工業污水處理廠實現自動化的優勢

原創 J.P. Pasterczyk 蘇伊士Sievers分析儀 2017-10-17

工藝過程監控和自動化可提高污水處理系統的效率，本文描述了一系列值得監控和使用的參數。

自動化污水處理工藝過程越來越得到各行各業的關注。尤其是化學加工工業的各個領域，自動化工業污水處理開始出現一種典型變化，如：食品加工（尤其是糧食加工、蔗糖、甜味劑和食用油）、飲料加工（主要指軟飲料生產商和啤酒廠）、烴類和化學加工（尤其是原油和石油化工裝置）。這種演變背后的驅動力是經濟效益。優化污水處理工藝過程能夠提高化學品的使用效率、降低能耗和減少固體廢物產量。

大多數污水處理系統利用一種常規步驟順序（見圖1），首先清除進水中的固體物質，回收損失的產品，清除固體、脂肪、油和油脂（FAG），利用生物和化學方法加強絮凝、凝聚作用，通過物理方法清除生物固體和污泥。澄清和倒出的污水是指在經過三級處理進一步氧化或消毒，或者在經過其他凈化措施（包括顆?；钚蕴浚℅AC）或薄膜分離）處理后的出口水，然后被循環利用或排放至公共下水道或開放水域。

圖1. 大多數水處理系統采用一種常規步驟順序處理進水然后按照地方規定排放、儲存和再利用。這種自動化污水處理方法有利于操作人員更加有效地管理和處理污水、節約處理時間和處理成本。

一座經過全面優化的工業污水處理廠，在通過以下操作步驟后，可降低所需的材料、人工和能源總成本：

清除或減少大的固體和顆粒物（初級處理）。

清除或減少脂肪、游離油（和油脂）、分散油和乳液。

通過設置各種強化、生物活性污泥系統，有效清除有機物（二級處理）和承受更高的可變荷載：

a. 調節溶解氧含量，最大限度地減少曝氣所需能量。

b. 保持食物/質量比、pH和營養物平衡，最大限度地減少化學品用量和系統波動。

生成穩定可沉淀的生物絮狀物（小的微生物質）；減少絮凝和分離的能量（圖2）。

產生少量污泥和生物固體，進行脫水，最大限度地降低能量、化學品用量和處置成本。

消滅病原體，確保出水質量滿足再利用或低于開放水域、河道或公共污水處理廠的排放限制。

圖2. 污水處理通常涉及如上圖所示水池中的固體沉淀

為滿足循環利用要求，可采用更先進的一體化技術，不管是設施內部用水（例如：洗滌水）、灌溉和農業用水，還是更高的純水應用，如：自來水公司。根據再利用應用和相關水質要求，可能需要病原體三級消毒和最終顆粒活性炭和/或反滲透精制步驟。

◆ ◆ ◆

實施工藝過程控制

在一般行業中，工藝過程自動化無處不在，且與上游控制機制和產出率一體化。統計工藝過程控制（SPC）可利用工藝過程分析技術實時和近實時生成高價值數據，并且對密切控制工藝過程、質量和最大產出率來說十分關鍵。每個行業都對通過了解排出水的工藝處理過程獲得工藝過程知識非常感興趣。這些污水在匯合后變成污水處理進水。許多公司投資購買許多工具、儀器、分析儀和傳感器，將這些測量儀表集成到污水處理廠（WWTP）的工藝過程自動化和控制系統中。通過采集有用數據和正確參數、和使用事先保存的生產用SPC工具，繼續分析和優化污水處理工藝過程。實驗的合理設計和實施有利于顯示多個產生最佳工藝過程性能的參數之間的關系。這種工藝過程知識和經驗的應用可顯著提高工藝過程的性能和效率。

◆ ◆ ◆

工藝過程參數

根據污水的物理和化學性質，可利用一系列處理模塊清除、減少和改變樣品污水的成分，包括但不限于以下模塊：

沙礫和顆粒用格柵和粗濾器

游離油脂用API（美國石油學會）分離器和波紋板分離

含油固體和乳化油用化學品和溶氣浮選或氣浮選裝置

有機物、氮氣和重金屬用生物活性污泥和先進薄膜

微生物絮狀物用物理和化學澄清及先進薄膜

微量有機物和病原體用氯（氯氣、次氯酸鹽和二氧化氯溶液）和臭氧消毒

有機物用顆?；钚蕴迹?/span>GAC）

病原體用化學品消毒（通常采用氯化消毒法）

病原體、微量有機物和殘余臭氧降解用UV（紫外線）消毒

化學品pH中和

無機物和礦物用反滲透

在各中間工藝過程點之前、之后和之上結合采用分散（抓?。┖驮诰€測量方法，可以監測和逐步提高每個模塊的性能。通過已有探頭、儀表、傳感器和分析儀測得的部分參數包括：流量、pH/ORP（氧化-還原電勢）、電導率、溶解氧（DO）、懸浮固體、特定離子[例如：氮（氨、硝酸鹽、亞硝酸鹽）、磷（磷化物）、氯]、總有機碳、污泥密度指數和濁度。

