废水:正确处理

Mogan Swamy介绍了仪器仪表及控制系统如何帮助废水处理有效进行。

过去,大自然会处理我们产生的废物和污染。但是,我们疯狂的生产和消费活动产生了巨量的废水和污水,大自然已经被淹没了。尽管我们本身是问题的制造者,我们也是问题的解决者。我们开发建设了污水处理厂,将废水中的污染物降低到大自然可以接纳的水平。

我们的目的就是对废水给予足够的处理,以保护环境不受污染。什么是足够的处理呢?就是说将废水处理到一个大自然能够发挥它最佳功用的程度。

评价废水排放是否合适,主要看废水在排放之前的处理过程如何。也就是说,废水处理设施的主要目标就是使废水能够达到特定的标准。这些标准主要涉及到有机物含量、总氮量、总磷量和悬浮固体。

尽管如此,我们通常不能以最终排放的水的质量标准作为我们处理过程的依据,因为从开始到结束,要有很多个处理环节。

事实上,我们需要找到一些中间目标来协调处理步骤。这些目标包括:保持充分混匀,保持溶解氧在一个合适的水平,保持沉降池里的沉淀物在规定范围内,避免澄清器超负荷,等等。
大多数的水处理过程是基于流动的水流,一些操作,比如真空过滤这样的操作是周期性的进行的。一个全套的处理系统是由处理性质来组织构建的,可以包括物理方法、化学方法和生物方法。

物理处理的一个例子就是沉降法。沉降法就是把废水在水池静置一个阶段,利用重力原理,让较重的固体沉淀。

另一方面,化学处理则是运用一些化学反应来改进水质,比如氯化作用。氯被普遍用来杀菌和减缓废水变质腐化的速度。

在生物处理方法中,我们运用微生物来分解废水,将它变成稳定的最终产品。基于溶解氧是否可用,这些方法通常可以划分为有氧和厌氧两种方法。比如,厌氧生物处理过程利用不需要氧气就可以生存的微生物将废水中的有机杂质转换为沼气。而沼气是甲烷和二氧化碳的混合物。

由此可见,废水处理的第一步就是要系统地分析当前废水情况,找出废水处理的合适方法。这就需要对废水处理技术的深刻理解。

废水处理的两个重要指标就是生化需氧量(BOD)和悬浮体。生化需氧量就是,在特定的温度和时间内,特定水样本内需氧生物体将样本内有机物质分解所需的溶解氧量。它是衡量废水有机物质的指标,而且也是决定处理设施规模的一个主要指标。

悬浮体是衡量废水中固体的指标。这些固体可以采用过滤的方法加以清除。所以,必须对废水中的污染物进行分类识别。这样有助于确定废水处理方案,以便安全地将废物清除或者再利用。

处理阶段

尽管废水处理设备有很多种,有用在物理处理上的,有用在化学处理上的,有用在生物处理上的,它们可以大体上归类到以下六个阶段中。

第一个阶段就是预处理阶段。对大多数废水处理工厂来说,这一阶段目的是保护泵送设备,并且为以后的处理过程提供便利。这一阶段的设备是用来将体积较大的悬浮物清除或切割,清除无机固体,以及清除过多的油脂。

预处理设备需要精心设计和操作。它们可以包括:滤网、研磨设备、切割设备、粉碎设备、沉砂设备、曝气池。曝气是一种物理处理过程,目的是给废水提供氧气。

在初级处理阶段,通过物理沉淀过程,多数固体都被分离或清除。它主要是降低废水流动速度,使固体物质沉淀,漂浮物质浮到水面。这个阶段的设备可以包括:化粪池、可以清除污泥的自然沉淀池、机械清污的上向流澄清器。

如果在这一阶段施用一些化学物质的话,一些胶质固体也可以被清除。在这种情况下,就需要有一些辅助设备,通常包括化学物质添加器、混合装置和凝聚剂。

凝聚剂就是一些化学物质。它们能够让胶质物和其它悬浮物聚合在一起。它们通常用于小颗粒物的沉淀或过滤,帮助清除微小物质沉淀。否则的话,这些小颗粒物会造成水浑浊。而且它们也很难单靠过滤来清除。

