我叫mt4星升5星污水厂想无人化运行?先建个模型看看哪种曝气控制系统适合你-奥尼卡水处理创新部落

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学术星期四
这期“学术星期四”专栏想谈谈曝气。
现在是个聊天见面十句不离“大数据”的智能时代。污水处理的仪器设备自动化技术(ICA)已经使很多污水厂实现无人化运行。而ICA技术本身也在不断演变。ICA要实现的就是对工艺更精准和自动化的控制,起初工艺控制一般只关注对溶解氧(DO)的控制蛤蟆健。随着大家对工艺控制理解的加深,各种基于高级传感器的控制开始走向市场。一些研究表明基于氨氮的曝气控制(ABAC),与基于溶解氧的曝气控制相比,我叫mt4星升5星能耗能再降低15-25%。除了降低曝气成本,ABAC也许还能减少外加碳源、改善反硝化潜力和生物除磷的表现。
最常见的ABAC解决方案是串联式的反馈回路系统:简单点说,就是从好氧区的在线氨氮传感器出发,通过第一级PI控制器(proportional-integral)计算出DO控制点(氨氮-DO),再通过第二级PI控制器计算好氧区曝气量输出(DO-曝气量),并最终决定阀门位置的分布。
图. 基于氨氮的曝气控制系统流程图 | 图源:ysi.com
曝气控制是一门很深的学问,以小编这浅薄水平,一期“学术星期四"专栏绝对连皮毛都讲不了。所以小编这里首先推荐大家拜读包括Gustaf Olsson教授在内的三位瑞典学者写的一篇关于曝气控制的综述,下载地址如下:
https://uu.diva-portal.org/smash/get/diva2:637890/FULLTEXT01.pdf
另一方面,为了满足日益严格的处理标准配音帝,以及寻求能耗更低、效率更高的解决方案与宋同行,各种新型污水处理工艺层出不穷,其中IFAS固定化生物膜-活性污泥复合系统(integrated fixed-film activated sludge systems)便是20世纪80年代后期发展起来的新型工艺代表之一。
IFAS/FBAS 固定床生物膜工艺示意图
图源:www.iwt.cn/CN/abstract/html/20160603.htm#zz
那么问题来了,基于IFAS固定床生物膜工艺的解决方案如果再配上最先进的曝气控制技术,能耗能减少多少呢?又要业主多掏多少钱呢?在去年,奥尼卡的匈牙利工艺团队与加拿大著名污水模型分析团队inCTRL合作,尝试找出这个问题的答案。本期学术星期四专栏我们就看看他们的研究结果究竟如何。

