孫海波,徐 進(jìn),馬建彬
(中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司第九設(shè)計研究院 天津 300182)
隨著國內(nèi)污水處理廠運營進(jìn)一步發(fā)展,出于節(jié)能降耗和精細(xì)化管理考慮,生物池溶氧優(yōu)化和精確曝氣在主要工藝段得到廣泛應(yīng)用,但各大公司推出的精確曝氣系統(tǒng)和軟件在各大凈水處理廠應(yīng)用效果不一,褒貶均有之。本文以烏魯木齊河西三期污水處理廠設(shè)計中應(yīng)用哈希公司的工藝優(yōu)化控制模塊(RTC)為例,闡述一種新的污水曝氣處理應(yīng)用選擇。
對現(xiàn)代化的污水處理廠來說,如何以可持續(xù)的方式運行是一個重要的問題,已成為既滿足日益嚴(yán)格的排放要求,同時實現(xiàn)節(jié)能降耗的關(guān)鍵所在。RTC污水工藝實時控制優(yōu)化系統(tǒng),正是哈希公司基于此種理念推出的新一代標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品,它是應(yīng)用先進(jìn)實時過程控制理念,基于對污水處理工藝的數(shù)學(xué)模擬及動態(tài)數(shù)學(xué)控制模型的污水智能控制優(yōu)化系統(tǒng),無需大的工程量,避免了過多投資投入,RTC模塊能優(yōu)化區(qū)域工藝控制,同時實現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)并節(jié)能降耗。無論是化學(xué)除磷、生物除氮還是污泥處理,RTC優(yōu)化控制模塊均可實現(xiàn)簡單高效達(dá)標(biāo)的穩(wěn)定污水排放。它具備以下明顯優(yōu)點:標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品,固化了污水動態(tài)數(shù)學(xué)控制模型的標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計,模塊可獨立和組合使用;多種工藝選擇,基于化學(xué)除磷、生物除氮、污泥處理、營養(yǎng)鹽投加的不同應(yīng)用,推出RTC-N、RTC-DO、RTC-P、RTCDN、RTC-SD、RTC-DOS系列優(yōu)化模塊,更有選擇性;依據(jù)測量帶來更佳的優(yōu)化,相較于依賴時間或流量負(fù)荷的控制方式,RTC模塊控制基于污染物負(fù)荷以及動態(tài)數(shù)學(xué)模擬技術(shù),實現(xiàn)實時控制;運行可靠性高,HACH PROGNOSYS系統(tǒng)會對主要測量值進(jìn)行智能分析,提高RTC系統(tǒng)控制可靠性,并自動備有優(yōu)化方案,最大限度保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。
在烏魯木齊河西三期污水處理廠設(shè)計中選用哈希公司的RTC模塊應(yīng)用,主要基于:①RTC標(biāo)準(zhǔn)化模塊應(yīng)用集中在控制層,能自動響應(yīng),無需上一級人工干預(yù),這將使運營維護(hù)更簡單;②多種功能模塊選擇,可以根據(jù)功能需要進(jìn)行選擇,利于控制單項成本,在烏魯木齊河西三期污水處理廠設(shè)計中主要應(yīng)用了N/DO-RTC硝化優(yōu)化模塊這一項,目的還是精確曝氣控制;③從系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮,自動化系統(tǒng)設(shè)計更適合應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化、開放性高、操作簡單可行的產(chǎn)品,以從宏觀方面保證自控系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性。
采用N/DO-RTC硝化優(yōu)化模塊的目的是優(yōu)化污水處理廠中的生物除氮環(huán)節(jié),主要應(yīng)用于連續(xù)曝氣工藝。實時監(jiān)測曝氣池進(jìn)出口氨氮值、進(jìn)口流量、污泥濃度及水溫變化,以此計算溶解氧最佳設(shè)定值并傳送至PLC控制曝氣裝置,使出水氨氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo),同時通過減少曝氣強(qiáng)度的最佳控制,避免過度曝氣,實現(xiàn)節(jié)能降耗。具體原理和方法如圖1所示。
圖1 N/DO-RTC系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Principle diagram of N/DO-RTC system
N/DO-RTC硝化優(yōu)化模塊在采集上述儀表數(shù)據(jù)(DO、T、NH4N、MLSS)的同時接收污水處理進(jìn)水流量信號,并經(jīng)系統(tǒng)計算后輸出曝氣池的實時溶氧需求值及曝氣量(或空氣調(diào)節(jié)閥開度)。涉及RTC精確曝氣系統(tǒng)所需在線儀表數(shù)據(jù),如處理水量氨氮、溫度、曝氣量等均通過與現(xiàn)場PLC子站機(jī)柜通信獲得,輸出信號如曝氣池目標(biāo)溶氧、目標(biāo)曝氣量(空氣調(diào)節(jié)閥開度除外)等也均由RTC系統(tǒng)輸出至現(xiàn)場PLC子站,這部分需與自控承包商配合,整個精確曝氣RTC系統(tǒng)與生物池和鼓風(fēng)機(jī)自控系統(tǒng)PLC子站實現(xiàn)有效通信銜接。
