圖1:標準連續流動循環的例子。
全文
Lazic一1Henriksson一1紐曼J2 *Baresel C3.
1 木質部。Gesällvägen 33, 174 53，瑞典桑德比堡2 Xylem公司，拉格比，英國
3. IVL瑞典環境研究所，瑞典斯德哥爾摩
*通訊作者:Jonny Newman, 10 Mitchell Court, Castle Mound Way, Rugby, CV23 0UY，英國電子郵件:jonny.newman@Xyleminc.com
為了滿足不斷增長的提高汙水處理效率、降低運行成本和碳足跡的需求，開發了一種先進的過程控製算法，並在連續進料SBR中試和全規模中實現。該控製方法利用在線傳感器，自動調整SBR的處理條件，以適應變化的負載條件。與標準的基於時間的循環控製相比，先進的過程控製器改善了營養去除，出水TP低於1 mg/L, TN降低到3 mg/L。隨著生物除磷的加強，在全規模場地，除磷的化學使用量可減少50%以上，並在試點試驗中完全消除。此外，通過避免過度曝氣，該控製方法將鼓風機啟動量減少了50%，並將能耗降低了15-21%，這些都提高了現有sbr的可持續性。
先進的過程控製;節約能源;處理能力;SBR;生物除磷;加強BioP;營養物去除
最近一項評估高級汙水處理廠(WWTP)可持續性的研究表明，在汙水處理廠(WWTP)中，二級處理步驟是最耗能的，具有最大的生命周期成本(LCC)和最大的環境影響。Baresel C, et al.[2]。為了使汙水處理廠更具可持續性，因此需要優化二級處理步驟，重點關注能源效率和碳足跡的減少。
與此同時，廢水中氮和磷的排放限製日益嚴格，這對工藝穩定性提出了新的要求。汙水處理廠努力滿足這些需求，同時通過提高自動化和過程透明度來提高其卓越的運營水平。
目前許多汙水處理廠的設計都是基於未來多年的預期負荷，而它們的實際負荷要低得多。此外，處理要求隨負荷和溫度隨日、周和季節的變化而變化。因此，按照設計運行的汙水處理廠通常不是在當前負荷和溫度條件下運行的最佳狀態，導致能源和化學廢物和未使用的處理能力。
雖然已經有很多工作是在試驗台規模和合成汙水和附加碳源上進行的，以提高營養物質的去除性能，但很少有工作是在沒有任何附加碳源的低強度城市汙水的全規模工廠發表的。
sbr是一種循環係統，在一個容器中及時完成一個處理周期。這些容器經過一係列的灌裝或灌裝/曝氣，隨後是一個反應期，以去除汙染物，然後是一個沉降和倒入期，以從混合液中分離，並從容器頂部去除處理過的汙水。由於水箱內的水是經過充分處理的汙水，sbr在反硝化方麵可能會有困難，但更特別的是在強化BioP吸收方麵。SBR槽內的大體積和稀釋和缺乏碳質飼料可以產生緩慢的反硝化和使用VFA反硝化而不是豪華的BioP攝取。
連續進料SBR，顧名思義，在整個循環中接受流動，包括沉澱和脫硝階段，這使BOD在整個循環中得到更好的分布，用於反硝化，並潛在地允許飼料中的VFAs用於增強BioP。
本文介紹了如何在連續進料SBR上應用先進的控製方法來優化生物處理，以滿足當前的需要，不僅能穩定過程，還能提高處理性能，降低操作成本和環境影響。進一步采用了17米的控製策略3.作為一項全麵實施的工廠升級[1-4]。
在本研究中，一種使用在線傳感器的過程控製算法被應用於Xylem的名為ICEAS的連續進料SBR上。該研究在2016年進行了中試和全規模試驗，並將其性能與標準時間控製SBR循環的運行進行了比較，其中溶解氧(DO)控製的DO濃度保持在2 mg/l。
