N-RTC 在優(yōu)化污水廠硝化反應(yīng)過(guò)程中的應(yīng)用

背景介紹

位于美國(guó)加利福尼亞州的某再生水廠的平均處理能力為2700萬(wàn)加侖/天，最大日處理流量為4000萬(wàn)加侖/天。該再生水廠的工藝流程包括：污水提升、除砂、一級(jí)澄清、生物處理、二級(jí)澄清、過(guò)濾和消毒。

圖1 污水處理廠鳥瞰圖

該再生水廠的生物處理工藝為6組平行運(yùn)行的AOAO工藝推流式生物池組成，且每組生物池配備一座二沉池。

目前，該再生水廠面臨的問(wèn)題是如何在進(jìn)水量接近最大處理能力時(shí)，保持出水總氮濃度低于7 mg/L、氨氮濃度低于0.1mg/L。因?yàn)樵谶M(jìn)水量接近最大處理能力時(shí)，要維持曝氣池1.8mg/L的溶解氧濃度設(shè)定值，需要兩臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)的700馬力鼓風(fēng)機(jī)（共四臺(tái)）全功率運(yùn)行。此時(shí)如果進(jìn)水氨氮濃度超標(biāo)，很可能會(huì)使再生水廠的出水總氮有超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

為了更好地了解再生水廠生物處理中硝化和反硝化的效果，運(yùn)行人員從單組曝氣池沿水流方向采集一批水樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，但由于分析時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3個(gè)小時(shí)，因此實(shí)驗(yàn)室結(jié)果并不能用來(lái)指導(dǎo)工藝運(yùn)行。該再生水廠的曝氣系統(tǒng)是僅次于水泵系統(tǒng)的第二大能源消耗系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化能源消耗時(shí)，會(huì)造成氨氮不達(dá)標(biāo)。而過(guò)去使用離子選擇電極來(lái)連續(xù)監(jiān)測(cè)氨氮的結(jié)果并不準(zhǔn)確，且需要大量維護(hù)。

該再生水廠的目標(biāo)是對(duì)氨氮進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以真正了解氨氮負(fù)荷與曝氣量之間的關(guān)系。同時(shí)，希望優(yōu)化曝氣控制，以降低鼓風(fēng)機(jī)的功耗。

應(yīng)用情況

現(xiàn)場(chǎng)儀表：N-RTC、控制器、氨氮分析儀、污泥濃度儀、溶解氧分析儀。

輸入?yún)?shù)：進(jìn)水流量、曝氣空氣流量、溫度、污泥齡、水利停留時(shí)間、硝化細(xì)菌生長(zhǎng)&衰減補(bǔ)償因子和出水氨氮設(shè)定值。

如果再生水廠選擇使用保持出水氨氮恒定在設(shè)定值的方式運(yùn)行，N-RTC將通過(guò)模型計(jì)算得出合理的實(shí)時(shí)DO值并優(yōu)化硝化過(guò)程。傳統(tǒng)的曝氣策略需要DO保持在恒定值，N-RTC則是實(shí)時(shí)改變并優(yōu)化DO濃度，以提供與實(shí)際氨氮負(fù)荷相匹配的DO濃度。

如果N-RTC系統(tǒng)中有一個(gè)部件出現(xiàn)故障，N-RTC將進(jìn)入以默認(rèn)DO設(shè)定值運(yùn)行的應(yīng)急處理方式，操作人員也可以回到手動(dòng)控制的方式。

該再生水廠使用兩組平行曝氣池作為對(duì)照，在6個(gè)月的運(yùn)行時(shí)間里比較N-RTC的運(yùn)行效果。這兩組平行曝氣池在尺寸和配置上完全相同，接收相同的進(jìn)水量，維持相同的污泥濃度，并由獨(dú)立控制的空氣閥門提供空氣。

在N-RTC模塊運(yùn)行之前，兩組曝氣池的DO濃度幾乎是相等的（見(jiàn)圖1）。

圖1在N-RTC運(yùn)行之前，6#池和5#池（對(duì)照）的DO測(cè)量結(jié)果圖

N-RTC模塊運(yùn)行之后，圖2則顯示了由N-RTC控制的6#池（紅線）和5#池（對(duì)照、藍(lán)線）的DO濃度，后者是以1.8mg/L DO設(shè)定值運(yùn)行。該圖說(shuō)明了以DO恒定值運(yùn)行與基于氨氮濃度計(jì)算可變DO濃度運(yùn)行之間的差異。為了確保測(cè)試期間出水達(dá)標(biāo)，N-RTC中的出水氨氮設(shè)定值為0.1mg/L，N-RTC計(jì)算出完全硝化所需的DO濃度明顯較低，而5#對(duì)照池則繼續(xù)在較高的DO設(shè)定點(diǎn)運(yùn)行。

圖2 使用N-RTC控制的6#池和5#池（對(duì)照）的DO測(cè)量結(jié)果圖

圖3顯示了一個(gè)N-RTC周報(bào)告，它顯示了與實(shí)驗(yàn)室采樣分析相比，連續(xù)實(shí)施監(jiān)測(cè)能夠更深入地了解工藝運(yùn)行的過(guò)程。該圖顯示了進(jìn)水和出水氨氮濃度、實(shí)際DO和建議DO設(shè)定值。該圖顯示在5月13日、15日和16日出水氨氮峰值超標(biāo)（紅色線），同時(shí)N-RTC計(jì)算得出的DO值也比工廠能提供的要多（淡綠色線和藍(lán)色線）。

如果沒(méi)有持續(xù)的監(jiān)測(cè)，就不可能及時(shí)了解生化系統(tǒng)出水氨氮什么時(shí)候會(huì)超標(biāo)，及超標(biāo)的氨氮什么時(shí)候會(huì)進(jìn)入消毒工藝。持續(xù)的監(jiān)測(cè)可以幫助操作人員了解氨氮對(duì)消毒的影響，從而及時(shí)應(yīng)對(duì)。

總結(jié)

·N-RTC系統(tǒng)中的氨氮數(shù)據(jù)將有助于控制進(jìn)水流量，以實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的氨氮負(fù)荷。

·N-RTC系統(tǒng)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)能夠使運(yùn)行人員充分了解水質(zhì)波動(dòng)并優(yōu)化硝化反應(yīng)過(guò)程。

·根據(jù)對(duì)照試驗(yàn)的結(jié)果，如果工廠選擇使用N-RTC優(yōu)化所有6組生化池，那么在氨氮負(fù)荷較低的情況下，工廠至少可以關(guān)閉一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)（低負(fù)荷氨氮通常發(fā)生在晚上10點(diǎn)到早上6點(diǎn)之間，平均值約為11mg/L）。這將節(jié)省能源，同時(shí)保證出水達(dá)標(biāo)。