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污水處理廠未來自動化與監測技術的發展

TIME:2017-12-05 09:17:36  HIT:0
              隨著科學技術的深入推進與不斷提高,自動化監測技術的逐漸完善是污水處理廠未來發展的一種必然趨勢,充分了解污水處理廠的自動化需求、各個處理單元的監測以及污水處理廠自動化監測技術的現狀,對于我國污水處理未來自動化的發展具有重要意義。

    1.污水處理廠未來自動化的需求

    無人值守的污水處理廠的誕生

    自動化控制技術誕生于上世紀四五十年代,七十年代歐美建立了大量的的污水廠,發展出模型,八九十年代計算機的誕生,給予了自動化更多的發展機會。

    人類進入二十一世紀,信息化的大潮撲面而來,滌蕩著世界的每一個角落。物聯網、大數據、人工智能等新技術層出不窮,從根本上改變著人們的生產和生活方式。污水處理行業與新時代的相遇,使“智慧水務”應運而生。這一發展趨勢指向了污水處理廠未來自動化的最高境界--無人值守污水處理廠。

  

    實現無人值守或者少人值守需要有以上這些條件。從污水處理行業整體角度來看,自動控制還處于初級階段,單純從技術上和財力上來說,一個小規模或中規模的污水處理廠都可以做到幾乎無人值守,但是在建成投產使用之后,人員技術水平如果達不到,污水處理廠也是很難做到完全真正的無人值守。無人值守的污水處理廠的實現還有很長的路要走,衡量其必要性和使用范圍是十分重要的。

   采用自動化控制的原因與需求

   從自動化本身的目的和任務的角度來說,實現自動化對于污水處理企業來說要滿足安全性、經濟性、穩定性三方面的需求。首先要在生產過程中確保人身和設備的安全,不能出現事故,其次要保證生產成本低而效率高,最后要維持運行穩定,保證處理水質能夠達標。根據以上要求,在了解工藝流程和生產過程的靜態、動態特性的基礎上,應用控制理論、概念和手段對控制系統進行分析,采用適宜的手段加以實現。

   污水處理廠要采用自動控制的原因主要在于:

   第一,由于出水水質的標準日益嚴格,污水廠對于自動控制的需求更加客觀,對于系統的持續穩定性和高效運行性提出了更高的要求。

   第二,多數國家從出水單純達標轉向以最小的經濟消耗來實現達標。

   第三,污水再生利用帶來的經濟效益,使人們關注到生產過程當中的物料控制。

   第四,處理污染物的多樣化也導致工藝的復雜性,原來只處理COD,后來又有氨氮,氮磷,未來還要對微量污染物等藥物殘留進行處理,在所需處理的污染物越來越復雜的情況下,對控制要求也大大提高。

   第五,污水處理本身存在著動態變化,水量水質總處于動態變化中,系統要適應這樣的過程,必然要進行監測控制,所以這些都促進了自動化控制的發展,也促進了儀器化的發展。

   對污水處理的自動控制與儀器化的研究可以追溯到上世紀40年代,經過逐漸發展,70年代后期OlssonAndrews根據污水處理原理對氧的需求進行詳細解釋,這是一個非常重要的貢獻。

污水處理廠未來自動化與監測技術的發展  
    上世紀70年代國際水質協會提出了ICA的概念,即儀器化、控制化和自動化,是水處理自動化技術的三個階段,其技術核心包括檢測儀器、數學模型和控制系統。ICA技術的污水處理工程設施比單純由人工操作的系統具有很大優勢。因此,儀器是污水處理的一個重要的方面,所以對于自動化監測也是一項十分重要的內容。

   2.污水處理廠自動化的監測環節

       污水處理廠的監測包括很多方面,從廠內系統來講,主要有初沉池、生化池、二沉池和深度處理四個部分,同時還要考慮上游的排水管網和下游的受納水體,它們構成了完整的污水處理系統。

   廠區監測及實際可控環節

       在進行監測時,首先對上游管網參數進行監測,進入水廠以后對進水水質進行監測,進入到生化池以后對厭氧區缺氧區的狀態進行監測,還要對好氧區生物量、DO進行監測,進入二沉池之前,如果要進行化學除磷還要對磷進行監測,要對二沉池出水水質監測,在深度處理時要對某些特定指標做監測,處理過的污水排放到受納水體之后還要對水體的水質變化進行監測,所以需要進行監測的環節很多,但是在污水處理廠實際運行過程中可控環節并不多,總體來說可以控制的環節主要有進水提升、曝氣池的曝氣量、內回流量,外回流量、污泥排放量、加藥量。

