污水處理廠運(yùn)行維護(hù)與管理控制模式：自動(dòng)化控制

曹徐齊，阮辰旼

(1.上海城市水資源開(kāi)發(fā)利用國(guó)家工程中心有限公司，上海 200082;2.上?！秲羲夹g(shù)》雜志社，上海 200082； 3.上海市凈水技術(shù)學(xué)會(huì)，上海 200082)

污水處理廠的自動(dòng)化控制能夠根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中相關(guān)參數(shù)發(fā)生的變化及時(shí)自動(dòng)地調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，使其始終保持最佳運(yùn)行狀態(tài)。一方面可以?xún)?yōu)化設(shè)備、節(jié)約能耗，取得顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益；另一方面又能確保安全操作、節(jié)約人力，改善水廠員工的工作環(huán)境。本文整理了污泥齡實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、活性污泥工藝自動(dòng)控制以及溶氣氣浮藥劑投加自動(dòng)控制三個(gè)較為前沿且具實(shí)用價(jià)值的污水廠自動(dòng)化控制案例，分別介紹了它們的工作原理及取得的生產(chǎn)效益，以期為行業(yè)相關(guān)人員提供參考。

1 污泥齡實(shí)時(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)

對(duì)于活性污泥工藝來(lái)說(shuō)，污泥負(fù)荷比(food-to-microorganism population ratio,F/M)是影響系統(tǒng)效能和污泥微生物健康的重要參數(shù)。通常，恒定的污泥負(fù)荷可通過(guò)恒定的污泥泥齡(sludge retention time,SRT)來(lái)控制。雖然剩余污泥的排放量一般只占進(jìn)水流量的很小一部分，但即使是很小的變動(dòng)，隨著工藝運(yùn)行時(shí)間的持續(xù)，也會(huì)因積累而被放大，對(duì)活性污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成巨大影響。排泥不充分會(huì)使澄清池負(fù)荷過(guò)高，引起低F/M導(dǎo)致的污泥膨脹、發(fā)泡，且維持微生物內(nèi)源性呼吸的曝氣量增大；另一方面，排泥過(guò)量會(huì)使可溶性污染物的處理效果變差，引發(fā)低溶氧導(dǎo)致的污泥膨脹，且由于硝化過(guò)程中亞硝酸根去除不充分，使得氯的需求量增大。此外，排泥過(guò)量還會(huì)使污泥濃縮設(shè)備的負(fù)荷增大，高分子凝集劑的用量增大，造成污泥濃縮設(shè)備的運(yùn)行效率降低。

剩余污泥量的調(diào)整是通過(guò)混合液及回流污泥中總懸浮性固體(TSS)濃度的計(jì)算得到的，而TSS濃度通常采用測(cè)重分析法，但這一常規(guī)方法存在以下問(wèn)題：

(1)由于進(jìn)水流量和污泥回流量存在波動(dòng)，采得隨機(jī)水樣的TSS濃度與日均值可能相差甚遠(yuǎn)，使剩余污泥量的計(jì)算不準(zhǔn)確；

(2)由于采樣和分析所需的人力和時(shí)間有限，樣品采集的頻率一般為1～2 次/d，而TSS與回流污泥的濃度是實(shí)時(shí)變化的，因此根據(jù)樣品計(jì)算得出的剩余污泥量存在滯后，不能及時(shí)得到反饋和優(yōu)化；

(3)單個(gè)樣品采用測(cè)重法分析的試驗(yàn)誤差一般在5%左右，精度和重現(xiàn)性較差；

(4)繁瑣的剩余污泥量計(jì)算過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)。

基于此，Ekster[1]設(shè)計(jì)了一種SRT自動(dòng)控制系統(tǒng)，其原理如圖1所示。

圖1 SRT自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic Picture of SRT Automatic Control System

系統(tǒng)主要由兩個(gè)TSS測(cè)量?jī)x、一個(gè)控制器、一個(gè)剩余污泥流量?jī)x以及一個(gè)流量控制元件(控制閥或者變頻驅(qū)動(dòng)泵)組成。