游離油脂：在將污水引入生物或活性污泥系統之前，應將游離油脂脫除或者將其含量降至最大閾值50毫克/升以下，而且最好低于25毫克/升，確保將游離油脂有效脫除。例如，通常在初步脫除固體之后引入化學品（如：高錳酸鉀、過氧化氫或氯氣）以減少氧氣需求總量，該步驟通常被稱作預氧化步驟。可通過降低進水有機物含量取消該步驟，或者僅在處理荷載高于污水處理廠處理能力閾值時采用該步驟。

溶解氧：在生物或活性污泥系統中，通過調節曝氣系統生成的溶解氧含量，使其與有機負荷量相匹配，同時避免過度曝氣可能導致剪切或撕裂生物凝絮狀物，進而降低有機物和生物固體去除的總體有效性。連續監測特定區域的進水有機負荷量和溶解氧含量可避免干擾微生物活性。允許過量游離油與生物質接觸的部分負面影響是氧氣快速消耗、細菌包埋和起泡。根據游離油含量和油滴的幾何形狀，可使用API分離器或波紋板分離法。通過綜合使用化學品、降低pH值和加強溶氣浮選或氣浮選裝置，清除和減少分散和乳化的油類。

有機碳：進水有機碳負荷量是污水處理廠的一個關鍵工藝過程參數，而且從歷史角度看，已經利用化學需氧量（2小時）或生化需氧量（5天；BOD5）進行了量化。通過在線總有機碳（TOC）分析工藝過程儀表，可利用直接測得的有機物含量改善下游設施的性能。具體來講，通過了解TOC的精確值，污水處理廠可通過操作來適應有機物總量變化，從而活性污泥池可以優化曝氣系統，而曝氣系統正是污水處理廠的最大能耗。

食物/質量比：工業污水處理系統特別關注有機負荷量或“食物”與生物系統中的生物質總量之比?；旌弦褐械纳镔|可通過測量混合液懸浮固體量和污泥密度來估算。該食物質量比，是一個可顯示系統超載或者沒有足夠有機物來“喂食”微生物種群的關鍵工藝過程控制參數。工廠運行可采用近實時信息而且在工藝過程條件對生物系統造成壓力之前予以解決和改善。

添加營養物：可利用有機或碳負荷量確保最合適的營養物含量，尤其是氮和磷，以提高生物系統的效率。碳:氮:磷的比例，通常被稱作CNP比，通常采用100（利用BOD5代替碳）:10:1。一個系統中的氮或磷含量取決于上游工藝過程并可通過添加化學品進行優化，通常采用調節pH值的方法。例如，如果磷含量不足，而且有一個基本pH值，則可用磷酸降低pH值，同時補充磷含量。可通過添加硝酸、尿素或無水氨補充氮。

澄清：凝絮和凝聚步驟，通過綜合使用化學品添加和物理分離法進行，該步驟允許少量微生物絮狀物形成和連接在一起并通過澄清步驟（圖3）予以清除。化學品進料流率為典型流量節奏，按照與系統流率成正比的計量方法進行測量。通過在線有機物檢測，微調化學品添加量，進而提高系統性能和降低化學品成本。

圖3. 凝絮和凝聚步驟，通過綜合使用化學品添加和物理分離法進行，該步驟允許少量微生物絮狀物形成和連接在一起并通過澄清步驟予以清除。

清除氮：含有過量氮的系統可在曝氣、活性污泥系統后，采用生物或薄膜進行硝化/反硝化工藝。硝化生物可將氨氮轉化為亞硝酸鹽、然后轉化為硝酸鹽，再通過反硝化轉化為氮氣。這些生物對工藝過程變化更加敏感，尤其是溫度，而且可能需要一種替代食物源，如：甲醇和糖蜜，以便在氮含量下降時提供補充食物?？赏ㄟ^在線氮和有機物測量調節這些應用中使用的有機食物源含量。

