污水處理廠精確曝氣系統(tǒng)的實施及應(yīng)用效果

張難

摘? 要：提出精確曝氣控制系統(tǒng)在污水處理廠應(yīng)用的必要性;通過介紹精確曝氣系統(tǒng)在徐州開發(fā)區(qū)污水處理廠的應(yīng)用情況，闡明精確曝氣系統(tǒng)的原理和特點;分析該系統(tǒng)在工作過程中需要控制的關(guān)鍵點，例如對鼓風(fēng)機變頻器的調(diào)節(jié)，優(yōu)化溶解氧目標(biāo)值的設(shè)定等;對該系統(tǒng)進行了綜合評價，分析系統(tǒng)使用前后碳源投加和電耗的變化，提出精確曝氣系統(tǒng)不僅可以節(jié)省人力，節(jié)能降耗關(guān)鍵可以穩(wěn)定生產(chǎn)，保證出水達(dá)標(biāo)，是未來曝氣系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：生物脫氮 ?溶解氧控制 ?精確曝氣 ?節(jié)能降耗

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴大和人口的增加，水環(huán)境污染成了一大難題。水污染對生態(tài)環(huán)境的破壞日益嚴(yán)重的同時也造成水資源的缺乏，制約了社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。國家每年用于污水處理的費用要達(dá)數(shù)億元。因此，這就要求已建或擬在建的污水處理廠能最大程度的提高污水處理效率，保證出水水質(zhì)，同時最大程度的降低能耗，減少運行處理成本。

精確曝氣控制所帶來的節(jié)能經(jīng)濟性效果對污水處理向精細(xì)化、節(jié)能化運行的轉(zhuǎn)變是一種共識和趨勢，也是節(jié)約能源的需要。

在污水處理過程中，生物處理曝氣環(huán)節(jié)是一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它直接影響處理效率和出水達(dá)標(biāo)率，能耗也在整個污水處理過程中占相當(dāng)大的比重。在此環(huán)節(jié)上，也遇到了相同的函待解決的難題。

一、項目背景

徐州開發(fā)區(qū)污水處理廠（下稱該污水處理廠）自2008年運行以來主要處理開發(fā)區(qū)內(nèi)企業(yè)排放的工業(yè)廢水，光伏企業(yè)廢水占總水量的50%左右，該類型廢水的特征污染物表現(xiàn)為：COD低、TN高、SS高、氯離子超高。受納污區(qū)域內(nèi)企業(yè)偷排的影響，進水水質(zhì)波動大，尤其在出水總氮指標(biāo)控制方面，波動更大。為解決進水水質(zhì)C/N比嚴(yán)重不足問題，需要外投碳源，導(dǎo)致污水處理成本大幅上升，溶解氧的精確控制是減少碳源使用量，保證出水總氮達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵。

根據(jù)污水脫氮的機理，即：通過硝化和反硝化菌的作用，將氨氮通過硝化轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮，再通過反硝化作用將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮氣從水中移除。

在反硝化的過程中，反硝化菌利用硝酸鹽及亞硝酸鹽作為電子受體，進行無氧呼吸氧化有機物，氧的存在會與硝酸鹽競爭電子供體，對反硝化速率有非常大的影響，另外反硝化菌必須在厭氧和有硝酸鹽的條件下才能誘導(dǎo)合成硝酸鹽還原酶，所以反硝化區(qū)溶解氧的高低直接影響生物脫氮功能的進行。

在污水處理工藝中，缺氧段的溶解氧是通過內(nèi)、外回流帶入，為了降低缺氧段溶解氧值，應(yīng)在硝化功能完成的前提下，盡可能降低生化系統(tǒng)好氧段末端的溶解氧，以減少回流混合液中氧的攜帶量，從而保證反硝化功能的正常運行。工藝流程圖：

該污水處理廠因進水水質(zhì)波動，導(dǎo)致生化系統(tǒng)工藝控制參數(shù)變化較大，人工手動調(diào)節(jié)精確度較低，主要表現(xiàn)為：

1.溶解氧與風(fēng)量調(diào)節(jié)存在滯后

應(yīng)對進水水質(zhì)的突變，根據(jù)經(jīng)驗值手動調(diào)節(jié)風(fēng)機變頻，風(fēng)量調(diào)整的不及時且DO變化的滯后性，系統(tǒng)難以在短時間內(nèi)達(dá)到平衡，過大的波動會干擾生化系統(tǒng)造成生物環(huán)境不穩(wěn)定。

