图1：标准连续流循环的示例。
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Lazic一1Henriksson一1纽曼J2 *Baresel C3.
1 木质部。Gesällvägen 33, 174 53瑞典Sundbyberg2 英国拉格比Xylem公司
3. IVL瑞典环境研究所，瑞典斯德哥尔摩
*通讯作者:Jonny Newman, 10 Mitchell Court, Castle Mound Way, Rugby, CV23 0UY，英国，电子邮件:jonny.newman@Xyleminc.com
为了满足不断增长的提高污水处理效率、降低运营成本和碳足迹的需求，开发了一种先进的过程控制算法，并在中试和全规模连续进料SBR中实施。该控制方法利用在线传感器，自动调整SBR的处理条件，以适应变化的负载条件。与基于时间的标准循环控制相比，先进的工艺控制器改善了养分的去除，出水TP低于1 mg/L, TN降至3 mg/L。通过强化生物除磷，在全规模现场可减少50%以上的化学除磷，并在中试中完全去除。此外，通过避免过度曝气，该控制方法减少了50%的鼓风机启动，并降低了15-21%的能耗，所有这些都提高了现有sbr的可持续性。
高级过程控制;节约能源;处理能力;SBR;生物除磷;加强BioP;营养物去除
最近一项评价先进废水处理厂(WWTPs)可持续性的研究表明，在废水处理厂(WWTP)中，二级处理步骤是最耗能的，具有最大的生命周期成本(LCC)和最大的环境影响。等。为了使污水处理厂更具可持续性，因此需要优化二级处理步骤，重点是提高能源效率和减少碳足迹。
同时，氮和磷的流出物放电限制逐渐变得更加严格，这使得对过程稳定性的新要求。污水处理厂努力通过增加自动化和过程透明度来提高这些需求，同时通过增加自动化和过程透明度来提高运营卓越。
目前，许多污水处理厂的设计都是基于多年前的预期负荷，而它们的实际负荷明显较低。此外，处理要求随负荷和温度的变化随日、周和季节的变化而变化。因此，按照设计运行的污水处理厂通常不能在当前负荷和温度条件下最佳运行，导致能源和化学废物和未使用的处理能力。
虽然已经在试验台和合成污水以及添加额外碳源以提高营养去除性能方面做了很多工作，但在不添加任何额外碳源的低强度城市污水的全规模工厂上发表的工作就少得多。
sbr是一种循环系统，在单个槽内及时地进行处理循环。该罐经过一系列的充液或充液/曝气，然后是去除污染物的反应期，然后是沉淀和滗析期，从混合液中分离，并从罐的顶部去除处理过的污水。由于储罐内的水是经过有效充分处理的污水，sbr在反硝化方面存在困难，尤其是在增强的BioP吸收方面。SBR池内的大容量和稀释以及缺乏碳质饲料可以产生缓慢的反硝化，并使用VFA来反硝化，而不是奢侈的BioP Uptake。
顾名思义，连续进料SBR在整个循环过程中接收流量，包括沉淀和沉淀阶段，这使BOD在反硝化循环中得到更好的传播，并可能允许进料中的VFAs用于增强BioP。
本文介绍了在连续进料SBR中应用先进控制，如何使生物处理达到目前需要的最佳状态，不仅稳定了工艺，而且提高了处理性能，降低了运行成本和对环境的影响。它进一步采用了在17米的控制策略3./d市政试验工厂，并将其规模扩大到一个全面实施的工厂升级[1-4]。
在本研究中，使用在线传感器的过程控制算法应用于木质部的连续进料SBR，称为ICEAS。该研究是在2016年进行的，包括中试和全规模的研究，并将性能与基于标准时间的SBR循环控制(DO控制保持DO浓度为2 mg/l)的操作进行了比较。
试点研究，Xylem和IVL瑞典环境研究院之间的更大研究合作的一部分在试点研究设施哈马比Sjöstadsverk（瑞典Nacka）进行。使用的连续进料SBR设计用于干燥天气平均流量为17米3./天，接收来自斯德哥尔摩市政污水处理厂Henriksdal的污水。试验设计的最低温度为10°C，而研究期间的操作温度为19- 22°C。为了弥补这个缺陷,飞行员是饲料流量和负载的设计能力与工厂的污水的温度,导致负载2.5倍10°C设计能力即SBR池操作接近最大处理能力的操作温度(表1)。
| 植物 | 试验工厂:瑞典Hammarby Sjöstadsverk | 全尺寸:绿湖，WI，美国 | 测试期间的目标 | ||
| 控制 | 曝气控制(参考) | 高级过程控制 | 曝气控制(参考) | 高级过程控制 | |
| 周期长度 | 1个月 | 1个月 | 1个月 | 1个月 | |
