文| 安格利安水務(wù)（Anglian Water） Oliver Grievson
譯| 黃冬
今年適逢活性污泥工藝100年，迫于人口數(shù)量的快速增長、污水深度處理的進一步需求、工藝成本的合理與經(jīng)濟評估、保護環(huán)境的社會需要等因素，100年來活性污泥工藝不斷在設(shè)計和操作運行上做出著調(diào)整。為了研究這些調(diào)整在工藝上的運行和反饋機制，就必須要運用儀表來進行監(jiān)測。
活性污泥工藝的儀表化和自動化發(fā)展緊密相連。最初的發(fā)展起源于鼓風(fēng)機的速度傳動裝置和控制溶解氧的PID循環(huán)控制器。最近，工藝的儀表化已經(jīng)發(fā)展到氨控制系統(tǒng)和高級過程控制。
為了控制活性污泥工藝過程，國際上已經(jīng)開始運用各種儀器和工藝模型。例如，國際水協(xié)（IWA）已經(jīng)開發(fā)出一套數(shù)學(xué)模型，并且該模型已經(jīng)成為現(xiàn)代高級過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
污水處理廠儀器化簡史
1956年，Dr. Leland Clark通過對Clark極譜傳感器的改進，開發(fā)出了溶解氧探頭，這成為活性污泥工藝的第一次革新。90年代末，美國EI（Environmental Instruments）協(xié)會開發(fā)出第一臺光學(xué)傳感器。這些儀器最開始稱作螢石探頭，經(jīng)過多年的發(fā)展演變，逐漸形成如RDO等探測儀器。
1996年，為完善溶解氧探頭，Dr. John Watts（當(dāng)時任職于Minworth系統(tǒng)有限公司）開發(fā)出第一臺呼吸測定儀。該儀器可以運行多年，費用經(jīng)濟，能對溶解氧進行在線控制，同時還能用于毒性檢測以替代污水處理廠進水處繁重的毒性測定。如今，世界上最有名的系統(tǒng)是英國的Strathkelvin Instruments和美國的Challenge Technologies。ASPCon由Strathkelvin Instruments開發(fā)，將呼吸運動計量法運用到主流控制，為最近國際上頗受認(rèn)可的新技術(shù)。
1973年，人類研發(fā)出了用于測定工藝生物量懸浮的固體監(jiān)測儀，90年代末，氨氮監(jiān)測器又被開發(fā)出來，而這些監(jiān)測儀的開發(fā)利用，可以使活性污泥工藝更加有效地運行。
活性污泥工藝儀器開發(fā)與運用的關(guān)鍵在于模型的建立。第一個模型是由國際水質(zhì)協(xié)會于1983年開發(fā)的，即ASM1，包括COD的去除、O2的消耗、微生物的繁殖與降解。1995年，該模型被進一步延伸，增加了生物與化學(xué)除磷，也就是ASM2。90年代末，在原來基礎(chǔ)上該模型又增加了好氧吸磷，即為ASM2d。國際水協(xié)開發(fā)的模型為一些經(jīng)濟的模型（如BioWin, GPSX, and Stoat）提供了基礎(chǔ)，而且這也反過來為當(dāng)今高級過程控制模型建立了基礎(chǔ)。
現(xiàn)代污水處理廠中高級過程控制扮演的角色
污水處理廠自身規(guī)模與復(fù)雜度決定了相對應(yīng)的儀器設(shè)備和控制過程。大多數(shù)較小的、傳統(tǒng)的污水處理廠只有基本的儀器設(shè)備，包括溶解氧與流量監(jiān)測儀。溶解氧濃度的控制是確保污水處理廠正常運轉(zhuǎn)和能源消耗在可維持范圍內(nèi)的重要因素。
較大規(guī)模的污水處理廠已開始運用智能化設(shè)備和自動化控制系統(tǒng)。水務(wù)公司為此已經(jīng)做了大量的工作，包括：
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溶解氧控制；
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有機負(fù)荷控制；
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氨氮控制；
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污泥齡控制；
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高級全過程控制
為了使表面曝氣系統(tǒng)、PID循環(huán)控制系統(tǒng)、微孔曝氣系統(tǒng)等更高效地運行，溶解氧控制技術(shù)是最先采取的技術(shù)之一。
隨著精密氨氮分析儀器的發(fā)展，污水處理廠對有機負(fù)荷和氨氮的控制是另一個較早運用于活性污泥工藝的技術(shù)。但結(jié)果卻是喜憂參半，一些水務(wù)公司能成功地運用這些技術(shù)，然而更多公司則不具備這樣的能力。
