工藝過(guò)程監(jiān)控和自動(dòng)化可提高污水處理系統(tǒng)的效率，本文描述了一系列值得監(jiān)控和使用的參數(shù)。

自動(dòng)化污水處理工藝過(guò)程越來(lái)越得到各行各業(yè)的關(guān)注。尤其是化學(xué)加工工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，自動(dòng)化工業(yè)污水處理開始出現(xiàn)一種典型變化，如：食品加工（尤其是糧食加工、蔗糖、甜味劑和食用油）、飲料加工（主要指軟飲料生產(chǎn)商和啤酒廠）、烴類和化學(xué)加工（尤其是原油和石油化工裝置）。這種演變背后的驅(qū)動(dòng)力是經(jīng)濟(jì)效益。優(yōu)化污水處理工藝過(guò)程能夠提高化學(xué)品的使用效率、降低能耗和減少固體廢物產(chǎn)量。

大多數(shù)污水處理系統(tǒng)利用一種常規(guī)步驟順序（見(jiàn)圖1），首先清除進(jìn)水中的固體物質(zhì)，回收損失的產(chǎn)品，清除固體、脂肪、油和油脂（FAG），利用生物和化學(xué)方法加強(qiáng)絮凝、凝聚作用，通過(guò)物理方法清除生物固體和污泥。澄清和倒出的污水是指在經(jīng)過(guò)三級(jí)處理進(jìn)一步氧化或消毒，或者在經(jīng)過(guò)其他凈化措施（包括顆粒活性炭（GAC）或薄膜分離）處理后的出口水，然后被循環(huán)利用或排放至公共下水道或開放水域。

大多數(shù)水處理系統(tǒng)采用一種常規(guī)步驟順序處理進(jìn)水然后按照地方規(guī)定排放、儲(chǔ)存和再利用。這種自動(dòng)化污水處理方法有利于操作人員更加有效地管理和處理污水、節(jié)約處理時(shí)間和處理成本。

一座經(jīng)過(guò)全面優(yōu)化的工業(yè)污水處理廠，在通過(guò)以下操作步驟后，可降低所需的材料、人工和能源總成本：

清除或減少大的固體和顆粒物（初級(jí)處理）。

清除或減少脂肪、游離油（和油脂）、分散油和乳液。

通過(guò)設(shè)置各種強(qiáng)化、生物活性污泥系統(tǒng)，有效清除有機(jī)物（二級(jí)處理）和承受更高的可變荷載：

a. 調(diào)節(jié)溶解氧含量，大限度地減少曝氣所需能量。

b. 保持食物/質(zhì)量比、pH和營(yíng)養(yǎng)物平衡，大限度地減少化學(xué)品用量和系統(tǒng)波動(dòng)。

生成穩(wěn)定可沉淀的生物絮狀物（小的微生物質(zhì)）；減少絮凝和分離的能量（圖2）。

產(chǎn)生少量污泥和生物固體，進(jìn)行脫水，大限度地降低能量、化學(xué)品用量和處置成本。

消滅病原體，確保出水質(zhì)量滿足再利用或低于開放水域、河道或公共污水處理廠的排放限制。

為滿足循環(huán)利用要求，可采用更先進(jìn)的一體化技術(shù)，不管是設(shè)施內(nèi)部用水（例如：洗滌水）、灌溉和農(nóng)業(yè)用水，還是更高的純水應(yīng)用，如：自來(lái)水公司。根據(jù)再利用應(yīng)用和相關(guān)水質(zhì)要求，可能需要病原體三級(jí)消毒和終顆粒活性炭和/或反滲透精制步驟。

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實(shí)施工藝過(guò)程控制

在一般行業(yè)中，工藝過(guò)程自動(dòng)化無(wú)處不在，且與上游控制機(jī)制和產(chǎn)出率一體化。統(tǒng)計(jì)工藝過(guò)程控制（SPC）可利用工藝過(guò)程分析技術(shù)實(shí)時(shí)和近實(shí)時(shí)生成高價(jià)值數(shù)據(jù)，并且對(duì)密切控制工藝過(guò)程、質(zhì)量和大產(chǎn)出率來(lái)說(shuō)十分關(guān)鍵。每個(gè)行業(yè)都對(duì)通過(guò)了解排出水的工藝處理過(guò)程獲得工藝過(guò)程知識(shí)非常感興趣。這些污水在匯合后變成污水處理進(jìn)水。許多公司投資購(gòu)買許多工具、儀器、分析儀和傳感器，將這些測(cè)量?jī)x表集成到污水處理廠（WWTP）的工藝過(guò)程自動(dòng)化和控制系統(tǒng)中。通過(guò)采集有用數(shù)據(jù)和正確參數(shù)、和使用事先保存的生產(chǎn)用SPC工具，繼續(xù)分析和優(yōu)化污水處理工藝過(guò)程。實(shí)驗(yàn)的合理設(shè)計(jì)和實(shí)施有利于顯示多個(gè)產(chǎn)生工藝過(guò)程性能的參數(shù)之間的關(guān)系。這種工藝過(guò)程知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用可顯著提高工藝過(guò)程的性能和效率。

