N-RTC 在優(yōu)化污水廠硝化反應(yīng)過程中的應(yīng)用
2023-05-19，星期五
背景介紹
位于美國加利福尼亞州的某再生水廠的平均處理能力為2700萬加侖/天，最大日處理流量為4000萬加侖/天。該再生水廠的工藝流程包括：污水提升、除砂、一級澄清、生物處理、二級澄清、過濾和消毒。
圖1污水處理廠鳥瞰圖
該再生水廠的生物處理工藝為6組平行運行的AOAO工藝推流式生物池組成，且每組生物池配備一座二沉池。
目前，該再生水廠面臨的問題是如何在進(jìn)水量接近最大處理能力時，保持出水總氮濃度低于7 mg/L、氨氮濃度低于0.1mg/L。因為在進(jìn)水量接近最大處理能力時，要維持曝氣池1.8mg/L的溶解氧濃度設(shè)定值，需要兩臺變頻驅(qū)動的700馬力鼓風(fēng)機（共四臺）全功率運行。此時如果進(jìn)水氨氮濃度超標(biāo)，很可能會使再生水廠的出水總氮有超標(biāo)風(fēng)險。
為了更好地了解再生水廠生物處理中硝化和反硝化的效果，運行人員從單組曝氣池沿水流方向采集一批水樣進(jìn)行實驗室分析，但由于分析時間長達(dá)3個小時，因此實驗室結(jié)果并不能用來指導(dǎo)工藝運行。該再生水廠的曝氣系統(tǒng)是僅次于水泵系統(tǒng)的第二大能源消耗系統(tǒng)，通過實驗室分析數(shù)據(jù)來優(yōu)化能源消耗時，會造成氨氮不達(dá)標(biāo)。而過去使用離子選擇電極來連續(xù)監(jiān)測氨氮的結(jié)果并不準(zhǔn)確，且需要大量維護(hù)。
該再生水廠的目標(biāo)是對氨氮進(jìn)行連續(xù)實時監(jiān)測，以真正了解氨氮負(fù)荷與曝氣量之間的關(guān)系。同時，希望優(yōu)化曝氣控制，以降低鼓風(fēng)機的功耗。
應(yīng)用情況
現(xiàn)場儀表：N-RTC、控制器、氨氮分析儀、污泥濃度儀、溶解氧分析儀。
輸入?yún)?shù)：進(jìn)水流量、曝氣空氣流量、溫度、污泥齡、水利停留時間、硝化細(xì)菌生長&衰減補償因子和出水氨氮設(shè)定值。
如果再生水廠選擇使用保持出水氨氮恒定在設(shè)定值的方式運行，N-RTC將通過模型計算得出合理的實時DO值并優(yōu)化硝化過程。傳統(tǒng)的曝氣策略需要DO保持在恒定值，N-RTC則是實時改變并優(yōu)化DO濃度，以提供與實際氨氮負(fù)荷相匹配的DO濃度。
如果N-RTC系統(tǒng)中有一個部件出現(xiàn)故障，N-RTC將進(jìn)入以默認(rèn)DO設(shè)定值運行的應(yīng)急處理方式，操作人員也可以回到手動控制的方式。
該再生水廠使用兩組平行曝氣池作為對照，在6個月的運行時間里比較N-RTC的運行效果。這兩組平行曝氣池在尺寸和配置上完全相同，接收相同的進(jìn)水量，維持相同的污泥濃度，并由獨立控制的空氣閥門提供空氣。
在N-RTC模塊運行之前，兩組曝氣池的DO濃度幾乎是相等的（見圖1）。
圖1在N-RTC運行之前，6#池和5#池（對照）的DO測量結(jié)果圖
N-RTC模塊運行之后，圖2則顯示了由N-RTC控制的6#池（紅線）和5#池（對照、藍(lán)線）的DO濃度，后者是以1.8mg/L DO設(shè)定值運行。該圖說明了以DO恒定值運行與基于氨氮濃度計算可變DO濃度運行之間的差異。為了確保測試期間出水達(dá)標(biāo)，N-RTC中的出水氨氮設(shè)定值為0.1mg/L，N-RTC計算出完全硝化所需的DO濃度明顯較低，而5#對照池則繼續(xù)在較高的DO設(shè)定點運行。
圖2使用N-RTC控制的6#池和5#池（對照）的DO測量結(jié)果圖
圖3顯示了一個N-RTC周報告，它顯示了與實驗室采樣分析相比，連續(xù)實施監(jiān)測能夠更深入地了解工藝運行的過程。該圖顯示了進(jìn)水和出水氨氮濃度、實際DO和建議DO設(shè)定值。該圖顯示在5月13日、15日和16日出水氨氮峰值超標(biāo)（紅色線），同時N-RTC計算得出的DO值也比工廠能提供的要多（淡綠色線和藍(lán)色線）。
如果沒有持續(xù)的監(jiān)測，就不可能及時了解生化系統(tǒng)出水氨氮什么時候會超標(biāo)，及超標(biāo)的氨氮什么時候會進(jìn)入消毒工藝。持續(xù)的監(jiān)測可以幫助操作人員了解氨氮對消毒的影響，從而及時應(yīng)對。
圖3N-RTC周報中DO和氨氮
總結(jié)
N-RTC系統(tǒng)中的氨氮數(shù)據(jù)將有助于控制進(jìn)水流量，以實現(xiàn)更穩(wěn)定的氨氮負(fù)荷。
N-RTC系統(tǒng)中的各項數(shù)據(jù)能夠使運行人員充分了解水質(zhì)波動并優(yōu)化硝化反應(yīng)過程。
根據(jù)對照試驗的結(jié)果，如果工廠選擇使用N-RTC優(yōu)化所有6組生化池，那么在氨氮負(fù)荷較低的情況下，工廠至少可以關(guān)閉一個鼓風(fēng)機（低負(fù)荷氨氮通常發(fā)生在晚上10點到早上6點之間，平均值約為11mg/L）。這將節(jié)省能源，同時保證出水達(dá)標(biāo)。
