在線溶解氧儀在智能曝氣系統(tǒng)中的應(yīng)用

張 偉 李東華 武少偉 許春蓮 李志 王紅雨

（中國環(huán)境科學(xué)研究院工程設(shè)計研究中心1，北京 100012；瑞星集團有限公司2，山東 東平 271509）

在線溶解氧儀在智能曝氣系統(tǒng)中的應(yīng)用

張 偉1李東華2武少偉1許春蓮1李志1王紅雨1

（中國環(huán)境科學(xué)研究院工程設(shè)計研究中心1，北京 100012；瑞星集團有限公司2，山東 東平 271509）

我國大部分污水處理工程中，曝氣設(shè)備的動力能耗占污水處理工程全部能耗的40％～60％。為了降低能耗，對曝氣系統(tǒng)的控制方式進行了研究。將在線溶解氧儀安裝在好氧槽，根據(jù)實時反饋的溶解氧值和溫度值，計算好氧槽內(nèi)的微生物呼吸速率，確定曝氣時間并反饋給PLC控制系統(tǒng)，以自動控制鼓風(fēng)機啟停。實際運行結(jié)果表明，在線溶解氧儀測量準確、快速、維護量少，應(yīng)用在該智能曝氣系統(tǒng)中既能滿足出水達標的要求，又節(jié)約了能耗。

在線溶解氧 智能曝氣系統(tǒng) PLC 污水處理 反饋 節(jié)能

0 引言

在我國大部分污水處理工程中，活性污泥法是應(yīng)用最為廣泛的處理工藝之一。該工藝以曝氣池為核心處理構(gòu)筑物。需處理的污水和從二次沉淀池回流的活性污泥同時進入曝氣池，在曝氣作用下，污水和活性污泥充分混合接觸，并得到溶解氧（dissolved oxygen，DO），為微生物的生長繁殖創(chuàng)造良好條件。污水中的有機污染物不斷地被微生物吸附、分解，使污水得到凈化［1］。其中，曝氣池中溶解氧濃度的穩(wěn)定控制，是提高城市污水處理廠生化單元運行效率、保證污水處理廠出水水質(zhì)達標、降低曝氣系統(tǒng)能耗的必要條件。曝氣池中溶解氧濃度的高低直接影響有機物的去除效率，并在活性污泥法污水處理過程中影響活性污泥的生長，也是影響運行費用和出水水質(zhì)的重要因素。因此，在生物處理系統(tǒng)的運行中溶解氧濃度是過程控制的重要控制參數(shù)［2］。

曝氣池內(nèi)DO濃度對微生物活動的影響很大，進而影響整個污水處理進程。曝氣是維持曝氣池內(nèi)DO濃度的直接手段，控制DO濃度就是控制曝氣強度。同時曝氣設(shè)備的動力能耗占污水處理工程全部能耗的40％ ～60％［3－4］。為了實現(xiàn)污水處理過程中的節(jié)能，在保證出水達標的前提下，智能曝氣控制系統(tǒng)成為當(dāng)前節(jié)能降耗的主要措施。由于在線溶解氧儀采用了熒光溶解氧電極，具有快速、抗干擾性強、操作簡便的優(yōu)點，因此本文在污水生物處理工藝中的好氧槽內(nèi)應(yīng)用在線溶解氧儀，根據(jù)在線DO變化速率實時調(diào)整曝氣時間，既滿足了出水達標的要求，又節(jié)約了能耗。

1 智能曝氣系統(tǒng)

1.1 工作原理

在曝氣量控制方面，以往的曝氣控制技術(shù)多是為了節(jié)省曝氣能耗或滿足營養(yǎng)物去除過程中不同階段的不同需氧情況而進行的監(jiān)控。本文介紹的智能曝氣系統(tǒng)直接把DO濃度與污水處理過程中微生物的呼吸速率聯(lián)系起來，采用智能化供氧系統(tǒng)（automatic oxygen supply device，AOSD），在好氧槽內(nèi)設(shè)置在線溶解氧儀和溫度傳感器，根據(jù)實時反饋的溶解氧值和溫度值，計算好氧槽內(nèi)的微生物呼吸速率（溶解氧升降斜率），并根據(jù)反應(yīng)槽內(nèi)微生物的呼吸速率（溶解氧升降斜率）來自動計算當(dāng)前溫度條件下的有機物降解、硝化所需要的溶解氧需要量，精確控制間歇曝氣的時間。

智能供氧系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 智能供氧系統(tǒng)工作原理Fig.1 The working principle of intelligent oxygen supplying system

