图1  Bickenbach市的污水处理流程示意图：生物净化过程中所使用的传感器：现代化技术改造后的（黑色）和辅助安装的调节模块（橘红色）

污水处理设备原有的状况对其自身的性能优化具有重要意义。本文将向您介绍污水处理能力、能源利用率、原材料使用效率都非常好的污水处理设备，经过现代化控制调节技术改造之后，其自身的生产能力，能源利用率、经济效益得到了进一步提高。

1967年，在Bickenbach-Seeheim-Jugenheim三地，由污水净化处理协会建成的污水处理厂采用活性污泥分解法净化污水。90年代初期，随着污水处理量的增加和环保要求的提高，污水处理设备的处理能力也扩大到了32000EW。当时，生物净化过程先在两个脱氮池中平行进行，接着是在两个曝气池中进行，最后流入到两个澄清池中澄清（图1）。脱氮池中的调节控制采用的是光学硝酸盐检测方法。曝气池曝气阶段的调节控制采用湿化学法的铵基-硝酸盐混合方法。

尽管污水处理设备的处理效果完全能够满足当地环保标准，然而污水处理所消耗的能源却超过40kWh/EW。从经济效益的角度出发，Bickenbach污水处理厂的两位经理Stanzel先生和Stolbow先生最后决定采用Fuzzy-Logic平台上的AQUALOGIC控制调节系统对现有污水处理设备进行优化改造。因为Fuzzy-Logic平台上的AQUALOGIC控制调节系统能够进一步提高污水处理设备的能源利用效率、保证污水处理设备运行更加安全可靠并增强污水处理效果。

图2  AQUALOGIC系统：两个曝气池中的加氧调节

系统的安装和改造

新的控制调节系统于2009年3月投产使用。AQUALOGIC计算机软件系统可以方便快捷地安装在污水处理系统中。之后控制调节系统OPC服务器便可以控制污水处理厂的生物技术了。Fuzzy-Logic可以准确地计算出控制设备最佳的污水处理调整值。计算出来的调整值通过OPC服务器直接传送到PLC可编程控制器中从而控制污水净化仪器设备。PLC程序与污水处理设备之间的匹配由污水处理设备自动化公司来完成。这一控制调节系统的核心是根据不同的检测数据对含氧量进行调节控制。就像在Bickenbach污水处理厂所看到的那样，模块化控制增加了对污水处理设备的控制（如图1）。

新的控制调节系统替代原有控制调节系统

原有的污水净化系统利用检测到的含氮量来计算两个曝气池曝气和不曝气的持续时间以及硝酸盐所需的循环次数，根据曝气阶段中检测到的氨氮浓度调节氧浓度，根据氨氮浓度确定污泥处理所需的冲洗用水量，根据磷酸盐检测数据控制沉淀剂的定量。

图3  含氮量的同期对比

新的控制调节系统除了具有良好的操作性能、各个模块性能相互匹配之外，最大优点是：Fuzzy-Logic系统不再是按照极限值对污水净化过程进行控制和调节了，取而代之的是准确地观察和评判当前的检测数据以及这些数据的发展趋势。软件程序中大量的If-Then关系语句保证了输入的数据量能够得出最佳的控制调节结果。例如，在含氧量控制中不仅仅需要检测氨和硝酸盐的数据，还会参考其他数据，如污水中菌类消耗的养分状况和温度等等。这些数据不光在污水净化过程和能源消耗过程中具有重要意义，对污泥性能也具有积极影响。图2清楚地显示了新系统在含氧量调节中根据污水特性所做出的动态变化。当输入的污水量较多时，尽管曝气已经开足了马力但含氧量仍然不理想，当氨浓度很高时，曝气时间自动延长，直至达到最低要求，硝酸盐含量提高到无需继续曝气。

新系统除了对污水处理设备原有控制调节任务进行优化改进以外，还增加了保持污泥排出控制调节的稳定含固率以及根据输入污水的污染状况在粗滤净化池中对菌类营养物比例进行控制调节的功能。在这样一个庞大的控制调节系统中，最重要的是注意各个不同的调节控制模块不要相互交叉影响，要保证其性能相互匹配。

图4  能源消耗的同期比较

检测数据证明新的控制调节系统

污水处理设备的控制调节系统经过改造并运行使用一周后，操作人员根据实验室的过程数据对监控设备进行了仔细的调整。为进行同期比较，操作人员在新系统安装前、后各采集了半年的夏季检测数据进行对比。从图3中可以明显地看出：尽管新系统安装后输入污水中Nanorg的含量明显增加，但在AQUQLOGIC系统调节控制下净化后的水中Nanorg明显降低，残留污染Nanorg的质量指标提高了22%。这样，污水处理厂技术改造的投资费用可以通过抵扣污水排放处理费用的方法来收回。另外，在新系统使用几周之后就明显改善了剩余污泥的性质，在同期比较中我们可以发现污泥指数从2008年的208下降到了155；两个曝气池中平均污泥厚度减少了10%；污水处理设备总的能源消耗也减少了10%（如图4）；另外，优化改造过程中所采用的膜片式曝气器也有着不可估量的作用。Bickenbach市污水处理厂安装使用了新的控制调节系统之后每年可以节约大约100000kWh的电力，相当于每年节约15000欧元的能源费用。

图5  沉淀剂使用效果逐渐提高

除了上述改进提高之外，除磷效率也得到了明显的提高（如图5），因此大大降低了曝气池沉淀剂的使用量。原因一方面是因为Fuzzy优化了沉淀剂的定量控制，另一方面是因为引入了生物除磷：在AQUALOGIC系统的要求下有目的地引入了厌氧净化过程，在粗滤净化池中为厌氧菌提供了丰富的营养成分。

TSM模块

与德国黑森州其他的污水处理厂一样，Bickenbach污水处理厂的运营商也希望政府在不久的将来对水质含磷量出台更加严格的法律法规。因此，他们对污水处理设备控制调节系统进行完现代化技术改造之后又安装使用了Passavant-Geiger有限责任公司生产的TSM模块。这一沉淀剂添加模块改进了化学-物理作用效果，从而提高了沉淀剂的使用效果。2010年5月起，Bickenbach污水处理厂在两个曝气池之间的水渠中安装了TSM模块并把它与现有的定量控制管道连接起来（如图6）。与去年同期相比，在除磷效果相同的情况下沉淀剂的使用量减少了28%。在通向剩余污泥烘干设备的渠道中定量添加硫酸铁的办法也会带来同样的效果。与2008年夏季同期相比较，在完成各项优化改进措施的基础上整个污水处理设备的性能提高了50%。

图6  第二个曝气池污水入口处定量加注沉淀剂的TSM模块

小结

即使污水处理设备满足了规定要求，我们仍然可以对它提出更深层次的思考、采用更高效的工艺技术。正如本文所介绍的Bickenbach污水处理厂：通过引进现代化的控制调节技术，明显地提高了污水处理设备的生产能力，同时降低了能源消耗和沉淀剂的使用量，从而降低了费用支出。而从中获利的不仅仅是污水处理厂，周边的居民和周围的环境也都获益匪浅。