基于A(yíng)2O工藝的精確曝氣系統(tǒng)研究

馮淳一，湯卓衡，付 悅

（重慶遠(yuǎn)通電子技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，重慶 400060）

0 引言

近年來(lái)，水環(huán)境安全越來(lái)越受?chē)?guó)家重視，隨著城市化、工業(yè)化的發(fā)展，水環(huán)境污染加劇。污水處理廠(chǎng)作為可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)施，重點(diǎn)是將生活污水及工業(yè)污水收集處理達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）后排放［1］，改善水環(huán)境的污染。我國(guó)污水處理工藝核心采用生物活性污泥法為主［2］，利用微生物去除水中污染物，因此污水中溶解氧（DO）的濃度直接影響微生物群落的組成及污染物轉(zhuǎn)化的速度［3］。西南片區(qū)某污水處理廠(chǎng)服務(wù)面積約50 km2，污水處理工藝采用A2O工藝。目前曝氣對(duì)該水廠(chǎng)運(yùn)行的影響有以下問(wèn)題：①該廠(chǎng)曝氣根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)預(yù)估實(shí)行間歇曝氣，存在運(yùn)行能耗高的問(wèn)題；②曝氣過(guò)低會(huì)影響硝化反應(yīng)，過(guò)高又造成多余的溶解氧經(jīng)回流影響缺氧池的反硝化及厭氧池中聚磷菌的釋磷；③厭氧池DO高導(dǎo)致碳源消耗增加［4］；④由于進(jìn)水負(fù)荷波動(dòng)，當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷偏低，過(guò)曝導(dǎo)致污泥解體問(wèn)題。上述存在的問(wèn)題會(huì)提高能源成本，導(dǎo)致高能耗、高成本、低收益，因此優(yōu)化曝氣成為污水處理行業(yè)的研究熱點(diǎn)［5］。

曝氣是影響污水處理廠(chǎng)出水水質(zhì)和降低能耗的重要部分，曝氣利用ICA（Instrumentation，Control and Automation，即儀表、控制和自動(dòng)化）技術(shù)，對(duì)污水廠(chǎng)好氧區(qū)進(jìn)行自動(dòng)、精確、合理地控制，解決污水處理廠(chǎng)出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)、節(jié)能減排及人工過(guò)度干預(yù)的問(wèn)題［6］。曝氣是使空氣與水充分接觸的一種手段，目的是將空氣中的氧氣溶解于水中，或是將水中多余的氣體及揮發(fā)性物質(zhì)釋放到空氣中［7］。目前曝氣主要分為傳統(tǒng)曝氣和新型曝氣控制系統(tǒng)兩類(lèi)，傳統(tǒng)曝氣控制系統(tǒng)通過(guò)人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)閥門(mén)控制風(fēng)量，新型曝氣控制系統(tǒng)包含以模型計(jì)算為核心的精確曝氣及按規(guī)則推理為核心的智能曝氣控制。本文根據(jù)實(shí)際污水廠(chǎng)的生產(chǎn)分析，提出對(duì)曝氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化方案，通過(guò)模型計(jì)算與可編程邏輯控制器（PLC）通信控制曝氣時(shí)間及風(fēng)量，從而實(shí)現(xiàn)精確曝氣［8］。

1 智能曝氣系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)

西南片區(qū)某污水處理廠(chǎng)采用A2O生物池工藝，其工藝如圖1所示。

圖1 A2O生物池工藝

生物池安裝有曝氣裝置、推進(jìn)器及回流渠道，將生物池分為厭氧區(qū)、缺氧區(qū)及好氧區(qū)，該工藝不僅能去除污水中有機(jī)碳污染，還能有效去除水中氮和磷污染。好氧區(qū)主要由曝氣裝置提供氧氣，該反應(yīng)區(qū)可去除生化需氧量（BOD）、硝化和吸收磷等，同時(shí)有部分污泥回流到缺氧區(qū)。

西南片區(qū)某污水處理廠(chǎng)24小時(shí)進(jìn)水水量波動(dòng)較大，監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，某一天就產(chǎn)生了54次流量突變，波動(dòng)在50%及以上有48次，如此頻繁及大幅度的水量沖擊對(duì)后續(xù)工藝的自動(dòng)穩(wěn)定控制產(chǎn)生了較大的影響。而且原有的曝氣閥門(mén)采用的是手動(dòng)式，即根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)實(shí)行“曝2停2”式的間歇曝氣［9］。廠(chǎng)區(qū)在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)出水化學(xué)需氧量（COD）和氨氮存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，工作人員便增加曝氣量，控制達(dá)標(biāo)。該方法較粗糙，并且根據(jù)出水預(yù)測(cè)存在一定滯后性，因此改造需要對(duì)生物脫氮的硝化和反硝化過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制，該過(guò)程需要合理控制曝氣量，曝氣過(guò)低會(huì)使生物硝化不完全，出水氨氮和總氮存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，反之使得回流水中溶解氧（DO）過(guò)高，增大碳源的消耗，同時(shí)也會(huì)使鼓風(fēng)機(jī)的能耗增加［10］。曝氣系統(tǒng)采用一級(jí)控制結(jié)構(gòu)，由好氧區(qū)的溶氧儀及濁度計(jì)反饋，調(diào)節(jié)曝氣閥門(mén)開(kāi)度?；诖藢⒃趨捬鯀^(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)增添檢測(cè)儀表，對(duì)硝氮進(jìn)行提早檢測(cè)。該污水處理廠(chǎng)生物池中原本只安裝有溶氧儀、濁度計(jì)及鼓風(fēng)管道內(nèi)安裝的壓力計(jì)和氣體流量計(jì)。

