氨氮?jiǎng)討B(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)在污水廠的應(yīng)用效果

馮青青

(上海昊滄系統(tǒng)控制技術(shù)有限責(zé)任公司 上海200232)

0 引 言

在水污染問題中，水體富營養(yǎng)化尤為突出，而氮、磷這兩種營養(yǎng)元素起到了主要作用。因此，國家污染物排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氮、磷的減排提出了嚴(yán)格要求。目前污水廠脫氮的主流方式依賴于硝化和反硝化過程，常規(guī)的硝化-反硝化脫氮工藝，往往存在效率不高、能耗較大等缺陷。由于硝化過程是一個(gè)好氧過程，需要一定的曝氣量以促成硝化反應(yīng)充分進(jìn)行，確保出水氨氮達(dá)標(biāo)。但是，過多的曝氣量一方面帶來能耗的浪費(fèi)，另一方面造成回流硝化液中溶解氧過高，抑制了硝態(tài)氮接受電子的能力，降低了反硝化反應(yīng)速率，不利于總氮的去除[1]。因此，在脫氮過程中曝氣量并非越大越好，而是在滿足出水氨氮指標(biāo)達(dá)標(biāo)基礎(chǔ)上，優(yōu)化曝氣運(yùn)行控制，降低曝氣能耗，減弱溶解氧濃度過高對(duì)反硝化反應(yīng)過程的抑制，這就對(duì)脫氮過程提出了“按需曝氣”的控制要求[2]。

1 氨氮?jiǎng)討B(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)原理

氨氮?jiǎng)討B(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)借助于數(shù)學(xué)模型求解將控制單元的出水氨氮值穩(wěn)定在其目標(biāo)值所需要的溶解氧，將該溶解氧值作為控制單元的溶解氧設(shè)定值；然后，借助于數(shù)學(xué)模型求解將控制單元的溶解氧穩(wěn)定在該溶解氧設(shè)定值所需要的曝氣量[3]；最后通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)及各控制單元曝氣支管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)各控制單元?dú)饬康暮侠砼c精確分配及脫氮過程的“按需曝氣”。與傳統(tǒng)的依靠人工方式設(shè)定溶解氧設(shè)定值相比，氨氮?jiǎng)討B(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)根據(jù)出水氨氮濃度設(shè)定值，自動(dòng)計(jì)算溶解氧設(shè)定濃度和曝氣量，實(shí)現(xiàn)了按需曝氣，使得不同控制單元的溶解氧穩(wěn)定在設(shè)定值附近[4]。其控制原理如圖1所示。

圖1 氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of ammonia nitrogen optimization control system

2 氨氮?jiǎng)討B(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 曝氣量控制效果

由于鼓風(fēng)機(jī)的曝氣量與其電流呈正相關(guān)關(guān)系，曝氣量與鼓風(fēng)機(jī)的電耗亦呈正相關(guān)關(guān)系。氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)主要目的在于保證出水氨氮達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。在工程應(yīng)用中，可采用節(jié)氣率及氣水比的變化率來體現(xiàn)氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)對(duì)于鼓風(fēng)機(jī)曝氣系統(tǒng)節(jié)能降耗的貢獻(xiàn)。其中，節(jié)氣率及氣水比變化率的計(jì)算公式如下：

式中：η空氣為節(jié)氣率，%；φ為氣水比的變化率，%；為未采用系統(tǒng)時(shí)，生化池的平均曝氣量(平均處理水量)為采用系統(tǒng)時(shí)，生化池的平均曝氣量(平均處理水量)，m3/h。

2.2 氨氮控制效果

出水氨氮是氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)的首要指標(biāo)。對(duì)于污水處理廠而言，出水氨氮濃度過高時(shí)，造成出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)；若出水氨氮濃度偏低，則將造成曝氣能耗的浪費(fèi)。因此，通過控制措施將出水氨氮值維持在合適的范圍內(nèi)，將會(huì)在保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。本文用削減單位NH4-N所需的曝氣量來比較采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)前后出水氨氮與生化池曝氣量這兩個(gè)指標(biāo)的聯(lián)合作用效果。削減單位NH4-N所需的曝氣量公式如下：

式中：φ為削減單位NH4-N所需的曝氣量，m3/kg；Qair為曝氣量，m3/h；T1、T2為測(cè)定時(shí)間段的起止時(shí)間；Qin、Qout為進(jìn)水、出水流量，m3/h；ρNH4-Nin、ρNH4-Nout為進(jìn)水、出水氨氮濃度，kg/m3。

3 氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)效果

3.1 生化池供氣量對(duì)比分析

氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)的主要目的是在保證出水氨氮達(dá)標(biāo)的前提下，節(jié)省生化池的曝氣量，從而達(dá)到節(jié)能降耗目的，因此對(duì)于氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)節(jié)能降耗的能力的分析顯得尤為重要[5]。然而，由于本調(diào)試未對(duì)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)控，僅對(duì)生化池的供氣量進(jìn)行控制，圖2為相同時(shí)間段采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)前后生化池供氣量曲線。根據(jù)此圖，綜合考慮生化池的供氣量及處理水量情況后，可得出采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)前后的平均曝氣量及氣水比情況，如表1所示。

圖2 采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)前后生化池供氣量Fig.2 Biochemical pool gas supply before and after using ammonia nitrogen optimization control system

表1 采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)前后生化池供氣量及氣水比對(duì)比分析表Tab.1 Comparative analysis of gas supply and gas-water ratio of biochemical pool before and after using ammonia nitrogen optimization control system

