氧化溝工藝自控優化的探索和研究

楊明

杭州余杭水務有限公司 浙江余杭 311100

摘要：目前余杭污水廠氧化溝雙溝交替運行切換時中間沒有過渡階段，進水溝會直接切換成出水溝，此時污水中的氨氮和總磷含量較高。此外，曝氣機運行時頻率無法自動調節，溶解氧波動較大，本論文通過調整工藝和編寫PLC程序來實現氧化溝的自動運行，提高氧化溝出水的穩定性。

關鍵詞：氧化溝；工藝優化；PLC控制

1 前言

前期，余杭污水廠采用的是傳統的氧化溝運行模式，出水總氮效果并不十分理想。經過實測，余杭污水廠氧化溝的溶解氧梯度不明顯，最高點和最低點相差不超過1mg/L，宏觀上很難形成缺氧區（溶解氧<0.5 mg/L），反硝化率較低。為了增強反硝化反應，我們嘗試將雙溝氧化溝的進水溝作為缺氧池，溶解氧控制在0.5 mg/L以下，確保宏觀上形成缺氧區。但隨著周邊范圍內小區居住率的提高，污水廠進水總氮明顯上升，導致碳氮比失衡，因此總氮的去除依然是污水廠一大難題，任何有助于總氮去除的方法都值得我們去探索和研究。

2 氧化溝運行現狀

目前氧化溝的運行模式分為兩個階段，階段一溝Ⅰ進水，溶解氧控制在0.5 mg/L左右，主要承擔反硝化脫氮，溝Ⅱ出水，溶解氧控制在2mg/L左右，主要承擔硝化反應和磷的吸收。階段二，兩個溝互換，溝Ⅱ進水，溶解氧控制在0.5 mg/L左右，溝Ⅰ出水，溶解氧控制在2mg/L左右。階段一、階段二運行周期均為4小時，整個周期為8小時，循環交替運行。

3.現狀運行中存在的不足

3.1工藝上存在的不足

從階段一切換到階段二時，溝Ⅰ從進水狀態直接變成出水狀態，此時溝Ⅰ剛進行了4小時的缺氧反硝化反應，水中氨氮和總磷含量較高，從階段二切換到階段一時，溝Ⅱ存在同樣的問題，一定程度上影響氧化溝出水的穩定性。

3.2 設備運行上存在的不足

氧化溝曝氣主要對8臺曝氣機的運行方式進行設定，低速運行頻率設定35Hz，高速運行頻率設定45Hz。這種控制模式是固定的模式，曝氣機運行時頻率無法自動調節，導致溶解氧控制不夠理想。此外，當進水水質、水量變化時，都會引起溶解氧波動較大，需要人工不斷的調節曝氣機頻率來控制，工作量非常大且難控制。

4 氧化溝運行工藝優化改進方案

4.1 工藝上的優化改進

從目前的運行模式來看，最大的問題是雙溝交替運行切換時中間沒有過渡階段，進水溝會直接切換成出水溝，此時污水中的氨氮和總磷較高，如果中間增加兩個過渡階段可以較好的解決這個問題，過渡階段周期一般為15—30分鐘，常見的DE氧化溝運行模式有兩種，如下圖所示：

圖4-1

在階段二進水方向進行了改變，出水方向不變，溝Ⅰ不進水也不出水，進行悶曝，由反硝化反應轉為硝化反應，曝氣機高速運轉，可以更快的提高溶解氧，為階段三的出水做好準備；溝Ⅱ同時進水和出水，由硝化反應轉為反硝化反應，曝氣機低速運轉，降低溶解氧，為階段三的反硝化反應做好準備。

4.2 設備運行上的優化改進

從目前的曝氣機運行模式來看，最大的問題一是頻率無法根據溶解氧自動調節，二是曝氣機無法根據溶解氧情況增開或關閉一臺，容易造成曝氣過量或曝氣不足。針對上述兩個問題，我們可以通過編寫PLC程序來實現。

5 編寫PLC程序實現運行工藝優化改進

5.1 編程思路

從自動化程序上來說，之前的模式只能稱為半自動化模式，溶解氧和曝氣機的運行沒有聯動關系，優化改進后的工藝模式，可以稱為全自動運行模式，PLC自動根據溶解氧來控制曝氣機的開啟臺數和頻率。

全自動運行模式，分為四個階段，每個階段需根據所在階段的溶解氧控制要求對曝氣機的頻率進行自動調節，此外，當曝氣機運行頻率過高超過一定的時間后仍無法達到所需溶解氧時，需增開一臺曝氣機，同理，當溶解氧已達到控制要求，曝氣機運行頻率過低超過一定的時間后，需關閉一臺曝氣機。

5.2 編程步驟

全自動運行模式主要通過計時器的計時功能來確定系統處于哪個階段并執行相應階段的程序。我們將計時器定義為Timer，總周期定義為Cycel，階段一周期定義為Cycel1，階段二周期定義為Cycel2，階段三周期定義為Cycel3，階段四周期定義為Cycel4，Cycel= Cycel1+ Cycel2+ Cycel3+ Cycel4。計時及周期單位均為分鐘，Timer在0至Cycel范圍內循環計時。

此外設計4個PID控制器，用于控制曝氣頻率，PID1為溝Ⅰ反硝化控制，PID2為溝Ⅱ硝化控制，PID3為溝Ⅰ硝化控制，PID4為溝Ⅱ反硝化控制。

5.2.1 階段一

當0≤Timer< Cycel1時溝Ⅰ進水，溝Ⅱ出水。

5.2.2 階段二

當Cycel1≤Timer<（Cycel1+ Cycel2）時，溝Ⅰ不進水、不出水，溝Ⅱ同時進水和出水。該階段持續時間短，只是一個過渡階段，因此程序上不考慮曝氣機的增開和關閉，采用默認開啟的方式。