| 实际温度下设计负荷的% | 80 | 90 | 30. | 30. | |
| 渗透(m3./天) | 23. | 26. | 795 | 818. | |
| 温度（ºC） | 17. | 17. | 8. | 8. | |
| 影响身体5.(毫克/升) | 356. | 325 | 81 | 70 | |
| 影响TN(毫克/升) | 59 | 60 | |||
| 操作mls(毫克/升) | 3080. | 2700 | |||
| 流出物体5.(毫克/升) | 3．1 | 7.0 | 2．6 | 3．9 | 10. |
| 废水TN(毫克/升) | 4．9 | 4．2 | 3．0 | 2．6 | 5. |
| 废水NH4.+-n（mg / l） |
0．1 | 0．3 | 0．2 | 0．6 | 1 |
| 废水没有3.-n（mg / l） | 3．2 | 1．4 | 1．9 | 1．1 | |
| 废水没有2-n（mg / l） | 0．3 | 0．4 | |||
| 废水TP(毫克/升) | 1.0 * | 0．9 | 0.7 * | 0.7 * | 1 |
| 废水阿宝4.-p（mg / l） | 0.8 * | 0．6 | |||
表1:平均处理结果24小时复合实验室样品在飞行员和全尺度植物中对SBR盆地的流入和流出物中的水流。
*化学加氯化铁
TN =总氮
TP =总磷
流向中试工厂的流量与流向Hammarby Sjöstadsverk主厂房的主要流入流量成比例，因此它在流量和负荷上的日变化与主处理厂看到的降雨事件相关。因此，试验工厂收到了尽可能接近真实的生活流程。
在位于美国WI Green Lake的连续饲料SBR工厂进行了全尺寸测试。Green Lake SBR采用了先进的传感器和过程控制算法进行升级，没有对水池或设备进行任何修改。该装置由两个采用传统DO控制的平行盆地组成。这个工厂的设计高度为1900米3./天，平均流量600米3./在研究期间。
在试点和全面研究期间，对sbr进行了监测，每天对进水和出水进行复合实验室分析，分析总氮(TN)、氨(NH)4.+硝酸- n),(没有3.-N），总悬浮固体（TSS），总磷（TP）和磷酸盐（PO4.-P）。盆地内的在线传感器用于连续监测氨，硝酸盐，溶解氧，磷酸盐和混合液悬浮固体（MLS）的浓度。此外，连续测量鼓风机气流和能量。斑点和日常复合样品是实验室分析的，以确认在线监测数据的准确性，并为流水和流出物进行平均每日复合结果。在从污泥毯中取出的抓取样品上进行了额外的实验室分析，以评估在沉降和倾析期间发生的过程。有关方法的更多详细信息，请参见Baresel C等人。[2]。
连续流量SBR控制通常基于2个固定的时间周期。当流量增加时，由于下雨事件，他们控制系统按比例减少各方面的周期时间。在不同的设计中，曝气和缺氧周期的数量会有所不同，但在正常和高流量循环中，好氧、缺氧、沉淀和滗出的循环百分比是相同的;确保所有流程的完整处理。图1显示了4.8小时周期的一个示例。
这种连续进料的循环系统可以在不需要仪器或复杂控制的情况下去除生化需氧量和反硝化。
在沉淀和倾斜期间发生的负荷将转动一些污泥厌氧，并且随着VFA的饲料，存在一些增强的BIOP，但这可能不足以超过1-2 mg / L流出的TP。
DO控制系统使用调优的P&ID达到一个设定值，高DO设定值时，鼓风机将关闭，低DO设定值时，鼓风机将重新启动。然而，这种类型的曝气控制很难实现最佳的DO控制，因为在循环结束时低负荷时，所有的BOD和氨都被去除了。吹风机的开启/关闭不是由于PI控制器无法控制，而是由于当试图在无负载的情况下对系统进行通气时，吹风机被限制在最小速度。为了避免水槽中DO浓度过高，鼓风机通常必须反复开关，如图2所示。
图2：循环结束时曝气需求低，DO控制不佳。
在升级之前，试点和全规模设施均采用DO控制和基于时间的周期控制。曝气控制在曝气过程中调整鼓风机的运行以保持所需的溶解氧浓度，而基于时间的循环控制则根据SBR循环反应阶段中预先确定的曝气和混合时间周期来调整盆地中的处理条件。
随着升级，采用先进的过程控制算法代替了基于时间的循环控制，它使用在线测量氨（NH）4.+)和温度自动调节反应相内曝气和混合的时间，同时保持反应相的长度不变。在线传感器被放置在SBR盆地，靠近水面。这些测量被用来确定硝化需求和预期硝化速率，它们一起被用来预测何时可以通过关闭空气和启用混合器来替代非好氧处理。该算法的目标是确保足够的曝气以满足操作员所需的出水氨许可(作为设定点)，同时最大限度地延长SBR循环中用于缺氧和厌氧处理的时间，并最大限度地减少过度曝气造成的能源浪费。温度调整和预测硝化速率确保了在严格的许可和低温下也能得到充分的处理。控制系统还确保水池在沉降前总是曝气几分钟，以允许氨抛光和吸收反应阶段厌氧期间释放的任何磷。