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工藝過(guò)程參數(shù)

根據(jù)污水的物理和化學(xué)性質(zhì)，可利用一系列處理模塊清除、減少和改變樣品污水的成分，包括但不限于以下模塊：

沙礫和顆粒用格柵和粗濾器

游離油脂用API（美國(guó)石油學(xué)會(huì)）分離器和波紋板分離

含油固體和乳化油用化學(xué)品和溶氣浮選或氣浮選裝置

有機(jī)物、氮?dú)夂椭亟饘儆蒙锘钚晕勰嗪拖冗M(jìn)薄膜

微生物絮狀物用物理和化學(xué)澄清及先進(jìn)薄膜

微量有機(jī)物和病原體用氯（氯氣、次氯酸鹽和二氧化氯溶液）和臭氧消毒

有機(jī)物用顆粒活性碳（GAC）

病原體用化學(xué)品消毒（通常采用氯化消毒法）

病原體、微量有機(jī)物和殘余臭氧降解用UV（紫外線）消毒

化學(xué)品pH中和

無(wú)機(jī)物和礦物用反滲透

在各中間工藝過(guò)程點(diǎn)之前、之后和之上結(jié)合采用分散（抓取）和在線測(cè)量方法，可以監(jiān)測(cè)和逐步提高每個(gè)模塊的性能。通過(guò)已有探頭、儀表、傳感器和分析儀測(cè)得的部分參數(shù)包括：流量、pH/ORP（氧化-還原電勢(shì)）、電導(dǎo)率、溶解氧（DO）、懸浮固體、特定離子[例如：氮（氨、硝酸鹽、亞硝酸鹽）、磷（磷化物）、氯]、總有機(jī)碳、污泥密度指數(shù)和濁度。

游離油脂：在將污水引入生物或活性污泥系統(tǒng)之前，應(yīng)將游離油脂脫除或者將其含量降至大閾值50毫克/升以下，而且低于25毫克/升，確保將游離油脂有效脫除。例如，通常在初步脫除固體之后引入化學(xué)品（如：高錳酸鉀、過(guò)氧化氫或氯氣）以減少氧氣需求總量，該步驟通常被稱作預(yù)氧化步驟。可通過(guò)降低進(jìn)水有機(jī)物含量取消該步驟，或者僅在處理荷載高于污水處理廠處理能力閾值時(shí)采用該步驟。

溶解氧：在生物或活性污泥系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣系統(tǒng)生成的溶解氧含量，使其與有機(jī)負(fù)荷量相匹配，同時(shí)避免過(guò)度曝氣可能導(dǎo)致剪切或撕裂生物凝絮狀物，進(jìn)而降低有機(jī)物和生物固體去除的總體有效性。連續(xù)監(jiān)測(cè)特定區(qū)域的進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷量和溶解氧含量可避免干擾微生物活性。允許過(guò)量游離油與生物質(zhì)接觸的部分負(fù)面影響是氧氣快速消耗、細(xì)菌包埋和起泡。根據(jù)游離油含量和油滴的幾何形狀，可使用API分離器或波紋板分離法。通過(guò)綜合使用化學(xué)品、降低pH值和加強(qiáng)溶氣浮選或氣浮選裝置，清除和減少分散和乳化的油類。

有機(jī)碳：進(jìn)水有機(jī)碳負(fù)荷量是污水處理廠的一個(gè)關(guān)鍵工藝過(guò)程參數(shù)，而且從歷史角度看，已經(jīng)利用化學(xué)需氧量（2小時(shí)）或生化需氧量（5天；BOD5）進(jìn)行了量化。通過(guò)在線總有機(jī)碳（TOC）分析工藝過(guò)程儀表，可利用直接測(cè)得的有機(jī)物含量改善下游設(shè)施的性能。具體來(lái)講，通過(guò)了解TOC的精確值，污水處理廠可通過(guò)操作來(lái)適應(yīng)有機(jī)物總量變化，從而活性污泥池可以優(yōu)化曝氣系統(tǒng)，而曝氣系統(tǒng)正是污水處理廠的大能耗。

