基于DO和ORP 的聯(lián)合調(diào)控曝氣技術(shù)

周光明，高明輝，張元禾，韓興連

（重慶遠通電子技術(shù)開發(fā)有限公司，重慶 400013）

在城市污水處理過程中，工藝控制的主要參數(shù)是污水進出水水質(zhì)參數(shù)。生物處理工藝是目前廣為采用的污水處理技術(shù)。在污水處理整個過程中，必須維持生化處理系統(tǒng)的動態(tài)平衡。目前，各個污水處理廠都是通過控制曝氣機的轉(zhuǎn)速，間接控制生化池好氧區(qū)內(nèi)的氧含量［1］。曝氣環(huán)節(jié)始終是污水處理中最重要的能耗環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計，在國內(nèi)污水處理廠中，曝氣占據(jù)了整個污水處理工藝總耗電量的50%～70%［2］。如何科學地對曝氣環(huán)節(jié)進行控制從而降低能耗，一直是污水處理中的熱點問題。本文以重慶市長壽區(qū)污水處理廠的改良型Carrousel氧化溝作為研究對象，探討如何對生化池好氧區(qū)進行有效供氧，保證出水水質(zhì)達標。

1 方案背景

目前，大多數(shù)工藝都是將生化池好氧區(qū)內(nèi)的溶解氧濃度（DO）作為控制對象，也有許多科研工作者發(fā)現(xiàn)了ORP與COD去除及硝化之間存在較好相關(guān)性，在實踐中采用ORP來控制生化池好氧區(qū)曝氣量［3］。但由于污水處理是一個典型的具有隨機性、時變性、非線性、模糊性和非穩(wěn)定性的復雜的處理過程，對其過程特性很難用嚴格的數(shù)學方法進行描述。其過程特性概括起來可歸納為：（1）過程時滯的未知性和時變性；（2）過程參數(shù)的未知性、時變性、隨機性和分散性；（3）過程環(huán)境干擾的未知性、多樣性和隨機性；（4）過程各變量間的關(guān)聯(lián)性；（5）過程嚴重的非線性［4］。單獨以DO或ORP作為控制對象，難以達到節(jié)能降耗與水質(zhì)達標的雙重目的。通過對實際工藝的測試，提出將DO、ORP均作為控制對象，實現(xiàn)分階段聯(lián)動控制達到工藝要求。

2 控制實施

2.1 調(diào)控方案

重慶市長壽區(qū)污水處理廠的改良型Carrousel氧化溝于2003年開始正式運行，主要用于處理生活污水及少量工業(yè)廢水，一個系列有2條單溝，4廊道設計，單池處理量為20 000m3／d。溝長62m，廊道寬7m。設計有效水深3.9m，有效池容6 170m3，水力停留時間7.4h；厭氧池有效水深5.9m，池容945m3，設計水力停留時間為1.13h。氧化溝內(nèi)設3臺55kW倒傘型表曝機，其中C號與D號可調(diào)頻，E號為定速電機。廊道中部設潛水推進器共4臺。溝內(nèi)設置DO／SS／ORP檢測儀表。改良型氧化溝的平面及檢測儀表位置見圖1。

圖1 改良型氧化溝平面圖

方案調(diào)控參數(shù)：溶解氧（DO）、氧化還原電位（ORP）、回流比（R）、懸浮污泥濃度（MLSS）、水溫（T）、水利停留時間（HRT）、硝氮（NO3－N）、氨氮（NH3－N）、總氮（TN）。具體實現(xiàn)策略為：

（1）由于MLSS對ORP影響不大，只需保持較好運行條件下的MLSS即可。

（2）根據(jù)水溫、HRT，設定相應的 ORP、DO、NH3－N、NO3－N的濃度區(qū)間，溫度影響按季度列，分為春夏秋季（＞16℃）和冬季（＜16℃）；HRT變化按進水流量計算，分段控制ORP區(qū)間，見表1。

（3）在線獲取ORP、氨氮，人工獲取硝態(tài)氮。

（4）根據(jù)實測ORP、DO的數(shù)據(jù)，利用課題組研究得到的統(tǒng)計模型，判斷ORP、DO是否符合變化規(guī)律，若是則執(zhí)行下列①操作，否則執(zhí)行下列②操作。

①判斷實測DO是否處于設定范圍內(nèi)，若否則進行曝氣設備調(diào)控，同時進行回流比的微調(diào)，調(diào)整后返回步驟（3）；若DO在設定范圍則繼續(xù)步驟（5）。②若ORP和DO之間不滿足相關(guān)關(guān)系，則進行系統(tǒng)異常情況檢查，包括設備原因、污泥性質(zhì)變化、進水水質(zhì)變化等原因的檢查，若屬于設備原因則進行設備維護，若屬于污泥性質(zhì)、進水水質(zhì)變化則進行系統(tǒng)運行工況的調(diào)整，包括調(diào)整回流比、SRT、HRT、DO、pH等，直至系統(tǒng)恢復（人工根據(jù)實際情況進行工況調(diào)整），調(diào)整后返回步驟（3）。

