活性污泥工藝儀器化的前世今生

　　 今年適逢活性污泥工藝100年，迫于人口數(shù)量的快速增長、污水深度處理的進一步需求、工藝成本的合理與經濟評估、保護環(huán)境的社會需要等因素，100年來活性污泥工藝不斷在設計和操作運行上做出著調整。為了研究這些調整在工藝上的運行和反饋機制，就必須要運用儀表來進行監(jiān)測。

　　活性污泥工藝的儀表化和自動化發(fā)展緊密相連。最初的發(fā)展起源于鼓風機的速度傳動裝置和控制溶解氧的PID循環(huán)控制器。最近，工藝的儀表化已經發(fā)展到氨控制系統(tǒng)和高級過程控制。

　　為了控制活性污泥工藝過程，國際上已經開始運用各種儀器和工藝模型。例如，國際水協(xié)(IWA)已經開發(fā)出一套數(shù)學模型，并且該模型已經成為現(xiàn)代高級過程控制系統(tǒng)的基礎。

　　污水處理廠儀器化簡史

　　1956年，Dr. Leland Clark通過對Clark極譜傳感器的改進，開發(fā)出了溶解氧探頭，這成為活性污泥工藝的第一次革新。90年代末，美國EI(Environmental Instruments)協(xié)會開發(fā)出第一臺光學傳感器。這些儀器最開始稱作螢石探頭，經過多年的發(fā)展演變，逐漸形成如RDO等探測儀器。

　　1996年，為完善溶解氧探頭，Dr. John Watts(當時任職于Minworth系統(tǒng)有限公司)開發(fā)出第一臺呼吸測定儀。該儀器可以運行多年，費用經濟，能對溶解氧進行在線控制，同時還能用于毒性檢測以替代污水處理廠進水處繁重的毒性測定。如今，世界上最有名的系統(tǒng)是英國的Strathkelvin Instruments和美國的Challenge Technologies。ASPCon由Strathkelvin Instruments開發(fā)，將呼吸運動計量法運用到主流控制，為最近國際上頗受認可的新技術。

　　1973年，人類研發(fā)出了用于測定工藝生物量懸浮的固體監(jiān)測儀，90年代末，氨氮監(jiān)測器又被開發(fā)出來，而這些監(jiān)測儀的開發(fā)利用，可以使活性污泥工藝更加有效地運行。

　　活性污泥工藝儀器開發(fā)與運用的關鍵在于模型的建立。第一個模型是由國際水質協(xié)會于1983年開發(fā)的，即ASM1，包括COD的去除、O2的消耗、微生物的繁殖與降解。1995年，該模型被進一步延伸，增加了生物與化學除磷，也就是ASM2。90年代末，在原來基礎上該模型又增加了好氧吸磷，即為ASM2d。國際水協(xié)開發(fā)的模型為一些經濟的模型(如BioWin, GPSX, and Stoat)提供了基礎，而且這也反過來為當今高級過程控制模型建立了基礎。

　　現(xiàn)代污水處理廠中高級過程控制扮演的角色

　　污水處理廠自身規(guī)模與復雜度決定了相對應的儀器設備和控制過程。大多數(shù)較小的、傳統(tǒng)的污水處理廠只有基本的儀器設備，包括溶解氧與流量監(jiān)測儀。溶解氧濃度的控制是確保污水處理廠正常運轉和能源消耗在可維持范圍內的重要因素。

　　較大規(guī)模的污水處理廠已開始運用智能化設備和自動化控制系統(tǒng)。水務公司為此已經做了大量的工作，包括：

　　溶解氧控制;

　　有機負荷控制;

　　氨氮控制;

　　污泥齡控制;

　　高級全過程控制

　　為了使表面曝氣系統(tǒng)、PID循環(huán)控制系統(tǒng)、微孔曝氣系統(tǒng)等更高效地運行，溶解氧控制技術是最先采取的技術之一。

　　隨著精密氨氮分析儀器的發(fā)展，污水處理廠對有機負荷和氨氮的控制是另一個較早運用于活性污泥工藝的技術。但結果卻是喜憂參半，一些水務公司能成功地運用這些技術，然而更多公司則不具備這樣的能力。

　　隨著懸浮固體測定儀的發(fā)展，控制活性污泥的生物量成為可能。這對于削減能源消耗和維持污水處理廠正常運營都是至關重要的。

　　在過去的五到八年間，英國兩大商業(yè)組織和一個水務公司將污水處理廠的單元控制整合為高級過程控制系統(tǒng)。在歐洲，水務公司自己已經試著運用PID循環(huán)控制系統(tǒng)，在某些情況下運用串級循環(huán)控制系統(tǒng)，并且在某些案例中已經取得了成功。

