污水處理廠精確曝氣控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問題

李建軍，唐安平，胡海軍

（1.北京藍(lán)白藍(lán)科技有限公司，北京 100101；2.北京協(xié)同創(chuàng)新智慧水務(wù)有限公司，北京 100094）

1 使用精確曝氣控制系統(tǒng)的目的

污水處理中曝氣流量控制的目標(biāo)就是在生物反應(yīng)器中形成穩(wěn)定的溶解氧條件，為微生物生長與污染物降解建立一個動態(tài)平衡和可靠的生存環(huán)境。這一動態(tài)平衡過程的實質(zhì)，就是使總氧轉(zhuǎn)移速率近似等于總耗氧速率。由于污水處理廠的進水水質(zhì)和水量是變化的，在特定的時間段內(nèi)其耗氧量也是變化的，只有使該時段內(nèi)的供氧量和耗氧量相均衡，才能保證處理環(huán)境的穩(wěn)定。

精確曝氣控制系統(tǒng)研發(fā)的目的是為了保障供氧和節(jié)能，通過控制溶解氧使生化系統(tǒng)處于動態(tài)平衡狀態(tài)，可以提高出水COD 和氨氮的達標(biāo)率，也可以間接促進出水TN、TP 的達標(biāo)率，進一步顯著提高污水處理廠出水水質(zhì)達標(biāo)率。

從技術(shù)應(yīng)用的情況上來看，精確曝氣帶來的效果首先是顯著提高了出水水質(zhì)達標(biāo)率，其次是節(jié)能。

2 精確曝氣控制系統(tǒng)的適用范圍

目前精確曝氣控制的理論基礎(chǔ)模型是國際水協(xié)的ASMs 模型，針對的是傳統(tǒng)AAO 工藝、AAO 改良工藝，如多級AO、AAO-MBR 工藝等（見圖1）。

圖1 傳統(tǒng)AAO 工藝的流程

MBR 和MBBR 兩種工藝的曝氣強度控制主要是為了抖動膜絲、懸浮填料等，精確曝氣控制系統(tǒng)不能直接用于這兩種工藝。由于MBR 和MBBR 的曝氣量占膜池和填料池總曝氣量的份額都很大，而且基本不能調(diào)低，所以按常規(guī)AAO 的曝氣控制效果可能達不到減量10%的程度。但可以用精確曝氣的控制策略，溶解氧設(shè)置值和控制方法會做調(diào)整，也要看曝氣系統(tǒng)的硬件能否具備條件。AAO+MBR采用的是逐級回流，從膜池到最后一級好氧池的回流比甚至高達400%，所以最后1～2 級好氧池的曝氣量可以大大降低。例如，設(shè)1.5mg/L 溶解氧為控制值，也許把閥門全關(guān)上不曝氣，也能達到這個水平，從而節(jié)省了曝氣量。因此，精確曝氣控制的策略可以用于MBR、MBBR 工藝的節(jié)能。

3 精確曝氣控制系統(tǒng)的控制策略

精確曝氣控制系統(tǒng)的控制策略可采用前饋+串級反饋（見圖2）。

圖2 精確曝氣控制系統(tǒng)的控制策略

該系統(tǒng)共包括三級串聯(lián)的控制結(jié)構(gòu)：第一級前饋開環(huán)控制，通過進水負(fù)荷設(shè)定計算最優(yōu)溶解氧；第二級溶解氧反饋閉環(huán)控制，通過好氧區(qū)溶解氧儀的實時數(shù)據(jù)調(diào)整每個支管曝氣量及閥門開度；第三級鼓風(fēng)機閉環(huán)反饋控制，通過溶解氧和支管曝氣量調(diào)整風(fēng)機總氣量。

基于溶解氧或氨氮控制兩種策略使用的底層模型都是活性污泥微生物與污染物的生化反應(yīng)模型，使用的參數(shù)包括工程應(yīng)用的簡化手段會有所差異，但這種差異只是精確曝氣控制系統(tǒng)不同供應(yīng)商之間的技術(shù)區(qū)別。