其工作原理為：TSS測(cè)量?jī)x將測(cè)得的信息傳輸?shù)娇刂破鳎刂破鲗⒐に囘\(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)值，如混合液的TSS濃度、計(jì)算得出的實(shí)時(shí)SRT等，同測(cè)定值進(jìn)行比較，算出需要作出調(diào)整的剩余污泥量，再將信號(hào)傳輸給控制元件進(jìn)行調(diào)節(jié)。

將該系統(tǒng)應(yīng)用于處理量為170 MGD(約64.4 萬(wàn)m3/d)的污水處理廠，結(jié)果表明SRT可維持在設(shè)定值5%的變化范圍內(nèi)，大部分情況下變化范圍在2.5%以?xún)?nèi)，如圖2所示。剩余污泥總量的日平均變化從23%降至僅3%。表1為部分污水處理廠在采用SRT自動(dòng)控制系統(tǒng)后的效果提升狀況。

圖2 SRT自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性表現(xiàn)Fig.2 Stability Performance of SRT Automatic Control System

表1 采用SRT自動(dòng)控制系統(tǒng)后污水處理廠的效果提升情況Tab.1 Improvements after Implementation of SRT Automatic Control System in WWTPs

安裝該SRT自動(dòng)控制系統(tǒng)后，污水處理廠的性能提升主要表現(xiàn)在以下幾方面。

(1)污泥膨脹得到控制

Bellingham污水處理廠最初的設(shè)計(jì)是采用純氧曝氣工藝，幾十年來(lái)一直受到絲狀菌污泥膨脹問(wèn)題的困擾，其由低溶氧引起，常出現(xiàn)于SRT較低的環(huán)境。十年前該污水廠開(kāi)始采用厭氧生物選擇器，之后SVI得到改善，但仍能觀察到SVI偶有上升。近來(lái)該污水廠轉(zhuǎn)為采用傳統(tǒng)活性污泥處理系統(tǒng)，盡管獲益頗多，但未能解決SVI偶發(fā)上升的問(wèn)題。在安裝SRT自動(dòng)控制系統(tǒng)后，SVI的穩(wěn)定性得到顯著提升。圖3為每次升級(jí)改造后二級(jí)處理工藝的處理能力得到的提升。由圖3可知，在安裝SRT自動(dòng)控制系統(tǒng)后，該污水廠的二級(jí)處理能力提升了25%。

圖3 Bellingham污水處理廠每次工藝改進(jìn)后二級(jí)處理能力的提升效果Fig.3 Capacity Improvements of Secondary Treatment Process in Bellingham WWTP after Each Update

注：1MGD≈3 785 m3/d

采用該SRT自動(dòng)控制系統(tǒng)后，SRT的平均控制誤差從0.5 d(設(shè)定點(diǎn)的15%)降至0.1 d(設(shè)定點(diǎn)的3%)，控制精度提高了5倍，這使得SVI顯著下降，其第92位百分位數(shù)從148 mL/g降至115 mL/g。聚磷菌和絲狀菌之間的競(jìng)爭(zhēng)使得污泥膨脹現(xiàn)象得到了有效緩解。在該SRT控制系統(tǒng)安設(shè)之前，為了防止硝化作用，好氧段的SRT通常設(shè)置在2 d以下，但這一條件并不適宜聚磷菌的生長(zhǎng)，因此SVI通常會(huì)升高，尤其是在夏天。

(2)出水水質(zhì)及消毒效果提升

采用硝化處理工藝的加州Chico污水處理廠，由于碎絮問(wèn)題，出水濁度較高，硝化工藝時(shí)常出現(xiàn)異常，造成氯的使用劑量上升，某些情況下糞大腸菌的數(shù)量甚至高于美國(guó)國(guó)家污染物排放削減制度(NPDES)規(guī)定的限值。在安裝SRT控制系統(tǒng)并對(duì)SRT設(shè)定值進(jìn)行季節(jié)性?xún)?yōu)化之后，這些問(wèn)題發(fā)生的頻率顯著下降，氯的用量也明顯減少。同樣，Sacramento區(qū)域污水處理廠在采用SRT控制系統(tǒng)后，出水水質(zhì)和氯用量都得到了明顯優(yōu)化，每年的運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省超過(guò)10萬(wàn)美元。

