The impact of the art-ICA control technology on the performance, energy consumption and greenhouse gas emissions of full-scale wastewater treatment plants

art-ICA控制技術(shù)對全規(guī)模污水處理廠性能、能耗和溫室氣體排放的影響

來源：Journal of Cleaner Production, Volume 213, 2019, Pages 680-687

《清潔生產(chǎn)雜志》，第213卷，2019年，第680-687頁

 

摘要

本研究評估了高級實(shí)時(shí)儀表、控制和自動化（art-ICA）控制器對兩個全規(guī)模污水處理廠（WWTPs）（葡萄牙的Chelas和Castelo Branco）的性能、能耗和溫室氣體排放的影響。通過比較常規(guī)操作和art-ICA控制下的獨(dú)立處理線，發(fā)現(xiàn)art-ICA策略改善了出水質(zhì)量并降低了運(yùn)營成本，使總氮出水濃度減少54%，特定能耗降低7-10%。此外，art-ICA控制未對廠區(qū)的N2O排放產(chǎn)生負(fù)面影響，并有助于降低全球變暖潛能（GWP），表明art-ICA在環(huán)境上優(yōu)于常規(guī)控制。

 

研究目的

本研究旨在評估art-ICA控制策略對全規(guī)模污水處理廠的性能、能耗和溫室氣體排放（特別是N2O排放）的影響，以驗(yàn)證該高級控制技術(shù)在提高營養(yǎng)去除效率、降低能耗的同時(shí)，是否會對溫室氣體排放產(chǎn)生不利影響，從而為污水處理廠的可持續(xù)運(yùn)營提供依據(jù)。

 

研究思路

研究在兩個全規(guī)模污水處理廠（Chelas和Castelo Branco）中設(shè)置獨(dú)立處理線，一條采用常規(guī)控制，另一條采用art-ICA控制。通過對比分析出水水質(zhì)（如總氮、銨氮、硝酸鹽濃度）、能耗數(shù)據(jù)（來自廠區(qū)自動采集系統(tǒng)）以及N2O排放（使用丹麥Unisense微電極在線監(jiān)測），評估art-ICA的控制效果。研究還包括短期和長期運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合化學(xué)分析（如COD、BOD、營養(yǎng)鹽）和排放因子計(jì)算，量化直接和間接溫室氣體排放。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 出水水質(zhì)數(shù)據(jù)，包括總氮（TN）、銨氮（NH4-N）、硝酸鹽（NO3-N）濃度，來自Table 2和Fig.2。研究意義：art-ICA控制使Chelas廠出水總氮從8.0 mg/L降至3.7 mg/L，去除率從83.7%提升至92.5%，表明art-ICA顯著增強(qiáng)脫氮效率，減少水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

 

 

2 能耗數(shù)據(jù)，包括特定能耗（kWh/m3），來自Table 2。研究意義：art-ICA使Chelas廠特定能耗從0.44 kWh/m3降至0.40 kWh/m3（降低10%），Castelo Branco廠從0.40 kWh/m3降至0.37 kWh/m3（降低7%），證明art-ICA通過優(yōu)化曝氣等操作降低間接CO2排放，提升能源效率。

3 N2O排放數(shù)據(jù)，包括直接排放（來自處理過程）和間接排放（來自出水釋放），來自Fig.3和Table 4。研究意義：art-ICA控制下，Chelas廠N2O直接排放降低95%（從6.8×10?? kton CO2 eq/年降至3.0×10?? kton CO2 eq/年），表明art-ICA未加劇N2O產(chǎn)生，反而通過穩(wěn)定DO控制減少溫室氣體排放。

 

 

4 其他參數(shù)數(shù)據(jù)，如化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD），來自Table 2。研究意義：出水COD和BOD在兩種控制下均達(dá)標(biāo)，顯示art-ICA在保證水質(zhì)前提下優(yōu)化運(yùn)行，減少有機(jī)污染物排放。

 

結(jié)論

1 art-ICA控制顯著提升營養(yǎng)去除效率，使出水總氮降低54%，減少59噸氮年排放量，增強(qiáng)環(huán)境效益。

2 art-ICA實(shí)現(xiàn)能耗降低7-10%，年節(jié)電超30萬千瓦時(shí)（Chelas廠）和6萬千瓦時(shí)（Castelo Branco廠），降低間接CO2排放。

3 art-ICE對N2O排放無負(fù)面影響，甚至減少直接排放，整體降低全球變暖潛能（GWP），支持其環(huán)境友好性。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

本研究使用丹麥Unisense微電極（型號未指定，配合AC'SCENT® Flux Hood）在線監(jiān)測N2O氣體排放，測量精度高（誤差<2%），每秒采集數(shù)據(jù)。研究意義在于：該電極提供實(shí)時(shí)、高分辨率的N2O濃度數(shù)據(jù)，直接量化處理過程中的直接排放。如Fig.3所示，在Chelas廠，art-ICA控制線N2O排放低于常規(guī)線，證實(shí)art-ICA通過優(yōu)化DO控制（避免低氧或高氧波動）抑制了N2O產(chǎn)生途徑（如硝化菌反硝化）。電極數(shù)據(jù)還用于計(jì)算排放因子，顯示間接排放（出水釋放）主導(dǎo)GWP，而art-ICA降低間接排放。Unisense電極的精準(zhǔn)測量為評估控制策略對溫室氣體排放的影響提供了可靠依據(jù)，支撐了art-ICA在碳中和目標(biāo)下的應(yīng)用潛力。