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污水处理厂未来自动化与监测技术的发展

TIME:2017-12-05 09:17:36  HIT:0
              随着科学技术的深入推进与不断提高,自动化监测技术的逐渐完善是污水处理厂未来发展的一种必然趋势,充分了解污水处理厂的自动化需求、各个处理单元的监测以及污水处理厂自动化监测技术的现状,对于我国污水处理未来自动化的发展具有重要意义。

    1.污水处理厂未来自动化的需求

    无人值守的污水处理厂的诞生

    自动化控制技术诞生于上世纪四五十年代,七十年代欧美建立了大量的的污水厂,发展出模型,八九十年代计算机的诞生,给予了自动化更多的发展机会。

    人类进入二十一世纪,信息化的大潮扑面而来,涤荡着世界的每一个角落。物联网、大数据、人工智能等新技术层出不穷,从根本上改变着人们的生产和生活方式。污水处理行业与新时代的相遇,使“智慧水务”应运而生。这一发展趋势指向了污水处理厂未来自动化的最高境界--无人值守污水处理厂。

  

    实现无人值守或者少人值守需要有以上这些条件。从污水处理行业整体角度来看,自动控制还处于初级阶段,单纯从技术上和财力上来说,一个小规模或中规模的污水处理厂都可以做到几乎无人值守,但是在建成投产使用之后,人员技术水平如果达不到,污水处理厂也是很难做到完全真正的无人值守。无人值守的污水处理厂的实现还有很长的路要走,衡量其必要性和使用范围是十分重要的。

   采用自动化控制的原因与需求

   从自动化本身的目的和任务的角度来说,实现自动化对于污水处理企业来说要满足安全性、经济性、稳定性三方面的需求。首先要在生产过程中确保人身和设备的安全,不能出现事故,其次要保证生产成本低而效率高,最后要维持运行稳定,保证处理水质能够达标。根据以上要求,在了解工艺流程和生产过程的静态、动态特性的基础上,应用控制理论、概念和手段对控制系统进行分析,采用适宜的手段加以实现。

   污水处理厂要采用自动控制的原因主要在于:

   第一,由于出水水质的标准日益严格,污水厂对于自动控制的需求更加客观,对于系统的持续稳定性和高效运行性提出了更高的要求。

   第二,多数国家从出水单纯达标转向以最小的经济消耗来实现达标。

   第三,污水再生利用带来的经济效益,使人们关注到生产过程当中的物料控制。

   第四,处理污染物的多样化也导致工艺的复杂性,原来只处理COD,后来又有氨氮,氮磷,未来还要对微量污染物等药物残留进行处理,在所需处理的污染物越来越复杂的情况下,对控制要求也大大提高。

   第五,污水处理本身存在着动态变化,水量水质总处于动态变化中,系统要适应这样的过程,必然要进行监测控制,所以这些都促进了自动化控制的发展,也促进了仪器化的发展。

   对污水处理的自动控制与仪器化的研究可以追溯到上世纪40年代,经过逐渐发展,70年代后期OlssonAndrews根据污水处理原理对氧的需求进行详细解释,这是一个非常重要的贡献。

污水处理厂未来自动化与监测技术的发展  
    上世纪70年代国际水质协会提出了ICA的概念,即仪器化、控制化和自动化,是水处理自动化技术的三个阶段,其技术核心包括检测仪器、数学模型和控制系统。ICA技术的污水处理工程设施比单纯由人工操作的系统具有很大优势。因此,仪器是污水处理的一个重要的方面,所以对于自动化监测也是一项十分重要的内容。

   2.污水处理厂自动化的监测环节

       污水处理厂的监测包括很多方面,从厂内系统来讲,主要有初沉池、生化池、二沉池和深度处理四个部分,同时还要考虑上游的排水管网和下游的受纳水体,它们构成了完整的污水处理系统。

   厂区监测及实际可控环节

       在进行监测时,首先对上游管网参数进行监测,进入水厂以后对进水水质进行监测,进入到生化池以后对厌氧区缺氧区的状态进行监测,还要对好氧区生物量、DO进行监测,进入二沉池之前,如果要进行化学除磷还要对磷进行监测,要对二沉池出水水质监测,在深度处理时要对某些特定指标做监测,处理过的污水排放到受纳水体之后还要对水体的水质变化进行监测,所以需要进行监测的环节很多,但是在污水处理厂实际运行过程中可控环节并不多,总体来说可以控制的环节主要有进水提升、曝气池的曝气量、内回流量,外回流量、污泥排放量、加药量。

