PROJECT
項目背景
位于德國北部漢堡附近 Glückstadt 市的 SBR（序批式反應器*）廢水處理廠，多年以來一直使用 WTW 旗下的測量技術。2008 年使用 VARiON® 傳感器（離子選擇性 ISE 測量技術）對定時流程控制進行了測試。
測試結果表明，硝化流程中的曝氣控制具有相當大的節能潛力。這就是為什么在一年左右的測試階段結束后，Stadtentw?sserung Glückstadt（SEG，即污水收集和處理市政當局）決定使用氨氮(NH4-N) 作為控制參數，替代原來簡單的定時 SBR 流程控制。
Gl ü ckstadt 廢水處理廠
工廠和流程概述
在此污水處理廠的位置，SEG 起初創建了一個可容納 36,000 人的曝氣廠。在工廠現代化過程中，于 2004 年改建為可容納 20,000 人的 SBR 工廠。廢水首先流經篩網和沉砂池系統，然后暫時儲存在儲水池中。接下來為了進一步處理，廢水交替進入兩個可用的 SBR 反應器。在高壓管線將處理過的廢水導入到易北河之前，廢水將暫時儲存在一個排水蓄水池中。工廠沒有消解塔；離心機脫水后的剩余污泥通常用于農業。污水處理廠的鳥瞰圖如圖 1 所示。
▲ 圖1：Glückstadt 污水處理廠的的鳥瞰圖
兩個 SBR 反應器的總體積均為 4500 立方米，每個反應器的每個處理周期可處理 750 立方米的廢水。每個反應器配有兩個 75 kW 的鼓風機裝置。Glückstadt 廢水處理廠基于多年的運營經驗，制定了 SBR 操作各個階段的固定時長（表1）。
SBR 階段 | 過程控制 | 時長 | 活動組件 |
第 1 階段 | 進水 1 (500 m3 ) 和反硝化 | 60 min | 進水泵/攪拌器 |
第 2 階段 | 反硝化 1/ Bio-P | 45 min | 攪拌器 |
第 3 階段 | 硝化 1 | 110 min | 攪拌器 |
第4 階段 | 進水 2 (250 m3 ) 和反硝化 | 30 min | 進水泵/攪拌器 |
第5階段 | 反硝化 2 | 75 min | 攪拌器 |
第6 階段 | 硝化 2 | 120 min | 曝氣裝置 |
第 7 階段 | 沉淀 | 130 min | |
第 8階段 | 澄清水排放 (750 m3) 和剩余澄清水排 | 40 min | 潷水器/泵 |
第9階段 | 暫停 |
▲ 表 1：采用簡單 O2 控制策略的定時 SBR 操作階段
SBR 為 Sequencing Batch Reactor（序批式反應器）的縮寫，該反應器可對污水進行逐批凈化。在 SBR 曝氣廠中，每個處理周期都通常包括以下階段：將廢水注入反應器、混合（反硝化 => 硝氮降解）、曝氣（硝化 => 氨降解）、活性污泥沉淀，將凈化后的廢水通過潷水器排出干凈的水。
每個反應器的整個處理周期約為 10 小時。如有必要，例如在強降雨期間，還可以手動調整每個階段的固定時長。但是人工管理需要額外由有經驗的操作人員執行。還涉及到額外的組織工作，尤其是在晚上和周末時段。該工廠的反應器配備了 IQ Sensor Net System 2020 和光學溶解氧傳感器 FDO® 700 IQ。在引入 SBR 過程的動態控制之前，僅用溶解氧測量值作為控制變量，通過頻控鼓風機單元來控制氧氣輸入，以在硝化階段保持氧氣濃度恒定。
使用 VARiON® 傳感器進行測試測量
于 2008 年開始進行測試，旨在確定硝化和反硝化階段的固定時長是否仍然適合水廠，以及降解過程的各個階段是否具有優化潛力。為了能夠在線測量氨氮氨氮和硝氮硝氮，將 VARiON® 700 IQ ISE 復合傳感器安裝在兩個反應器中。在現有 IQ Sensor Net 系統中集成傳感器及其啟動過程并不復雜。在試驗階段，測量值記錄在 MIQ/TC 2020 XT 終端/控制器的集成數據記錄器中，并通過 U 盤傳輸到計算機上，以便在Excel 中進行數據分析。根據記錄的數據，很快就證明了在兩個硝化階段，只需固定曝氣時長的一半，氨氮就已經降解（圖 2）。在使用 ISE 傳感器進行了為期一年的試驗后表明，SBR 反應器的各個階段具有相當大的節能潛力。
流程優化
工程辦公室為動態過程控制編寫了一個名為“Energieoptimiert"（節能）的附加控制程序，以將氨氮和硝氮氨氮硝氮的測量值集成到現有的 PLC 中。氨氮是決定硝化階段何時結束的重要控制參數。個硝化過程（第 3 階段），關閉鼓風機裝置的控制值為 1.3 mg/l NH4-N；第二個硝化過程（第 6 階段），關閉鼓風機裝置的控制值為 0.7 mg/l NH4-N。下一個 SBR 階段在鼓風機關閉后開始。剩余氨氮的降解基本在沉降階段完成（NH4-N 值 < 0.4 mg/l；見圖 3）。
▲ 圖 2：定時控制：可以清楚地看到，只用了大約一半曝氣時長（藍色）后，氨氮（紅色）降解已經基本完成
▲ 圖 3：氨氮控制 -動態控制：當氨氮達到特定值時停止鼓風機
對曝氣時間的動態控制可確保硝化僅在必要時運行，實現非常低的目標出水值而不產生不必要的能源消耗（圖 3）。上述控制設置以現有的經驗值為基礎，可以在新的控制程序中進行自由調整。這樣，未來也可繼續輕松對降解過程進行簡單優化，而不必再次購買昂貴的編程。通過同步測量硝氮和氨氮的濃度（NO3-N 和NH4-N 的化學計量比）可以隨時檢查氨氮降解的合理性，以及控制整個處理周期結束時的排出限值。不過，并不能只把硝氮測量值用作控制相關參數。即使在今天，定時控制程序仍然還是流程控制的一部分，但主要用于緊急程序控制，例如在測量值錯誤或不可信時。此外，如果“節能"程序超過了硝化階段原有的固定時長，流程管理系統也會自動切換回定時控制模式。因此，通過流程的動態化，每個硝化階段多可以縮短一個小時。以每天 4 個硝化階段為例（每個 SBR 反應器的整個處理周期包括 2 個硝化階段），則曝氣裝置的運行時間多可減少 4 小時。如果將該值外推至一年，則每年鼓風機裝置的運行時間多可節省 1500 小時。這不僅降低了能源成本，而且還減少了曝氣裝置的磨損。
結論
所采用的 IQ Sensor Net 測量技術能夠將維護成本降低。使用可靠的測量值可持續控制工廠的廢水處理流程并有效提高能源利用率。成熟的 VARiON® 700 IQ 復合傳感器和 FDO® 700 IQ 光學溶解氧傳感器的使用結果證明，IQ Sensor Net 能夠簡單方便且經濟高效地優化 SBR 工廠的廢水處理流程。在整個降解過程中，氨氮、硝氮和氧氣相關的過程參數均透明可查。
▲ Glückstadt 污水處理廠使用的 IQ Sensor Net System 2020 和 VARiON® 傳感器
實踐優勢包括：
高度透明、有效節能，實現安全的工廠管理；
動態控制可自動調整流入的廢水負荷，無需進行任何手動操作；
提高操作安全性、確保達到排放限值；
減輕操作員工作量。
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