1.2 熒光法在線溶解氧儀

智能曝氣系統(tǒng)的實現(xiàn)依賴于好氧槽內(nèi)溶解氧和溫度值的實時傳送。本文采用HACH SC100在線溶解氧儀。該溶解氧儀由SC100控制器和LDO溶解氧測量探頭兩部分組成。測量探頭可以直接浸入水中，通過測量探頭表面的熒光物質(zhì)發(fā)射紅光的時間，得出水中溶解氧的濃度。測量探頭特有的光學(xué)檢測方法，可以有效地消除樣品中的pH值波動、硫化氫、水中的化學(xué)物質(zhì)或重金屬的干擾，從而在更長的時間內(nèi)提供更穩(wěn)定、更準確的測量結(jié)果［4］。

測量探頭最前端的傳感器罩上覆蓋有一層熒光物質(zhì)，LED光源發(fā)出的藍光照射到熒光物質(zhì)上，熒光物質(zhì)被激發(fā)，發(fā)出紅光。光電池檢測熒光物質(zhì)從發(fā)射紅光到回到基態(tài)所需要的時間。這個時間只和藍光的發(fā)射時間以及氧氣的多少有關(guān)。探頭另有一個LED光源，在藍光發(fā)射的同時發(fā)射紅光，作為藍光發(fā)射時間的參考。傳感器周圍的氧氣越多，熒光物質(zhì)發(fā)射紅光的時間就越短，由此計算出溶解氧的濃度［5］。與電化學(xué)原理的溶解氧探頭技術(shù)不同，熒光法溶解氧探頭不會消耗氧，不需要頻繁地進行反復(fù)校準和清洗，因此具有更長的使用壽命以及更為穩(wěn)定和準確的讀數(shù)。

1.3 PLC控制系統(tǒng)

電子技術(shù)的發(fā)展，使可編程邏輯控制器的穩(wěn)定性、可靠性及抗干擾性能大幅提高，其被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中，完成各種復(fù)雜的控制和計算功能［6］。整個自動控制系統(tǒng)按照分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層：中央控制層（操作站/上位機）、現(xiàn)場控制層（PLC/下位機）和現(xiàn)場設(shè)備層。上位機采用C++Builder編程實現(xiàn)的監(jiān)控軟件，實時顯示在線DO及溫度值，并進行曝氣時間智能計算和復(fù)位控制?，F(xiàn)場控制層即PLC控制單元，負責(zé)現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)采集，以及對現(xiàn)場設(shè)備進行監(jiān)控。本控制系統(tǒng)采用OMRON公司CJ1G系列小型PLC系統(tǒng)。該PLC系統(tǒng)由電源模塊、CPU、模擬量輸入模塊及數(shù)字量輸出模塊組成，完成數(shù)據(jù)采集、智能運算、控制鼓風(fēng)機運行及故障報警等順序控制功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定。現(xiàn)場設(shè)備層包括在線溶解氧儀、鼓風(fēng)機、攪拌機和電動閥門等。

2 在線溶解氧儀在AOSD中的應(yīng)用

在某小型生活污水處理裝置中，采用AOSD實現(xiàn)曝氣，將在線溶解氧儀SC100桿式安裝在處理裝置中的好氧槽內(nèi)，并配備自動反清洗器。在線監(jiān)測好氧槽內(nèi)的DO和溫度T，通過RS-485端口進行數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)輸送到PLC。按照AOSD控制算法進行運算，得出曝氣時間。將控制信號反饋給鼓風(fēng)機，控制其運行和停止。鼓風(fēng)機停止曝氣時啟動槽內(nèi)小型攪拌機，以保證槽內(nèi)污水混合均勻。智能曝氣系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

裝置所需原水采用鄰近居民樓生活污水，經(jīng)過調(diào)試后在智能曝氣系統(tǒng)控制下正式運行。該裝置初始設(shè)置曝氣和攪拌時間各為60min。運行期間，AOSD系統(tǒng)根據(jù)在線DO和溫度值，按照內(nèi)置控制規(guī)則自動調(diào)整曝氣時間，每2 h為一個曝氣控制段。運行正常后某天9：00～21：00時間間隔內(nèi)在線DO值與鼓風(fēng)機曝氣運行狀態(tài)曲線如圖3所示。圖3中，鼓風(fēng)機運行狀態(tài)由1和0表示：1表示運行；0表示停止。從圖3可以看出，曝氣時間段大部分時間處于低溶解氧狀態(tài)，溶解氧濃度大致保持在0.6～1.2 mg/L之間，只有1～2 h由于通過較長時間曝氣，使溶解氧濃度迅速升高并保持在3～4.7 mg/L。在曝氣停止階段，好氧槽溶解氧濃度一般在0.02～0.6mg/L范圍內(nèi)。每日曝氣時間與曝氣停止時間的比例約為1∶1。即使在如此低的溶解氧狀態(tài)下，系統(tǒng)也保持了良好的處理效果，同時能耗降低18％～47％（平均35.4％）。采用AOSD控制系統(tǒng)期間主風(fēng)機的消耗電量為4.7～10.1 kWh/d（平均 6.93 kWh/d），攪拌機的消耗電量為 2.32～0.87 kWh/d（平均1.60 kWh/d）；而不采用AOSD控制系統(tǒng)期間，好氧槽曝氣用鼓風(fēng)機（0.55 kW）為24 h連續(xù)運行，日耗電量為13.2 kWh/d。