食物/質(zhì)量比：工業(yè)污水處理系統(tǒng)特別關(guān)注有機(jī)負(fù)荷量或“食物”與生物系統(tǒng)中的生物質(zhì)總量之比。混合液中的生物質(zhì)可通過(guò)測(cè)量混合液懸浮固體量和污泥密度來(lái)估算。該食物質(zhì)量比，是一個(gè)可顯示系統(tǒng)超載或者沒(méi)有足夠有機(jī)物來(lái)“喂食”微生物種群的關(guān)鍵工藝過(guò)程控制參數(shù)。工廠運(yùn)行可采用近實(shí)時(shí)信息而且在工藝過(guò)程條件對(duì)生物系統(tǒng)造成壓力之前予以解決和改善。

添加營(yíng)養(yǎng)物：可利用有機(jī)或碳負(fù)荷量確保合適的營(yíng)養(yǎng)物含量，尤其是氮和磷，以提高生物系統(tǒng)的效率。碳:氮:磷的比例，通常被稱作CNP比，通常采用100（利用BOD5代替碳）:10:1。一個(gè)系統(tǒng)中的氮或磷含量取決于上游工藝過(guò)程并可通過(guò)添加化學(xué)品進(jìn)行優(yōu)化，通常采用調(diào)節(jié)pH值的方法。例如，如果磷含量不足，而且有一個(gè)基本pH值，則可用磷酸降低pH值，同時(shí)補(bǔ)充磷含量。可通過(guò)添加硝酸、尿素或無(wú)水氨補(bǔ)充氮。

澄清：凝絮和凝聚步驟，通過(guò)綜合使用化學(xué)品添加和物理分離法進(jìn)行，該步驟允許少量微生物絮狀物形成和連接在一起并通過(guò)澄清步驟（圖3）予以清除。化學(xué)品進(jìn)料流率為典型流量節(jié)奏，按照與系統(tǒng)流率成正比的計(jì)量方法進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)在線有機(jī)物檢測(cè)，微調(diào)化學(xué)品添加量，進(jìn)而提高系統(tǒng)性能和降低化學(xué)品成本。

清除氮：含有過(guò)量氮的系統(tǒng)可在曝氣、活性污泥系統(tǒng)后，采用生物或薄膜進(jìn)行硝化/反硝化工藝。硝化生物可將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽、然后轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，再通過(guò)反硝化轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻＿@些生物對(duì)工藝過(guò)程變化更加敏感，尤其是溫度，而且可能需要一種替代食物源，如：甲醇和糖蜜，以便在氮含量下降時(shí)提供補(bǔ)充食物。可通過(guò)在線氮和有機(jī)物測(cè)量調(diào)節(jié)這些應(yīng)用中使用的有機(jī)食物源含量。

重金屬：有些殘余重金屬，如：砷和硒，可通過(guò)添加化學(xué)品、物理、生物和/或薄膜加強(qiáng)工藝等方法予以清除。這些工藝過(guò)程可能要求預(yù)處理、調(diào)節(jié)pH值和物理處理等綜合步驟。

終精制：三級(jí)處理通常指的是終精制，但行業(yè)也有其他解釋，而且取決于水的成分和用途，循環(huán)利用或排放。消毒過(guò)程可采用幾種不同的化學(xué)和物理方法，如：氯氣、次氯酸鈉或次氯酸鈣溶液、二氧化氯、臭氧和紫外線燈（254納米波長(zhǎng)）。在消毒后，通過(guò)測(cè)量管道末端污水確定是否需要進(jìn)一步處理。有些工業(yè)公用工程的再利用污水系統(tǒng)設(shè)有一個(gè)吸收有機(jī)物和過(guò)量氯的GAC步驟，并利用反滲透膜分離法清除有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，從而提高水的純度。

控制工藝過(guò)程波動(dòng)：污水工藝過(guò)程波動(dòng)可能影響每個(gè)處理步驟的清除效率。更嚴(yán)重的波動(dòng)可能導(dǎo)致系統(tǒng)超載，甚至失去全部活性污泥生物質(zhì)。再次播種和恢復(fù)失去的生物質(zhì)需要大量成本和時(shí)間，通常需要數(shù)萬(wàn)美元和幾個(gè)月。實(shí)時(shí)和近實(shí)時(shí)檢測(cè)可用于預(yù)防或減輕工藝過(guò)程波動(dòng)的負(fù)面影響。一旦系統(tǒng)遇到意外事件或過(guò)度“沖擊”負(fù)荷，進(jìn)水可通過(guò)在線TOC測(cè)量?jī)x表自動(dòng)切換至平衡池或臨時(shí)儲(chǔ)存容器，該容器有時(shí)被稱作應(yīng)急罐。

