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未来污水处理工艺发展的若干方向

北极星环保网来源:给水排水 陈珺2018/2/13 9:39:53我要投稿

2.5ICA与模型的应用

ICA(仪表、控制与自动化)是未来现代化污水处理厂的重要特征,未来的污水处理工艺发展将越来越重视ICA与工艺的结合。从70年代DO传感器在污水处理领域的引入算起已经经历了40年多年的发展,ICA在污水处理领域中的应用获得了长足的发展,基于各种控制原理的应用已经在世界各地的污水处理厂得到了应用。

未来ICA的发展将集中在以下几个方面,首先仍然是深入理解工艺的动态特性,工艺的干扰因素,如何确定合理的控制变量,这些对仪表的需求无疑非常重要;其次是开发满足工艺监测与控制的合理传感器、仪表(包括变送器和执行器);在数据收集处理方面,需要筛选、过滤、降噪以获得充足、并经分析过的数据,同时将这些数据转化成为有意义的信息。

另外一个值得关注的问题是随着物联网和控制系统的集成,网络安全将是一个重要的关注内容。在PLC技术和中央控制系统技术(SCADA)技术连接到互联网实施远程控制的情况下,对于运行的控制安全尤为重要,特别是对处理厂的设备设施的物理损坏方面更显得尤为迫切。同时,一些复杂性技术的应用需要高度关注,WiFi、蓝牙、4G/5G的信息传递使污水处理工艺的运行在安全性方面特别令人关注。

从1987年国际水协推出的ASM模型算起,活性污泥数学模型已经经历了30年的发展,基本模型已经成熟,模型的开发已经接近尾声,但模型的应用依然任重道远。生物动力学模型已经不再是应用的瓶颈,但数据的质量、数据的可获得性是最大的问题,将海量数据转化为供模型有价值的信息将成为实际模拟工作的一大挑战。

另外一个问题是不同模型之间的整合,例如将污水管道-污水处理厂-河流整合起来的模型。同时,动态模型的应用与SCADA系统的整合对于运行管理者将会提供更有价值的信息。

3工艺发展的规律

3.1创新需要长时间的积累

污水处理工艺的创新从来不是一夜之间的事情,某项技术的出现有着复杂的历史背景。以活性污泥工艺为例,虽然这项技术出现在1914年,但促成这项技术出现的因素可以追溯至30年前。1882年,史密斯开始对污水曝气研究,之后又有Dibdin,Kaye-Parry,Drown,Mason等众多的研究者继续沿着这个方向继续研究,对污水曝气的研究的直接结论就是曝气可以防止污水腐败。

在这之后的多年里,污水曝气的研究并没有获得处理效率的明显改善,但在1910年的时候人们逐渐意识到污水曝气形成的悬浮物对于处理效果很重要,所有这些都为1914年的工艺突破奠定坚实的基础。

同样,在当今被广为看好的好氧颗粒污泥技术在也经历了漫长的早期发展,从早期日本学者1991年最初提出的概念到2011年第一座基于好氧颗粒污泥设计的城市污水处理厂在荷兰Epe开始运行经历了20年。

实际上,甚至一个概念的形成也需要经历几十年才被最终接受。比如泥龄的概念,Garrett可能是最早意识到微生物的生长与排泥有密切的关系,他在1958年的时候对硝化现象这样记录:“出水的月均亚硝酸盐氮+硝酸盐氮只有0.2~0.7mg/L,显然氧化的氮很少,这可能是曝气池里排泥的速度超过了硝化菌自身最大的生长速度”,之后英国水污染研究中心的Downing在1964年建立起了基于动力学概念的硝化设计理论,到了1970年,基于泥龄的硝化设计和模拟理念最终被人们所彻底接受。

因此,创新技术的出现是自然而然、水到渠成的过程,并非一夜之间颠覆性的出现。

3.2关键的突破

工艺的发展在经历了充分的积累之后,可能会获得关键性的突破。在早期污水经历了31年的曝气研究之后,Ardern和Lockett在1914年将曝气之后形成的污泥留存下来成为关键性的突破,这一突破在当时甚至被认为是离经叛道的,因为在当时人们认为污水净化不应该形成污泥。

传统生物脱氮工艺的关键突破也是经历了较长的发展阶段才走向成熟,早期生物脱氮的概念在上世纪60年代逐渐出现,最初是Wuhrmann提出的后置脱氮方式,之后Ludzak&Ettinger提出了前置脱氮方式,但最为关键的是在70年代JamesBarnard在前置脱氮方式的基础上引入了内回流的措施,这成为日后污水生物脱氮的标准做法。

3.3走向成熟的发展规律

污水处理技术从创新走向成熟有着内在的规律,这种规律基本是从早期的现象探索,到试验室的研究,基本理论的提出,进一步放大的试验,理论的进一步完善,示范性项目的出现,到最后一定数量的工程应用。如同其他技术发展的规律一样,污水处理技术走向成熟可以用S-曲线来反映,S-曲线描述了技术系统的生命发展周期,主要包括萌芽期、成长期、成熟期和衰退期。S-曲线的横轴表示时间,竖轴表示技术应用参数。

处于萌芽期的技术尽管有新的技术功能,但这一阶段的技术明显地处于初级,存在着效率低、可靠性差或一些尚未解决的问题。由于人们对它的未来比较难以把握,而且风险较大,因此只有少数眼光独到者才会进行投资,处于此阶段的技术所能获得人力、物力上的投入是非常有限的,例如微生物燃料电池技术。处于萌芽期的技术性能的完善非常缓慢,这一阶段产生的专利级别很高,但专利数量较少,此阶段的经济收益为负。而且,有些技术难以走过萌芽期就会消失。

进入发展期后,原来存在的各种问题逐步得到解决,效率和产品可靠性得到较大程度的提升,其价值开始获得社会的广泛认可,发展潜力也开始显现,从而吸引了大量的人力、财力,大量资金的投入会推动技术系统获得高速发展,特别是当污水处理技术进入生产性规模的时候,其往往也进入成长期。

在获得大量资源的情况下,技术进从成长期快速进入成熟期,这时技术系统趋于完善,所进行的大部分工作只是系统的局部改进和完善,现在的DEMON、ANAMMOX技术正在从成长期进入成熟期阶段。

处于成熟期的技术其性能水平达到最佳,这时仍然会产生大量的专利,但专利级别会更低,同时一些垃圾专利也会大量产生。处于此阶段的产品已进入大批量生产,并获得巨额的收益。常规的传统活性污泥法、氧化沟、SBR技术等基本处于这一阶段。在进入成熟期后,技术将逐渐进入衰退期,此时技术已经达到极限,工艺的发展不会再有新的突破。

污水处理技术系统在其生命周期之中,总是沿着提高其理想度向最理想系统的方向进化,提高理想度法则代表着所有技术系统进化法则的最终方向。理想化是推动技术进化的主要动力。在当前的污水处理技术中,主流厌氧氨氧化还处于萌芽期向成长期的发展阶段,在世界上的一些地方中试正在进行,有极个别的生产性规模的污水处理厂也正在探索。

延伸阅读:

22个农村污水处理技术大全

污水处理技术之6种最常用的MBR组合工艺

污水处理技术之城市污水厌氧氨氧化脱氮研究

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