隨著懸浮固體測定儀的發(fā)展，控制活性污泥的生物量成為可能。這對于削減能源消耗和維持污水處理廠正常運營都是至關(guān)重要的。
在過去的五到八年間，英國兩大商業(yè)組織和一個水務(wù)公司將污水處理廠的單元控制整合為高級過程控制系統(tǒng)。在歐洲，水務(wù)公司自己已經(jīng)試著運用PID循環(huán)控制系統(tǒng)，在某些情況下運用串級循環(huán)控制系統(tǒng)，并且在某些案例中已經(jīng)取得了成功。
Hach Lange 公司與MWH Global 公司就曾合作研發(fā)出了水處理的優(yōu)化系統(tǒng)(Water Treatment Optimization System, WTOS)。在某種程度上說，這就是一套基于儀器設(shè)備的高級過程控制系統(tǒng)。水處理優(yōu)化系統(tǒng)由Hach Lange儀器和基于ASM1建立的模型組成(Thornton et al., 2010)。
WTOS系統(tǒng)第一次運用在四段式的Bardenpho污水處理廠，其監(jiān)測與自動化控制系統(tǒng)包括硝化與甲醇投加。首次試驗歷時十周，最終在曝氣階段實現(xiàn)了控制出水氨氮排放量和20%的削減，以及減少了50%甲醇的消耗。
自2008年第一次成功運用，該技術(shù)被進一步深化。根據(jù)具體的污水處理廠和工藝來具體設(shè)計的控制模塊，如硝化（污泥齡控制）等其他控制模塊也被納入其中。
第二種實現(xiàn)高級全過程控制的方法是建立在模型的基礎(chǔ)上。該種方法降低了對儀器的依賴性，但卻更加依賴于系統(tǒng)整體的智能化。在運用高級全過程控制的過程中，任何失敗都可能導(dǎo)致儀器測定的數(shù)據(jù)結(jié)果質(zhì)量不高。這種方法將更多的智能化融入到控制系統(tǒng)中。當(dāng)系統(tǒng)中一臺儀器不再精確，對于這套整體系統(tǒng)來講，可以用系統(tǒng)中其他儀器的具有參考價值的數(shù)據(jù)來進行代替。
例如，在任何給定的時間、進水水質(zhì)、風(fēng)機負(fù)荷、閥門位置、管道壓力和出水水質(zhì)，控制模型對于每臺溶解氧測定器應(yīng)當(dāng)測定的數(shù)據(jù)具有主動反饋機制。一旦任何的監(jiān)測結(jié)果和預(yù)期的有著明顯的不同，警報被觸發(fā)，具有參考意義的數(shù)據(jù)將會替代錯誤數(shù)據(jù)，實現(xiàn)過程的控制。即使在真實測定數(shù)據(jù)變得不可靠時，優(yōu)化控制系統(tǒng)還是能繼續(xù)維持運行。
對總體處理設(shè)施而不是單個的污水處理廠而言，多元化的工藝方法相對于單個控制元素構(gòu)成的系統(tǒng)更具有明顯優(yōu)勢，并且運用更加廣泛。通過對英國三家水務(wù)管道廠的案例研究表明，在自動控制系統(tǒng)下污水處理廠可以在曝氣階段減少20%-35%的能源消耗。同時降低設(shè)備非正常運轉(zhuǎn)的風(fēng)險，而且處理廠可以更加有效地運行。
很明顯，污水處理工業(yè)儀器化時代的到來，不僅推進了自動控制系統(tǒng)的發(fā)展，更為污水處理廠尤其是基于活性污泥工藝的污水處理廠節(jié)省了明顯的成本消耗。
活性污泥工藝儀器化未來
在未來的一百年，活性污泥工藝下一步該如何走？
隨著越來越緊迫的污水處理需求，基于活性污泥法的污水處理廠有望做得更多。我們可以看到，越來越多的污水處理廠開始轉(zhuǎn)向活性污泥工藝以及其它的各種改良工藝來滿足日益增長的需求，包括強化營養(yǎng)物去除（BNR），強化生物除磷（EBNR），膜生物反應(yīng)器（MBRs）以及集成固定膜活性污泥工藝（IFAS）。
對于一些改良工藝，相應(yīng)的控制系統(tǒng)已經(jīng)日益成熟；剩余工藝相應(yīng)的控制系統(tǒng)也會得到進一步發(fā)展。
業(yè)內(nèi)各種儀器供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)出或者正在開發(fā)一些不同儀器，包括一氧化二氮探測器、呼吸計和生物監(jiān)測系統(tǒng)。這些探測器融入活性污泥工藝的過程還有待進一步考察。
污水處理廠不能被當(dāng)作一個單獨系統(tǒng)來考慮，而是需要著眼于更大的系統(tǒng)。就如污水處理行業(yè)目前正在開始研發(fā)的概念污水處理廠，它作為一個生產(chǎn)設(shè)施，同時生產(chǎn)設(shè)施又作為整個污水管網(wǎng)的一部分，從居民污水的受納體到向環(huán)境排放的排放源，整個系統(tǒng)都將被納入考慮范圍內(nèi)。
未來的污水處理廠將會面臨什么樣的挑戰(zhàn)？一切都是未知數(shù)，但有一點毋庸置疑，那就是滿足利益相關(guān)者的要求、客戶與環(huán)境的整體性，儀器、過程自動化以及控制將會扮演重要的角色。
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