該試點研究是Xylem和IVL瑞典環境研究所之間更大的研究合作的一部分，在Hammarby Sjöstadsverk(瑞典納卡)的試點規模研究設施中進行。使用的連續進料SBR設計用於幹燥天氣的平均流量為17米3.它接收來自斯德哥爾摩城市汙水處理廠Henriksdal的汙水。試驗設計的最低溫度為10°C，而研究期間的工作溫度為19- 22°C。為了彌補這一點，在進入汙水的溫度下，給中試提供與工廠設計能力相關的流量和負荷，導致負荷比10°C設計能力高2.5倍，這意味著SBR盆地在接近最大處理能力的操作溫度下運行(表1)。
| 植物 | 試點工廠:瑞典的Hammarby Sjöstadsverk | 全規模:綠湖，威斯康星州，美國 | 測試期間的目標 | ||
| 控製 | 曝氣控製(參考) | 先進的過程控製 | 曝氣控製(參考) | 先進的過程控製 | |
| 周期長度 | 1個月 | 1個月 | 1個月 | 1個月 | |
| 實際溫度下設計負荷的% | 80 | 90 | 30. | 30. | |
| 進水流量(m3./天) | 23 | 26 | 795 | 818 | |
| 溫度(ºC) | 17 | 17 | 8 | 8 | |
| 影響身體5(毫克/升) | 356 | 325 | 81 | 70 | |
| 進水總氮(mg/l) | 59 | 60 | |||
| 可操作MLSS (mg/l) | 3080 | 2700 | |||
| 廢水BOD5(毫克/升) | 3．1 | 7.0 | 2.6 | 3.9 | 10 |
| 汙水TN (mg/l) | 4．9 | 4.2 | 3．0 | 2.6 | 5 |
| 廢水NH4+- n(毫克/升) |
0．1 | 0.3 | 0.2 | 0.6 | 1 |
| 廢水沒有3.- n(毫克/升) | 3.2 | 1．4 | 1.9 | 1．1 | |
| 廢水沒有2- n(毫克/升) | 0.3 | 0.4 | |||
| TP (mg/l) | 1.0 * | 0.9 | 0.7 * | 0.7 * | 1 |
| 廢水阿寶4- p(毫克/升) | 0.8 * | 0.6 | |||
表1:在中試和全麵工廠的SBR池的進水和出水中24小時複合實驗室樣品的平均處理結果。
*使用化學劑量的FeCl3
TN =總氮
TP =總磷
進入中試工廠的流量與進入Hammarby Sjöstadsverk主工廠的主要流入流量成比例，因此它收到與主處理廠看到的與降雨事件相關的流量和負荷的日變化和流量和負荷變化的比例相同。因此，試驗工廠接收到的流量盡可能接近現實生活中的流量。
在位於美國威斯康星州格林湖的連續飼料SBR工廠進行了全尺度試驗。Green Lake SBR采用了先進的傳感器和過程控製算法進行了升級，無需對盆地或設備進行任何修改。該裝置由兩個平行的盆地組成，使用傳統的DO控製。該廠設計廠房麵積1900米3./天，平均流量600米3.每天學習期間。
在中試和全麵規模的研究期間，通過每天的綜合實驗室分析進水和出水的總氮(TN)、氨(NH)，對sbr進行監測4+-N)，硝酸鹽(NO3.-N)、總懸浮物(TSS)、總磷(TP)和磷酸鹽(PO4- p)。利用盆地內的在線傳感器連續監測氨、硝酸鹽、溶解氧、磷酸鹽和混合液體懸浮物(MLSS)的濃度。此外，還對鼓風機的氣流和能量進行了連續測量。實驗室對現場和每日合成樣品進行分析，以確認在線監測數據的準確性，並給出進水和出水的平均每日合成結果。對從汙泥層中提取的樣本進行了額外的實驗室分析，以評估沉降和倒瓶過程中發生的過程。關於方法的更多細節可以在Baresel C等人的[2]中找到。
