P-RTC控制器及SC 1000监控器用的WTOS电气控制器

本文将以间歇性工作的污水处理设备除磷和曝气时间控制为例介绍利用标准化控制调节模块进行自动化技术工作的情况。

污水处理设备的自动化控制程序大多集中保存在PLC可编程逻辑控制器的控制和调节程序中。这样，在改造污水处理设备的自动化技术时就往往要求采取一些修改、扩充或者改变PLC程序类型的措施。由此带来的PLC程序算法的修改以及软件的测试往往要由外部的专业企业来完成，从而给污水处理企业带来高昂的费用支出。

这些模块是按照常规模式制定的，其中的PLC可编程逻辑控制器保证了无需与软件匹配就能完成自动化控制和调节任务。与传统的PLC控制系统安装相比较，标准化的控制调节模块的安装无需费时费力的专业设置和调整，无需使用特殊的安装程序就可以简单、快捷地安装。所有需要计算的设定值和调节值都可以利用现场总线系统按照数字化数据的格式或者在主控系统的可视化界面中输入到PLC系统中。调节器的参数赋值与所需检测仪器的操作完全相同，可利用检测数据转换器或者利用主控系统完成参数赋值。

图1  恒定沉淀剂定量控制时曝气池降低磷酸盐浓度的曲线

目前，现代化的检测数据转换器允许远程登录，这就方便了调节器的调试和调整值的优化。同时，大大降低了软件系统的安装费用，加速了调整试车的速度。本文将以间歇性工作的污水处理设备除磷和曝气时间控制为例介绍利用标准化控制调节模块进行自动化技术工作的情况。

清除磷酸盐（P-P-RTC）的控制

在许多中小型污水处理设备中都需要人工定量控制或者根据输入的污水量加入FeCl3，用化学方法清除污水中的磷酸盐。为了保证处理后的中水不超过允许的Pges极限值，常常需要多加FeCl3，造成浪费。尽管如此，由于输入污水中的磷酸盐含量变化很大、或者因为生物除磷的能力变化很大而不能可靠地保证除磷效果达标（图1）。

图2  清除磷酸盐定量控制设备的构成[1]

标准化的P-P-RTC实时控制器模块能够实现沉淀剂的自动定量控制。从而既避免了除磷后的中水磷含量超标，也降低了沉淀剂的使用成本、减少了沉淀污泥量。根据不同的排污途径，沉淀污泥的节省潜力很大。

图2表示的是标准配置的P-RTC实时控制器的配置。利用合适的检测仪对污水中的磷酸盐浓度进行检测，由检测转换器转换成所需的数据格式，由控制单元完成沉淀剂需求量的计算，且控制单元也接收输入污水的流量数据，根据这些数据计算出所需的沉淀剂用量，转换成模拟信号供沉淀剂输送泵使用。

当计算出来的沉淀剂用量低于输送泵的最低输送量时，即自动转换到间歇工作方式中。

图3  磷酸盐浓度控制系统的原理图[2]

所有计算沉淀剂用量所需的参数，例如：磷酸盐浓度流量值、活性添加剂和沉淀剂密度等等，都可由检测转换器输入面板输入到控制单元中。

若设备出现的故障使得控制系统短时间内没有收到流量信号或磷酸盐浓度信号时，控制系统会自动转换到预设的定量控制方式。这种预设的定量控制是这一控制调节模块在安装调试时设定的。设定这一控制方式的基础是平均流量值、污水混合2h后的磷酸盐浓度值以及每周各天的定量投放系数。为了能够使污水处理设备利用一种标准化的控制调节模块满足不同的污水处理边界条件的要求，这一实时控制器既可当作控制器使用，也可当作调节器使用。

磷酸盐浓度的控制

在对磷酸盐浓度进行控制时，磷酸盐浓度的检查点应安置在沉淀剂定量投放点之前（图3）。在计算沉淀剂投放量时，除要考虑污水输入量和沉淀剂的性质（密度、有效成分、质量）之外,还要考虑要求的除磷百分比。除磷率要求较高时，每公斤需要除磷的污水定量投放的沉淀剂应多于除磷率要求低的投放量[1]。Schlüchter公司生产的污水处理设备的污水处理能力为30000EW。污水流入区域的储水池清洁会使污水中的含磷量大幅度波动。由于在安装调节器之前沉淀剂的定量投放是人工投放的，因此在污水流量峰值期间处理后的中水往往含有较高的Pges值。

图4  a：污水的流入量和磷酸盐浓度  b：沉淀剂用量和使用P-RTC除磷控制器所达到的β值

为改善这种状况，Schlüchter公司在污水处理设备中安装了实时控制器P-RTC，来控制磷酸盐的浓度。磷酸盐浓度的检查点设在曝气池排水口处，沉淀剂定量投放点设在二沉池的进水口处。

图4左侧的曲线表示的是一周时间内与总污水输入量有关的磷酸盐浓度曲线。总流量和磷酸盐浓度两个参数在曲线图中不断变化：因此，用一个固定的或者基于污水输入流量的沉淀剂定量控制是几乎不可能保证磷酸盐含量不超标的。