Hammarby Sjöstadsverk试点工厂
在使用靠近设计容量的负载操作时，通常没有空间可以节省能量或化学品，而不会冒险违规。在本研究中使用的试验厂，高负荷（实际温度的80％至90％）意味着大多数循环要求最初设计用于达到所需的处理。然而，在当天的较低装载部分期间，每日进入负载变化能够改善。结果发现，在这些循环期间，在用标准曝气控制操作时，在循环中迅速消耗盆的负荷。这意味着剩下的曝气期是朴素的能量浪费（图1）。在低负载条件期间的通气也引起了不稳定的氧气浓度，并且由于所需的次数开始并且停止以在所需设定点周围实现稳定的浓度（表2）。
| 时间基于周期和DO控制(参考) | 先进的过程控制 | 保存 | |
| 飞行员植物：HammarbySjostadsverk,瑞典 | |||
| 能源消耗,千瓦时/天 | 23. | 20. | 11％ |
| 每天风机启动次数 | 60 | 47 | 21% |
| 完整的规模植物：绿色湖，WI | |||
| 能源消耗,千瓦时/天 | 86 | 68 | 21% |
| 每天风机启动次数 | 50 | 33. | 34％ |
表2:在较长时期内，中试和全规模工厂中SBR盆地的平均能耗和每天鼓风机启动数。
当使用新型先进工艺控制运行时，这些低负荷循环被检测到，SBR循环根据需要自动调整好氧、缺氧和厌氧条件，同时保持足够的曝气以满足硝化需要，同时避免过度处理。如图1和表1所示，由于连续饲料SBR提供的连续碳源，这不仅导致了显著的能源节约，而且还为在循环设计的好氧阶段进行额外的反硝化和奢侈的磷吸收提供了时间。在低负荷的日常处理周期中，控制器可以调整低硝化和反硝化的需要，也允许厌氧条件。这与连续的碳饲料一起促进了磷的释放。通过ORP和磷酸盐的在线测量可以看到释放，如图1所示。在进水前的好氧条件下，磷被吸收，导致大量的生物除磷[5-7]。在中试装置中，在不添加化学添加剂的情况下，出水总磷浓度由7 mg/l稳定降至1 mg/l以下，见表1。试验期间，进水平均碱度为320 mg/l，出水平均碱度为130 mg/l。在SBR中，试验期间的平均pH为7.0。从标准对照到强化对照，pH或碱度有明显的变化，但没有足够的数据来确认pH和碱度数据是否具有统计学相关性(图2和3)。
图3:Hammarby Sjöstadsverk中试工厂在连续进料SBR中对一个典型的低负荷处理周期进行在线测量。
顶部图形:标准曝气控制。下图:高级过程控制
先进的工艺控制不仅影响了处理，还减少了过度曝气所浪费的能量，从而降低了能耗，所需的鼓风机启动量见表2。由于在不需要曝气时，由于测量的氨浓度较低而关闭曝气，因此在循环反应过程中关闭鼓风机，而原来标准曝气控制鼓风机会为了保持DO设定值而时而打开时而关闭。这意味着鼓风机的启动和停止次数，因此鼓风机的磨损显著减少。
与试验电厂不同的是，与今天的许多污水处理厂一样，全规模电厂的运行负荷明显低于设计负荷。当污水厂承受负荷时，增强BioP会更加困难。经过处理的废水在池中产生更大的稀释，减少了VFA的吸收和磷酸盐的释放，因此测试控制机制，以提高在全规模负载下的增强BioP去除是成功实施控制系统的关键。此外，通过应用先进的工艺控制，可以在不违反出水许可的情况下显著减少曝气，从而减少21%的能源，每天所需的鼓风机启动次数平均减少34%，见表2。如图4和表1所示，采用先进的工艺控制，使得SBR循环中原先用于曝气和不稳定氧控制的处理时间被混合和反硝化所取代。试验时的目标出水水质设置为氨氮1 mg/L, TN 5 mg/L，即为了不过度处理而调整硝化作用，并改善反硝化作用。在研究过程中，出水TN浓度稳定维持在3 mg/l以下，尽管该工艺不是为缺氧处理设计的，且在7°C以下的温度下运行。传统上采用化学除磷的全规模工厂也实现了更好的除磷效果。在使用先进的过程控制器运行4周后，生物量的DNA分析显示，与使用标准曝气控制的平行池运行相比，PAO(聚磷生物)Rhodocyclus的存在增加了3倍，见图2。在采用先进的工艺控制升级后，全规模工厂的操作人员可以在不违反许可的情况下将化学药剂用量减少50%以上(图5和6)。
图4:在中试装置中，强化BioP吸收与强化控制的比较。