優(yōu)化曝氣控制系統(tǒng)，對(duì)兩個(gè)生物池進(jìn)行改造，新增在線(xiàn)儀表溶氧儀、氨氮儀、硝氮儀、ORP儀和磷酸鹽儀，曝氣管道將手動(dòng)閥門(mén)改為電動(dòng)閥門(mén)等。生物池新增儀表和設(shè)備（如圖2所示）。

圖2 生物池新增儀表和設(shè)備示意圖

為節(jié)省能耗，該污水廠(chǎng)設(shè)計(jì)并安裝了曝氣優(yōu)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)曝氣量的精確控制［11］。曝氣控制系統(tǒng)采用三級(jí)串聯(lián)的控制結(jié)構(gòu)：第一級(jí)前饋開(kāi)環(huán)控制，通過(guò)進(jìn)水負(fù)荷設(shè)定計(jì)算最優(yōu)溶解氧；第二級(jí)水質(zhì)反饋閉環(huán)控制，通過(guò)好氧區(qū)溶解氧儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)整每個(gè)支管曝氣量及閥門(mén)開(kāi)度；第三級(jí)鼓風(fēng)機(jī)閉環(huán)反饋控制，通過(guò)溶解氧和支管曝氣量調(diào)整風(fēng)機(jī)總氣量?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 曝氣過(guò)程控制策略

曝氣控制系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括在線(xiàn)儀表、鼓風(fēng)機(jī)等，軟件系統(tǒng)包括中控室上位機(jī)組態(tài)、曝氣過(guò)程控制系統(tǒng)等。鼓風(fēng)管道和電動(dòng)閥門(mén)是為活性污泥提供氧氣，保持其活性以去除有機(jī)物污染；在線(xiàn)儀表作為監(jiān)測(cè)手段實(shí)時(shí)反應(yīng)整個(gè)曝氣過(guò)程好氧微生物降解有機(jī)物的情況，及時(shí)調(diào)整曝氣量；上位機(jī)組態(tài)作為人機(jī)交互，使管理人員及時(shí)掌握在線(xiàn)儀表水質(zhì)狀況，通過(guò)遠(yuǎn)程進(jìn)行調(diào)節(jié)［12］；曝氣控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)根據(jù)進(jìn)水負(fù)荷、出水水質(zhì)與溶解氧狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度控制鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)按需曝氣，使其在滿(mǎn)足出水達(dá)標(biāo)的前提下降低曝氣量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。通過(guò)在線(xiàn)儀表采集數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)模型精確計(jì)算曝氣量并轉(zhuǎn)換為鼓風(fēng)機(jī)與閥門(mén)的調(diào)節(jié)參數(shù)，將參數(shù)傳輸給鼓風(fēng)機(jī)及電動(dòng)閥門(mén)對(duì)應(yīng)的PLC子站，由PLC站對(duì)鼓風(fēng)機(jī)及閥門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，從而控制生物池的曝氣量。

根據(jù)廠(chǎng)區(qū)實(shí)際運(yùn)行情況與儀表等硬件設(shè)備對(duì)曝氣控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。曝氣控制系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)水負(fù)荷計(jì)算系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的總需氣量，結(jié)合曝氣條件下的溶解氧、風(fēng)量變化情況計(jì)算實(shí)際曝氣量。由于間歇曝氣應(yīng)對(duì)沖擊能力較低，在進(jìn)水前饋的基礎(chǔ)上增加了氨氮反饋補(bǔ)償策略和時(shí)間保護(hù)策略，增加了“停機(jī)最長(zhǎng)時(shí)間”“曝氣最短時(shí)間”“氨氮上線(xiàn)/下線(xiàn)設(shè)定值”等參數(shù)預(yù)防曝氣量不足的情況，最終構(gòu)成間歇曝氣的鼓風(fēng)機(jī)啟停控制策略（如圖4所示）。

