N-RTC 在优化污水厂硝化反应过程中的应用

2023-05-19，星期五

背景介绍

位于美国加利福尼亚州的某再生水厂的平均处理能力为2700万加仑/天，最大日处理流量为4000万加仑/天。该再生水厂的工艺流程包括：污水提升、除砂、一级澄清、生物处理、二级澄清、过滤和消毒。

图1污水处理厂鸟瞰图

该再生水厂的生物处理工艺为6组平行运行的AOAO工艺推流式生物池组成，且每组生物池配备一座二沉池。

目前，该再生水厂面临的问题是如何在进水量接近最大处理能力时，保持出水总氮浓度低于7 mg/L、氨氮浓度低于0.1mg/L。因为在进水量接近最大处理能力时，要维持曝气池1.8mg/L的溶解氧浓度设定值，需要两台变频驱动的700马力鼓风机（共四台）全功率运行。此时如果进水氨氮浓度超标，很可能会使再生水厂的出水总氮有超标风险。

为了更好地了解再生水厂生物处理中硝化和反硝化的效果，运行人员从单组曝气池沿水流方向采集一批水样进行实验室分析，但由于分析时间长达3个小时，因此实验室结果并不能用来指导工艺运行。该再生水厂的曝气系统是仅次于水泵系统的第二大能源消耗系统，通过实验室分析数据来优化能源消耗时，会造成氨氮不达标。而过去使用离子选择电极来连续监测氨氮的结果并不准确，且需要大量维护。

该再生水厂的目标是对氨氮进行连续实时监测，以真正了解氨氮负荷与曝气量之间的关系。同时，希望优化曝气控制，以降低鼓风机的功耗。

应用情况

现场仪表：N-RTC、控制器、氨氮分析仪、污泥浓度仪、溶解氧分析仪。

输入参数：进水流量、曝气空气流量、温度、污泥龄、水利停留时间、硝化细菌生长&衰减补偿因子和出水氨氮设定值。

如果再生水厂选择使用保持出水氨氮恒定在设定值的方式运行，N-RTC将通过模型计算得出合理的实时DO值并优化硝化过程。传统的曝气策略需要DO保持在恒定值，N-RTC则是实时改变并优化DO浓度，以提供与实际氨氮负荷相匹配的DO浓度。

如果N-RTC系统中有一个部件出现故障，N-RTC将进入以默认DO设定值运行的应急处理方式，操作人员也可以回到手动控制的方式。

该再生水厂使用两组平行曝气池作为对照，在6个月的运行时间里比较N-RTC的运行效果。这两组平行曝气池在尺寸和配置上完全相同，接收相同的进水量，维持相同的污泥浓度，并由独立控制的空气阀门提供空气。

在N-RTC模块运行之前，两组曝气池的DO浓度几乎是相等的（见图1）。

图1在N-RTC运行之前，6#池和5#池（对照）的DO测量结果图

N-RTC模块运行之后，图2则显示了由N-RTC控制的6#池（红线）和5#池（对照、蓝线）的DO浓度，后者是以1.8mg/L DO设定值运行。该图说明了以DO恒定值运行与基于氨氮浓度计算可变DO浓度运行之间的差异。为了确保测试期间出水达标，N-RTC中的出水氨氮设定值为0.1mg/L，N-RTC计算出完全硝化所需的DO浓度明显较低，而5#对照池则继续在较高的DO设定点运行。

图2使用N-RTC控制的6#池和5#池（对照）的DO测量结果图

图3显示了一个N-RTC周报告，它显示了与实验室采样分析相比，连续实施监测能够更深入地了解工艺运行的过程。该图显示了进水和出水氨氮浓度、实际DO和建议DO设定值。该图显示在5月13日、15日和16日出水氨氮峰值超标（红色线），同时N-RTC计算得出的DO值也比工厂能提供的要多（淡绿色线和蓝色线）。

如果没有持续的监测，就不可能及时了解生化系统出水氨氮什么时候会超标，及超标的氨氮什么时候会进入消毒工艺。持续的监测可以帮助操作人员了解氨氮对消毒的影响，从而及时应对。

图3N-RTC周报中DO和氨氮

总结

• N-RTC系统中的氨氮数据将有助于控制进水流量，以实现更稳定的氨氮负荷。

• N-RTC系统中的各项数据能够使运行人员充分了解水质波动并优化硝化反应过程。

• 根据对照试验的结果，如果工厂选择使用N-RTC优化所有6组生化池，那么在氨氮负荷较低的情况下，工厂至少可以关闭一个鼓风机（低负荷氨氮通常发生在晚上10点到早上6点之间，平均值约为11mg/L）。这将节省能源，同时保证出水达标。