2.調(diào)節(jié)過程中的人為因素

該污水廠均采用溶解氧反饋控制的方法來調(diào)節(jié)生化池中溶解氧的濃度，由于進水水質(zhì)的不確定性，曝氣量需要不斷調(diào)整，人工調(diào)整存在操作人員技術(shù)水平及工作責(zé)任心不同的人為因素，對污水處理系統(tǒng)的運行影響較大，導(dǎo)致溶解氧波動大，出水水質(zhì)不穩(wěn)定。目前該污水處理廠的運行采用四班兩運轉(zhuǎn)的運行方式，晚班人員上班時間達(dá)到15小時，由于工作時間過長，操作人員很難做到及時調(diào)整風(fēng)機的風(fēng)量，為確保出水氨氮達(dá)標(biāo)，避免人為控制誤差因素對出水的影響，DO值的控制不得不高于實際需要值，給處理系統(tǒng)控制參數(shù)留有一定的余地。

為解決以上問題，使生物處理反應(yīng)池中溶解氧（DO值）的控制處于最佳狀態(tài)，引入了一套以溶解氧（DO）的精確控制為核心的智能變頻風(fēng)機控制系統(tǒng)。

二、溶解氧（DO）精確曝氣系統(tǒng)的方案設(shè)計

1.溶解氧（DO）精確曝氣系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)

溶解氧（DO）精確控制系統(tǒng)的核心理念是通過對風(fēng)機的智能實時變頻調(diào)節(jié)，精準(zhǔn)控制風(fēng)機的曝氣量，以實現(xiàn)精確、穩(wěn)定的控制溶解氧（DO）的濃度，在污水廠的在線監(jiān)測系統(tǒng)中溶解氧曲線應(yīng)顯示為一條近似直線。

2.溶解氧（DO）精確曝氣系統(tǒng)的控制原理

（1）控制框圖說明

溶解氧（DO）精確控制系統(tǒng)主要包括溶解氧（DO）傳感器、智能變頻控制器、風(fēng)機變頻器三部分組成。

控制原理如圖2，在精確曝氣系統(tǒng)投入運行后，控制中心能自動檢測風(fēng)機變頻器的實際頻率和溶解氧的實際值，之后進行智能運算，判斷變頻器調(diào)頻的方向和調(diào)頻的速度，在溶解氧實際值與目標(biāo)值偏差過大時，會自動加快調(diào)速過程，在溶解氧實際值與目標(biāo)值偏差較小時，會自動減慢調(diào)速過程，以充分保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。在系統(tǒng)設(shè)計中，默認(rèn)為溶解氧實際值低于目標(biāo)值，風(fēng)機頻率應(yīng)上調(diào)，即風(fēng)機轉(zhuǎn)速應(yīng)加快;溶解氧實際值高于目標(biāo)值，風(fēng)機頻率應(yīng)下調(diào)，

即風(fēng)機轉(zhuǎn)速應(yīng)降低。

（2）系統(tǒng)控制數(shù)學(xué)模型

該控制中心采用“智能多通道尋優(yōu)+模糊邏輯控制”為主體算法，通過建立以溶解氧為第一控制主變量（XDO），時間（t）為第二控制參變量為基礎(chǔ)的二維復(fù)合函數(shù)模型，其函數(shù)邏輯如下：

ΔXDO=XDOm-XDOs;

ΔF= d[f（XDOm）- f（XDOs）]/d（Δt）;

F=F0+ΔF

XDOm：溶解氧目標(biāo)值???? XDOs：溶解氧實際值? ΔXDO：溶解氧偏差值

Δt：設(shè)定控制系統(tǒng)的調(diào)整周期時間（脈沖時間） ΔF：最小調(diào)整頻率*倍率

三、溶解氧（DO）精確曝氣系統(tǒng)的方案的優(yōu)化

1.風(fēng)機并聯(lián)的優(yōu)化配置

（1）現(xiàn)有鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)現(xiàn)狀

該污水處理廠設(shè)計處理量為4.5萬噸/日，目前實際處理水量3.5萬噸/日左右，雙溝運行，設(shè)置2臺鼓風(fēng)機為生物反應(yīng)池供氣，日常運行1用1備，均為章丘大成機械有限公司風(fēng)機，型號C80-1.8（160KW，變頻器眾辰Z2400-160G），C100-1.8（185KW，眾辰Z2400-185P）

（2）風(fēng)機校正頻率的設(shè)定

合理的設(shè)定多臺風(fēng)機的校正頻率有利于避免由于曝氣管路（開發(fā)區(qū)廠輸送管路為U型管并彎頭多）或多臺風(fēng)機并聯(lián)運行（風(fēng)壓和風(fēng)量差異大）引起的共振。

