文| 安格利安水務(wù)（Anglian Water） Oliver Grievson

譯| 黃冬

今年適逢活性污泥工藝100年，迫于人口數(shù)量的快速增長(zhǎng)、污水深度處理的進(jìn)一步需求、工藝成本的合理與經(jīng)濟(jì)評(píng)估、保護(hù)環(huán)境的社會(huì)需要等因素，100年來活性污泥工藝不斷在設(shè)計(jì)和操作運(yùn)行上做出著調(diào)整。為了研究這些調(diào)整在工藝上的運(yùn)行和反饋機(jī)制，就必須要運(yùn)用儀表來進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

活性污泥工藝的儀表化和自動(dòng)化發(fā)展緊密相連。最初的發(fā)展起源于鼓風(fēng)機(jī)的速度傳動(dòng)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(jīng)發(fā)展到氨控制系統(tǒng)和高級(jí)過程控制。

為了控制活性污泥工藝過程，國(guó)際上已經(jīng)開始運(yùn)用各種儀器和工藝模型。例如，國(guó)際水協(xié)（IWA）已經(jīng)開發(fā)出一套數(shù)學(xué)模型，并且該模型已經(jīng)成為現(xiàn)代高級(jí)過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

污水處理廠儀器化簡(jiǎn)史

1956年，Dr. Leland Clark通過對(duì)Clark極譜傳感器的改進(jìn)，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(guó)EI（Environmental Instruments）協(xié)會(huì)開發(fā)出第一臺(tái)光學(xué)傳感器。這些儀器最開始稱作螢石探頭，經(jīng)過多年的發(fā)展演變，逐漸形成如RDO等探測(cè)儀器。

1996年，為完善溶解氧探頭，Dr. John Watts（當(dāng)時(shí)任職于Minworth系統(tǒng)有限公司）開發(fā)出第一臺(tái)呼吸測(cè)定儀。該儀器可以運(yùn)行多年，費(fèi)用經(jīng)濟(jì)，能對(duì)溶解氧進(jìn)行在線控制，同時(shí)還能用于毒性檢測(cè)以替代污水處理廠進(jìn)水處繁重的毒性測(cè)定。如今，世界上最有名的系統(tǒng)是英國(guó)的Strathkelvin Instruments和美國(guó)的Challenge Technologies。ASPCon由Strathkelvin Instruments開發(fā)，將呼吸運(yùn)動(dòng)計(jì)量法運(yùn)用到主流控制，為最近國(guó)際上頗受認(rèn)可的新技術(shù)。

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

活性污泥工藝儀器開發(fā)與運(yùn)用的關(guān)鍵在于模型的建立。第一個(gè)模型是由國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)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(jìn)一步延伸，增加了生物與化學(xué)除磷，也就是ASM2。90年代末，在原來基礎(chǔ)上該模型又增加了好氧吸磷，即為ASM2d。國(guó)際水協(xié)開發(fā)的模型為一些經(jīng)濟(jì)的模型（如BioWin, GPSX, and Stoat）提供了基礎(chǔ)，而且這也反過來為當(dāng)今高級(jí)過程控制模型建立了基礎(chǔ)。

現(xiàn)代污水處理廠中高級(jí)過程控制扮演的角色

污水處理廠自身規(guī)模與復(fù)雜度決定了相對(duì)應(yīng)的儀器設(shè)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(shè)備，包括溶解氧與流量監(jiān)測(cè)儀。溶解氧濃度的控制是確保污水處理廠正常運(yùn)轉(zhuǎn)和能源消耗在可維持范圍內(nèi)的重要因素。

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

• 溶解氧控制；

• 有機(jī)負(fù)荷控制；

• 氨氮控制；

• 污泥齡控制；

• 高級(jí)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(yùn)行，溶解氧控制技術(shù)是最先采取的技術(shù)之一。

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

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

在過去的五到八年間，英國(guó)兩大商業(yè)組織和一個(gè)水務(wù)公司將污水處理廠的單元控制整合為高級(jí)過程控制系統(tǒng)。在歐洲，水務(wù)公司自己已經(jīng)試著運(yùn)用PID循環(huán)控制系統(tǒng)，在某些情況下運(yùn)用串級(jí)循環(huán)控制系統(tǒng)，并且在某些案例中已經(jīng)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(shè)備的高級(jí)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(yùn)用在四段式的Bardenpho污水處理廠，其監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括硝化與甲醇投加。首次試驗(yàn)歷時(shí)十周，最終在曝氣階段實(shí)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(yùn)用，該技術(shù)被進(jìn)一步深化。根據(jù)具體的污水處理廠和工藝來具體設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)高級(jí)全過程控制的方法是建立在模型的基礎(chǔ)上。該種方法降低了對(duì)儀器的依賴性，但卻更加依賴于系統(tǒng)整體的智能化。在運(yùn)用高級(jí)全過程控制的過程中，任何失敗都可能導(dǎo)致儀器測(cè)定的數(shù)據(jù)結(jié)果質(zhì)量不高。這種方法將更多的智能化融入到控制系統(tǒng)中。當(dāng)系統(tǒng)中一臺(tái)儀器不再精確，對(duì)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(jià)值的數(shù)據(jù)來進(jìn)行代替。

例如，在任何給定的時(shí)間、進(jìn)水水質(zhì)、風(fēng)機(jī)負(fù)荷、閥門位置、管道壓力和出水水質(zhì)，控制模型對(duì)于每臺(tái)溶解氧測(cè)定器應(yīng)當(dāng)測(cè)定的數(shù)據(jù)具有主動(dòng)反饋機(jī)制。一旦任何的監(jiān)測(cè)結(jié)果和預(yù)期的有著明顯的不同，警報(bào)被觸發(fā)，具有參考意義的數(shù)據(jù)將會(huì)替代錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)過程的控制。即使在真實(shí)測(cè)定數(shù)據(jù)變得不可靠時(shí)，優(yōu)化控制系統(tǒng)還是能繼續(xù)維持運(yùn)行。

對(duì)總體處理設(shè)施而不是單個(gè)的污水處理廠而言，多元化的工藝方法相對(duì)于單個(gè)控制元素構(gòu)成的系統(tǒng)更具有明顯優(yōu)勢(shì)，并且運(yùn)用更加廣泛。通過對(duì)英國(guó)三家水務(wù)管道廠的案例研究表明，在自動(dòng)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(shí)降低設(shè)備非正常運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，而且處理廠可以更加有效地運(yùn)行。

很明顯，污水處理工業(yè)儀器化時(shí)代的到來，不僅推進(jìn)了自動(dòng)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(zhuǎn)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(zhǎng)的需求，包括強(qiáng)化營(yíng)養(yǎng)物去除（BNR），強(qiáng)化生物除磷（EBNR），膜生物反應(yīng)器（MBRs）以及集成固定膜活性污泥工藝（IFAS）。

對(duì)于一些改良工藝，相應(yīng)的控制系統(tǒng)已經(jīng)日益成熟；剩余工藝相應(yīng)的控制系統(tǒng)也會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。

業(yè)內(nèi)各種儀器供應(yīng)商已經(jīng)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(cè)器、呼吸計(jì)和生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些探測(cè)器融入活性污泥工藝的過程還有待進(jìn)一步考察。

污水處理廠不能被當(dāng)作一個(gè)單獨(dú)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(gè)生產(chǎn)設(shè)施，同時(shí)生產(chǎn)設(shè)施又作為整個(gè)污水管網(wǎng)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(gè)系統(tǒng)都將被納入考慮范圍內(nèi)。

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

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