基于AAO工藝的智能曝氣系統(tǒng)設計與調試

胡田力，邱葉林，韓寶平

(北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082)

近年來，隨著北京某鎮(zhèn)建設的快速發(fā)展，水環(huán)境問題日益突出，市民反映強烈。現(xiàn)有的污水處理廠無法滿足北京某地區(qū)發(fā)展的要求，亟需重新進行污水處理或再生水廠的建設。根據執(zhí)行的最新該地區(qū)規(guī)劃，新建1座日處理污水量約7～8萬t/d的北京某鎮(zhèn)再生水廠。北京某鎮(zhèn)再生水廠建成后，將大大地加快該地區(qū)污水資源化進程，有效節(jié)約水資源，緩解地區(qū)水資源緊缺狀況，促進當地循環(huán)經濟快速發(fā)展。智能曝氣系統(tǒng)對于合理控制曝氣量，精確控制生物池DO值，實現(xiàn)污水廠的節(jié)能降耗具有重要意義。

1 工藝設計

北京某再生水廠一期工程，一期工程占地面積約為0.069 km2，設計規(guī)模為7萬m3/d。為滿足節(jié)能減排要求，一期工程出水水質需要達到《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標準》(DB 11/890—2012)規(guī)定的新(改、擴)建城鎮(zhèn)污水處理設施基本控制項目排放限值B標準(表1)。其整體工藝流程如圖1所示。

污水經新建污水總干管進入粗格柵、細格柵、沉砂池及進水泵房，經提升后進入生物池，去除污水中的有機物、脫氮除磷，生物處理后的污水進入二沉池及膜池進行深度處理，處理達標后的水排放。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart

表1 設計進出水水質Tab.1 Design Water Quality of Influent and Effluent

北京某再生水廠一期工程的采用AAO處理工藝，為確保CODCr、BOD5、SS、TP、TN的去除率，保證出水水質，設計1套智能曝氣控制系統(tǒng)(intelligent aeration control system，IACS)實現(xiàn)生物池精準曝氣。

2 IACS

生物池IACS是一個使用高級算法的在線監(jiān)控系統(tǒng)，通過采用“前饋+模型+反饋”控制策略[1]為活性污泥工藝優(yōu)化曝氣控制[2]。IACS提供總曝氣量和各曝氣段曝氣量的設定值、以及閥門的控制，來優(yōu)化控制整個曝氣系統(tǒng)。利用先進的控制策略能對給定的溶解氧(DO)設定值提供精確DO的控制。

2.1 IACS基本原理

IACS通過數學模型實時計算生物池耗氧速率(OUR)，并精確地算出每一個曝氣段的需氣量以維持其設定的DO值，迅速而精確地調整閥門開度以完成所需氣量的分配，達到了精準的DO控制[2]。采用生物池曝氣控制系統(tǒng)將溶解氧穩(wěn)定控制在設定值，使工藝運行穩(wěn)定可靠，節(jié)省曝氣能耗，IACS原理結構如圖2所示。曝氣電耗往往占活性污泥工藝的污水處理廠全廠用電50%以上，智能曝氣控制對節(jié)省曝氣能耗有較好的效果。

圖2 IACS原理圖Fig.2 Schematic Diagram of IACS

2.2 IACS設計

根據污水處理廠生物池氣管布置特點，劃分DO控制分區(qū)并確定儀表的安裝位置。每組生物池的池型、DO控制區(qū)的劃分、空氣管路的布置、在線分析儀表的位置以及閥門、流量計位置等設備的信息[3]如圖3所示。