風(fēng)機共振會造成風(fēng)機異響，嚴(yán)重情況下會造成風(fēng)機電機過熱，觸發(fā)停機甚至損壞電機。

在控制中心通過人為改變不同編號風(fēng)機的校正頻率來規(guī)避風(fēng)機設(shè)備及管路系統(tǒng)的共振。在開發(fā)區(qū)污水處理廠的應(yīng)用實踐中，通過將兩臺共振的風(fēng)機進行校正頻率設(shè)定，使兩臺風(fēng)機在整個變頻調(diào)節(jié)過程中避免了在共振點運行，使整體系統(tǒng)對溶解氧的控制連續(xù)、穩(wěn)定，風(fēng)機運行安全平穩(wěn)，保證控制效果且延長了風(fēng)機的使用壽命

2.優(yōu)化溶解氧目標(biāo)設(shè)定值

為滿足該污水處理廠對出水氨氮排放的要求，應(yīng)根據(jù)進出水各項化驗指標(biāo)需要謹(jǐn)慎設(shè)置溶解氧目標(biāo)值。

3.系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化設(shè)置

（1）DO允許偏差的設(shè)置

ΔXDO > DO允許偏差，控制中心將調(diào)整風(fēng)機變頻器的運行頻率，調(diào)整曝氣量，以使DO回歸目標(biāo)值。

合理設(shè)置溶解氧偏差值范圍更有利于保持系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性。偏差值選擇過大，控制的精度會降低;偏差值選擇過小，控制中心將對風(fēng)機的調(diào)節(jié)過于頻繁，系統(tǒng)的穩(wěn)定性差。

經(jīng)過在該污水處理廠運行實踐，偏差值設(shè)為0.02mg/L最為合適，系統(tǒng)運行精度在0.1mg/L之內(nèi)，穩(wěn)定性也非常好。

（2）Δt/n（脈沖時間，單位：ms）的設(shè)定

Δt代表控制中心從傳感器讀取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)及發(fā)送指令的時間周期。合理設(shè)置脈沖時間既有利于保證控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度也能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性提升抗干擾能力。

脈沖時間過短，系統(tǒng)的響應(yīng)速度過快，控制中心對風(fēng)機的調(diào)節(jié)過于頻繁，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就變差;如果脈沖時間設(shè)置過長，響應(yīng)速度慢，對外界條件（如進水水質(zhì)、水量變化、暴雨等）引起的干擾遲遲不能自動調(diào)整到位，抗干擾能力變差。在實踐過程中，受風(fēng)機管路的長短、曝氣管道內(nèi)氣流速度、溶解氧DO傳感器的安裝位置，水流的速度等因素的影響，風(fēng)機的曝氣量的變化反映在溶解氧值的變化上是有一定的時間滯后性，一般為幾分鐘。脈沖設(shè)置時應(yīng)有所考慮。

在該污水處理廠的應(yīng)用實踐中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)調(diào)整周期時間（脈沖時間）設(shè)定為300～600ms之間比較合理，因不同污水廠具體情況不同，需在實踐中多次調(diào)試后完成設(shè)定。

（3）ΔF（=最小調(diào)整頻率*倍率）的設(shè)置

最小調(diào)整頻率指控制中心每次脈沖指令發(fā)出后變頻器變化的頻率絕對值，設(shè)定值越低，對風(fēng)機的頻率調(diào)整就越微小，運轉(zhuǎn)就越平穩(wěn)。一般默認(rèn)值為最小值0.01Hz。倍率指在溶解氧實際值遠(yuǎn)離目標(biāo)值時，系統(tǒng)可以根據(jù)實際值與目標(biāo)值的實際差距計算最小調(diào)整頻率的倍數(shù)，一般無需人工干預(yù)。

合理的設(shè)定控制系統(tǒng)的最小調(diào)整頻率及倍率有利于保證設(shè)備的安全平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，延長曝氣風(fēng)機的使用壽命。

四、溶解氧（DO）精確曝氣系統(tǒng)的特點

1.精確度

溶解氧DO實際值應(yīng)≤目標(biāo)值±0.1mg/L為合格點，在產(chǎn)品穩(wěn)定運行時間區(qū)間內(nèi)，4月23日到4月29日，每天0：00-4：00 和8：00-12：00各取40個點計算合格率，在線檢測系統(tǒng)采樣點合格率>98%。

2.穩(wěn)定性

（1）運行效果

穩(wěn)定運行時間區(qū)間內(nèi)應(yīng)保證溶解氧DO平穩(wěn)，溶解氧DO檢測曲線應(yīng)近似為直線。如圖3和4所示，2021年4月1日至6日未使用精確曝氣DO的歷史曲線和4月26至30日使用精確曝氣控制DO的歷史曲線對比，后者對DO的控制更平穩(wěn)。