污水處理廠未來自動化與監測技術的發展

       從區域角度來說,污水處理廠大體可以分為泥區和水區兩部分來控制。對于水區要進行預處理的控制和深化處理的控制,可以分成幾個部分來進行儀器安裝,下面這張圖是從國外借鑒過來的,從113共有13類儀器,每個點上都要進行相應的儀器安裝,在進行整理后,從圖上可以看出不同單元要裝很多儀器,顯得十分復雜。

    但對于監測來說,有高配標準、中配標準和低配標準,不同的標準對于儀器安裝要求是不一樣的,圖中黑字部分是屬于中等偏上的標準,灰字部分是屬于高配的標準,一般低配標準數量不多。

   

   儀器安裝位置的具體工藝說明

       下面用三個基本的工藝為例來對儀器的安裝位置進行說明。首先是A2O生物脫氮除磷工藝,在進水位置用流量計來測量流量和參數,在缺氧區測氧還原的速率,在好氧區測DOMLSS。對于灰色標記的儀器沒有硬性要求,可以裝也可以不裝。加藥要加流量,要對出水要進行測試,還要考慮污泥量。剩余污泥排放和回流污泥要用MLSS計進行測試,這是A2O法的中等水平的容器配置。

污水處理廠未來自動化與監測技術的發展

       配置儀器的經濟效益和好處可以通過一個例子來說明,美國密執安州AnnArbor污水處理廠是一座處理能力為12萬噸/每天的城市污水處理廠,要進行簡單污水處理使總磷濃度從原來1mg/L下降到0.6mg/L,采用了二沉池前的磷濃度的測試,并根據這個測試控制加藥。

    1994年開始采用優化運行方法,1995年全部實施,通過簡單控制,使出水從原來經常超標變成了一個穩定達標的狀態,基本達到0.6mg/L。在加藥量方面原來一個月要加89/月,而現在只需要加30/月,不但藥的用量減少了大半,而且出水水質也達到了穩定的標準,因此可見,通過控制既可以保障出水水質還可以取得經濟效益。

    另外一個常見工藝是SBR法。SBR主要通過曝氣來周期運行,一般要對進水進行監測,然后測MLSSDO,潷水器要測位置和停留時間,還要對曝氣量進行控制。在這種配置情況下,在池內不同位置因為水流的關系,DO濃度也是不一樣,而SBR是靠DO來控制曝氣的,所以要選擇適當的位置對DO進行安裝。

污水處理廠未來自動化與監測技術的發展

       對于氧化溝來說,進水要裝一些儀器,氧化溝里主要有DOMLSS,在缺氧區有DOORP,出水區也有一些常規的檢測。氧化溝的特點是水是循環的,水循環過程中,DO的一個停留時間里水可以循環十幾圈,根據來水波動的不同,氧化溝里面能夠形成一個缺氧的區域,這段時間氧化溝可以轉十幾次,此時氧化溝里相當于進行了一系列AOAO的脫氮的過程,能夠在氧化溝里進行脫氮,這樣的情況下,可以在氧化溝裝MLSSDO,在缺氧區裝ORP,就可以在氧化溝里同時實現硝化和反硝化的效果。

污水處理廠未來自動化與監測技術的發展

    3.適應污水處理廠自動化的監測技術的發展

       污水處理需求不斷增多,標準也在不斷提高。從需求角度來說,從原來的COD去除、到氮磷去除、到地表水回用標準、到節能降耗,未來也會有低碳運行的要求。從標準的角度來說,從二級標準、到一級B、一級A、到回用水標準、到現在準地表水四類的標準。

    非常規水質監測方法優勢與要求

    常規的化學法監測技術結果是準確的,但是其缺點在于測試的頻次比較低,如進行COD測定至少需要三個小時,而且要使用較多的化學藥劑。在污水處理過程中,常常需要了解某個位置的DOCOD、有機物、NP等更加及時的信息,所以要發展一些非常規的監測方法,比如電化學方法,光學方法,它們的特點是測定頻次比較高,速度較快可以達到分級甚至秒級的速度,結果是相對準確的,試劑消耗較少,所以具有很大的優勢。

    對于深度處理,需要測微量污染物,對于重金屬、抗生素、殘留藥物等這些也可以用到光學法或者是生物傳感器的方法,另外在對一些有毒污染物進行工業廢水沖擊時需要給出及時預警,也可以用生物方法來進行監測。

    從自動控制的發展對于儀器的需求來講,它對不同儀器有不同的需求,而且這些儀器都在污水處理廠的自動控制方面是有用武之地的。所以從自動控制的發展角度來講,在已有的基礎上應該去發展一些如光學法、電化學法等非常規的監測技術,能夠更有效更快而且還更經濟地提供信息。