注：此圖為北池儀表配置圖，南池配置與此圖呈鏡像對稱圖3 IACS設備配置圖Fig.3 IACS Equipment Configuration Diagram

2.2.1 儀表的配置依據

(1)在每個好氧區(qū)內安裝在線DO分析儀，作為控制信號及反饋信號，并用于氣量的計算。采用雙通道DO及SS分析儀來監(jiān)測污水中活性污泥濃度。

(2)于空氣支管安裝熱式氣體流量計，用于氣量的檢測，同時作為閥門開度計算的反饋信號。

(3)于空氣支管安裝電動閥門，用于將所需氣量精確的分配至各個控制單元。

2.2.2 溶解氧控制思路

當鼓風機MCP系統(tǒng)接收并追蹤到IACS所給定的總風量設定值后，依靠所安裝的8組電動閥門及流量計做氣量的精確分配，進行DO的精確追蹤控制。

IACS所需要的測量參數及功能描述，如表2所示。

表2 IACS主要設備清單Tab.2 Main Equipment of IACS

2.2.3 鼓風機及電動調節(jié)閥選型

曝氣鼓風機經技術經濟比選，選擇操作簡單、噪音低、投資小的多級離心鼓風機，配備變頻電機，根據IACS的反饋信號，自動調節(jié)鼓風機開度，實現(xiàn)節(jié)能降耗。曝氣調節(jié)的電動閥門采用電動菱形調節(jié)閥，閥腔為菱形設計，閥門開啟度與曝氣量近似線性關系，可配合IACS實現(xiàn)曝氣量的精確控制。

3 IACS功能運行與調試

當現(xiàn)場的所有受控設備完成單機調試，并將信號傳至中控系統(tǒng)后，IACS與中控系統(tǒng)進行數據通訊，確保IACS能夠準確地獲取現(xiàn)場儀表信號，并可以將系統(tǒng)計算的設定值通過中控系統(tǒng)發(fā)送至受控設備，完成設備的遠程控制，對控制系統(tǒng)各個功能模塊的實現(xiàn)進行如下描述。

3.1 鼓風機總風量追蹤測試

鼓風機控制邏輯簡介：由IACS根據各個生物池不同廊道DO設定值計算所需風量設定值，并將所有氣量設定值合成至總風量設定值，發(fā)送至鼓風機系統(tǒng)MCP，由MCP統(tǒng)一進行鼓風機開啟臺數，每臺開度大小的調配，最終使得各個支管管流量計之和趨近于發(fā)送的設定值，即完成鼓風機系統(tǒng)的控制。

本次工程生化池共有8臺鼓風機，其中南池4臺、北池4臺風機，分別負責向南、北池好氧區(qū)獨立供氣，并由獨立的MCP總控柜負責風機組的控制，每組3用1備。其拓撲關系如圖4所示，以北池為例。

圖4 生物池鼓風機系統(tǒng)拓撲圖Fig.4 Topology of Blower System in Biological Pool

IACS將實際的風量需求發(fā)送至MCP，將各總管、分管流量計數據作為反饋信號發(fā)送至鼓風機MCP，鼓風機MCP則會根據其內部控制邏輯自動調整風機的開啟臺數及每臺風機開度，用以追蹤總風量設定值(圖5)。鼓風機總風量追蹤曲線分析如表3所示。

圖5 鼓風機總風量追蹤效果曲線Fig.5 Tracking Effect Curve of Total Air Volume of Blower

表3 鼓風機總風量追蹤曲線Tab.3 Tracking Curve of Total Air Volume of Blower

通過測試，鼓風機總風量設定值追蹤效果優(yōu)秀，MCP能夠自動調整總曝氣量以追蹤IACS所給定的總風量設定值。經統(tǒng)計，在整個系統(tǒng)的追蹤過程中，風量控制精度在1.5%內，控制死區(qū)為100 m3/h。

3.2 氣量設定值追蹤精度

IACS經過2個步驟完成氣量的追蹤：(1)氣量計算邏輯，根據各個廊道的DO設定值計算得到氣量設定值；(2)空氣閥門控制邏輯，根據各個廊道的氣量設定值計算空氣閥門開度設定值，以百分比形式發(fā)送至各個閥門執(zhí)行機構，并負責將閥門開度調整至設定值，即完成閥門的控制。

本次工程中，共計安裝8套電動閥門和8套熱式氣體流量計，以精確調控曝氣量。閥門的控制精度會直接影響到DO的控制效果。

圖6為南池第二控制區(qū)通過閥門開度的調整，所達成的氣量追蹤效果。由圖6可知，IACS會根據氣量設定值，通過不斷調整閥門開度，以追蹤氣量設定值。

圖6 氣量設定值追蹤效果圖Fig.6 Effect Chart of Air Setting Value Tracking

圖7為南組生物池全部4個控制區(qū)域的風量追蹤曲線。由圖7可知，IACS可以根據氣量設定值，精準計算并調控閥門開度，使其滿足氣量精確分配的要求。聯(lián)調成功后，對數據進行分析統(tǒng)計，各個控制區(qū)氣量的追蹤精度如表4所示。