污水处理厂未来自动化与监测技术的发展

       从区域角度来说,污水处理厂大体可以分为泥区和水区两部分来控制。对于水区要进行预处理的控制和深化处理的控制,可以分成几个部分来进行仪器安装,下面这张图是从国外借鉴过来的,从113共有13类仪器,每个点上都要进行相应的仪器安装,在进行整理后,从图上可以看出不同单元要装很多仪器,显得十分复杂。

    但对于监测来说,有高配标准、中配标准和低配标准,不同的标准对于仪器安装要求是不一样的,图中黑字部分是属于中等偏上的标准,灰字部分是属于高配的标准,一般低配标准数量不多。

   

   仪器安装位置的具体工艺说明

       下面用三个基本的工艺为例来对仪器的安装位置进行说明。首先是A2O生物脱氮除磷工艺,在进水位置用流量计来测量流量和参数,在缺氧区测氧还原的速率,在好氧区测DOMLSS。对于灰色标记的仪器没有硬性要求,可以装也可以不装。加药要加流量,要对出水要进行测试,还要考虑污泥量。剩余污泥排放和回流污泥要用MLSS计进行测试,这是A2O法的中等水平的容器配置。

污水处理厂未来自动化与监测技术的发展

       配置仪器的经济效益和好处可以通过一个例子来说明,美国密执安州AnnArbor污水处理厂是一座处理能力为12万吨/每天的城市污水处理厂,要进行简单污水处理使总磷浓度从原来1mg/L下降到0.6mg/L,采用了二沉池前的磷浓度的测试,并根据这个测试控制加药。

    1994年开始采用优化运行方法,1995年全部实施,通过简单控制,使出水从原来经常超标变成了一个稳定达标的状态,基本达到0.6mg/L。在加药量方面原来一个月要加89/月,而现在只需要加30/月,不但药的用量减少了大半,而且出水水质也达到了稳定的标准,因此可见,通过控制既可以保障出水水质还可以取得经济效益。

    另外一个常见工艺是SBR法。SBR主要通过曝气来周期运行,一般要对进水进行监测,然后测MLSSDO,滗水器要测位置和停留时间,还要对曝气量进行控制。在这种配置情况下,在池内不同位置因为水流的关系,DO浓度也是不一样,而SBR是靠DO来控制曝气的,所以要选择适当的位置对DO进行安装。

污水处理厂未来自动化与监测技术的发展

       对于氧化沟来说,进水要装一些仪器,氧化沟里主要有DOMLSS,在缺氧区有DOORP,出水区也有一些常规的检测。氧化沟的特点是水是循环的,水循环过程中,DO的一个停留时间里水可以循环十几圈,根据来水波动的不同,氧化沟里面能够形成一个缺氧的区域,这段时间氧化沟可以转十几次,此时氧化沟里相当于进行了一系列AOAO的脱氮的过程,能够在氧化沟里进行脱氮,这样的情况下,可以在氧化沟装MLSSDO,在缺氧区装ORP,就可以在氧化沟里同时实现硝化和反硝化的效果。

污水处理厂未来自动化与监测技术的发展

    3.适应污水处理厂自动化的监测技术的发展

       污水处理需求不断增多,标准也在不断提高。从需求角度来说,从原来的COD去除、到氮磷去除、到地表水回用标准、到节能降耗,未来也会有低碳运行的要求。从标准的角度来说,从二级标准、到一级B、一级A、到回用水标准、到现在准地表水四类的标准。

    非常规水质监测方法优势与要求

    常规的化学法监测技术结果是准确的,但是其缺点在于测试的频次比较低,如进行COD测定至少需要三个小时,而且要使用较多的化学药剂。在污水处理过程中,常常需要了解某个位置的DOCOD、有机物、NP等更加及时的信息,所以要发展一些非常规的监测方法,比如电化学方法,光学方法,它们的特点是测定频次比较高,速度较快可以达到分级甚至秒级的速度,结果是相对准确的,试剂消耗较少,所以具有很大的优势。

    对于深度处理,需要测微量污染物,对于重金属、抗生素、残留药物等这些也可以用到光学法或者是生物传感器的方法,另外在对一些有毒污染物进行工业废水冲击时需要给出及时预警,也可以用生物方法来进行监测。

    从自动控制的发展对于仪器的需求来讲,它对不同仪器有不同的需求,而且这些仪器都在污水处理厂的自动控制方面是有用武之地的。所以从自动控制的发展角度来讲,在已有的基础上应该去发展一些如光学法、电化学法等非常规的监测技术,能够更有效更快而且还更经济地提供信息。