圖3 在線溶解氧值與鼓風(fēng)機運行狀態(tài)曲線Fig.3 The curves of online dissolved oxygen value and blower running state

裝置運行穩(wěn)定后原水和出水的水質(zhì)參數(shù)如表1所示。由表1可知，出水水質(zhì)符合國家標準，表明通過在線溶解氧儀的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)智能曝氣時間的控制，既能滿足出水達標的要求，又節(jié)約了能耗，為污水處理工藝節(jié)能減排提供了有效途徑。

水質(zhì)參數(shù)進水水量/（m3·d－1）化學(xué)需氧量/（m3·L－1）總氮/（m3·L－1）氨氮/（m3·L－1）原水 6 510～769 55～104 42.0～92.0出水618～45 10～26 1.2～13.5

3 日常維護

由于熒光法在線溶解氧儀維護量較少，因此在正常運行過程中，只需要做好以下幾個方面。

①清洗：每三個月清洗一次傳感器探頭。用水流清洗傳感器的外表面，如果仍有碎屑殘留，用濕沫布進行擦拭。

②檢查：每三個月檢查一次傳感器及傳感器帽是否損壞。

③更換：每年更換一次傳感器帽。

在使用過程中，對于一些常見故障，需按照以下方法進行一一排除。

①控制面板讀數(shù)閃爍。主要原因包括傳感器帽未正確安裝、傳感器帽的光程受到遮擋、傳感器運行不正常等。具體解決辦法為操作控制面板，找出錯誤代碼，然后取出并重新安裝傳感器帽；檢查傳感器帽中的阻塞，確認紅色二極管燈或者藍色二極管燈正在閃爍。

②報警。當(dāng)傳感器溫度超出量程或者紅色/藍色波長振幅超出量程時會出現(xiàn)報警。這時應(yīng)查看控制面板上“傳感器診斷”菜單，確認是哪一種報警原因，然后進行介質(zhì)溫度調(diào)整或者取出傳感器帽并重新安裝。

4 結(jié)束語

在線溶解氧儀采用熒光法測量溶解氧，測量數(shù)據(jù)準確、快速，維護工作量小。在生活污水處理裝置智能供氧系統(tǒng)中，該溶解氧儀根據(jù)溫度及DO變化速率計算鼓風(fēng)機曝氣時間，并反饋給PLC，以控制鼓風(fēng)機設(shè)備的運行和停止，實現(xiàn)高效的有機物降解和脫氮效果，同時，最大限度地節(jié)省曝氣所需的能量消耗。HACH在線溶解氧儀SC100在污水處理裝置智能曝氣系統(tǒng)中投用以來，設(shè)備運行穩(wěn)定、可靠，出水穩(wěn)定。在日常維護中，除了更換傳感器帽以外，幾乎沒有故障發(fā)生，為生活污水處理智能曝氣系統(tǒng)的有效控制運行提供了可靠的保障。

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Application of the Online Dissolved Oxygen Analyzer in Intelligent Aeration System

In our country，the power energy consumption of aeration equipment inmost of the sewage treatment processes is40％to 60％of the total energy consumption of the overall sewage treatment project.To reduce the energy consumption，the controlmodes of the aeration system are researched.By installing the online dissolved oxygen analyser in aerobic tank，according to the feedback dissolved oxygen value and temperature value，themicrobial respiration rate in aerobic tank is calculated to determine the aeration time，and then feedback to PLC control system for startup and shutdown the blower automatically.The results of practical operation show that the online dissolved oxygen analyzer is accurate，fast speed and less in maintenance；its application in intelligent aeration system meets the requirements of effluent compliance and energy saving.

Online dissolved oxygen Intelligent aeration system PLC Sewage treatment Feedback Energy saving

TP212+.9

A

國家水體污染控制與治理科技重大專項基金資助項目（編號：2009ZX07529-007）。

修改稿收到日期：2013－10－23。

張偉（1977－），男，2006年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事自動控制系統(tǒng)和智能控制技術(shù)應(yīng)用、環(huán)境技術(shù)驗證方面的研究。