污水处理厂运行维护与管理控制模式：自动化控制

目前各个传统行业均朝着自动化、信息化、数字化的方向大力改革和发展，这是社会文明进步不可阻挡的历史洪流，对解放人类生产力、提升企业竞争力、加速产业发展和升级具有深远意义。城市污水厂的自动化进程在近十多年来方兴未艾，自动化控制系统的引入将为污水处理厂高效、优质的运行提供重要保障。

污水处理厂的自动化控制能够根据系统运行过程中相关参数发生的变化及时自动地调整系统的运行状态，使其始终保持最佳运行状态，一方面可以优化设备、节约能耗，取得显著的社会经济效益，另一方面又能确保安全操作、节约人力，改善水厂员工的工作环境。本文整理了污泥龄实时自动控制、活性污泥工艺自动控制以及溶气气浮药剂投加自动控制三个较为前沿且具实用价值的污水厂自动化控制案例，分别介绍了它们的工作原理及取得的生产效益，以期为行业相关人员提供参考。

1 污泥龄实时自动控制系统

对于活性污泥工艺来说，污泥负荷(F/M比，food-to-microorganism population ratio)是影响系统效能和污泥微生物健康的重要参数。通常，恒定的污泥负荷可通过恒定的污泥龄(SRT，solids retention time)来控制。虽然剩余污泥的排放量一般只占进水流量的很小一部分，但即使是很小的变动，随着工艺运行时间的持续，也会因积累而被放大，对活性污泥系统的稳定性造成巨大影响。排泥不充分会使得澄清池负荷过高，引起低F/M导致的污泥膨胀、发泡，且维持微生物内源性呼吸的曝气量增大;另一方面，排泥过量会使得可溶性污染物的处理效果变差，引发低溶氧污泥膨胀，且由于硝化过程中亚硝酸根去除不充分，使得氯的需求量增大。此外，排泥过量还会使得污泥浓缩设备的负荷增大，高分子凝集剂(polymer)的用量增大，造成污泥浓缩设备的运行效率降低。

剩余污泥量的调整是通过混合液及回流污泥中总悬浮性固体(TSS)浓度的计算得到的，而TSS浓度通常采用测重分析法得到，但这一常规方法存在以下问题：

(1)由于进水流量和污泥回流量存在波动，采得随机水样的TSS浓度与日均值可能相差甚远，使得剩余污泥量的计算不准确;

(2)由于采样和分析所需的人力和时间有限，样品采集的频率一般为1~2次/天，而TSS与回流污泥的浓度是实时变化的，因此根据样品计算得出的剩余污泥量存在滞后，不能及时得到反馈和优化;

(3)单个样品采用测重法分析的实验误差一般在5%左右，精度和重现性较差;

(4)繁琐的剩余污泥量计算过程中可能会出现差错。

基于此，Ekster设计了一种SRT自动控制系统，其原理图如图1所示。系统主要由两个TSS测量仪、一个控制器、一个剩余污泥流量仪以及一个流量控制元件(控制阀或者变频驱动泵)组成。

其工作原理为：TSS测量仪将测得的信息传输到控制器，控制器将工艺运行的标准值，如混合液的TSS浓度、计算得出的实时SRT等，同测定值进行比较，算出需要作出调整的剩余污泥量，再将信号传输给控制元件进行调节。

将该系统应用于处理量为170 MGD(约64.4万m3/d)的污水处理厂，结果表明SRT可维持在设定值5%的变化范围内，大部分情况下变化范围在2.5%以内，如图2所示。剩余污泥总量的日平均变化从23%降至仅3%。表1为部分污水处理厂在采用SRT自动控制系统后的效果提升状况。

安装该SRT自动控制系统后，污水处理厂的性能提升主要表现在以下几方面：

(1)污泥膨胀得到控制

Bellingham污水处理厂最初的设计是采用纯氧曝气工艺，几十年来一直受到丝状菌污泥膨胀问题的困扰，其由低溶氧引起，常出现于SRT较低的环境。十年前该污水厂开始采用厌氧生物选择器，之后SVI得到改善，但仍能观察到SVI偶有上升。近来该污水厂转为采用传统活性污泥处理系统，尽管获益颇多，但未能解决SVI偶发上升的问题。在安装SRT自动控制系统后，SVI的稳定性得到显著提升。图3为每次升级改造后二级处理工艺的处理能力得到的提升。由图可知，在安装SRT自动控制系统后，该污水厂的二级处理能力提升了25%。

采用该SRT自动控制系统后，SRT的平均控制误差从0.5 d(设定点的15%)降至0.1 d(设定点的3%)，控制精度提高了5倍，这使得SVI显著下降，其第92位百分数从148 mL/g降至115 mL/g。聚磷菌和丝状菌之间的竞争使得污泥膨胀现象得到了有效缓解。在该SRT控制系统安设之前，为了防止硝化作用，好氧段的SRT通常设置在2 d以下，但这一条件并不适宜聚磷菌的生长，因此SVI通常会升高，尤其是在夏天。

(2)出水水质及消毒效果提升

采用硝化处理工艺的加州Chico污水处理厂，由于碎絮(pin floc)问题，出水浊度较高，硝化工艺时常出现异常，造成氯的使用剂量上升，某些情况下粪大肠菌的数量甚至高于美国国家污染物排放削减制度(NPDES)规定的限值。在安装SRT控制系统并对SRT设定值进行季节性优化之后，这些问题发生的频率显著下降，氯的用量也明显减少。同样地，Sacramento区域污水处理厂在采用SRT控制系统后，出水水质和氯用量都到了明显优化，每年的运行费用节省超过10万美元。

(3)药剂投加节省

Oxnard污水处理厂的滴滤/活性污泥工艺在采用SRT控制系统后，用于污泥浓缩的高分子凝集剂用量减少了25%，Chico污水处理厂等也得到了相似的结果。这主要是由于污泥处理单元接收的污泥总量的变化幅度明显降低，污泥总量稳定性提升。

(4)能耗节省

据工程实践，将传统活性污泥工艺的SRT提高至高于硝化作用的最低需求，污水厂的能耗可提升100%。Oxnard污水处理厂采用DO和SRT精确控制系统后，通过降低DO和SRT的设定值，使得污水厂能耗降低了25%。一座BNR污水处理厂通过提高SRT和降低DO，同时对SRT和DO进行控制优化，实现了20%的能耗降低。同样采用BNR工艺的San Jose污水处理厂在提高SRT并降低DO的前提下，对SRT和DO的设定点进行精确维控，节省了10%的能耗。

编辑：汪茵