重金屬：有些殘余重金屬，如：砷和硒，可通過添加化學品、物理、生物和/或薄膜加強工藝等方法予以清除。這些工藝過程可能要求預處理、調節pH值和物理處理等綜合步驟。

最終精制：三級處理通常指的是最終精制，但行業也有其他解釋，而且取決于水的成分和用途，循環利用或排放。消毒過程可采用幾種不同的化學和物理方法，如：氯氣、次氯酸鈉或次氯酸鈣溶液、二氧化氯、臭氧和紫外線燈（254納米波長）。在消毒后，通過測量管道末端污水確定是否需要進一步處理。有些工業公用工程的再利用污水系統設有一個吸收有機物和過量氯的GAC步驟，并利用反滲透膜分離法清除有機物和無機物，從而提高水的純度。

控制工藝過程波動：污水工藝過程波動可能影響每個處理步驟的清除效率。更嚴重的波動可能導致系統超載，甚至失去全部活性污泥生物質。再次播種和恢復失去的生物質需要大量成本和時間，通常需要數萬美元和幾個月。實時和近實時檢測可用于預防或減輕工藝過程波動的負面影響。一旦系統遇到意外事件或過度“沖擊”負荷，進水可通過在線TOC測量儀表自動切換至平衡池或臨時儲存容器，該容器有時被稱作應急罐。

出水排放監測：滿足相關法規對出水排放水平的要求是所有企業經營的關鍵要素。針對常規出水-污水-質量參數設置了許多連續檢測儀，包括pH值、溶解氧、溶解固體總量、懸浮固體總量和總有機碳量（通常用于確定化學需氧量和生化需氧量）。最后，排放出水的pH值應保持中性，理想范圍在6.8-7.2pH之間。

固體處置：在調節曝氣池中活性污泥含量和在澄清期間生成的生物固體，通常利用帶式壓濾機或離心機脫水處理，然后將其用作肥料或作為廢物處置。從能耗量、化學品消耗量和處置角度看，在曝氣后的污泥處理和脫水成本，通常是污水處理設施的第二大費用。脫水污泥是否能夠用作肥料取決于不良成分的含量，如：重金屬或殘余病原體，包括糞大腸桿菌群，如：E.coli（大腸桿菌）。除用作農業耕地肥料外，固體廢物還可通過壓實和/或焚燒以減少處置所需空間。一種更加可持續的方法是將污泥送至厭氧消化池生產甲烷氣體，然后將其用作燃氣輪機發電用的燃料。

◆ ◆ ◆

實施工藝過程分析

每個實測參數都可通過一個數據采集和可視化系統進行跟蹤。污水處理設施可利用各種商用軟件以及離散監控和數據采集（SCADA）系統，監控關鍵和輔助的水質參數。通過這些工具，可顯示每個處理模塊在處理前、處理期間和處理后的實測參數，同時建立穩態條件以更好地檢測和預測波動和次優條件。許多參數集成進入化學品進料的反饋或前饋回路，變成統計工藝過程控制應用參數。通過可靠的實驗設計和本質有效的統計分析，測試和推算新的多變量關系。良好的工藝過程數據可加強對工藝過程的理解，同時統計工藝過程控制（SPC）幫助工藝過程在可控狀態。經驗證據可用于支持或修改初步假設和控制方案。這種通過經驗獲得的數據可能受到上游工藝過程變量的影響，也可能受到環境條件季節性變化的影響，如：環境溫度和降雨量。

通過利用連續工藝過程監測工具并集成到自動化和工藝控制系統，更多行業正在尋找有效管理和處理其工藝過程和污水出水的更好方法。該自動化提供了更可預測和可控制的工藝過程，減少了波動頻率，確保出水更加滿足排放要求。生物系統清除有機物的效率取決于上游工藝過程的質量-油脂和固體清除效果，以及可控的環境條件，如：溶解氧、食物/質量比和營養物平衡（CNP比）。這些設施使用過程分析儀表和自動化控制，通過將動態處理系統保持在最佳操作狀態，減少化學品和能源消耗總量、以及固體廢物處置量。

注：本文發表于《CHEMICAL ENGINEERING》2016年9月刊。

作者：J.P. Pasterczyk是Sievers分析儀的大客戶經理。在水和污水處理領域有25年的工作經驗，從水質監測到預處理、生物處理工藝過程和消毒。他在Sievers分析儀工作了17年，主要關注總有機碳分析和水質監測與工藝過程自動化在石油和石油化工精煉、化學、城市用水、醫藥和半導體行業中的集成和應用。