4 精確曝氣控制系統(tǒng)的核心

精確曝氣控制系統(tǒng)的核心是控制策略。由于每一個污水處理廠的工藝都有所不同，管路布局和施工也不同，因此每一個污水處理廠的優(yōu)化控制策略都要根據(jù)自身情況進行設(shè)置。

5 精確曝氣控制系統(tǒng)對水質(zhì)儀表的要求

精確曝氣控制系統(tǒng)需要水質(zhì)儀表提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因此就需要對儀表進行良好的維護。針對儀表數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問題，該系統(tǒng)有專門的數(shù)據(jù)置信區(qū)間控制策略。

國家規(guī)定COD 的監(jiān)測頻率為2h 一次，儀表本身可以45min 讀取一次數(shù)據(jù)。如果有工業(yè)廢水進入污水處理廠或污水處理廠進水水質(zhì)波動較大的情況，建議將常規(guī)COD 讀數(shù)周期縮短，或者增加全光譜法COD儀表、高光譜水質(zhì)監(jiān)測儀表等。

6 精確曝氣控制系統(tǒng)對閥門的要求

精確曝氣控制系統(tǒng)一般采用電動調(diào)節(jié)閥，分為電動執(zhí)行機構(gòu)和閥門兩部分。

精確曝氣控制系統(tǒng)對閥門沒有特殊要求，控制精確度從高到低依次是菱形閥、球閥、蝶閥，價格上從低到高依次是蝶閥、球閥、菱形閥。由于蝶閥30%開度和全開的風(fēng)量變化不大，因此一般不用于精確曝氣控制系統(tǒng)。

研究發(fā)現(xiàn)，在水深較大的情況下（大于6m），閥門的調(diào)節(jié)性能將發(fā)生畸變，建議電動閥安裝時兩側(cè)增加變徑，以改善閥門的調(diào)節(jié)性能，電動閥安裝尺寸為管道尺寸的60%～80%為宜。

7 精確曝氣控制系統(tǒng)對風(fēng)機的要求

目前污水處理中曝氣使用的鼓風(fēng)機一般為單級高速離心鼓風(fēng)機、多級低速離心鼓風(fēng)機、羅茨鼓風(fēng)機、螺桿鼓風(fēng)機等。

單級高速離心鼓風(fēng)機因驅(qū)動、傳動形式的不同，可分為齒輪增速型單級高速離心鼓風(fēng)機、空氣懸浮式高速離心鼓風(fēng)機、磁懸浮式高速離心鼓風(fēng)機等。

多級低速離心鼓風(fēng)機采用傳統(tǒng)異步電機驅(qū)動，分級加壓，提供壓縮空氣。

羅茨鼓風(fēng)機、螺桿鼓風(fēng)機均為容積式鼓風(fēng)機，其中螺桿鼓風(fēng)機噪聲小、價格便宜。

精確曝氣控制系統(tǒng)可以對上述風(fēng)機進行風(fēng)量調(diào)節(jié)和控制。

（1）從風(fēng)量調(diào)節(jié)方式上講，齒輪增速型單級高速離心鼓風(fēng)機通過調(diào)整進、出口導(dǎo)葉的方式調(diào)節(jié)風(fēng)量。空氣和磁懸浮風(fēng)機、多級鼓風(fēng)機、羅茨鼓風(fēng)機、螺桿鼓風(fēng)機均采用變頻器調(diào)整轉(zhuǎn)速方式，調(diào)節(jié)風(fēng)量。根據(jù)風(fēng)量需求控制風(fēng)機，單臺不滿足時加開或減開風(fēng)機，啟停時有保護，避免頻繁啟停。