    對于非常規水質監測技術有兩個要求,一是空間上密度要高,可以通過多布點來實現,二是時間上頻次要高,能夠實現半小時一次、十五分鐘一次,甚至幾分鐘一次,這里就顯示出了電化學法和光學法的優越性。

   非常規水質監測方法原理與應用

       舉個運用光學法監測的例子,這是一個紫外可見光全光譜法,上世紀七八十年代最早研究光學法與COD關系的是日本,當時他們用一個254nm單光譜來作為COD的相關參數,但是254nm對于不飽和烴、苯環等其他物質也會產生吸收,所以結果不準確。

污水處理廠未來自動化與監測技術的發展

    到上世紀末小型的光譜議出現了,水樣測試是比較復雜的,因為水樣中往往有濁度和色度,這些都在可見光的范圍里,如果采用光學法,通過可見光將色度和濁度透過之后,可以得到比較準確的測定結果。

    這是一個簡單的光學儀器的結構,在測硝酸鹽時,吸收峰280nm225nm,在比較干凈的水里可以做出比較準確的標準曲線,如果有COD和濁度的影響,仍然是可以分的出來的,所以光譜儀器已經較多應用于水環境監測了,經過本地校準后,能夠得到很好的相關性。

污水處理廠未來自動化與監測技術的發展

 

       另外呼吸速率儀也是用來預警的監測儀器,呼吸速率儀很早就發展起來,主要用來監測活性污泥的狀態,以Cu離子為例,不同濃度的Cu離子呼吸速率會產生變化,呼吸速率低說明對微生物產生影響,進入污水處理廠前可以作預警系統。

    涉及到微量污染物時,通常用一些大型儀器來測定,但是這樣的復雜儀器的缺點在于時間長、費用高,因此現在也發展出了用生物傳感器為基礎測污染物的技術,利用抗體對污染物的特殊識別能力可以對污水中的污染物進行測定,主要是基于激光技術原理,激光照射在光纖里可以在表面上產生很小的能量的光,稱之為倏逝波,如果在表面修飾一些抗原,把水樣和標記抗體混合以后會產生結合反應,結合反應完成后把它通到表面上來,這時剩余的抗體就會結合起來,這時候如果有激光進來的話,就會產生熒光,把這個熒光收集回去就可以得到和這個微量污染物相關的信息。

污水處理廠未來自動化與監測技術的發展

       這些儀器可以自動在一個周期里測污染物,也是測污染物的最新儀器。將來可能在進行深度處理的時候,如臭氧的氧化,可以用微量污染物的監測數據來控制深度處理中氧化劑的添加,可以保證出水中微量污染物得到有效去除。

   4.展望與結論

       不論是自動化控制還是儀器,都是一個多基礎來源的交叉融合產生的技術,隨著新材料技術、物理、化學、信息、電子等技術的發展都會促使儀器的進一步發展。

    新型污水處理儀器發展趨勢

    未來可能發展出來的一種污水處理儀器是智能化儀器。智能化儀器是計算機技術和電子測量技術的緊密結合的產物,除了測量之外,還會有數據存儲,運算、邏輯判斷能力,能根據被測參數的變化自選量程,可自動校正、自動補償、自尋故障等。

    另外一種污水處理儀器是虛擬儀器。虛擬儀器是以通用計算機作為核心硬件平臺,它把儀器分成前面的傳感器,傳感器后邊的部分都盡量放到計算機上面來,這樣就形成了虛擬儀器,當然隨著計算機技術發展,還有就是傳感器小型化,這兩方面結合起來就會使虛擬儀器得到更好的發展。

    儀器器械的小型化也是污水處理儀器的一個發展趨勢,應用精密加工與微流體技術,能夠降低成本和運行的費用,比如可以通過納米環諧振器芯片來測一些水體的微量污染物,技術也會隨著自動化的儀器的提升會提高。

污水處理廠未來自動化與監測技術的發展

 

       通過儀器小型化可以將傳感器變成芯片,比如說傳感器最基礎的電極在后邊,包括芯片集成就可以變得很小,好處在于體積小、材料使用少、功耗小。另外現在使用的大部分儀器需要用電,也可以發展太陽能為設備供能。這些都是在將來污水處理中可能發展應用的新的儀器。

    從總體上來說,目前我國環境情況與環境保護目標存在著相當大的差距,儀器發展和污水處理廠自動化都有非常大的空間來完善,應該在原有基礎上去發展一些非常規、信息化、智能化的儀器,這些將為我國污水處理未來自動化的發展提供有力的技術支撐。(北極星環保網)


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