　　Hach Lange 公司與MWH Global 公司就曾合作研發(fā)出了水處理的優(yōu)化系統(tǒng)(Water Treatment Optimization System, WTOS)。在某種程度上說，這就是一套基于儀器設備的高級過程控制系統(tǒng)。水處理優(yōu)化系統(tǒng)由Hach Lange儀器和基于ASM1建立的模型組成(Thornton et al., 2010)。

　　WTOS系統(tǒng)第一次運用在四段式的Bardenpho污水處理廠，其監(jiān)測與自動化控制系統(tǒng)包括硝化與甲醇投加。首次試驗歷時十周，最終在曝氣階段實現(xiàn)了控制出水氨氮排放量和20%的削減，以及減少了50%甲醇的消耗。

　　自2008年第一次成功運用，該技術被進一步深化。根據具體的污水處理廠和工藝來具體設計的控制模塊，如硝化(污泥齡控制)等其他控制模塊也被納入其中。

　　第二種實現(xiàn)高級全過程控制的方法是建立在模型的基礎上。該種方法降低了對儀器的依賴性，但卻更加依賴于系統(tǒng)整體的智能化。在運用高級全過程控制的過程中，任何失敗都可能導致儀器測定的數(shù)據結果質量不高。這種方法將更多的智能化融入到控制系統(tǒng)中。當系統(tǒng)中一臺儀器不再精確，對于這套整體系統(tǒng)來講，可以用系統(tǒng)中其他儀器的具有參考價值的數(shù)據來進行代替。

　　例如，在任何給定的時間、進水水質、風機負荷、閥門位置、管道壓力和出水水質，控制模型對于每臺溶解氧測定器應當測定的數(shù)據具有主動反饋機制。一旦任何的監(jiān)測結果和預期的有著明顯的不同，警報被觸發(fā)，具有參考意義的數(shù)據將會替代錯誤數(shù)據，實現(xiàn)過程的控制。即使在真實測定數(shù)據變得不可靠時，優(yōu)化控制系統(tǒng)還是能繼續(xù)維持運行。

　　對總體處理設施而不是單個的污水處理廠而言，多元化的工藝方法相對于單個控制元素構成的系統(tǒng)更具有明顯優(yōu)勢，并且運用更加廣泛。通過對英國三家水務管道廠的案例研究表明，在自動控制系統(tǒng)下污水處理廠可以在曝氣階段減少20%-35%的能源消耗。同時降低設備非正常運轉的風險，而且處理廠可以更加有效地運行。

　　很明顯，污水處理工業(yè)儀器化時代的到來，不僅推進了自動控制系統(tǒng)的發(fā)展，更為污水處理廠尤其是基于活性污泥工藝的污水處理廠節(jié)省了明顯的成本消耗。

　　活性污泥工藝儀器化未來

　　在未來的一百年，活性污泥工藝下一步該如何走?

　　隨著越來越緊迫的污水處理需求，基于活性污泥法的污水處理廠有望做得更多。我們可以看到，越來越多的污水處理廠開始轉向活性污泥工藝以及其它的各種改良工藝來滿足日益增長的需求，包括強化營養(yǎng)物去除(BNR)，強化生物除磷(EBNR)，膜生物反應器(MBRs)以及集成固定膜活性污泥工藝(IFAS)。

　　對于一些改良工藝，相應的控制系統(tǒng)已經日益成熟;剩余工藝相應的控制系統(tǒng)也會得到進一步發(fā)展。

　　業(yè)內各種儀器供應商已經開發(fā)出或者正在開發(fā)一些不同儀器，包括一氧化二氮探測器、呼吸計和生物監(jiān)測系統(tǒng)。這些探測器融入活性污泥工藝的過程還有待進一步考察。

　　污水處理廠不能被當作一個單獨系統(tǒng)來考慮，而是需要著眼于更大的系統(tǒng)。就如污水處理行業(yè)目前正在開始研發(fā)的概念污水處理廠，它作為一個生產設施，同時生產設施又作為整個污水管網的一部分，從居民污水的受納體到向環(huán)境排放的排放源，整個系統(tǒng)都將被納入考慮范圍內。

　　未來的污水處理廠將會面臨什么樣的挑戰(zhàn)?一切都是未知數(shù)，但有一點毋庸置疑，那就是滿足利益相關者的要求、客戶與環(huán)境的整體性，儀器、過程自動化以及控制將會扮演重要的角色。