（2）從風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍上講，齒輪增速型單級高速離心鼓風(fēng)機一般能做到45%～100%的調(diào)節(jié)范圍，而且不易發(fā)生喘震現(xiàn)象。磁懸浮和空氣懸浮風(fēng)機本身無法調(diào)節(jié)風(fēng)量，需要增加變頻器，變頻器調(diào)節(jié)范圍一般為50%～100%?？紤]到節(jié)能效率和管理水平，不建議用精確曝氣控制系統(tǒng)來控制羅茨風(fēng)機和多級風(fēng)機。

從目前項目的執(zhí)行情況來看，精確曝氣控制系統(tǒng)對風(fēng)機產(chǎn)生的背壓相比于人工控制較大，所以在進行精確曝氣時需要考慮鼓風(fēng)機的背壓上限與可調(diào)空間，避免損壞風(fēng)機。

（3）從頻繁啟動的限制上講，磁懸浮風(fēng)機不受啟停次數(shù)的限制，空氣懸浮風(fēng)機影響較大。

（4）從效率上講，磁懸浮風(fēng)機、空氣懸浮風(fēng)機、齒輪增速型單級高速離心鼓風(fēng)機的效率均在75%以上。

（5）從功率上講，鼓風(fēng)機功率在350kW 以上時，齒輪增速型單級高速離心鼓風(fēng)機應(yīng)用較多；鼓風(fēng)機功率在350kW 以下時，磁懸浮風(fēng)機、空氣懸浮風(fēng)機應(yīng)用較多。

（6）從價格上講，齒輪增速型單級高速離心鼓風(fēng)機最貴，磁懸浮風(fēng)機次之，空氣懸浮風(fēng)機最便宜。

（7）從后期維護費用上講，磁懸浮風(fēng)機、空氣懸浮風(fēng)機只需要定期更換空氣過濾棉，運行維護成本較低；齒輪增速型單級高速離心鼓風(fēng)機附屬設(shè)備較多，涉及滑動軸承潤滑、降溫冷卻、潤滑油更換等附屬設(shè)備的運行維護。

（8）從運行噪聲上講，空氣懸浮風(fēng)機和磁懸浮風(fēng)機優(yōu)勢很大。

（9）從占地面積上講，齒輪增速型單級高速離心鼓風(fēng)機的設(shè)備尺寸大一些。

目前來看，國產(chǎn)品牌的鼓風(fēng)機多數(shù)是單導(dǎo)葉或沒有導(dǎo)葉，進口品牌的鼓風(fēng)機多數(shù)是雙導(dǎo)葉聯(lián)動調(diào)節(jié)，因此可以簡單地用導(dǎo)葉技術(shù)來區(qū)分技術(shù)實力和品牌定位。

羅茨鼓風(fēng)機、多級低速鼓風(fēng)機、螺桿鼓風(fēng)機因整機效率較低，在污水處理廠曝氣環(huán)節(jié)使用得越來越少。

8 精確曝氣的控制難點

（1）曝氣過程自身不容易控制

充氧過程和傳質(zhì)系數(shù)、流量不成線性關(guān)系，與液位和溫度等有關(guān)。耗氧過程是復(fù)雜的生化反應(yīng)過程，條件幾乎時刻在改變，很難實現(xiàn)動態(tài)平衡。過程擾動因素多，參數(shù)不穩(wěn)定，如溫度對傳質(zhì)系數(shù)、飽和溶解氧、微生物活性影響明顯。進水負(fù)荷對耗氧速率影響明顯且程度難以準(zhǔn)確計算。管道供氣過程進行較快，而氧平衡過程較慢，必須對供氣過程進行準(zhǔn)確和快速控制才能實現(xiàn)過程的穩(wěn)態(tài)平衡。

對溶解氧的控制不僅表現(xiàn)在溶解氧實時值的穩(wěn)定性上，還體現(xiàn)在合適的溶解氧濃度設(shè)定值上。由于AAO 工藝存在分區(qū)差異，相互之間有所影響，比如末端溶解氧會影響反硝化區(qū)的脫氮效果、二沉池回流污泥溶解氧會影響厭氧區(qū)釋磷效果等，這就要求對好氧區(qū)不同位置進行區(qū)別對待，合理設(shè)置溶解氧濃度，以便促進整個系統(tǒng)的脫氮除磷效果。