（2）穩(wěn)定性的拓展應(yīng)用

通過對溶解氧DO的控制曲線進行分析，當(dāng)受外界條件的劇烈干擾時，因為控制系統(tǒng)具有自適應(yīng)性的抗干擾調(diào)整能力，溶解氧控制曲線會有一段時間（一般為幾分鐘到十幾分鐘）的陡坡狀或斷崖狀突變調(diào)整過程。例如暴雨天氣會出現(xiàn)陡坡狀或半陡坡狀上升（之后幾分鐘至十幾分鐘內(nèi)會下降逐漸調(diào)整至目標(biāo)值附近），來水水質(zhì)突變（上游企業(yè)偷排）會出現(xiàn)斷崖狀下降（之后幾分鐘至十幾分鐘內(nèi)會有上升調(diào)整趨勢，如在風(fēng)機曝氣調(diào)整能力之內(nèi)會上升逐漸至目標(biāo)值附近）。例如開發(fā)區(qū)污水處理廠根據(jù)曲線明顯的周期性變化規(guī)律推測出了企業(yè)偷拍的具體時間，采取了有效的針對性措施，變被動為主動。

3.抗干擾性

對外界引起的干擾，應(yīng)在較短時間內(nèi)自適應(yīng)調(diào)整至穩(wěn)定運行狀態(tài)（水質(zhì)干擾調(diào)整周期應(yīng)≤20min，水量干擾調(diào)整周期應(yīng)≤15min，溫度、雨量干擾調(diào)整周期應(yīng)≤2min，人工等其他干擾調(diào)整周期應(yīng)≤10min）

4.安全性

運行期間內(nèi)正常情況下不會引發(fā)被控風(fēng)機跳閘、過流、過熱、喘振、異響或其他被控設(shè)備問題。

5.可靠性

對異常情況造成的外界超溫、超壓、斷電、傳感器信號丟失等應(yīng)能在0.5s內(nèi)自動切換到原有控制模式

6.經(jīng)濟性

① 精確曝氣使用前后噸水電耗的對比

鼓風(fēng)曝氣占總耗電量的50%-70%，實現(xiàn)風(fēng)機節(jié)能，降低處理單位污水的耗電量（單位kWh/t）有重要的意義，經(jīng)現(xiàn)場7次24小時中試檢驗與未使用精確曝氣同比時間對比，節(jié)能率檢測數(shù)據(jù)如表2所示：

徐州開發(fā)區(qū)污水廠2019年全年電量3679755度，電費231.509元;2020年全年電量3619305度，電費210.935萬元，保守估計按照節(jié)電5%計算，兩年共計節(jié)約電費約22萬元。

② 精確曝氣量前后碳源投加量對比

使用精確曝氣后保證出水總氮不變的情況下，碳源的投加量有明顯減少的，且出水總氮的數(shù)值基本趨于穩(wěn)定。

2019年全年碳源投加量617.72噸，總費用188.417萬元;2020年全年碳源投加量603.99噸，總費用152.2509萬元，碳源成本占污水處理處理成本30%左右，實現(xiàn)出水總氮達(dá)標(biāo)的情況下，減少碳源的投加量可以很好的節(jié)約水處理成本。

五、結(jié)論

1、精確曝氣控制使得工藝控制更加穩(wěn)定

精確曝氣系統(tǒng)可實現(xiàn)在污水處理過程中定需供氣，減少生物反應(yīng)池溶解氧濃度波動幅度，污水在多次交替的缺氧與好氧中，可實現(xiàn)有機物的降解、為處理系統(tǒng)脫氮除磷提供良好的外部條件，從而使得脫氮除磷功能的效率最大化，出水水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)也更有保障，這也是我們引進精確曝氣系統(tǒng)的根本出發(fā)點。

2、節(jié)能降耗

電耗和藥劑（碳源）費用是整個污水處理的直接成本的主要來源，與傳統(tǒng)的曝氣方式相比，精確曝氣系統(tǒng)的使用在穩(wěn)定生產(chǎn)的前提下，有節(jié)能降耗的作用。

3、降低操作人員勞動強度

溶解氧是污水處理廠生產(chǎn)運行最重要的控制參數(shù)，也是值班人員最關(guān)注的控制點，精確曝氣項目實施前，值班人員需要密切關(guān)注生化系統(tǒng)溶解氧的變化，及時調(diào)整供風(fēng)量，占用了操作人員大部分的精力。精確曝氣實施后，根據(jù)工藝要求設(shè)定溶解氧理想目標(biāo)值，不但降低了操作人員的勞動強度，同時曝氣系統(tǒng)的控制更加智能靈活。

六、對未來的展望

在國家對環(huán)保事業(yè)要求越來越高的情況下，污水處理過程控制將朝著嚴(yán)格、精細(xì)方面發(fā)展，精確曝氣使污水處理過程向精細(xì)化、節(jié)能化轉(zhuǎn)變，污水處理過程的精細(xì)控制具有較大的拓展空間和推廣價值。

此項目在2017年5月獲得了國家知識產(chǎn)權(quán)局的實用新型專利證書

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