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Dynamic Control of Biological Processes in WWTP
May.8, 2008 生物工艺智能优化系统（BIOS) 在上海最大污水处理厂改造过程中的应用 Bioprocess Intelligent Optimization System (BIOS) Applied in the Upgrade of Shanghai´s biggest WWTP 朱石清教授，上海市水务局副局长，中国 George Lee，President, BioChem Technology Inc. 美国生化科技公司总裁，美国
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Dynamic Control of Biological Processes in WWTP
May.8, 2008 内容 项目背景及意义 1 BIOS技术介绍 2 实例－白龙港水质净化厂应用 3 总结与展望 4
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1.项目背景及意义 随着上海工农业的发展、人口的增加、人民生活水准的不断提高，产生的污染源也越来越多，但污染治理能力的发展跟不上，直接影响到上海市水环境的质量，使上海的河道水质呈逐步下降趋势，被列入全国36个水质型缺水城市之一。
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上海城镇污水现状 2007年上海市城镇污水总量为22.52亿m3，其中工业废水量7.43亿m3 ，生活污水量15.09亿m3 。
－据《2007年上海水资源公报》
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2007年上海市城镇污水处理概况表 项目 中心城区 郊区 合计 污水处理厂数量 16 32 48 设计处理能力（×104m3/d）
433.20 123.35 556.55 实际处理量（×104m3/d） 367.51 83.57 451.08 城镇污水处理率 84.0% 48.7% 73.1%
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节能降耗，时代需求 污水处理是能耗密集型行业，污水处理厂的节能技术已经引起国家发改委、国家建设部的高度重视。根据国家建设部在2006年10月发布的建科研函[2006]165号文件，将“城市污水处理厂的节能降耗技术”作为重点项目列入了国家“十一五”科技支撑计划。
![节能降耗，时代需求 污水处理是能耗密集型行业，污水处理厂的节能技术已经引起国家发改委、国家建设部的高度重视。根据国家建设部在2006年10月发布的建科研函[2006]165号文件，将 城市污水处理厂的节能降耗技术 作为重点项目列入了国家 十一五 科技支撑计划。](http://slidesplayer.com/slide/11650680/65/images/6/%E8%8A%82%E8%83%BD%E9%99%8D%E8%80%97%EF%BC%8C%E6%97%B6%E4%BB%A3%E9%9C%80%E6%B1%82+%E6%B1%A1%E6%B0%B4%E5%A4%84%E7%90%86%E6%98%AF%E8%83%BD%E8%80%97%E5%AF%86%E9%9B%86%E5%9E%8B%E8%A1%8C%E4%B8%9A%EF%BC%8C%E6%B1%A1%E6%B0%B4%E5%A4%84%E7%90%86%E5%8E%82%E7%9A%84%E8%8A%82%E8%83%BD%E6%8A%80%E6%9C%AF%E5%B7%B2%E7%BB%8F%E5%BC%95%E8%B5%B7%E5%9B%BD%E5%AE%B6%E5%8F%91%E6%94%B9%E5%A7%94%E3%80%81%E5%9B%BD%E5%AE%B6%E5%BB%BA%E8%AE%BE%E9%83%A8%E7%9A%84%E9%AB%98%E5%BA%A6%E9%87%8D%E8%A7%86%E3%80%82%E6%A0%B9%E6%8D%AE%E5%9B%BD%E5%AE%B6%E5%BB%BA%E8%AE%BE%E9%83%A8%E5%9C%A82006%E5%B9%B410%E6%9C%88%E5%8F%91%E5%B8%83%E7%9A%84%E5%BB%BA%E7%A7%91%E7%A0%94%E5%87%BD%5B2006%5D165%E5%8F%B7%E6%96%87%E4%BB%B6%EF%BC%8C%E5%B0%86+%E5%9F%8E%E5%B8%82%E6%B1%A1%E6%B0%B4%E5%A4%84%E7%90%86%E5%8E%82%E7%9A%84%E8%8A%82%E8%83%BD%E9%99%8D%E8%80%97%E6%8A%80%E6%9C%AF+%E4%BD%9C%E4%B8%BA%E9%87%8D%E7%82%B9%E9%A1%B9%E7%9B%AE%E5%88%97%E5%85%A5%E4%BA%86%E5%9B%BD%E5%AE%B6+%E5%8D%81%E4%B8%80%E4%BA%94+%E7%A7%91%E6%8A%80%E6%94%AF%E6%92%91%E8%AE%A1%E5%88%92%E3%80%82.jpg "节能降耗，时代需求 污水处理是能耗密集型行业，污水处理厂的节能技术已经引起国家发改委、国家建设部的高度重视。根据国家建设部在2006年10月发布的建科研函[2006]165号文件，将 城市污水处理厂的节能降耗技术 作为重点项目列入了国家 十一五 科技支撑计划。")
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新技术--BIOS 通过数十多年的科研和实践，美国在很多污水处理厂已安装运行了先进的污水处理厂工艺过程控制系统－生物池工艺智能优化系统 BIOS（Bioprocess Intelligent Optimization System ）。 达标排放 节能降耗/Reduce GHG 优化污水厂运行 降低运行费用