圖7 生物池氣量追蹤整體效果圖Fig.8 Overall Effect of Bio-Tank Air Tracking

表4 各控制區(qū)氣量追蹤精度Tab.4 Air Tracking Accuracy of Each Control Zone

3.3 閥門設定邏輯測定

考慮到電動閥門的頻繁動作會減少其使用壽命，IACS對于閥門開度的計算進行了一系列的內部邏輯優(yōu)化，圖8為實際運行過程中1 h內，共計4個控制周期閥門開度變化與此時的風量追蹤效果曲線。

圖8 閥門控制邏輯圖Fig.8 Logic Diagram of Valve Control

由圖8可知，閥門在每個周期開始階段經過3～8次的調整，維持氣量在設定值附近，IACS完備的閥門開度算法，可以最大限度地減少閥門的動作頻次，實現(xiàn)氣量設定值的精確追蹤。

在本工程中，閥門的設定如表5所示。

表5 閥門的設定參照表Tab.5 Reference of Valve Setting

3.4 IACS對于DO的追蹤效果測試

在生物池處于手動控制狀態(tài)下，鼓風機系統(tǒng)與閥門系統(tǒng)均處于人工操作狀態(tài)。因此，當進水負荷發(fā)生變化時，無法第一時間進行總風量/閥門的調整，結果就是生物池中DO的讀數會產生較大的波動，直接反映進水水量的變化。使用生物池曝氣控制系統(tǒng)IACS接管整個生物池的曝氣控制后，會自動根據好氧速率等指標直接計算維持DO設定值所需的風量，繼而控制鼓風機系統(tǒng)與各個空氣調節(jié)閥，最后使得DO能夠穩(wěn)定在設定值較小范圍內，如圖9所示。

圖9 溶解氧追蹤效果Fig.9 DO Tracking Effect

圖9為南組生物池第1、4控制單元DO的控制效果。由圖9可知，IACS界入控制之前，末端DO最高可達6.2 mg/L，一方面造成了能源的浪費；另一方面使回流至缺氧區(qū)的內回流液DO偏高，好氧微生物與反硝化菌競爭碳源，影響工藝的脫氮效果。IACS界入之后，在每隔15 min的控制周期，根據給定的DO設定值計算每個控制單元的需氣量，并通過調整閥門將所需氣量精準分配至各個控制區(qū)，使DO實際值穩(wěn)定在設定值附近，經過4～5個周期的調整之后，整個生物池工藝運行便趨于穩(wěn)定。

4 IACS運行效果與結論

DO是IACS的主要控制目標。對DO的精確控制，一方面為微生物創(chuàng)造一個穩(wěn)定的生化環(huán)境，提高其代謝營養(yǎng)物的效率；另一方面，對工藝好氧段不同區(qū)域實施按需曝氣，滿足生化系統(tǒng)對曝氣量的需求，從而降低了不必要的曝氣能耗，實現(xiàn)了對鼓風機曝氣的節(jié)能控制[4]。在實際應用中，IACS根據工藝需求計算出全廠總需氣量，將總需求設定值傳輸至鼓風機主控制柜，主控制柜按照設定目標對所屬鼓風機進行調節(jié)，確保高低負荷工況下，曝氣量都能達到實際需求，同時又能降低不必要的曝氣能耗[5]。

4.1 DO的控制效果

將IACS與人工控制下的運行效果作對比，以驗證控制系統(tǒng)的運行效果。

圖10 IACS控制下DO整體控制曲線Fig.10 Overall Control Curve of Dissolved Oxygen under IACS Control

圖11 手動條件下DO運行曲線Fig.11 Dissolved Oxygen Operation Curve under Manual Conditions

圖10為調試期間，南組生物池4個控制單元在精確曝氣控制系統(tǒng)下，實時DO與DO設定值曲線。圖11反映了手動條件下的DO運行曲線。在人工控制條件下，實時DO的變化曲線明顯受進水負荷的影響，從控制曲線看，實時DO曲線變化波動達6.8 mg/L，最小為0.5 mg/L，最大可達7.3 mg/L。但在精確曝氣系統(tǒng)的控制下，對于所獲取的數據，去除噪聲干擾后統(tǒng)計DO實際值在設定值±0.5 mg/L內出現(xiàn)的概率，表示最終的DO控制效果，計算如式(1)。

(1)

其中:n——測試期間所采集的DO數據點;

