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E-水
欧洲水协会（EWA）正式出版copy;EWA 2010
污水处理厂的过程自动化芬兰的经验
摘要
随着技术的发展和处理要求的提高，城市污水处理厂（WWTPs）自动化程度和重要性不断提高。本文的目的是评估和记录芬兰污水处理厂过程自动化的现状，以确定成功的实践和工厂操作员的需求。将氨或有机物含量去除工艺更新为全氮去除工艺也增加了仪器，控制和自动化（ICA）的需求。该调查已经量化了最近在线传感器测量的可靠性和准确性已得到改善，这使得在线测量的使用更加适用。芬兰污水处理厂显然仍然很少使用营养传感器控制，尽管它们用于监测目的很常见。
关键词自动化，控制，芬兰，仪器仪表，传感器，测量，废水
介绍
随着处理要求的加强以及流程变得更加复杂，市政污水处理厂的过程自动化的重要性也在增加。自欧盟关于城市污水处理的指令91/271 / CEE实施以来，环境水保护已经在欧盟国家中获得了越来越多的公众意识。污水处理厂的处理要求与基于欧洲指令实施的国家立法一起确定，具体取决于接收水体对富营养化的敏感性，特别是对于氮去除要求。例如，在波罗的海展示了一个特别关注的问题，该海洋被联合国国际海事组织（海事组织）指定为特别敏感的海域。
在波罗的海行动计划中，根据减少需求的营养物质需求，为每个波罗的海沿岸国家（丹麦，爱沙尼亚，芬兰，德国，拉脱维亚，立陶宛，波兰，俄罗斯和瑞典）分配了每年的营养减少目标。特别是，芬兰的磷和氮负荷减少量分别为每年150和1 200吨[7]。由人类活动引起的水系统总养分负荷的很大一部分来自市政当局。在这里，来自市政当局的磷和氮负荷份额分别是2005年人类活动引起的总养分负荷的5.0％和15.1％[17]。
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欧洲水协会（EWA）正式出版copy;EWA 2010
传感器
在分布式调查问卷中给出了传感器清单，并要求工厂识别连续测量和监测的变量。在所考虑的24个污水处理厂中，共计18种不同的废水特征。图4a给出了使用传感器和在线分析仪的污水处理厂数量以及用于控制的污水处理厂的数量。DO，SS，温度，pH和液位传感器是污水处理厂建立的技术;除SS和pH传感器外，操作人员认为它们运行良好（图4b）。据推测，其原因是在活性污泥池中使用SS和pH传感器，其中存在高浓度的固体物质。使用SS测量，例如用于返回污泥泵送控制。在工厂访问期间，有人指出，光学DO传感器在芬兰污水处理厂已经变得越来越普遍，工厂操作员发现它们比电流和极谱DO传感器更可靠，更易于维护。
24家工厂中有14家使用营养素在线分析仪（NH4-N，N03_N和P04-P），但它们在控制中的使用并不常见，即使操作人员通常认为传感器是功能正常（图4b）。营养传感器主要用于具有总氮去除要求的植物。
a
b
图4.使用传感器和在线分析仪的污水处理厂数量及其用于控制的情况（a）。
功能传感器和在线分析仪的数量和类型（b）。
此外，参观的污水处理厂最现代化的在线营养分析仪也会自动校准。营养分析仪的常用位置是活性污泥池和流出物，但NH4-N分析仪也用于该过程的其他部分，例如初级澄清池和一些工厂的进水。
和用于污水空气流量和气压传感器是污水处理厂的常用技术;两种传感器类型的测量用于曝气控制。电导率传感器在10家工厂使用;它们例如用于监测工业废水，并且在其中一个工厂中用于预测进入活性污泥池的氮负荷。浊度，污泥层水平和氧化还原。
潜在的传感器用于少数考虑的污水处理厂。即便如此，使用污泥层水平传感器的三个污水处理厂的操作员都不认为它们能够正常运行。
处理厂控制的变量不同的治疗要求。在线连续测量的变量的平均数和用于不同氮化合物处理法规的污水处理厂控制的变量如图5所示。在具有总氮去除过程的工厂中，平均连续测量11.2个变量;此外，4.4变量的在线测量用于控制。污
图5.在线测量的平均变量数
水处理厂的连续测量变量的平均数量，氨去除要求和有机物去除要求（无氮或氨去除要求）分别为8.2和7.2。用于控制除氨要求和有机物去除要求的工厂的在线测量变量平均为5.4和4.0。与总氮去除过程相比，在氨去除过程中使用更多连续测量变量进行控制的意外情况的不确定性是由所考虑的两个过程的数量的差异引起的，分别为5和13。
控制最常用的曝气控制方法是DO剖面控制，用于18个工厂。在DO剖面控制中，曝气池被分成几个区域，其中DO设定点不同，并且几个传感器用于DO浓度在线测量。在五个污水处理厂中，曝气控制基于一个在线DO测量，而在一个工厂，自动NH4-N测量用于曝气控制。在两个大型工厂中，自动定义充气区和非充气区的数量。参观的九个污水处理厂的平均DO设定点为2.6 mg / I.