图5:在线测量一天内连续饲料SBR在全规模工厂绿湖，WI。顶部图形:标准曝气控制。下图:高级过程控制。
图6:来自WI Green Lake全规模连续饲料SBR工厂的DNA分析。2017年5月，两个盆地都使用了先进的过程控制器，显示出同样丰富的pao。2017年5月采集样本后，1号盆地恢复运行，使用标准曝气控制4周，随后进行新的DNA分析。
Lazic A等人[4]表明，当关注运营成本(OPEX)和某些环境指标(如全球变暖潜势(GWP))时，通过使用能源作为复杂建模的可靠替代品，可以促进对特定处理方案的可持续性的初步评估。主要由能源消耗决定。研究中评估的三个规模在2万个人当量(pe)、10万pe和50万pe之间的全规模回用工厂的LCC评估显示，能源消耗占运营成本的50%以上，其中二级处理步骤是最大的消耗。通过使用智能控制，将二次处理步骤的能耗降低20%，化学消耗降低50%，对于所有三个评估的工厂规模，运行成本每年可从15降至20%。对于2万pe至50万pe的工厂规模而言，这相当于每年节省22 000至35万美元，导致运营成本降低0.06至0.04美元/米3.。
此外，Baresel C等人。[3]通过计算三种植物尺寸的生命周期分析（LCA）来评估这些提到的再利用处理培训的环境影响。结果表明，废水处理厂的GWP或碳足迹受到用于操作该过程的能耗的高度影响。SBR的20％节能导致整个废水处理厂GWP减少5％。这意味着该植物可以节省15克的CO2-eq每1m3.或146吨CO2- 每年EQ。
通过使用连续进料SBR的操作灵活性和实施先进的过程控制，废水处理厂的处理能力可以根据当前的需求进行优化。在全设计负荷和实际负荷条件下，减少或去除化学添加剂均可提高TN < 4 mg/l, TP < 1 mg/l。同时，风机能耗在全设计负荷和实际负荷下均可降低10-20%，风机启停量可降低50%。
这是通过在每个池中添加一个控制算法和一个氨探头来实现的，同时保持连续进料SBR的简单、时间基础控制周期。
研究表明，通过充分利用现有SBR系统的处理能力，智能控制可以帮助污水处理厂以低成本满足日益增长的高出水质量需求。也表明这样WWTP可以节省高达20%的运营成本,同时每年减少了5%的碳足迹,表明改进的可持续性现有的SBR用一个简单的控制和仪器升级到标准系统,在不增加额外的操作的复杂性。
作者要感谢R&Dfacility Mila Harding, Jesper Karlsson和Niclas Bornold的过程操作员，以及Green Lake WWTP的操作人员Glen McCarty，废水主管和操作员Nathan Polcyn。
- laic A, Baresel C, de Kerchove A, Dahlgen L(2017)整体废水回用解决方案——处理效率、环境影响和成本评价。Int J Water Wastewater treatment 3。[参考。]
- Baresel C，Dalgren L，Almemark M，Lazic A（2015）公园污水填海填写非饮用再利用 - 环境评估 - 基于试验植物研究和系统建模。水科技72：1635-1643。[参考。]
- (2015)处理后的废水用于非饮用水的再利用(Reuse)。IVL瑞典环境研究所最终报告，报告B 2219。[参考。]
- (2016)污水回用系统的环境绩效:系统边界和外部条件的影响。水科学技术73:1387- 1394。[参考。]
- Jansen PMJ, Meinema K, van der Roest HF(2002)生物除磷:设计和操作手册。IWA出版。[参考。]
- (2004)污水生物除磷的影响因素。环境Int 30: 249-259。[参考。]
- Borglund AM(2003)生物风险研究på Käppalaverket，斯德哥尔摩。硕士论文，UPTEC W 03 003。[参考。]
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文章类型:研究文章
引用:Lazic A，Henriksson A，Newman J，Baresel C（2019）可持续的SBR治疗：治疗效率，能量，碳足迹。INT J Water Wastewater Repy 5（2）：DX.Do.org/10.16966/2381-5299.162
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