連續流量SBR控製通常基於2個固定的時間周期。當流量增加時，由於下雨事件，他們的控製係統在各方麵按比例減少循環時間。曝氣和缺氧周期的數量因設計而異，但在正常和高流量循環中，好氧、缺氧、沉降和脫氮周期的百分比保持相同;確保所有流程的完整處理。圖1顯示了一個4.8小時周期的例子。
這種循環和連續進料提供了一個係統，可以進行BOD去除和脫氮，而不需要儀器或複雜的控製。
在沉降和倒槽過程中發生的投料負荷將使部分汙泥厭氧，並且隨著投料中的VFAs, BioP會有所增強，但這可能不足以顯著到使出水TP低於1-2 mg/l。
DO控製係統使用調優的P&ID達到一個設定點，其中高DO設定點，風機將關閉，低DO設定點，風機將重新啟動。然而，這種類型的曝氣控製與最佳DO控製可能存在困難，因為在循環末尾的低負荷時期，所有的BOD和氨已經被去除。鼓風機開/關不是由於PI控製器無法控製，而是由於當試圖給無負載的係統充氣時，鼓風機被限製在最小速度。為了避免盆內DO濃度過高，通常必須反複打開和關閉風機，如圖2所示。
圖2:由於循環結束時曝氣需求低，DO控製不理想。
在升級之前，試點和全規模設施均采用DO控製和基於時間的周期控製。曝氣控製在曝氣過程中調整鼓風機的運行，以維持所需的溶解氧濃度，而基於時間的循環控製根據SBR循環反應階段內預確定的曝氣和混合時間周期調整盆地的處理條件。
隨著升級，基於時間的循環控製被先進的過程控製算法所取代，該算法使用氨(NH)的在線測量4+)和溫度，自動調節反應相內的曝氣和混合時間，同時保持反應相長度不變。在線傳感器被放置在SBR盆地中，靠近水麵。這些測量用來確定硝化需求和預期硝化速率，這兩個指標一起用來預測何時可以通過關閉空氣並啟用混合器來取代曝氣期。該算法的目標是確保足夠的曝氣，以滿足運營商所需的出水氨許可(作為設定點進入)，同時最大限度地延長SBR循環用於缺氧和厭氧處理的時間，並最大限度地減少過度曝氣造成的能源浪費。溫度調整和預測的硝化速率確保了在嚴格的許可和低溫條件下進行充分的處理。控製係統還確保盆地在沉降前總是充氣幾分鍾，以允許氨拋光和吸收反應階段厭氧期間釋放的任何磷。
哈馬比Sjöstadsverk中試工廠
當負荷接近設計能力時，在不冒違反許可證的風險的情況下，通常幾乎沒有節省能源或化學品的空間。在本研究中使用的中試工廠，高負荷(實際溫度下設計負荷的80 - 90%)意味著大多數循環需要最初設計的曝氣來達到預期的處理效果。然而，每天的進水負荷變化使一天中負荷較低的部分得到改善。研究發現，在這些循環中，當使用標準曝氣控製時，盆地中的負荷在循環早期迅速消耗。這意味著剩餘的曝氣時間完全是在浪費能量(圖1)。低負荷條件下的曝氣也會導致氧濃度不穩定，並由於需要大量啟動和停止以達到所需設定點附近的穩定DO濃度而對鼓風機造成磨損(表2)。
| 時間基於循環和DO控製(參考) | 先進的過程控製 | 保存 | |
| 飛行員植物:HammarbySjostadsverk,瑞典 | |||
| 能耗，千瓦時/天 | 23 | 20. | 11% |
| 每天啟動鼓風機的數量 | 60 | 47 | 21% |
| 完整的規模植物:綠色湖,WI | |||
| 能耗，千瓦時/天 | 86 | 68 | 21% |
| 每天啟動鼓風機的數量 | 50 | 33 | 34% |
表2:在較長一段時間內，中試和全麵工廠的SBR盆地的平均能耗和每天啟動的鼓風機數量。