(3)藥劑投加節(jié)省

Oxnard污水處理廠的滴濾/活性污泥工藝在采用SRT控制系統(tǒng)后，用于污泥濃縮的高分子凝集劑用量減少了25%，Chico污水處理廠等也得到了相似的結(jié)果。這主要是由于污泥處理單元接收的污泥總量的變化幅度明顯降低，污泥總量穩(wěn)定性提升。

(4)能耗節(jié)省

據(jù)工程實(shí)踐，將傳統(tǒng)活性污泥工藝的SRT提高至高于硝化作用的最低需求，污水廠的能耗可提升100%。Oxnard污水處理廠采用DO和SRT精確控制系統(tǒng)后，通過(guò)降低DO和SRT的設(shè)定值，使得污水廠能耗降低了25%。一座BNR污水處理廠通過(guò)提高SRT和降低DO，同時(shí)對(duì)SRT和DO進(jìn)行控制優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了20%的能耗降低。同樣采用BNR工藝的San Jose污水處理廠在提高SRT并降低DO的前提下，對(duì)SRT和DO的設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行精確維控，節(jié)省了10%的能耗。

2 活性污泥工藝高級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)

近年來(lái)，借助模型預(yù)測(cè)控制(model predictive control,MPC)工具、多元統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制(multivariate statistical process control,MSPC)工具等實(shí)時(shí)自動(dòng)化控制技術(shù)，污水處理廠正朝著更高效安全的運(yùn)行、更高品質(zhì)的出水以及更加優(yōu)化的運(yùn)行成本的方向發(fā)展。Mulas等[2]在芬蘭東南部的Mussalo污水處理廠的活性污泥工藝(activated sludge process,ASP)安設(shè)了一套集成了MPC和MSPC策略的高級(jí)控制系統(tǒng)(advanced control system,ACS)包，并對(duì)其連續(xù)六個(gè)月的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了追蹤分析。該污水處理廠的生物處理單元由四條ASP工藝線(xiàn)組成，每條工藝線(xiàn)由缺氧區(qū)Z1(通入預(yù)沉污水、二沉池回流污泥及排氣池內(nèi)循環(huán)流)、缺氧區(qū)Z2和Z3(進(jìn)一步完成反硝化或硝化過(guò)程)、好氧區(qū)Z4～Z6(底部微孔曝氣，完成硝化過(guò)程)及排氣脫氣區(qū)D(混合液脫氣)構(gòu)成，工藝流程如圖4所示。

圖4 Mussalo污水處理廠的活性污泥工藝流程圖[2]Fig.4 Flow Diagram of Activated Sludge Process in Mussalo WWTP[2]

ACS可對(duì)污水處理廠運(yùn)行過(guò)程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)和能耗進(jìn)行控制和監(jiān)管，范圍小至某一工藝單元，大至整個(gè)污水廠，在優(yōu)化污水廠運(yùn)行成本的同時(shí)，保證出水水質(zhì)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其主要通過(guò)兩個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)控制——最優(yōu)過(guò)程控制模塊(optimal process control module,OPCM)和統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制模塊(statistical process control module,SPCM)。對(duì)于Mussalo污水處理廠，OPCM主要用于控制生物反應(yīng)器出水中氨的濃度，同時(shí)最小化運(yùn)行成本；而SPCM主要用于對(duì)污水廠的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行預(yù)處理、選擇和補(bǔ)充，在其從內(nèi)部傳輸至OPCM之前。在Mussalo污水處理廠的ACS初步部署工程中，兩個(gè)模塊獨(dú)立工作。

Mussalo污水處理廠活性污泥工藝線(xiàn)的OPCM控制結(jié)構(gòu)主要包含一個(gè)控制變量(工藝線(xiàn)尾端的氨濃度)以及三個(gè)操縱變量(缺氧區(qū)Z2和Z3中的溶解氧設(shè)定值、內(nèi)回流流量)。為確保出水達(dá)標(biāo)，控制變量被設(shè)定為1 mg/L。由于OPCM具有模塊性，其結(jié)構(gòu)可繼續(xù)擴(kuò)充，以進(jìn)一步提高出水水質(zhì)和減少運(yùn)行費(fèi)用，例如好氧區(qū)(Z4～Z6)的溶解氧濃度以及外回流流量也可被列為操縱變量，成為控制結(jié)構(gòu)的一部分；若能測(cè)定懸浮性固體以及硝酸鹽濃度的值，則它們也能成為控制變量。在眾多MPC策略中，動(dòng)態(tài)矩陣控制(dynamic matrix control,DMC)算法可簡(jiǎn)單直接地解決最優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)于其應(yīng)用至整個(gè)污水處理廠更具可行性。DMC的主要原理同所有預(yù)測(cè)控制算法一樣，是在每一個(gè)控制環(huán)節(jié)計(jì)算出一個(gè)控制序列，使得某一目標(biāo)函數(shù)最小化，而控制程序是根據(jù)工藝簡(jiǎn)化模型以及實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得到的。