在控制執(zhí)行端和傳統(tǒng)精確曝氣方式一樣,曝氣空氣管路上需配備空氣調(diào)節(jié)閥,可遠(yuǎn)程控制其開度;為每個曝氣池空氣管配備空氣流量計(每個空氣調(diào)節(jié)閥配一個空氣流量計),以便實現(xiàn)精確化曝氣調(diào)節(jié)控制;曝氣用鼓風(fēng)機(jī)可遠(yuǎn)程自動調(diào)節(jié)(變頻調(diào)節(jié)或改變導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)),鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)配備MCP控制柜,以便鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)可根據(jù)曝氣主管壓力(或空氣流量)的設(shè)定和反饋值自動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)。
RTC系統(tǒng)首先計算出曝氣池所需的當(dāng)前溶解氧濃度設(shè)定值,以溶解氧設(shè)定值與實際反饋值為主要控制信號,以空氣流量為輔助控制信號,進(jìn)出水氨氮為控制目標(biāo);根據(jù)污水處理廠實際進(jìn)水負(fù)荷的變化及生物池各控制區(qū)域溶解氧運行水平的需求,及時準(zhǔn)確分配與控制氣量,以達(dá)到溶解氧穩(wěn)定控制的需求,實現(xiàn)各曝氣反應(yīng)池控制區(qū)內(nèi)實際溶解氧濃度在要求的設(shè)定值附近,從而確保整個污水處理工藝在最佳狀態(tài)下工作,并獲得平穩(wěn)的出水氨氮濃度,提高缺氧池反硝化脫氮效率。
系統(tǒng)設(shè)備組成主要包括N-RTC實時控制單元、溶氧分析儀、氨氮分析儀、污泥濃度計和通用控制器等,以及相應(yīng)的通信、電纜及系統(tǒng)軟件,見表1。
表1 N/DO-RTC系統(tǒng)主要構(gòu)成Tab.1 Main composition of N/DO-RTC system
在烏魯木齊河西三期污水處理廠自控設(shè)計中,根據(jù)工藝生物池的平面布置,儀表結(jié)合哈希公司的指導(dǎo)布置如圖2所示。
圖2 河西三期單座生物池示意圖Fig.2 Schematic diagram of single biological pool
①過程在線分析儀表(單座生物池):在線溶氧 儀×3(位于生物池3個好氧段)、污泥濃度計×2(位于生物池前好氧段)、在線氨氮×2、在線硝氮×2(位于好氧段進(jìn)、出水口)。
②曝氣控制設(shè)備:空氣調(diào)節(jié)閥×3、空氣流量 計×3(對應(yīng)生物池3個好氧段空氣支管上)。
③鼓風(fēng)機(jī)控制設(shè)備:MCP控制柜,鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)可根據(jù)曝氣主管壓力或流量的設(shè)定和反饋值自動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)。
④N/DO-RTC硝化優(yōu)化模塊2組:同步設(shè)置于生物池PLC站RTC機(jī)柜內(nèi),通過工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與PLC站保持實時數(shù)據(jù)交換。
⑤室內(nèi)集成柜:供電電源220VAC 防護(hù)等級IP20;配備RTC自控計算單元及人機(jī)界面,柜內(nèi)溫控可調(diào),安裝方式為壁掛式,箱體如圖3所示。
圖3 RTC柜布置圖Fig.3 Layout of RTC cabinet
本項目工程設(shè)計上提供了符合業(yè)主成本控制的精確曝氣優(yōu)化方案,還需要注意以下應(yīng)用細(xì)節(jié):
①注重曝氣工藝中空氣流量計的選擇,空氣流量計首先滿足現(xiàn)場直管段要求,選擇上注重以精度和穩(wěn)定性為主,寬溫20~100℃(一般曝氣管路都發(fā)熱);
②注重曝氣工藝中氨氮、硝氮儀表的選擇,由于儀表實時性和造價進(jìn)一步發(fā)展,進(jìn)出水氨氮和硝氮儀表不再選擇離子電極的測量原理,而選用氣敏電極法的氨氮儀表,以提高測量精度,其響應(yīng)時間在5~10min可調(diào);
RTC③ 工藝智能優(yōu)化和過程動態(tài)控制系統(tǒng)內(nèi)擁有閥門線性補(bǔ)償功能,但空氣調(diào)節(jié)閥仍需考慮線性好的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu),蝶閥或針閥均可,開/關(guān)極限位置均配限位開關(guān);
④單臺鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍應(yīng)不少于其最大設(shè)計風(fēng)量的60%~100%,風(fēng)量追蹤時間(涉及鼓風(fēng)機(jī)啟停)≤6min;
⑤入口氨氮是為了結(jié)合水量、回流量確定進(jìn)入曝氣池的氨氮負(fù)荷,出口氨氮是為了反饋曝氣池生化處理后的氨氮濃度,建議兩處都安裝,而且最好配備在線預(yù)處理裝置。
RTC優(yōu)化控制模塊,是哈希公司結(jié)合污水處理廠的工藝設(shè)計需求及實際運行特征,在模型計算軟件中模擬生化池各曝氣控制單元實際管路布設(shè),基于大量試驗數(shù)據(jù)積累建立的科學(xué)數(shù)學(xué)模型。在當(dāng)前現(xiàn)代化污水處理廠越來越重視工藝實時控制優(yōu)化,RTC優(yōu)化控制模塊為設(shè)計和業(yè)主應(yīng)用提供了更多控制優(yōu)化、布局靈活的系統(tǒng)方案。該智能系統(tǒng)運行穩(wěn)定,運營維護(hù)簡單,也給精確曝氣系統(tǒng)應(yīng)用提供更多選擇。