图4右侧的曲线表示的是利用P-RTC实时控制器进行沉淀剂定量控制时计算得到的β值。因为曲线中需要的磷酸盐清除率是在不断变动的，因此每千克污水需要的沉淀剂用量也在0.6~1.5之间变化（2.5倍）。在P-RTC实时控制器中将自动考虑这种关系。

磷酸盐输入量与除磷沉淀剂实现定量投放控制后，监控参数Pges值从1.2mg/L降低到了0.9mg/L，从而减少了大量的污水排放[2]。

图5  磷酸盐浓度控制系统的原理图[2]

磷酸盐浓度的调节

在磷酸盐浓度调节的控制过程中，磷酸盐浓度的检查点设置在沉淀剂投放点之后（图5）。为了达到理想的调节状况，重要的是在控制算法中有体积流量的算法。磷酸盐调节控制是在Hessen市安装的一台污水处理能力为10000EW的污水处理设备中进行的。这一污水处理设备是一个圆形污水处理池，池内有一个二沉池。该设备是利用水泵把污染变化很大的污水压送到污水处理池中的，污水来自果汁生产领域。浓度调节的磷酸盐分析设备（图2）安装在曝气池出水口处。原来是采用人工手动在曝气池入口进行沉淀剂定量控制调节的。这种控制调节方式常常导致污水处理设备排水口的Pges值浓度过高。

图6表示的是安装磷酸盐控制调节器P-RTC之后3周内的检测结果。首先把要求达到的磷酸盐浓度理论值设定在0.55mg/L；2月26日调整到0.45mg/L。2月10日输入到污水处理设备的污水量猛增。与此对应的是磷酸盐含量大增，也要求加大定量投放量以保证曝气池出水口的磷酸盐理论值保持在0.55mg/L。从2月13日到20日调整的理论值低于最小定量控制量2L/h。从2月20日开始，在旱季流量情况下为保证磷酸盐含量不超标又加大了定量控制量。2月28日的短时阵雨使得定量控制量又提高到了7L/h以保证不超过0.45mg/L的指标。

图6  曝气清除磷酸盐时磷酸盐浓度的调节控制

这种根据输入量的调节控制能够可靠地保证不超过Pges极限值，同时也把定量控制量从原来的6.5L/h减少到2.5L/h。这在法国Lyonnaise des Eaux集团公司清洗技术中心由SUEZ公司进行的测试中得到了验证。与单纯的体积流量控制调节相比较，这种控制调节方式可以在保证Pges极限值1mg/L的情况下节约30%的沉淀剂[3]。在柏林附近的Luckenwalde地区污水处理设备（约30000EW污水处理能力，两条污水处理线）中也因成功安装了检测仪和调节器而把沉淀剂用量降低了28%（从原来的250L/d减少到179L/d）。

同时，曝气池排水口检测到的磷酸盐浓度也从163mg/L减少到了123mg/L。（百分比为80%）[4]。

间歇性脱氮的控制

在中小型污水处理设备中，通常都会间歇性脱氮。若用当前的游离态氨和硝化氮浓度曝气方法来代替间歇性脱氮方法是能够减少能源费用和整个污水处理设备排污口的含氮浓度的。

图7  使用和不使用污水负荷控制的两条污水净化线净化情况的比较[2]

N/DN-RTC硝化/脱氮实时控制器的结构类似于图2所示的除磷实时控制器P-RTC。不同之处是：其检测转换器不是与磷传感器相互连接，相反游离态氨、硝化氮和氧传感器相互连接的，以便检测污水中的含氮量。

曝气设备的起动和关闭是由PLC控制的。常常可在硝化氮处理过程中利用6级曝气把氧含量保持在一个希望的水平上。

经检测转换器可以设定曝气池降低游离态氨和硝化氮浓度曝气过程的目标值。由加权因子决定了优先降低两个浓度值的哪一个。在决定是否在硝化和脱氮之间进行转换时，除要考虑它们与目标值之间的差距之外还要考虑检测值的变化速度。

为了保证在各种工作情况下都能够使厌氧污泥、污泥龄不低于规定的要求，需要设定调节器最长和最短的硝化时间和脱氮时间。

图8  两种调节控制方式的比较[2]

Erftverband污水处理协会Villau市的污水处理厂年处理污水的能力为5000EW，是当地第二大污水处理厂。那里的两个循环池各安装了两台增氧机，进行间歇性的工作。在进行的为期四周的实验中，1号污水净化线的增氧机按照规定的时间间隔起动和关闭；2号净化线的增氧机则根据游离态氨和硝化氮的浓度开启和关闭。

