活性污泥工艺仪器化的前世今生

　　 今年适逢活性污泥工艺100年，迫于人口数量的快速增长、污水深度处理的进一步需求、工艺成本的合理与经济评估、保护环境的社会需要等因素，100年来活性污泥工艺不断在设计和操作运行上做出着调整。为了研究这些调整在工艺上的运行和反馈机制，就必须要运用仪表来进行监测。

　　活性污泥工艺的仪表化和自动化发展紧密相连。最初的发展起源于鼓风机的速度传动装置和控制溶解氧的PID循环控制器。最近，工艺的仪表化已经发展到氨控制系统和高级过程控制。

　　为了控制活性污泥工艺过程，国际上已经开始运用各种仪器和工艺模型。例如，国际水协(IWA)已经开发出一套数学模型，并且该模型已经成为现代高级过程控制系统的基础。

　　污水处理厂仪器化简史

　　1956年，Dr. Leland Clark通过对Clark极谱传感器的改进，开发出了溶解氧探头，这成为活性污泥工艺的第一次革新。90年代末，美国EI(Environmental Instruments)协会开发出第一台光学传感器。这些仪器最开始称作萤石探头，经过多年的发展演变，逐渐形成如RDO等探测仪器。

　　1996年，为完善溶解氧探头，Dr. John Watts(当时任职于Minworth系统有限公司)开发出第一台呼吸测定仪。该仪器可以运行多年，费用经济，能对溶解氧进行在线控制，同时还能用于毒性检测以替代污水处理厂进水处繁重的毒性测定。如今，世界上最有名的系统是英国的Strathkelvin Instruments和美国的Challenge Technologies。ASPCon由Strathkelvin Instruments开发，将呼吸运动计量法运用到主流控制，为最近国际上颇受认可的新技术。

　　1973年，人类研发出了用于测定工艺生物量悬浮的固体监测仪，90年代末，氨氮监测器又被开发出来，而这些监测仪的开发利用，可以使活性污泥工艺更加有效地运行。

　　活性污泥工艺仪器开发与运用的关键在于模型的建立。第一个模型是由国际水质协会于1983年开发的，即ASM1，包括COD的去除、O2的消耗、微生物的繁殖与降解。1995年，该模型被进一步延伸，增加了生物与化学除磷，也就是ASM2。90年代末，在原来基础上该模型又增加了好氧吸磷，即为ASM2d。国际水协开发的模型为一些经济的模型(如BioWin, GPSX, and Stoat)提供了基础，而且这也反过来为当今高级过程控制模型建立了基础。

　　现代污水处理厂中高级过程控制扮演的角色

　　污水处理厂自身规模与复杂度决定了相对应的仪器设备和控制过程。大多数较小的、传统的污水处理厂只有基本的仪器设备，包括溶解氧与流量监测仪。溶解氧浓度的控制是确保污水处理厂正常运转和能源消耗在可维持范围内的重要因素。

　　较大规模的污水处理厂已开始运用智能化设备和自动化控制系统。水务公司为此已经做了大量的工作，包括：

　　溶解氧控制;

　　有机负荷控制;

　　氨氮控制;

　　污泥龄控制;

　　高级全过程控制

　　为了使表面曝气系统、PID循环控制系统、微孔曝气系统等更高效地运行，溶解氧控制技术是最先采取的技术之一。

　　随着精密氨氮分析仪器的发展，污水处理厂对有机负荷和氨氮的控制是另一个较早运用于活性污泥工艺的技术。但结果却是喜忧参半，一些水务公司能成功地运用这些技术，然而更多公司则不具备这样的能力。

　　随着悬浮固体测定仪的发展，控制活性污泥的生物量成为可能。这对于削减能源消耗和维持污水处理厂正常运营都是至关重要的。

　　在过去的五到八年间，英国两大商业组织和一个水务公司将污水处理厂的单元控制整合为高级过程控制系统。在欧洲，水务公司自己已经试着运用PID循环控制系统，在某些情况下运用串级循环控制系统，并且在某些案例中已经取得了成功。

　　Hach Lange 公司与MWH Global 公司就曾合作研发出了水处理的优化系统(Water Treatment Optimization System, WTOS)。在某种程度上说，这就是一套基于仪器设备的高级过程控制系统。水处理优化系统由Hach Lange仪器和基于ASM1建立的模型组成(Thornton et al., 2010)。

　　WTOS系统第一次运用在四段式的Bardenpho污水处理厂，其监测与自动化控制系统包括硝化与甲醇投加。首次试验历时十周，最终在曝气阶段实现了控制出水氨氮排放量和20%的削减，以及减少了50%甲醇的消耗。

　　自2008年第一次成功运用，该技术被进一步深化。根据具体的污水处理厂和工艺来具体设计的控制模块，如硝化(污泥龄控制)等其他控制模块也被纳入其中。

　　第二种实现高级全过程控制的方法是建立在模型的基础上。该种方法降低了对仪器的依赖性，但却更加依赖于系统整体的智能化。在运用高级全过程控制的过程中，任何失败都可能导致仪器测定的数据结果质量不高。这种方法将更多的智能化融入到控制系统中。当系统中一台仪器不再精确，对于这套整体系统来讲，可以用系统中其他仪器的具有参考价值的数据来进行代替。

　　例如，在任何给定的时间、进水水质、风机负荷、阀门位置、管道压力和出水水质，控制模型对于每台溶解氧测定器应当测定的数据具有主动反馈机制。一旦任何的监测结果和预期的有着明显的不同，警报被触发，具有参考意义的数据将会替代错误数据，实现过程的控制。即使在真实测定数据变得不可靠时，优化控制系统还是能继续维持运行。

　　对总体处理设施而不是单个的污水处理厂而言，多元化的工艺方法相对于单个控制元素构成的系统更具有明显优势，并且运用更加广泛。通过对英国三家水务管道厂的案例研究表明，在自动控制系统下污水处理厂可以在曝气阶段减少20%-35%的能源消耗。同时降低设备非正常运转的风险，而且处理厂可以更加有效地运行。

　　很明显，污水处理工业仪器化时代的到来，不仅推进了自动控制系统的发展，更为污水处理厂尤其是基于活性污泥工艺的污水处理厂节省了明显的成本消耗。

　　活性污泥工艺仪器化未来

　　在未来的一百年，活性污泥工艺下一步该如何走?

　　随着越来越紧迫的污水处理需求，基于活性污泥法的污水处理厂有望做得更多。我们可以看到，越来越多的污水处理厂开始转向活性污泥工艺以及其它的各种改良工艺来满足日益增长的需求，包括强化营养物去除(BNR)，强化生物除磷(EBNR)，膜生物反应器(MBRs)以及集成固定膜活性污泥工艺(IFAS)。

　　对于一些改良工艺，相应的控制系统已经日益成熟;剩余工艺相应的控制系统也会得到进一步发展。

　　业内各种仪器供应商已经开发出或者正在开发一些不同仪器，包括一氧化二氮探测器、呼吸计和生物监测系统。这些探测器融入活性污泥工艺的过程还有待进一步考察。

　　污水处理厂不能被当作一个单独系统来考虑，而是需要着眼于更大的系统。就如污水处理行业目前正在开始研发的概念污水处理厂，它作为一个生产设施，同时生产设施又作为整个污水管网的一部分，从居民污水的受纳体到向环境排放的排放源，整个系统都将被纳入考虑范围内。

　　未来的污水处理厂将会面临什么样的挑战?一切都是未知数，但有一点毋庸置疑，那就是满足利益相关者的要求、客户与环境的整体性，仪器、过程自动化以及控制将会扮演重要的角色。