污水處理工藝優(yōu)化控制模塊（RTC）的工程應(yīng)用

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。

1 優(yōu)化控制模塊（RTC）概述

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。

2 設(shè)計應(yīng)用概念理解

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。

3 N/DO-RTC系統(tǒng)原理

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。

4 N-RTC系統(tǒng)構(gòu)成

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

5 N/DO-RTC系統(tǒng)應(yīng)用方案

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

6 N-RTC系統(tǒng)應(yīng)用要點

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。

7 結(jié)論

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。