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BIOS能给污水厂带来什么？ 节能降耗 BIOS系统能降低污水厂曝气系统能耗15％～40％，因此对于以活性污泥处理工艺为主的污水厂来说能显著降低能耗。1度电将节省约400克标准煤和4000克水，并减少排放到大气中的硫化物和氮化物等废气。
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达标排放 在污水厂无需（或少量）扩建的情况下，达到氨氮、硝酸盐或氮的排放标准. 污水厂面临越来越严格的氨氮、硝酸盐和氮的排放标准压力。通过实时监测及逻辑算法模拟生物反应器，污水厂可在无需重大扩建的情况下满足日益严格的排放要求。
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降低运行费用 能增加污水厂的处理容量和减少基建费用. 经BIOS系统对生物处理工艺进行最优化后，污水厂能关闭一组曝气池或可评估污水厂的处理容量增大，从而能使运行费用显著降低，并降低了污水厂的扩建需求。
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提高工艺可控性及稳定性 在曝气量和水力容量足够的情况下，DO设置点和IRQ能进行动态调整来使出水氨氮和硝酸盐达到排放标准；不但如此，BIOS系统能按照污水厂进水的氨氮浓度动态调整DO设置点，从而使污水处理达到适当、一致的排放标准水平。
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预警系统和工艺恢复帮助 BIOS系统能依据进水负荷来判断污水厂的处理工艺何时会被破坏，从而能让管理人员提早做出相应的安排。
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Dynamic Control of Biological Processes in WWTP
May.8, 2008 2.BIOS技术介绍 BIOS SCADA 优化控制设定值 DO IRQ Carbon Dosing… 实时数据 污水处理厂 进水 出水 通常污水厂由SCADA系统通过获取仪表信息来控制运行。许多参数都有设定值，厂里的仪器仪表便会自动稳定在设定值。例如，溶解氧设定值是用来控制鼓风曝气系统的。 生物工艺智能优化系统BIOS包含一台工业电脑和专利软件，通过从SCADA采集实时数据，利用实时模拟来计算给出最优化的控制设定值，计算间隔通常为15至30分钟。
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BIOS与SCADA NH4/NO3 在线分析仪 BIOS控制箱 全厂自控系统
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专为在高浓度混合液中稳定运行而设计 安装简便，只需不到1小时 无需泵送取样系统，不含取样泵、管路、过滤器、仪表小屋或其他基建费用
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BIOS控制器特性 可由用户制定参数 可存储实验室分析数据 可自动生成历史数据同表
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May.8, 2008 活性污泥模型——ASM BIOS控制器 GPS-XTM BioWinTM
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前馈 vs反馈控制 前馈控制 主动的 及时反应 需要模型模拟 反馈控制 被动的 滞后反应 可无需模型 经常使用PID环路控制
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May.8, 2008 计算和模拟 离线 历史进水数据 出水指标 BioWinTM GPS-XTM 固定的设定值 在线 实际进水状况 优化的设定值 BIOS 出水目标值
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5段工艺法－Bardenpho 在线氨氮分析仪 在线氨氮/硝酸盐分析仪 IRQ 投加碳源 CQ DO 设定值 侧流
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缺氧区每日氨氮变化趋势
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污水厂控制的现状 SCADA根据以下方面控制全厂自控 所有以上的控制都是基于峰值负荷考虑，而不考虑每天的波动。 固定的溶解氧DO设定值
固定的内回流IRQ比例 剩余污泥比例来保持恒定的泥龄 固定或不受控制的污泥回流 固定或基于流量变化的外加碳源投加 所有以上的控制都是基于峰值负荷考虑，而不考虑每天的波动。
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氨氮——固定溶解氧DO设定值 峰值负荷时造成氨氮超标排放 低负荷时造成能源浪费
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氨氮——动态溶解氧DO设定值 低负荷时消耗较少的能源 稳定的工艺状态 缓解了峰值符合时的超标排放
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反应时间定义 反应时间= V Qin+QRAS+QIR V：水池体积 Qin：进水流量 QRAS：回流污泥流量 QIR：内回流流量
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动态内回流IRQ控制 优化参数包括： 脱氮 氧和碱度的循环 硝化和反硝化的反应时间 进水氨氮的稀释 平衡氨氮和硝酸盐来达到总氮的设定值
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第一缺氧区？第二缺氧区？ 在第一缺氧区最大化反硝化的优势在于： 产生溶解氧浓度梯度 增加碱度 更少的污泥产量
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动态外加碳源投加 固定vs.动态的碳源投加
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优化浓缩液回流 峰值负荷时储存浓缩液 氨氮进水负荷较低时加入浓缩液