從圖2和表1可知，在未采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)時(shí)，生化池的每日供氣量幾乎維持恒定不變(2200～2500m3/h)，采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)后，該系列生化池實(shí)現(xiàn)按需供氣，實(shí)際供氣量隨著系統(tǒng)計(jì)算所得的供氣量值而波動(dòng)，波動(dòng)頻率較高且幅度較大，平均每小時(shí)供氣量為1650～1870m3，曝氣量降低了19.09%～34.86%，氣水比降低了14.34%～35.73%。此外，生化池的節(jié)氣率與曝氣電耗存在著正相關(guān)關(guān)系，故節(jié)氣將最終利于系統(tǒng)的節(jié)能降耗。

3.2 出水氨氮值對(duì)比分析

對(duì)于污水廠而言，其為了保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，將生化池的曝氣量留有較大的余度。生化池的過量曝氣，使得出水的氨氮值通常偏低。然而，出水氨氮值并不是越低越好：出水氨氮過低，意味著曝氣量過大，也就意味著曝氣能耗過高，污水的運(yùn)行成本大幅增加；同時(shí)，過多的曝氣量也將造成回流硝化液中溶解氧濃度過高，從而抑制了硝態(tài)氮接受電子的能力，降低了反硝化反應(yīng)速率，不利于總氮的去除。因此，采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)，其主要目的是：在滿足出水氨氮指標(biāo)達(dá)標(biāo)基礎(chǔ)上，優(yōu)化曝氣運(yùn)行控制，降低曝氣能耗，減弱溶解氧濃度過高對(duì)反硝化反應(yīng)過程的抑制，最終實(shí)現(xiàn)脫氮過程的“按需曝氣”。

3.2.1 不同出水氨氮設(shè)定值的控制效果

對(duì)于氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)而言，其應(yīng)該具有對(duì)于不同出水氨氮設(shè)定值的響應(yīng)能力。在工程調(diào)試中，分別采用0.95mg/L及1.0mg/L作為出水氨氮的設(shè)定值。圖3為采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)、且出水氨氮設(shè)定值為0.95mg/L時(shí)的出水氨氮數(shù)據(jù)；圖4為采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)、且出水氨氮設(shè)定值為1.0mg/L時(shí)的出水氨氮數(shù)據(jù)。

圖3 出水氨氮設(shè)定值為0.95mg/L時(shí)出水氨氮數(shù)據(jù)Fig.3 Data at effluent ammonia nitrogen set value of 0.95mg/L

圖4 出水氨氮設(shè)定值為1.0mg/L時(shí)出水氨氮數(shù)據(jù)Fig.4 Data at effluent ammonia nitrogen set value of 1.0mg/l

從圖3和圖4可看出，采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)后，無論氨氮的設(shè)定值為多少，氨氮均可在設(shè)定出水氨氮值上下波動(dòng)，且實(shí)際出水氨氮值可控制在出水達(dá)標(biāo)線以內(nèi)。但是，在采用系統(tǒng)之后，氨氮控制的穩(wěn)定性略微下降，這主要是由于：①氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)采用的是兩級(jí)級(jí)聯(lián)控制，其與傳統(tǒng)的采用人工設(shè)定溶解氧設(shè)定值的精確曝氣系統(tǒng)相比，非定常性效應(yīng)將更加顯著；②在不同溶解氧下氨氮對(duì)溶解氧的敏感性不同，則出水氨氮值的波動(dòng)在可接受的范圍內(nèi)。

3.2.2 削減單位氨氮所需曝氣量控制效果

氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)的主要目的：保證出水氨氮在達(dá)標(biāo)線以內(nèi)的前提下，使削減單位氨氮所需的曝氣量盡量較低。圖5為相同時(shí)間段采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)前后削減單位氨氮所需氣量數(shù)據(jù)曲線。

圖5 氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)前后削減單位氨氮所需氣量Fig.5 Gas volume required for reduction of unit ammonia nitrogen before and after using ammonia nitrogen optimization control system

3.3 出水水質(zhì)對(duì)比分析

氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)在保證出水氨氮達(dá)標(biāo)的前提下，亦應(yīng)實(shí)現(xiàn)其他水質(zhì)指標(biāo)的達(dá)標(biāo)。圖6所示為未采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)及采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)生化池出水COD及總氮的出水情況。從圖6可以看出，采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)的運(yùn)行對(duì)出水COD濃度影響不大，且能夠做到達(dá)標(biāo)排放。

出水總氮的達(dá)標(biāo)排放對(duì)污水廠而言也尤為重要，圖7分析了采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)前后生化池出水總氮的情況。從圖7可以看出，采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)后，出水總氮的濃度基本可維持在15mg/L以內(nèi)，且出水總氮的濃度較未采用系統(tǒng)時(shí)略微降低，出水總氮的穩(wěn)定性也有所提高。

圖6 氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)前后進(jìn)出水COD值Fig.6 COD value in effluent before and after using ammonia nitrogen optimization control system

圖7 氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)前后進(jìn)出水總氮值Fig.7 Total nitrogen value in effluent before and after using ammonia nitrogen optimization control system

4 結(jié) 論

①采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)后，生化池的曝氣量降低了14.34%～35.73%，若對(duì)閥門開度下限進(jìn)行調(diào)整，則其節(jié)氣空間將提升。

②采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)后，出水氨氮能夠做到達(dá)標(biāo)排放，且基本可維持在設(shè)定值附近，出水氨氮濃度控制的穩(wěn)定性較高；削減單位氨氮所需氣量降低了11.43%～32.17%。

③采用氨氮優(yōu)化控制系統(tǒng)后，對(duì)出水COD濃度的影響較小，可維持在達(dá)標(biāo)排放；出水總氮的穩(wěn)定性及達(dá)標(biāo)率提升。