關(guān)于溶解氧設(shè)定值的選擇，一般采用離線優(yōu)化運行方法，主要是利用污水處理工藝的現(xiàn)場測試和數(shù)學(xué)模擬。通過現(xiàn)場測試，可以掌握系統(tǒng)的動態(tài)特性，并確定關(guān)鍵的ASMs 模型參數(shù)，實現(xiàn)成功的數(shù)學(xué)模擬。通過情景模擬和分析，可以對多種工況進行分析和總結(jié)，得到適用于現(xiàn)場操作的方法和方案，從而在實際生產(chǎn)中實現(xiàn)工藝優(yōu)化運行。在這一方面，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院施漢昌教授研究團隊進行了長期的研究工作，并且通過大量的工程項目積累了豐富的經(jīng)驗，使得這套系統(tǒng)得到了豐富和完善。

曝氣調(diào)整的時機和尺度也難以確定。從控制的角度來講，什么時間調(diào)整，一次調(diào)整多少非常關(guān)鍵，如果這兩個參數(shù)確定不好，控制系統(tǒng)基本是紊亂的。除了對進水水質(zhì)、水量進行實時監(jiān)控外，當(dāng)進水負(fù)荷變化超過一定限度時，還需要預(yù)測這波進水到生化反應(yīng)池大概需要的時間，然后再做出相應(yīng)的調(diào)整。負(fù)荷不同，氣體調(diào)整的數(shù)量，甚至調(diào)整的方式也會有所不同。

（2）曝氣支管氣量分配不容易控制

曝氣管道和曝氣盤的布置對曝氣控制的影響很大。

單純的風(fēng)機控制只能實現(xiàn)總風(fēng)量的調(diào)節(jié)，無法實現(xiàn)每個區(qū)域的風(fēng)量都分配合適，而且風(fēng)管氣量分布問題很復(fù)雜，光靠風(fēng)機調(diào)節(jié)不能保證氣量的準(zhǔn)確分配。

不同分區(qū)為了達到相同的溶解氧，支管閥門開度差別較大，有的甚至全開也不及其他區(qū)域30%開度所帶來的溶解氧。

9 影響精確曝氣控制系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的因素

（1）設(shè)備維護情況

設(shè)備維護包括儀表、風(fēng)機、通信的維護等，數(shù)據(jù)不正常或通信故障、設(shè)備不能正確動作都會影響精確曝氣控制系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。隨著使用時間的延長，由于設(shè)備維護不到位或老化也會造成設(shè)備的一些參數(shù)發(fā)生變化。

在運行階段，控制策略往往受限于硬件設(shè)備的維護情況。

（2）一些無法預(yù)知的干擾操作

例如，冷凝水或者生物池之外的某處需要曝氣，如果不迅速調(diào)整風(fēng)機的輸出，會導(dǎo)致DO 大幅度下降，嚴(yán)重影響溶解氧的穩(wěn)定性，而且如果持續(xù)如此，那就很難控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（3）技術(shù)供應(yīng)商和使用單位脫節(jié)

精確曝氣控制系統(tǒng)不是標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，根據(jù)不同污水處理廠的情況需要做出不同的控制策略，在調(diào)試階段需要投入大量的人力和時間。污水處理廠作為使用單位不僅需要維護好相關(guān)硬件設(shè)備，還需要了解控制邏輯，正確使用這套系統(tǒng)。項目驗收完成之后，技術(shù)供應(yīng)商和使用單位還需要針對使用過程中的軟件、硬件，甚至整個污水處理廠的工藝問題開展長期的合作和交流。

10 精確曝氣控制系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢

更多地和TN、TP 排放指標(biāo)的控制相結(jié)合；更多地和碳源控制、加藥控制相結(jié)合；控制邏輯從AAO 應(yīng)用到其他工藝。