二级处理主要依靠好氧微生物来分解有机固体到无机固体或稳定的有机固体。两种最常用的曝气废水处理法分别是活性污泥系统和曝气稳定池(ASB)。未经处理的废水流到曝气稳定池里,进入一个曝气的环境,有机固体被加速降解。

水处理的关键过程包括:沉淀、曝气、氯化和污泥处理

曝气稳定池最常采用的曝气方式是表面曝气设备或鼓风曝气设备。表面曝气设备需要将多个设备以合理的间隔分布到水面以处理废水。鼓风曝气设备则是采用压缩机或鼓风机来供气,将管道埋入水底,让气体在曝气稳定池里散布。

有机物质降解是由系统里的好氧细菌完成的。细菌运用氧作为电子接受器来将有机物质转化为二氧化碳。随着系统里的有机物质减少,细菌的数量也同样会减少。需氧量也会下降,水环境就变得更加有利于高级生命存活了,比如原生动物或多细胞动物。需氧量是以耗氧速率(OUR)来衡量的。

这些高级生命将以降解过程后产生的散布的细菌和絮凝的细菌为食物。高级生命的出现就表明大多数有机物质已经从系统里被清除。

氯化可能是最常用的化学处理手段了。它被用在废水处理的所有阶段,因为它本身就是一种独立的方法。它可以用来消灭废水中的病原生物体,防止废水腐化和减少有机物质。

在经过初级阶段和第二阶段将废水中的固体物清除后,通常会把污泥进行处理以便进行最后的处置。污泥处理有两个目的,一是将污泥里的水除去,另外就将有机物质降解为相对稳定的有机物或矿物质。

这是由一组处理手段在预制的或模块化的容器设备中完成的(比如,真空过滤、湿式氧化等)。这些手段基本上可以应用到所有的处理设施上,可以是单个的应用或者是多个组合在一起。

随着水处理技术的改进和升级,以及越来越高的环境保护要求,第三阶段的处理也被越来越多的采用了。第三阶段的处理一般就是利用沙过滤方法将废水中的悬浮物进一步过滤,或者是指将氮磷等植物养分从废水中清除的过程。

控制局面

为了制定合理的废水处理和管理策略,我们需要对每支废水的污染情况作出详细的判断。将不同的废水按照其各自特点区别对待,这一方法使对废水的监控指标持续不断,本身就是废水管控的一个部分。

这将有助于在废水处理厂实施整体协调的管控。各个分系统之间的关系与各处理过程的动态特征就能得到很好的理解。控制策略的实施就涉及到为各种传感器和驱动器选择最佳的位置。这些传感器和驱动器构成了控制结构的基础。

控制结构和软件是废水处理硬件运行的基础。它们通常可以分为以下四类:废水的传输、分配、采集,工厂资源的管理,废水的处理,以及处理成本的优化。

在原水、废水和净化水的传输、分配与采集方面,我们有必要依靠监测系统产生的数据来系统地分析判断当前的情况,以便选择最优的废水处理过程,取得处理的最佳效果。

工厂历史数据库是实现这个目的的必不可少的工具。它可以借由存在于管道、泵站、水池等等设备中的各种传感器来获取水处理数据,让后将这些海量的数据长储存起来。它的存储容量完全可以应付大量的历史数据,并且能够将这些数据储存非常长的时间,几乎就是无限长久。

这些数据可以用来做分析报告,方便用户管理设备,运用最有效的方法降低维护成本和系统损失。GE的Proficy Historian就是这方面工具的一个例子。

除此之外,警报和工厂过程数据都被储存在数据库里。通过分析警报与事件数据,可以更好地了解过程异常现象,使报警更加准确,甚至还可以在事故回顾中发挥作用。

实质上,这些趋势数据是废水处理前后的关键参数。这些指标包括:PH值、导电性、温度、水量等等。对这些参数的仔细监测有助于建立一整套系统,防止意外事故。比如,敏感的生物处理过程就需要依靠这些数据做参考。