曝气控制与固定床生物膜
在悬浮生长系统里,将DO提升到1.5-2 mg/L对工艺表现影响甚小。但是附着生长模式里,从液体向生物膜的扩散是主要的传质模式。生物膜具有好氧、缺氧和厌氧分层。将液态的DO调至超过2mg/l意味着有更多的氧气能进入生物膜,因此会显著提高工艺速率。
奥尼卡和inCTRL想通过工艺模型和中试实验对固定床生物膜(IFAS)的几种不同的控制策略进行了评估。在这个研究里欲望庄园,他们列出了影响运行成本的四大因素,分析不同的控制理念和策略对其成本削减潜力,并进行量化计算。这四大方面包括:
1.不同的出水水质标准
2.运行技巧水平
3.污水厂的处理规模
4.不同的运行温度
研究方法与结果
这个研究包括了动态模拟、中试测试、成本效益分析三大部分郑钟民 。在动态模拟中,他们使用SIMBA#建模,模拟不同水平的控制下的碳、氨氮和总氮的去除情况珍哈露。
用SIMBA#建模的工艺流程图
经过基于海量数据的大量模型校准和验证,他们从过去三年的测量结果导出一组周期为一个星期的标准进水数据集。同时峰值负荷和降雨的情形也考虑在内。在基于密集测量活动的广泛模型校准和验证工作之后,一周的标准流入数据集来自最近3年的测量结果环姐张萌。 峰值负荷和降雨事件的情景也用于研究。
他们选择带默认参数的内部生物动力学模型ASM-inCTRL,再加上针对固定床生物膜系统的特定参数,作为来对后者研究的参数集,并对控制点的详细模拟给予特别的关注(如下图):
模拟控制点的分布
对应基于DO、BOD和氨氮控制策略,他们准备了三个工艺控制水平来分析三个不同的出水标准情况,包括BOD、氨氮和TN。
每个情景都进行140天的模拟,其中流量设定为设计负荷的80%,并设有寒冷和温暖两种气候类型,每个种类再设有三种温度,其中寒冷情况为10?C、15?C和25?王真洁C,而温暖情况为20?C、25王宝合?C和30?C。设计工艺体积则依据奥尼卡FCR食物链反应器工艺的标准设计流程来设定。
除了出水水质,他们还对成本进行分析。包括了不同规模的污水厂的成分对比(40000吨/天和50000吨/天)。并对ICA设备的建造和运行费用进行计算优丽丝。最后再制作一个综合性的矩阵评估。
基于模拟结果,研究团队在奥尼卡位于匈牙利的Telki的实验中心进行中试实验。如下图所示,奥尼卡的固定床生物膜系统由6个阶段组成,包括了1个缺氧区和5个好氧区,包含了完整的硝化反硝化工艺。
奥尼卡基于固定床生物膜的FCR食物链反应器工艺
基于DO和氨氮的控制策略实验在春季进行,并在夏季重复实验。对应温度区间分别为13-20°C和20-27°C李江简历。执行的氨氮出水标准为2 mg/l残酷饭店 。虽然没有指定的TN标准妞妞王芳,但是他们还是对该参数进行连续测量以了解不同控制策略对反硝化的影响。
结果显示应用基于氨氮的曝气控制在不同的控制水平下朱正耀,能耗减少率在20-35%之间。而且他们的数据显示,如果有经验丰富的工艺工程师把关,最高控制水平的能耗成本与较为简单的控制并没有差别(如下图):

动态模拟: 在不同控制方式下的曝气量对比结果
中试实验结果如下图所示,连续浅蓝色曲线是FCR反应器第四段的氨氮浓度,灰色曲线是第五段的氨氮浓度,红色是氨氮浓度设定值。最下方的离散深蓝色直线是出水氨氮的抽样浓度。这说明奥尼卡的FCR工艺在ABAC基于氨氮的曝气控制下出水情况良好。

下表是两种控制策略的曝气成本对比,结果显示基于氨氮的曝气控制成本节省25-30%:
最后研究团队还用下表汇总了基于模拟和实际中试结果的详细的成本效益分析:
表. 奥尼卡水处理FCR工艺系统的决策支持矩阵
研究团队总结说:在生物膜系统中应用高级曝气控制能显著地减少能耗,这与传统活性污泥的研究结果相似。这个研究的方法也适用于其他工艺技术,能帮助具体项目找到合适的控制方法。
不同曝气控制策略的流程对比
这篇研究的作者们给报告取名“Which Process Control Strategy is Right for you? ”,但只拿IFAS做例子显然还是不够了。一直严谨之上的“学术星期四”显然期望看到对其他工艺的模拟和中试对比结果,可惜对只负责搬砖的小编来说,这显然是臣妾办不到的事。对于想刨根问底的朋友,小编还是想出三个方案供大家参考:
1.发email给奥尼卡的工程师或者inCTRL的老板;
2.参加今年在新奥尔良举行的WEFTEC 2018,因为这这篇报告是被WEF委员会选中会参加今年WEFTEC的展示的。
3.参加今年在上海举行的环博会,跟奥尼卡的技术人员进行面对面的交流,尽情探讨关于IFAS、FBAS、FCR、曝气控制等问题,点击一下邀请函了解奥尼卡参展环博会的更多详情。
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参考资料
http://www.iwt.cn/CN/abstract/html/20160603.htm#zz
https://www.ysi.com/ysi-blog/water-blogged-blog/2014/03/myths-and-realities-ammonium-based-aeration-control-in-wastewater
http://www.thembrsite.com/features/reducing-process-aeration-energy-consumption-in-mbrs/
https://uu.diva-portal.org/smash/get/diva2:637890/FULLTEXT01.pdf
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