表1 初始ORP與DO設定值

（5）判斷氨氮、硝態(tài)氮是否在設定范圍，若是則不作任何調(diào)控，按當前狀態(tài)運行；若否則判斷氨氮、硝態(tài)氮和ORP之間是否滿足相關(guān)關(guān)系，若是則根據(jù)相關(guān)關(guān)系計算所需的ORP反饋調(diào)整設定值，若否則進行系統(tǒng)異常檢查，如步驟（4）中的②。見圖2。

2.2 調(diào)控實現(xiàn)

現(xiàn)階段的污水處理控制中，較多地使用了智能控制技術(shù)。經(jīng)過現(xiàn)場實踐，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家控制在控制好氧區(qū)的曝氣時，由于都需要現(xiàn)場的大量數(shù)據(jù)及現(xiàn)場人員豐富的調(diào)試經(jīng)驗，因此現(xiàn)場應用受到了一定限制［5］。基于簡單規(guī)則的開關(guān)控制、反饋控制及前饋－反饋控制不僅調(diào)試簡便，而且其算法也很容易在PLC等通用控制器上實現(xiàn)。課題組采用PLC最終實現(xiàn)參數(shù)聯(lián)調(diào)控制。參數(shù)界面設置見圖3。

圖2 聯(lián)調(diào)控制流程圖

圖3 自控程序界面

控制說明，自動控制模式下，PLC程序交替運行在DO曝氣程序段和ORP控制程序段。正常情況下，在控制參數(shù)“曝氣時間”范圍內(nèi)，PLC自動控制曝氣機頻率，使溶解氧保持在控制參數(shù)“DOH”和“DOL”之間（DOH為溶解氧控制高限，DOL為溶解氧控制低限）。當曝氣時間達到，自動進入ORP控制，其中曝氣時間是從氧化溝出口溶解氧高于DOL開始計時。當溶解氧遲遲不能高于DOL（如果探頭未能定期清洗，也可能出現(xiàn)這種情況），為保證池內(nèi)生物活性，將持續(xù)曝氣。在曝氣階段，優(yōu)先調(diào)節(jié)背離出口側(cè)曝氣機D頻率。ORP控制階段用于降低出水總氮，降低系統(tǒng)生產(chǎn)電耗。進入ORP控制階段時，在控制參數(shù)“ORP控制時間內(nèi)”，將停止曝氣機E，并自動調(diào)節(jié)曝氣機頻率，優(yōu)先調(diào)節(jié)出口側(cè)曝氣機A頻率。ORP控制階段作為輔助控制，通過調(diào)節(jié)曝氣機頻率，將氧化溝出口ORP控制在控制參數(shù)“ORPL”和“ORPH”之間（ORPL 為 ORP 控制低限，ORPH為ORP控制高限）。當ORP控制時間到達，無論ORP是否滿足控制要求，都將退出ORP控制階段并進入曝氣階段。根據(jù)工藝條件，“曝氣時間”＋“ORP控制時間”應不大于2h。系統(tǒng)運行時，需操作人員根據(jù)實際情況及時調(diào)整控制參數(shù)。尤其是采用ORP控制，可能出現(xiàn)污泥膨脹，因此在有膨脹跡象時需提高ORP控制限值或縮短ORP控制時間。

該系統(tǒng)運行半年以來，節(jié)能效果顯著，電耗下降30%；同時出水水質(zhì)穩(wěn)定，達到國家排放標準。

3 結(jié)論

以ORP與DO同時作為污水處理曝氣控制對象，研究曝氣控制策略。前期階段利用DO控制曝氣量（轉(zhuǎn)碟曝氣機的頻率），當設定的曝氣時間到達時，轉(zhuǎn)為利用ORP控制。通過2個參數(shù)的聯(lián)合調(diào)控，既保證了出水水質(zhì)又實現(xiàn)了節(jié)能降耗。結(jié)果表明，在不增加現(xiàn)有設備投資的情況下，充分發(fā)揮自控程序的靈活性，DO與ORP的聯(lián)合調(diào)控技術(shù)實現(xiàn)了節(jié)能與環(huán)保的要求。

［1］王 濤，徐躍飛，陳貴生，等.ORP用于優(yōu)化改良型Carrousel氧化溝脫氮的研究［J］.中國給水排水，2012，28（21）：16－19.

［2］王 濤，岳 波，張妙月，等.氧化溝間歇曝氣脫氮效果及控制策略的中試研究［J］.水處理技術(shù)，2012，38（6）：78－81.

［3］蘇高強，彭永臻.基于ORP的控制策略在廢水生物處理中的應用［J］.工業(yè)水處理，2011，31（8）：11－15.

［4］孫 騫，許 睿，龔 瓊.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的自適應精確曝氣系統(tǒng)設計［J］.桂林電子科技大學學報，2011，31（5）：382－385.

［5］王 靜.污水處理曝氣過程的智能融合控制策略［J］.西南大學學報：自然科學版，2012，34（7）：120－124.