    对于非常规水质监测技术有两个要求,一是空间上密度要高,可以通过多布点来实现,二是时间上频次要高,能够实现半小时一次、十五分钟一次,甚至几分钟一次,这里就显示出了电化学法和光学法的优越性。

   非常规水质监测方法原理与应用

       举个运用光学法监测的例子,这是一个紫外可见光全光谱法,上世纪七八十年代最早研究光学法与COD关系的是日本,当时他们用一个254nm单光谱来作为COD的相关参数,但是254nm对于不饱和烃、苯环等其他物质也会产生吸收,所以结果不准确。

污水处理厂未来自动化与监测技术的发展

    到上世纪末小型的光谱议出现了,水样测试是比较复杂的,因为水样中往往有浊度和色度,这些都在可见光的范围里,如果采用光学法,通过可见光将色度和浊度透过之后,可以得到比较准确的测定结果。

    这是一个简单的光学仪器的结构,在测硝酸盐时,吸收峰280nm225nm,在比较干净的水里可以做出比较准确的标准曲线,如果有COD和浊度的影响,仍然是可以分的出来的,所以光谱仪器已经较多应用于水环境监测了,经过本地校准后,能够得到很好的相关性。

污水处理厂未来自动化与监测技术的发展

 

       另外呼吸速率仪也是用来预警的监测仪器,呼吸速率仪很早就发展起来,主要用来监测活性污泥的状态,以Cu离子为例,不同浓度的Cu离子呼吸速率会产生变化,呼吸速率低说明对微生物产生影响,进入污水处理厂前可以作预警系统。

    涉及到微量污染物时,通常用一些大型仪器来测定,但是这样的复杂仪器的缺点在于时间长、费用高,因此现在也发展出了用生物传感器为基础测污染物的技术,利用抗体对污染物的特殊识别能力可以对污水中的污染物进行测定,主要是基于激光技术原理,激光照射在光纤里可以在表面上产生很小的能量的光,称之为倏逝波,如果在表面修饰一些抗原,把水样和标记抗体混合以后会产生结合反应,结合反应完成后把它通到表面上来,这时剩余的抗体就会结合起来,这时候如果有激光进来的话,就会产生荧光,把这个荧光收集回去就可以得到和这个微量污染物相关的信息。

污水处理厂未来自动化与监测技术的发展

       这些仪器可以自动在一个周期里测污染物,也是测污染物的最新仪器。将来可能在进行深度处理的时候,如臭氧的氧化,可以用微量污染物的监测数据来控制深度处理中氧化剂的添加,可以保证出水中微量污染物得到有效去除。

   4.展望与结论

       不论是自动化控制还是仪器,都是一个多基础来源的交叉融合产生的技术,随着新材料技术、物理、化学、信息、电子等技术的发展都会促使仪器的进一步发展。

    新型污水处理仪器发展趋势

    未来可能发展出来的一种污水处理仪器是智能化仪器。智能化仪器是计算机技术和电子测量技术的紧密结合的产物,除了测量之外,还会有数据存储,运算、逻辑判断能力,能根据被测参数的变化自选量程,可自动校正、自动补偿、自寻故障等。

    另外一种污水处理仪器是虚拟仪器。虚拟仪器是以通用计算机作为核心硬件平台,它把仪器分成前面的传感器,传感器后边的部分都尽量放到计算机上面来,这样就形成了虚拟仪器,当然随着计算机技术发展,还有就是传感器小型化,这两方面结合起来就会使虚拟仪器得到更好的发展。

    仪器器械的小型化也是污水处理仪器的一个发展趋势,应用精密加工与微流体技术,能够降低成本和运行的费用,比如可以通过纳米环谐振器芯片来测一些水体的微量污染物,技术也会随着自动化的仪器的提升会提高。

污水处理厂未来自动化与监测技术的发展

 

       通过仪器小型化可以将传感器变成芯片,比如说传感器最基础的电极在后边,包括芯片集成就可以变得很小,好处在于体积小、材料使用少、功耗小。另外现在使用的大部分仪器需要用电,也可以发展太阳能为设备供能。这些都是在将来污水处理中可能发展应用的新的仪器。

    从总体上来说,目前我国环境情况与环境保护目标存在着相当大的差距,仪器发展和污水处理厂自动化都有非常大的空间来完善,应该在原有基础上去发展一些非常规、信息化、智能化的仪器,这些将为我国污水处理未来自动化的发展提供有力的技术支撑。(北极星环保网)