出水排放監(jiān)測(cè)：滿足相關(guān)法規(guī)對(duì)出水排放水平的要求是所有企業(yè)經(jīng)營(yíng)的關(guān)鍵要素。針對(duì)常規(guī)出水-污水-質(zhì)量參數(shù)設(shè)置了許多連續(xù)檢測(cè)儀，包括pH值、溶解氧、溶解固體總量、懸浮固體總量和總有機(jī)碳量（通常用于確定化學(xué)需氧量和生化需氧量）。，排放出水的pH值應(yīng)保持中性，理想范圍在6.8-7.2pH之間。

固體處置：在調(diào)節(jié)曝氣池中活性污泥含量和在澄清期間生成的生物固體，通常利用帶式壓濾機(jī)或離心機(jī)脫水處理，然后將其用作肥料或作為廢物處置。從能耗量、化學(xué)品消耗量和處置角度看，在曝氣后的污泥處理和脫水成本，通常是污水處理設(shè)施的第二大費(fèi)用。脫水污泥是否能夠用作肥料取決于不良成分的含量，如：重金屬或殘余病原體，包括糞大腸桿菌群，如：E.coli（大腸桿菌）。除用作農(nóng)業(yè)耕地肥料外，固體廢物還可通過(guò)壓實(shí)和/或焚燒以減少處置所需空間。一種更加可持續(xù)的方法是將污泥送至厭氧消化池生產(chǎn)甲烷氣體，然后將其用作燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電用的燃料。

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實(shí)施工藝過(guò)程分析

每個(gè)實(shí)測(cè)參數(shù)都可通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)采集和可視化系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤。污水處理設(shè)施可利用各種商用軟件以及離散監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)，監(jiān)控關(guān)鍵和輔助的水質(zhì)參數(shù)。通過(guò)這些工具，可顯示每個(gè)處理模塊在處理前、處理期間和處理后的實(shí)測(cè)參數(shù)，同時(shí)建立穩(wěn)態(tài)條件以更好地檢測(cè)和預(yù)測(cè)波動(dòng)和次優(yōu)條件。許多參數(shù)集成進(jìn)入化學(xué)品進(jìn)料的反饋或前饋回路，變成統(tǒng)計(jì)工藝過(guò)程控制應(yīng)用參數(shù)。通過(guò)可靠的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和本質(zhì)有效的統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)試和推算新的多變量關(guān)系。良好的工藝過(guò)程數(shù)據(jù)可加強(qiáng)對(duì)工藝過(guò)程的理解，同時(shí)統(tǒng)計(jì)工藝過(guò)程控制（SPC）幫助工藝過(guò)程在可控狀態(tài)。經(jīng)驗(yàn)證據(jù)可用于支持或修改初步假設(shè)和控制方案。這種通過(guò)經(jīng)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)可能受到上游工藝過(guò)程變量的影響，也可能受到環(huán)境條件季節(jié)性變化的影響，如：環(huán)境溫度和降雨量。

通過(guò)利用連續(xù)工藝過(guò)程監(jiān)測(cè)工具并集成到自動(dòng)化和工藝控制系統(tǒng)，更多行業(yè)正在尋找有效管理和處理其工藝過(guò)程和污水出水的更好方法。該自動(dòng)化提供了更可預(yù)測(cè)和可控制的工藝過(guò)程，減少了波動(dòng)頻率，確保出水更加滿足排放要求。生物系統(tǒng)清除有機(jī)物的效率取決于上游工藝過(guò)程的質(zhì)量-油脂和固體清除效果，以及可控的環(huán)境條件，如：溶解氧、食物/質(zhì)量比和營(yíng)養(yǎng)物平衡（CNP比）。這些設(shè)施使用過(guò)程分析儀表和自動(dòng)化控制，通過(guò)將動(dòng)態(tài)處理系統(tǒng)保持在操作狀態(tài)，減少化學(xué)品和能源消耗總量、以及固體廢物處置量。

注：本文發(fā)表于《CHEMICAL ENGINEERING》2016年9月刊。

作者：J.P. Pasterczyk是Sievers分析儀的大客戶經(jīng)理。在水和污水處理領(lǐng)域有25年的工作經(jīng)驗(yàn)，從水質(zhì)監(jiān)測(cè)到預(yù)處理、生物處理工藝過(guò)程和消毒。他在Sievers分析儀工作了17年，主要關(guān)注總有機(jī)碳分析和水質(zhì)監(jiān)測(cè)與工藝過(guò)程自動(dòng)化在石油和石油化工精煉、化學(xué)、城市用水、醫(yī)藥和半導(dǎo)體行業(yè)中的集成和應(yīng)用。