工厂操作员被问及控制类型（开/关或连续控制），控制范围和控制功能。
答案如图6a所示除了流入的废水和过量的污泥泵送，大多数控制是连续的。另外，在一些回复中提到了图中未示出的一对其他控制（聚合物进料，甲醇进料，中和流入废水）。工厂操作员认为大多数控制装置的控制范围是合适的，即使根据他们的意见，控制范围最常见的问题是降水化学品进料。
图6.开/关和连续控制的数量（a）。
图6b总结了所用控制器的功能条件。
工厂建模和模拟已在五个工厂中使用;其中三个拥有自己的商业软件许可证（最受欢迎的是Hydromantis的GPS-X）。三位操作员回答说，建模也用于协助过程控制;在一个工厂，有一个专家系统集成到过程自动化系统中，另外两个建模用于离线用于创建控制策略。操作员提到研究不同的过程操作可能性，过程设计和支持过程的启动作为建模软件的好处，而使用建模进行动态设定点设置被认为是未来工厂运行中的一种可能的应用。工厂经营者找到了准确的模型
校准相当具有挑战性，这限制了模型的使用。此外，还没有考虑使用模型预测控制器的可能性。
图7.在污水处理厂使用建模和购买自己的仿真软件的意见不起作用到目前为止的建模。
图 7污水建模
图7报告了工厂操作员对污水处理厂建模和仿真软件使用情况的看法，这些软件尚未建模。到目前为止，他们中的大多数人还没有考虑使用代表其污水处理厂的数学模型。
结论
对大型，中型和小型芬兰市政污水处理厂的ICA条件进行了广泛调查，得出以下结论：其中13家工厂认为可以从目前使用的ICA设备中获得更多。从他们对提高工厂效率的最佳方法的看法，以下突出：（1）实时预测废水流量和负荷，（2）控制中使用自动在线分析仪，（3）更好曝气控制，以及（4）更可靠的在线测量。在四个答案中，渗入污水管网，强降雨和融雪被认为是改善工厂运营的最重要瓶颈。另外，经常提到自动化设备的维护和测量的可靠性。
自从欧洲最新的关于污水处理厂ICA状况的调查结果超过5万pe [10]以来，芬兰在仪器和控制方面没有发生重大变化。然而，自从执行欧洲最先进的调查以来，在线传感器测量的可靠性和准确性得到了提高，这使得控制中的在线测量更加适用。芬兰污水处理厂显然仍然很少使用营养传感器控制，尽管它们用于监测目的很常见。即使处理要求不同，似乎通常使用大致相同数量的连续测量变量进行控制。此外，动态过程建模的普及也增加了。
近年来。在新的和翻新的芬兰工厂，除了少数例外，还依赖传统的ICA技术。使用的控制器是PID反馈控制器，并不经常实现更高级的控制器。尽管传感器和其他ICA技术的全部潜力并未在大多数工厂中得到充分利用，但工厂运营商对ICA的一般态度仍然令人感兴趣，并且了解其在未来的重要性。否则，自动化技术水平与工厂ICA知识之间存在相当大的差异。在不久的将来，将在芬兰建立新的大中型污水处理厂。在设计工厂时应特别注意ICA的可能性，以便优化运营成本。此外，在对现有设备进行翻新时，应考虑自动化和控制，因为例如传感器和分析仪的制造商正在进行持续的开发工作。除氮的先进控制策略将有利于实施以及研究软传感器和工厂运行中的动态建模的可能性。
承认
这项研究得到了Maa ja Vesitekniikan Tuki ry的财政支持。作者希望感谢Kristian Sahlstedt（Poyry环境有限公司），Ari Kangas（芬兰环境研究所）和Tommi Fred（HSY Water）在规划调查方面的合作。
引用
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