當使用新型先進的過程控製操作時，這些低負荷循環被檢測到，SBR循環自動調整好氧，缺氧和厭氧條件的需要，同時保持足夠的曝氣為硝化需要，同時避免過度處理。如圖1和表1所示，這不僅導致了顯著的能源節約，而且由於連續進料SBR提供的連續碳源，在循環的設計好氧期間，也為額外的反硝化和大量的磷吸收提供了時間。在低負荷的日常處理周期中，控製器可以調整低硝化和反硝化需要，也允許厭氧條件。這與持續的碳供給一起促進了磷的釋放。通過ORP和磷酸鹽的在線測量可以看到釋放，如圖1所示。在水被倒回之前的好氧條件下，磷被吸收，導致大量的生物除磷[5-7]。在中試裝置中，在不添加化學物質的廢水中，TP濃度從7 mg/l穩定地降低到1 mg/l以下，見表1。試驗期間，進水的堿度平均為320 mg/l，出水為130 mg/l。在SBR中，試驗期間記錄的平均pH值為7.0。從標準對照到強化對照，pH或堿度有明顯變化，但沒有足夠的數據來確認pH和堿度數據是否具有統計學相關性(圖2和圖3)。
圖3:一個典型的低負荷處理循環在Hammarby的中試工廠連續進料SBR內的在線測量值Sjöstadsverk。
上圖:標準曝氣控製。下圖:高級過程控製
先進的過程控製不僅影響了處理，還減少了過度曝氣造成的能量浪費，從而減少了能耗和所需的鼓風機啟動，如表2所示。當由於測定的氨濃度低而不需要曝氣時關閉曝氣，在循環的反應部分，鼓風機被關閉，而最初的標準曝氣控製鼓風機將打開和關閉，以保持DO設定點。這意味著鼓風機啟動和停止的次數，因此鼓風機的磨損明顯減少。
與試驗裝置不同的是，與今天的許多汙水處理廠一樣，全規模裝置的運行負荷明顯低於設計負荷。當廢水處理廠處於負荷下時，增強BioP會更加困難。經過處理的廢水在池中造成更大的稀釋，減少了VFA的吸收和磷酸鹽的釋放，因此測試控製機製以提高全負荷下的強化BioP去除是控製係統成功實施的關鍵。此外，通過應用先進的過程控製，曝氣可以在不違反出水許可的情況下顯著減少，導致能量減少21%，每天所需的鼓風機啟動量平均減少34%，見表2。如圖4和表1所示，采用先進的工藝控製使SBR循環的處理時間得以延長，而以前不必要地用於曝氣，不穩定的氧控製將被混合和反硝化所取代。試驗期間的目標出水質量定為1 mg/L氨和5 mg/L TN，這意味著調整硝化以避免過度處理和改善反硝化。在研究過程中，出水TN濃度穩定保持在3 mg/l以下，盡管該工藝不是為缺氧處理而設計的，且操作溫度低至7°C。傳統上采用化學除磷的全規模植物也取得了更好的除磷效果。在使用先進的工藝控製器操作四周後，生物量的DNA分析顯示，與使用標準曝氣控製的平行盆地相比，PAO(磷酸鹽積累生物)rhodoccyclous的存在率高出3倍，見圖2。在升級了先進的過程控製後，大型工廠的操作人員可以在不違反許可證的情況下減少50%以上的化學劑量(圖5和圖6)。
圖4:在中試工廠，強化BioP吸收與強化控製的比較。
圖5:WI綠湖(Green Lake)全規模工廠連續進料SBR一天的在線測量。上圖:標準曝氣控製。下圖:高級過程控製。
圖6:來自威斯康星州綠湖全規模連續飼料SBR工廠的DNA分析。2017年5月，兩個盆地都使用了先進的過程控製器，顯示出相同的PAOs豐度。在2017年5月采集樣本後，盆地1重新切換到標準曝氣控製下運行了四周，隨後進行了新的DNA分析。
Lazic A等人[4]表明，當關注的重點是運行成本(OPEX)和某些環境指標(如全球變暖潛勢(GWP)，而這些指標主要受能源消耗的影響時，使用能源作為複雜建模的可靠替代品，可以促進對特定處理解決方案可持續性的初步評估。研究中評估的三個全規模重複利用工廠的LCC評估，規模在20,000個人當量(pe)、100,000 pe和500,000 pe之間，表明能源消耗占運營成本的50%以上，其中二級處理步驟是最大的消耗。通過使用智能控製，將二級處理步驟的能耗降低20%，並減少50%的化學品消耗，所有三個評估規模的工廠每年的運營成本都可以從15%降低到20%。這相當於每年節省22 000至35萬美元，工廠規模分別為20萬至50萬pe，導致運營成本降低0.06至0.04美元/m3.．