SPCM則根據(jù)主成分分析(principle component analysis,PCA)模型殘差得到兩個(gè)擬合度量——霍特林T2統(tǒng)計(jì)量(Hotelling’sT2statistic)和Q統(tǒng)計(jì)量(Qstatistic)，從而篩檢出失控的觀測(cè)數(shù)據(jù)。前者主要測(cè)算目標(biāo)觀測(cè)值與其原來(lái)所在子空間之間的歸一化距離；后者主要測(cè)算目標(biāo)觀測(cè)值與其在主成分子空間的重建之間的正交距離。通過(guò)兩個(gè)臨界值Tlim2和Qlim，對(duì)這兩個(gè)距離在適當(dāng)?shù)牧考?jí)范圍內(nèi)進(jìn)行量化，以實(shí)現(xiàn)控制的目的。根據(jù)這兩個(gè)臨界值，異常的觀測(cè)值可被檢出，相應(yīng)的樣品可被標(biāo)為失控。SPCM主要獲取以下原始測(cè)量數(shù)值：進(jìn)水流量、內(nèi)回流流量、外回流流量、Z2～Z6的DO含量、Z1～Z6的氣流流量、pH、懸浮性固體以及反應(yīng)器出口的氨濃度。

對(duì)ACS部署前后該污水廠生物處理單元的性能進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用ACS后，工藝的總曝氣量消耗減少了3%，其中Z2、Z3和Z6的曝氣量消耗減少了14%；出水中的氨略有提升，但仍低于排放限值；Z2和Z3中的DO分別減少了33%和11%，而Z4、Z5和Z6中的DO與設(shè)定值(1 mg/L)接近，分別為3、2.5、2 mg/L；內(nèi)回流流量減少了5%；出水中硝酸鹽的濃度降低了15%，磷含量降低了9%，而濁度提高了9%。

3 溶氣氣浮實(shí)時(shí)藥劑投加優(yōu)化控制系統(tǒng)

溶氣氣浮(dissolved air floatation,DAF)工藝常用來(lái)去除食品加工廢水中的懸浮性固體、油脂及難溶性COD。首先在廢水中投加氯化鐵等金屬鹽，在水中形成小顆粒，然后調(diào)節(jié)pH并投加聚合物，使得小顆粒物質(zhì)絮凝形成絮狀體，最后通過(guò)DAF將其去除。在實(shí)際應(yīng)用中，化學(xué)藥劑投加以及生成污泥處置產(chǎn)生的費(fèi)用占了很大一部分工藝運(yùn)行成本。平衡池中的COD在生產(chǎn)加工階段不斷上升，在清洗階段又持續(xù)下降，化學(xué)藥劑的設(shè)計(jì)投加量一般就根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)日的峰值COD負(fù)荷確定，以確保出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)；然而由于進(jìn)水COD存在實(shí)時(shí)波動(dòng)，該投加方法并不利于達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。另外，過(guò)量的金屬鹽投加使得工藝產(chǎn)生的污泥量增大，污泥中無(wú)機(jī)物的含量增大，進(jìn)一步提高運(yùn)行成本。因此，Long等[3]通過(guò)一套i-DOSE藥劑在線(xiàn)投加系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)控制化學(xué)試劑(氯化鐵和NaOH)的投加量，使得混凝、絮凝及pH調(diào)節(jié)的藥劑成本大大降低，并通過(guò)計(jì)算DAF產(chǎn)生的污泥量，降低曝氣系統(tǒng)的能耗。