圖4 曝氣控制策略流程圖

2 結(jié)果與分析

2.1 出水水質(zhì)分析

該廠(chǎng)區(qū)對(duì)城市生活污水進(jìn)行處理，進(jìn)水量存在波動(dòng)，以好氧池出水氨氮值作為工藝穩(wěn)定的評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)污水處理一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，出水氨氮的排放標(biāo)準(zhǔn)為0～5 mg/L。本文利用2019年、2020年及2021年同期的出水氨氮值作為對(duì)比評(píng)價(jià)，如圖5所示。

如圖5所示，采集2019年7月和2020年7月數(shù)據(jù)作為對(duì)比期，2021年7月為實(shí)施期，對(duì)比期出水氨氮濃度在 0.5 mg/L 以下的累計(jì)頻率分別為 94.89%、90.73%，精確曝氣實(shí)施后，在出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)范圍內(nèi)，盡可能減少曝氣量，使得出水氨氮濃度基本維持在0～3 mg/L內(nèi)波動(dòng)，有效減少?gòu)S區(qū)能耗。

圖5 實(shí)施前后出水氨氮變化情況

同時(shí)選取了一段時(shí)間進(jìn)行了改進(jìn)前后的進(jìn)水COD和出水COD的對(duì)比，如圖6、圖7所示。

圖6 改進(jìn)前進(jìn)出水COD對(duì)比

圖7 改進(jìn)后進(jìn)出水COD對(duì)比

改進(jìn)前出水COD控制在5～17 mg/L，保持在較低水平必然造成能耗損失，對(duì)比智能精確曝氣改進(jìn)后出水COD穩(wěn)定在13～28 mg/L，在降低能耗的情況下保證了出水水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

2.2 廠(chǎng)區(qū)能耗分析

廠(chǎng)區(qū)為驗(yàn)證智能精確曝氣能夠?qū)崿F(xiàn)降低能耗的效果，對(duì)單日能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，但水量逐年增加，所以單日鼓風(fēng)機(jī)能耗無(wú)法說(shuō)明能耗節(jié)約情況，可通過(guò)每噸進(jìn)水污染物含量計(jì)算電耗。監(jiān)測(cè)中控室可獲取鼓風(fēng)機(jī)啟停時(shí)間及對(duì)應(yīng)的電流，鼓風(fēng)機(jī)日平均耗能計(jì)算公式如公式（1）、公式（2）所示：

式中，A表示鼓風(fēng)機(jī)瞬時(shí)電流，t表示開(kāi)啟時(shí)間，不考慮功率因數(shù)影響，cos取1計(jì)算。表示每噸水鼓風(fēng)機(jī)能耗。

污水不同時(shí)期進(jìn)水水質(zhì)存在差異，因此不能單一按每噸水鼓風(fēng)機(jī)電耗說(shuō)明曝氣控制系統(tǒng)能耗情況，引入單位耗氧污染物鼓風(fēng)機(jī)能耗作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)綜合考慮了水質(zhì)和水量對(duì)能耗的影響。根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)運(yùn)營(yíng)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ/T 228—2014）計(jì)算方法［13］，耗氧污染物消減日均值如公式（3）、公式（4）所示：

其中，BODin、NH4in分別為進(jìn)水BOD和氨氮，BODout、NH4out分別為出水BOD和氨氮，in為進(jìn)水流量，3.5是換算氧消耗量；FT為耗氧污染物消減量；為耗氧污染物消減日均值。

單位耗氧污染物鼓風(fēng)機(jī)能耗如公式（5）所示：

本文對(duì)改進(jìn)前后同一時(shí)間段內(nèi)（改進(jìn)前2019年6月8～24日、2020年6月8～24日，改進(jìn)后2021年6月8～24日）耗氧污染物消減日均值和單位耗氧污染物鼓風(fēng)機(jī)能耗進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 改進(jìn)前后智能曝氣能耗對(duì)比值

由表1可知，2021年改進(jìn)智能精確曝氣后與2020及2019進(jìn)行對(duì)比，能耗明顯降低，改進(jìn)后能耗比2019年同期降低14.54%，同樣比2020年同期降低6.11%，由此可以得出改進(jìn)后的智能精確曝氣能耗明顯降低。隨著改進(jìn)的運(yùn)行趨于穩(wěn)定，后期可考慮優(yōu)化相應(yīng)的時(shí)間，以保護(hù)上、下限設(shè)定值。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以西南片區(qū)某污水處理廠(chǎng)A2O工藝為研究對(duì)象，進(jìn)行智能精確曝氣控制系統(tǒng)改造。通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，在保證出水水質(zhì)達(dá)城市污水處理一級(jí)A標(biāo)排放的前提下，實(shí)現(xiàn)污水處理能耗降低的目的，同時(shí)降低了人工成本、智能化控制曝氣時(shí)間及風(fēng)量。好氧區(qū)增加溶氧儀及在各區(qū)新增監(jiān)測(cè)儀表，更好地做到提前反饋，提前預(yù)防出水水質(zhì)超標(biāo)問(wèn)題，穩(wěn)定控制溶解氧，保證了出水水質(zhì)的穩(wěn)定性。