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典型的污水处理厂能耗分布 (EPRI 1994)
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氧传递效率（OTE） 其中: α, F 常量 β = 0.95 Cs,T = 9.08 mg/l, saturation conc. at T=20°C C = DO 浓度 SOTE = (0.3q-0.15) 适用于15英尺深度微孔曝气盘 q 扩散空气流速 1个大气压强 工艺需氧量为常量
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氧传递效率对DO浓度的影响 OTE = k*SOTE*(Cs-C)/Cs with k*SOTE=1 and Cs,20 =9.08
Δ=39% 2 4 6 8 Concentration
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曝气量减少对DO的影响 Aeration Savings* Fixed DO Set Point 4.0 mg/l 3.5 mg/l
Required DO Set Point [mg/l] * Assuming constant oxygen demand
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曝气能耗计算 E 能耗 K 常数 Cs 氧饱和值 Ca 实际溶解氧设定值 %Wastage 浪费能源的百分比 Cr 需要的溶解氧设定值
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能源节省计算实例
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May.8, 2008 3.实例—白龙港污水处理厂应用 2007年，上海市市政府决定对白龙港污水处理厂进行升级改造和扩建,以适应不断增加的水量和节能减排的要求，其规模为200万m3/d。
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生物池工艺智能优化系统在白龙港污水处理厂应用
2007年9月中标 上海市政院设计 目前亚洲最大的污水处理厂 设计采用A2/0处理工艺 处理水量 200万m3/d 提供生物池在线仪器90台 DO/TSS光学和荧光分析仪 AD-2000,C-2在线氨氮和硝酸盐分析仪 提供二套BIOS系统 目前正在安装调试
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白龙港污水处理厂BIOS控制系统示意图
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白龙港污水处理厂在线仪器安装位置图 DO/TSS: 溶氧和悬浮物测定仪； AD-2000/C-2:氨氮和氨氮/硝酸盐在线测定仪
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白龙港污水处理厂BIOS系统硬件设备 BIOS 系统 PLC 具有使用界面 工业电脑 Industrial Computer
with User Interface BIOS 系统 PLC
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工程师在现场安装调试
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工程师在白龙港中控室调试BIOS系统
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工程师在办公室讨论BIOS系统软件 每隔30min,或者根据客户需求，BIOS系统将用以下最佳的工艺运行参数传递给SCADA系统：
DO目标设定值DO IRQ内回流比IRQ ratio 按系统需求排泥WAS 化学加药 SCADA系统根据以上的目标值动态控制污水厂的运行。
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May.8, 2008 达标排放－环境效益分析 白龙港污水处理厂的升级改造，不仅是上海水务局全面改进污水处理系统工作的组成，更是一个广泛的水资源保护计划的一部分。污水厂的达标排放，有利于保护和改善地表水环境，进而提高城市整体环境质量，使上海在15-20年内成为世界级的大城市。
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May.8, 2008 节能降耗－经济成本分析 应用BIOS系统，控制DO溶氧值和IRQ回流量，可节省生物池电耗15％－40％。 改造后，减少高效沉淀池的化学处理量，每年可节省约1/3的药剂费用。 能源节省 药剂费用节省 设备维护费用 污泥处理费用 Save 经过升级改造，加强对管理人员和技术人员的培训，必将会提高效率，延长设备使用周期，降低维护费用。 化学污泥比例减少，活性污泥含量增高，降低化学污泥的二次污染强度，从而降低潜在的污泥处理费用。
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4、总结与展望 与发达国家相比，中国在污水处理的基本理论、工艺流程和工程设计等方面并不明显落后，但是在运行管理与智能优化控制方面却存在着较大的差距。目前，中国城市污水处理厂的吨水耗电量是发达国家的近两倍，而运行管理人员数又是其若干倍，因此加强我国污水处理系统智能优化控制的研究与应用具有重要的科学意义与应用价值。
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BIOS系统－污水处理厂达标节能专家 由于智能优化控制的优越性及其研究与应用的迅速发展，目前国外许多城市污水和工业废水处理厂正在通过技术改造向实现智能控制方向过渡。中国应当在有条件的情况下，在污水处理厂的规划、设计与建设初期就尽可能采用或部分采用智能优化控制。
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May.8, 2008 谢谢!
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