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)水的COD負(fù)荷，不僅可以?xún)?yōu)化每個(gè)生產(chǎn)日不同階段的藥劑投加量，還可以計(jì)算出DAF系統(tǒng)的氣固比(air to solids ratio，A/S)，以確定所需的曝氣量或氣壓。通過(guò)特制的TOC分析儀測(cè)定廢水的TOC值，根據(jù)試驗(yàn)分析得出的不同產(chǎn)品處理廢水的TOC/COD比值，確定相應(yīng)的COD值，實(shí)現(xiàn)COD負(fù)荷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；然后通過(guò)正反饋控制系統(tǒng)，即可根據(jù)COD負(fù)荷實(shí)時(shí)優(yōu)化絮凝劑、pH調(diào)節(jié)劑及聚合物的投加量。圖5和圖6分別為i-DOSE系統(tǒng)的組織構(gòu)架以及DAF處理系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖5 i-DOSE系統(tǒng)組織構(gòu)架Fig.5 Set-Up of i-DOSE System

圖6 溶氣氣浮處理系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.6 Site Map of DAF Treatment System

圖7為i-DOSE系統(tǒng)應(yīng)用前后藥劑(氯化鐵和NaOH)的投加量變化情況。由圖7可知：在i-DOSE系統(tǒng)的控制下，氯化鐵和NaOH的投加量在生產(chǎn)啟動(dòng)階段逐漸增大，在清洗階段又逐漸減?。凰巹┩都恿侩S進(jìn)水COD負(fù)荷實(shí)時(shí)變化，投加總量顯著低于投加量固定的情況。與此同時(shí)，實(shí)時(shí)優(yōu)化投加藥劑的出水平均COD水平與固定量投加藥劑相當(dāng)。

圖7 實(shí)時(shí)優(yōu)化投加和固定量投加的藥劑耗量對(duì)比Fig.7 Comparison of Chemical Dosages between Real Time Optimized Dosing and Previous Fixed Dosing

對(duì)于50 m3/h的DAF處理系統(tǒng)，應(yīng)用i-DOSE系統(tǒng)之后，氯化鐵的消耗量減少了20%，NaOH的消耗量減少了41%，藥劑消耗總量減少了25%；日常檢查和調(diào)整投入的時(shí)間減少了50%；產(chǎn)生的污泥量減少了3%；年投入成本節(jié)省了約3萬(wàn)歐元。此外，實(shí)時(shí)測(cè)得的COD負(fù)荷可調(diào)整DAF系統(tǒng)的的氣固比，從而可以減少系統(tǒng)22%～27%的能耗。

4 結(jié)語(yǔ)

以?xún)?yōu)化污水廠運(yùn)行效率、降低生產(chǎn)能耗、提升管理水平為目的的自動(dòng)化控制手段，經(jīng)實(shí)踐證明效果顯著。在以下核心環(huán)節(jié)開(kāi)發(fā)并應(yīng)用自動(dòng)化控制技術(shù)，前景巨大：

(1)以TSS為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)象，計(jì)算并實(shí)時(shí)校正剩余污泥量，控制污泥膨脹，提升出水水質(zhì)，節(jié)約能耗和藥劑用量；

(2)以生化系統(tǒng)的主要運(yùn)行參數(shù)為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)象，引入過(guò)程控制算法，實(shí)時(shí)反饋與調(diào)整工藝參數(shù)，有效減少曝氣量，提升出水水質(zhì)；

(3)在氣浮工藝中，以進(jìn)水COD為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)象，動(dòng)態(tài)調(diào)整，有效降低藥劑投加量，減少污泥產(chǎn)量。

[1]EKSTER A.Twentieth anniversary of the real time sludge age control[C].Chicago: 89th Annual Water Environment Federation Technical Exhibition and Conference,2016.

[2]MULAS M,CORONA F,SIRVI? J,et al.Full-scale implementation of an advanced control system on a biological wastewater treatment plant[J].Ifac Papersonline,2016,49(7):1163-1168.

[3]LONG H,BROEDERS E,MENKVELD H W H.Applying real-time pollution control to reduce chemical costs and energy usage for DAF[C].Chicago: 89th Annual Water Environment Federation Technical Exhibition and Conference,2016.