监测控制和数据采集系统(SCADA)可以帮助废水处理过程的监控。因为废水处理厂的规模很大,分布点多而且距离大,所以SCADA这个系统是理想的手段。

当然,多数控制动作都是由远程终端或可编程逻辑控制器(PLC)自动进行的。监测控制和数据采集系统的主机控制功能一般是用在超驰控制或高级管理介入方面。

监测控制和数据采集系统能够对事件作出反应或听从操作者的指令,对控制器发出指令。这些控制器可以对工业流程就行修改,不论是持续的、批量的、重复的或者是间断性的。

这个系统可以对流程进行修改优化,比如,根据废水的情况重新设置参数;监测无效或非最佳操作环境;阻隔故障设备,并采取修补措施,将设备投入或移出服务。

废水进水排水的关键参数包括:PH值、导电性、温度和水量

废水处理厂的站点多且之间距离大,这种特点使得监测控制和数据采集系统很适合于废水处理厂

在这个意义上,艾默生的Ovation SCADA通信服务器可以有效地监测和控制废水处理系统。它能够在一个位置对远程的多个处理现场进行有效管控。它能够帮助多个散布在不同地点的设施协调统一,确保处理过程有效有序地进行。

迎接挑战

废水处理厂包括一系列的处理过程,比如预处理、厌氧消化、有氧反应等等。在实时检测进水变化和操作环境,了解各处理过程之间的相互关系等方面,我们还面临重大的挑战。废水处理的进程数据反馈慢而且复杂,令我们面临的挑战更甚。

所以,通过整合监测、控制和自动化设备,我们的目的是减少对净化水的影响同时增加资源的利用率。在这个意义上,系统弹性是很重要的。它应当能够对抗干扰并减小干扰带来的影响,还要对重大干扰或恶意攻击有足够的敏感性。这个方法的终极目标就是形成一些净化水和其生态质量的标准,并且满足经济要求和技术上的限制。

一些公司已经开始应对这些挑战。日本横河公司采用在线检测技术,来对原水源的事件快速反应,实现对有害物质自动控制。它还为水处理厂提供凝结控制的优化技术。这一技术可以实现凝结剂的精确添加。

IBM的雄心更大。它的Smarter Water系统拥有一个信息架构和智能架构,可以实现感应、监测的自动化,并为水处理操作提供决策支持。它通过采用智能传感器、模拟、分析和可视化技术来连通和促进信息的流动。它的目的就是实现对水处理基础设施和环境的持续监控。

日本横河公司采用在线监测技术实现有害物质的自动化控制和水处理凝结控制的优化

这个给人的初步印象是资源管理的一种手段。历史和预测性分析可以优化水处理过程。比如,建立当前和历史的水使用模型以及人口增长预测,我们就可以对未来用水作出较为合理的判断。

在这个背景下,水资源管理应当专注于优化现有天然水(地表水和地下水)来满足人类需求并且保护大的生态系统。

不确定的因素来讲,气候变化也会增减水资源管理的复杂性。所以,在优化水资源利用方面,我们的计划和管理要将所有对水资源的矛盾性要求考虑在内,并且合理地进行分配。

要实现这些,我们需要通过采用在线检测技术和水处理自动化技术来降低成本,提高有效性和可靠性。只有采用自动化的控制技术,水处理工厂的有效运作才能实现。

运用监测和控制技术,成功优化处理过程,减少了需要处理和处置的废弃物的产生

通过采用在线监测和反馈技术,处理过程得到了优化。这不仅减少了化学物质、能源和水的消耗,还大幅减少了需要进一步处置的废弃物的产出。比如,罗克韦尔自动化就宣称,通过将其先进的集成体系结构、智能马达控制设备和过程自动化控制系统整合起来,形成一个全系统的先进技术,它就可以解决废水处理过程或脱盐过程的挑战。

最后,我们的社会还是要挑起保护我们最珍贵资源的责任担子。干净的水对于我们的生存是至关重要的。我们不能等待科技的发展,我们必须立即行动。我们不能让我们的无知和冷漠毁了我们的前途,不能认为科技就是这些问题的灵丹妙药。

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