图7左侧曲线表示的是5月7~8日两天的游离态氨、硝化氮和氧的变化曲线。在由时间控制的污水净化线中（左）可以看出：因夜间污水中的含氮量较低，时间控制的曝气使得氧浓度增加到了5mg/L。这种过渡曝气虽然对硝化中和没有负面影响，但对脱氮阶段有不利影响：不能把氧浓度降低到0mg/L。而没有缺氧的环境是不会脱氮的，而且在脱氮过程中硝态氮的值会进一步提高。只有早上再次向污水处理设备输入污水，在不曝气阶段氧浓度下降之后，池中的氧浓度才会在硝态氮含量较低的情况下降低到0?mg/L。但在夜间增高的硝态氮浓度无法在白天完全降下来。

与此对应的图7右侧曲线表示的是2号（浓度调节）净化线同一时段的情况。在2号污水净化线中，曝气时间是由WTOS N/DN调节器根据污水负荷情况进行控制的。设定的游离态氨目标值为2mg/L；硝态氮的目标值为6mg/L。当夜间上述两种成分的含量较低时，曝气时间也明显的要短。这样的后果就是：在曝气停止时（缺氧环境中）氧浓度下降到0mg/L。按照这种曝气控制调节方法，污水中硝的浓度和2号净化线整体的氮浓度都明显低于固定曝气方式的1号净化线。图8所示的是实验时间内4周每天复合样本实验室Nges浓度检测和氧浓度的日平均值数据曲线。污水浓度负荷控制调节净化线的平均值比固定调节控制方式的1号净化线平均值降低了：

Nges 48%（污水变动幅度明显减小的标志）；

含氧量降低了61%（能源消耗的衡量尺度）。

Kiesewski先生在他的文章中写道：在使用N/DN调节器之后能源费用节约了10%，污水排放值也稳定的低于允许极限值下20%了[6]。

图9  根据污水中硝态氮含量进行调节控制时的曝气状况

Hessen市一个小型污水处理厂（2000EW）的情况也非常类似。在使用N-DN调节器之后使得这一小型污水处理厂在不到一天的时间里把硝态氮的排放量从近10mg/L减少到5mg/L（图9）。图10表示的是另外一个例子：这是一家皮革生产厂利用N/DN-RTC调节器的例子。在污水入口处检测到的Nges和游离态氨的含量为10mg/L。在使用WTOS N/DN调节器之前该污水处理设备只能完成硝化处理，这就导致了处理后的污水中仍然含有较高的Nges和游离态氨。在使用了曝气控制调节技术之后，所排放污水中硝化氮含量在短短的几天里就由原来的200mg/L减少到20mg/L。所引进的脱氮技术对硝态氮的降解没有负面影响。

这些实例表明：利用污染物含量控制的污水净化技术能够明显地降低氮含量浓度。由于缩短了曝气时间以及氧的回收利用，在降低整体含氮量的同时还能降低能源费用。但在厌氧生物降解的污水处理设备中应始终保持厌氧菌数量的稳定。

图10  某皮革企业污水处理设备硝态氮的净化曲线

小结

本文所介绍的实例告诉人们：利用标准化控制调节设备能够优化特定的污水净化处理过程。而这种标准化模块的优点是：快速、经济地收回投资，统一的操作方式以及统一的控制调节报告。而安装使用后，迅速积累的丰富经验也可以有效地进一步开发调节器。

通讯技术的进步已经实现了主控系统、PLC和现场调节器之间的通讯联系。在计算好所需调节量的地方（例如PLC可编程逻辑控制器或者现场调节器那里），已经完全不再依赖主控系统的控制指令了，可以使用那里的参数来进行调节控制。

除了前面介绍的除磷化学调节器和间歇性硝化处理调节器之外还有下列模块已准备或者已经上市了：

SBR序列间歇式活性污泥污水处理设备硝化处理控制器；

污泥龄调整模块；

污泥浓缩和脱水过程中优化聚合物成分的模块；

初级污泥清理控制模块。

这些模块都可以独立在污水处理设备中单独使用，也可以组合起来同时对多个不同的污水处理过程进行控制。

【参考文献】

[1] Baumann, P. (2003): Chemische Phosphat-elimination aus Abwasser, Oldenbourg Verlag
[2] Spuling, E.; Karg, U. (2011): WTOS-Optimierung der P-F?llung kompensiert Investitionskosten, HACH LANGE Applikationsbericht
[3] Carrier, E.; Amaud, P. (2010): Régulation de l' injection de réactif pour la déphosphatation physico-chimique des eaux usées dans les stations d' épuration, L' EAU, L' INDUSTRIE, LES NUISANCES – N° 332, S. 84 – 88
[4] Panzer, J.; Karg, U. (2011): Gleich nach der WTOS-Inbetriebnahme sank der F?llmitteleinsatz erheblich!, HACH LANGE Applikationsbericht
[5] Hach Lange (2011): N/DN-RTC Regelung der Belüftung bei der Stickstoffelimination im intermittierenden Betrieb, Betriebsanleitung
[6] Kiesewski, R. (2011): O2 und Zeit sind nicht mehr alles. WTOS regelt belastungsabh?ngig. HACH LANGE Applikationsbericht