PROJECT
项目背景
位于德国北部汉堡附近 Glückstadt 市的 SBR（序批式反应器*）废水处理厂，多年以来一直使用 WTW 旗下的测量技术。2008 年使用 VARiON® 传感器（离子选择性 ISE 测量技术）对定时流程控制进行了测试。
测试结果表明，硝化流程中的曝气控制具有相当大的节能潜力。这就是为什么在一年左右的测试阶段结束后，Stadtentwässerung Glückstadt（SEG，即污水收集和处理市政当局）决定使用氨氮(NH4-N) 作为控制参数，替代原来简单的定时 SBR 流程控制。
Gl ü ckstadt 废水处理厂
工厂和流程概述
在此污水处理厂的位置，SEG 起初创建了一个可容纳 36,000 人的曝气厂。在工厂现代化过程中，于 2004 年改建为可容纳 20,000 人的 SBR 工厂。废水首先流经筛网和沉砂池系统，然后暂时储存在储水池中。接下来为了进一步处理，废水交替进入两个可用的 SBR 反应器。在高压管线将处理过的废水导入到易北河之前，废水将暂时储存在一个排水蓄水池中。工厂没有消解塔；离心机脱水后的剩余污泥通常用于农业。污水处理厂的鸟瞰图如图 1 所示。
▲ 图1：Glückstadt 污水处理厂的的鸟瞰图
两个 SBR 反应器的总体积均为 4500 立方米，每个反应器的每个处理周期可处理 750 立方米的废水。每个反应器配有两个 75 kW 的鼓风机装置。Glückstadt 废水处理厂基于多年的运营经验，制定了 SBR 操作各个阶段的固定时长（表1）。
SBR 阶段 | 过程控制 | 时长 | 活动组件 |
第 1 阶段 | 进水 1 (500 m3 ) 和反硝化 | 60 min | 进水泵/搅拌器 |
第 2 阶段 | 反硝化 1/ Bio-P | 45 min | 搅拌器 |
第 3 阶段 | 硝化 1 | 110 min | 搅拌器 |
第4 阶段 | 进水 2 (250 m3 ) 和反硝化 | 30 min | 进水泵/搅拌器 |
第5阶段 | 反硝化 2 | 75 min | 搅拌器 |
第6 阶段 | 硝化 2 | 120 min | 曝气装置 |
第 7 阶段 | 沉淀 | 130 min | |
第 8阶段 | 澄清水排放 (750 m3) 和剩余澄清水排 | 40 min | 滗水器/泵 |
第9阶段 | 暂停 |
▲ 表 1：采用简单 O2 控制策略的定时 SBR 操作阶段
SBR 为 Sequencing Batch Reactor（序批式反应器）的缩写，该反应器可对污水进行逐批净化。在 SBR 曝气厂中，每个处理周期都通常包括以下阶段：将废水注入反应器、混合（反硝化 => 硝氮降解）、曝气（硝化 => 氨降解）、活性污泥沉淀，将净化后的废水通过滗水器排出干净的水。
每个反应器的整个处理周期约为 10 小时。如有必要，例如在强降雨期间，还可以手动调整每个阶段的固定时长。但是人工管理需要额外由有经验的操作人员执行。还涉及到额外的组织工作，尤其是在晚上和周末时段。该工厂的反应器配备了 IQ Sensor Net System 2020 和光学溶解氧传感器 FDO® 700 IQ。在引入 SBR 过程的动态控制之前，仅用溶解氧测量值作为控制变量，通过频控鼓风机单元来控制氧气输入，以在硝化阶段保持氧气浓度恒定。
使用 VARiON® 传感器进行测试测量
于 2008 年开始进行测试，旨在确定硝化和反硝化阶段的固定时长是否仍然适合水厂，以及降解过程的各个阶段是否具有优化潜力。为了能够在线测量氨氮氨氮和硝氮硝氮，将 VARiON® 700 IQ ISE 复合传感器安装在两个反应器中。在现有 IQ Sensor Net 系统中集成传感器及其启动过程并不复杂。在试验阶段，测量值记录在 MIQ/TC 2020 XT 终端/控制器的集成数据记录器中，并通过 U 盘传输到计算机上，以便在Excel 中进行数据分析。根据记录的数据，很快就证明了在两个硝化阶段，只需固定曝气时长的一半，氨氮就已经降解（图 2）。在使用 ISE 传感器进行了为期一年的试验后表明，SBR 反应器的各个阶段具有相当大的节能潜力。
流程优化
工程办公室为动态过程控制编写了一个名为“Energieoptimiert"（节能）的附加控制程序，以将氨氮和硝氮氨氮硝氮的测量值集成到现有的 PLC 中。氨氮是决定硝化阶段何时结束的重要控制参数。个硝化过程（第 3 阶段），关闭鼓风机装置的控制值为 1.3 mg/l NH4-N；第二个硝化过程（第 6 阶段），关闭鼓风机装置的控制值为 0.7 mg/l NH4-N。下一个 SBR 阶段在鼓风机关闭后开始。剩余氨氮的降解基本在沉降阶段完成（NH4-N 值 < 0.4 mg/l；见图 3）。
▲ 图 2：定时控制：可以清楚地看到，只用了大约一半曝气时长（蓝色）后，氨氮（红色）降解已经基本完成
▲ 图 3：氨氮控制 -动态控制：当氨氮达到特定值时停止鼓风机
对曝气时间的动态控制可确保硝化仅在必要时运行，实现非常低的目标出水值而不产生不必要的能源消耗（图 3）。上述控制设置以现有的经验值为基础，可以在新的控制程序中进行自由调整。这样，未来也可继续轻松对降解过程进行简单优化，而不必再次购买昂贵的编程。通过同步测量硝氮和氨氮的浓度（NO3-N 和NH4-N 的化学计量比）可以随时检查氨氮降解的合理性，以及控制整个处理周期结束时的排出限值。不过，并不能只把硝氮测量值用作控制相关参数。即使在今天，定时控制程序仍然还是流程控制的一部分，但主要用于紧急程序控制，例如在测量值错误或不可信时。此外，如果“节能"程序超过了硝化阶段原有的固定时长，流程管理系统也会自动切换回定时控制模式。因此，通过流程的动态化，每个硝化阶段多可以缩短一个小时。以每天 4 个硝化阶段为例（每个 SBR 反应器的整个处理周期包括 2 个硝化阶段），则曝气装置的运行时间多可减少 4 小时。如果将该值外推至一年，则每年鼓风机装置的运行时间多可节省 1500 小时。这不仅降低了能源成本，而且还减少了曝气装置的磨损。
结论
所采用的 IQ Sensor Net 测量技术能够将维护成本降低。使用可靠的测量值可持续控制工厂的废水处理流程并有效提高能源利用率。成熟的 VARiON® 700 IQ 复合传感器和 FDO® 700 IQ 光学溶解氧传感器的使用结果证明，IQ Sensor Net 能够简单方便且经济高效地优化 SBR 工厂的废水处理流程。在整个降解过程中，氨氮、硝氮和氧气相关的过程参数均透明可查。
▲ Glückstadt 污水处理厂使用的 IQ Sensor Net System 2020 和 VARiON® 传感器
实践优势包括：
高度透明、有效节能，实现安全的工厂管理；
动态控制可自动调整流入的废水负荷，无需进行任何手动操作；
提高操作安全性、确保达到排放限值；
减轻操作员工作量。
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