DK5——溶解氧在0～0.5 mg/L范圍內的概率，百分率形式表示，DK5=P/N；

P——設定值與實際值的絕對值在0.5 mg/L范圍內的個數，個；

DOi——某一時點的溶解氧值，mg/L；

DOSET——溶解氧設定值，mg/L。

測試期間共獲取不間斷數據4 977個，并統(tǒng)計實時DO在DO設定值±0.5 mg/L的時間，第1控制區(qū)為98.0%，第2控制區(qū)為82.3%，第3控制區(qū)為79.0%，第4控制區(qū)為85.3%，如圖12所示。

圖12 各控制區(qū)溶解氧控制精度圖 (a)第一控制區(qū)；(b)第二控制區(qū)；(c)第三控制區(qū)；(d)第四控制區(qū)Fig.12 Dissolved Oxygen Control Accuracy Diagram of Each Control Area (a)1st Control Area;(b)2nd Control Area;(c)3rd Control Area;(d)4th Control Area

4.2 控制系統(tǒng)的節(jié)能效果分析

手動生物池控制狀態(tài)下，鼓風機的總風量依靠手動在各臺風機上進行百分比調節(jié)，具有較大的延時性以及非精確性。同時，也無法實時進行調節(jié)，因此，當遇到進水低谷的時，無法對風量進行及時降低，造成能耗的浪費；利用曝氣控制系統(tǒng)自動對DO進行控制，在進水負荷降低的時，能夠有效降低整個系統(tǒng)中的鼓風機總風量，繼而降低能耗。

圖13 測試期間進水總量變化曲線Fig.13 Variation Curve of Total Inflow During Test Period

通過與SCADA通訊，獲取測試期2018年5月20日—5月24日共計5 d的進水流量實時數據，如圖13所示。經統(tǒng)計，最大處理流量為145 183 m3/d，最小處理量為54 040 m3/d，平均日處理量為84 589 m3，變化系數為11%。

由圖14可知，在手動運行條件下，采取固定風量的模式進行控制，測試期間北池平均總風量為16 903 m3/d，南池平均總風量為19 424 m3/d。當切入IACS自動控制后，總風量設定值會隨進水負荷進行相應變化。其中，北池風量變化為4 964～10 961 m3/d，平均為9 068 m3/d；南池風量變化為6 762～16 310 m3/d，平均為13 266 m3/d。與手動控制模式相比，在IACS自動控制條件下，南、北池節(jié)省平均風量分別為31.7%和46.4%。(注：本數據分析源于將南、北池作為單獨的控制單元，并對不同時間段手動/自動條件下日平均風量進行對比，數據分析時未考慮進水污染負荷濃度及進水量等影響因素，同時，受鼓風機效率及總管壓力的影響，實際的鼓風能耗節(jié)省空間有待進一步論證)

圖14 手動/自動條件下總風量運行曲線Fig.14 Total Air Volume Operation Curve under Manual/Automatic Conditions

為評估IACS自動控制條件下每噸水能耗的節(jié)省空間，現(xiàn)將南、北池作為一個整體進行考慮，同時需滿足以下3個條件：

(1)南北池全手動條件下，平均污水處理量為82 060 m3/d，氣水比為10.6∶1；

(2)南池自動、北池手動條件下，污水日均處理量為91 813 m3/d，氣水比為9.0∶1；

(3)北池自動、南池手動條件下，污水日均處理量為79 425 m3/d，氣水比為7.4∶1。

在滿足上述3個設定條件下進行對比分析，南、北池處理每噸污水的風量節(jié)省空間分別為15.0%和30.0%。若2組同時在自動條件下運行，理論上會有更大的節(jié)能空間。

5 結論

(1)結合北京某再生水廠IACS主要功能模塊的測試，對系統(tǒng)參數進行調整并實測驗證，對控制邏輯進行優(yōu)化。從控制效果看，其風量追蹤精度在90%以上，DO控制穩(wěn)定。在IACS自動控制條件下，再生水廠南、北池較手動控制分別節(jié)省平均風量分別為31.7%和46.4%。證明IACS的控制邏輯，能夠完全滿足AAO工藝長期運行的要求，具備系統(tǒng)驗收的條件。

(2)在日后系統(tǒng)運行的過程中，可能需持續(xù)地對系統(tǒng)的控制效果進行關注，并定期對歷史數據進行分析，隨時對系統(tǒng)在長期運行過程中可能產生的問題進行跟蹤與故障排查，確保系統(tǒng)長期、穩(wěn)定運行。