此外，Baresel C等人通過計算三種工廠規模的生命周期分析(LCA)，評估了上述再利用處理列車的環境影響。研究表明，廢水處理廠的全球升溫潛能值(GWP)或碳足跡(carbon footprint)受到操作過程能耗的高度影響。SBR節能20%，使整個汙水處理廠GWP降低5%。這意味著該工廠可以節省15克的CO2-eq / 1m3.或146噸CO2- eq每年。
通過利用連續進料SBR的操作靈活性和實施先進的過程控製，廢水處理廠的處理能力可以根據當前的需求進行優化。在完全設計負荷和實際負荷條件下，通過減少或去除化學添加劑，可以改善營養去除效果，使TN低於4 mg/l, TP低於1 mg/l。同時，在全設計負載和負載的現實生活條件下，鼓風機能耗可降低10-20%，同時減少鼓風機啟動/停止高達50%。
這是通過在每個池中添加控製算法和單個氨探針來實現的，同時保持連續進料SBR的簡單、時間基礎控製循環。
研究表明，通過充分利用現有SBR係統的處理能力，智能控製可以幫助汙水處理廠以較低的資金支出滿足日益增長的高出水質量需求。它還表明，通過這樣做，汙水處理廠每年可以節省高達20%的運營成本，同時減少5%的碳足跡，表明通過簡單的控製和儀器升級到標準係統，提高了現有SBR的可持續性，而不增加額外的操作複雜性。
作者要感謝研究中心的工藝操作員Mila Harding, Jesper Karlsson和Niclas Bornold，以及綠湖汙水處理廠的操作人員Glen McCarty，廢水主管和操作員Nathan Polcyn。
- Lazic A, Baresel C, de Kerchove A, Dahlgen L(2017)廢水整體回用方案-處理效率、環境影響和成本評價。汙水處理3。［Ref。］
- Baresel C, Dalgren L, Almemark M, Lazic A(2015)城市汙水回收用於非飲用水再利用——基於中試工廠研究和係統建模的環境評估。水科學技術72:1635-1643。［Ref。］
- Baresel C, Dahlgren L, Lazic A, de Kerchove A, Almemark M，等。(2015)廢水處理後的非飲用水再利用(Reuse)。IVL瑞典環境研究所最終報告，報告B 2219。［Ref。］
- 李曉燕，李曉燕，李曉燕(2016)汙水回用係統的環境性能:係統邊界和外部條件的影響。水科學技術73:1387- 1394。［Ref。］
- Jansen PMJ, Meinema K, van der Roest HF(2002)生物除磷:設計和操作手冊。IWA出版。［Ref。］
- 穆克瑞斯D，多布森ADW，科勒蘭E(2004)影響廢水生物除磷的參數。環境Int 30: 249-259。［Ref。］
- Borglund AM(2003)研究av kombinerad kemisk-och生物fosforrening på Käppalaverket，斯德哥爾摩。碩士論文，UPTEC W 03 003。［Ref。］
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文章類型:研究文章
引用:Lazic A, Henriksson A, Newman J, Baresel C(2019)可持續SBR處理:處理效率、能源和碳足跡。國際J水廢水處理5(2):dx.doi.org/10.16966/2381-5299.162
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