù)檢測，為優(yōu)化控制提供了有效可靠的測量值，使得自動優(yōu)化控制能夠穩(wěn)定運行，從而提高處理效率，實現(xiàn)節(jié)能降耗。
隨著廢水處理技術(shù)的數(shù)學(xué)模型不斷完善，過程控制理論的不斷應(yīng)用，廢水處理技術(shù)得到了進一步的發(fā)展。隨著在線檢測儀器技術(shù)的不斷進步，水質(zhì)分析變得更加方便、迅捷、可靠，為污水處理廠優(yōu)化控制策略的實現(xiàn)提供了可靠的基礎(chǔ)。應(yīng)用ICA技術(shù)，優(yōu)化更多的工藝過程，提高污水處理廠的管理運行水平，滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，在未來水處理工藝過程中將會發(fā)揮越來越大的作用。