5.2.3 階段三

當（Cycel1+ Cycel2）≤Timer<（Cycel1+ Cycel2+ Cycel3）時，溝Ⅱ進水，溝Ⅰ出水。該階段曝氣機和PID控制器的開啟方式同階段二，但需考慮曝氣機的增開與退出。

5.2.2 階段四

當（Cycel1+ Cycel2+ Cycel3）≤Timer< Cycel時，溝Ⅰ同時進水和出水，溝Ⅱ不進水、不出水。該階段和階段二一樣，持續時間短，只是一個過渡階段，因此程序上不考慮曝氣機的增開和關閉，采用默認開啟的方式。

5.3 上位機修改

為了方便對全自動模式工藝參數的修改和過程監控，我們對上位機進行了相應的修改，如下圖所示：

圖5-1

通過上圖所示窗口，我們可以對反硝化溶解氧和消化溶解氧控制目標進行設定，可以對階段一至階段四各個周期進行設定，可以進行全自動模式和原先模式的切換，全自動模式下可以進行頻率限制保護和撤銷。此外還可以實時顯示當前系統所處的階段，以及這個階段溝Ⅰ和溝Ⅱ的曝氣機控制頻率。

6 運行工藝優化改進后的優勢

6.1 氧化溝出水水質更加穩定

通過此次工藝調整后，增加了雙溝切換時的過渡階段，目前過渡階段周期為20分鐘，理論上可以降低氧化溝出水中的總磷和氨氮，可通過化驗分析過渡前和過渡后溝Ⅰ、溝Ⅱ中上清液的數據來檢驗實際效果，如下表所示：

表6-1

采樣位置及時間點COD（mg/L）NH3-N（mg/L）TP（mg/L）TN（mg/L）

溝Ⅱ340.570.517.37

溝Ⅱ350.710.577.12

溝Ⅰ373.280.738.62

溝Ⅰ353.170.567.06

從上表中可以看出，由于溝Ⅱ同時進水和同時出水，從階段一末到階段二末，水中氨氮和總磷均有小幅度的上升。溝Ⅰ經過20分鐘的悶曝后，從階段一末到階段二末，污水中氨氮有了小幅的下降，但不明顯，低于預期，總磷下降較為明顯，從0.74降到0.57，降幅達到23%，為即將到來的出水提供了一定的保障。

從上表中還可以看出，從階段一末到階段二末的過渡期內，溝Ⅱ的水質要明顯好于溝Ⅰ，因此過渡期內，溝Ⅱ繼續出水，等溝Ⅰ經過20分鐘的悶曝后再切換成溝Ⅰ出水，可以提高氧化溝出水的穩定性。

6.2 提高電能的利用率從而降低電耗

目前的模式可以根據溶解氧控制目標對曝氣機頻率進行實時的調整，不受水質水量變化影響，因此電能的利用率大大提高，綜合來看可以降低電耗。從一段時間的電表記錄數據來看，工藝調整前，3號氧化溝平均電耗為90度/千噸水，工藝調整后平均電耗為75度/千噸水，降低了16%，這從溶解氧歷史曲線記錄中可以形象的看出，如下圖所示：

圖6-1

圖6-2

上述兩張圖是3號氧化溝工藝調整前和工藝調整后48小時內1#溶解氧和2號溶解氧的歷史數據，從兩張圖對比來看，工藝調整前好氧段大部分時間存在曝氣過量的現象，工藝調整后，好氧段溶解氧非常平穩，維持在2mg/L附近，高于2mg/L就自動降頻或停止一臺曝氣機，因此減少了電能的不必要浪費，降低了電耗。

6.3 抗沖擊能力大大增強

污水廠曾遇到過COD突然升高，曝氣量沒有及時跟上，導致出水氨氮偏高的情況，全自動控制模式是以溶解氧為控制目標，如果超過一定時間后達不到控制目標，一個溝內的4臺曝氣機會全速運行，正常情況下不會出現曝氣不足的情況，因此抗沖擊能力會大大增強。

7 綜合水質對比分析

我們分別于5月底和6月上旬依次完成2#氧化溝和3#氧化溝的全自動運行調試，6月份兩個氧化溝大部分時間運行在全自動模式，因此對比今年6月與去年同期的平均進出水水質可以看出整體效果。進出水水質如下表所示：

表7-1

日期進水出水

COD（mg/L）TP（mg/L）NH3-N（mg/L）TN（mg/L）COD（mg/L）TP（mg/L）NH3-N（mg/L）TN（mg/L）

2013年6月171.62.215.4321.4723.60.280.1610.68

2014年6月181.232.5825.431.412.970.220.267.93

從上表中可以看出，和去年同期相比，今年污水廠主要進水指標均有一定的上升，尤其是NH3-N、TN明顯上升，但出水指標除了NH3-N略高于去年同期外，其余指標均好于去年同期，水質得到進一步改善，平均去除率如下圖所示：

圖7-1

從上圖可以看出，2014年6月份進出水主要指標的去除率除了氨氮持平外，其余均高于2013年6月，COD、TP的去除率提高到了90%以上，TN最為明顯，從50.1%提高到74.7%，較好的解決了污水廠總氮去除的難題。

8 結語

余杭污水廠一直致力于摸索污水廠的“最優控制”，此次工藝調整以及氧化溝的全自動運行進一步強化了反硝化反應，并確保各工藝環節溶解氧的精確控制，提高了出水的穩定性。

污水廠DE氧化溝的運行模式主要針對低碳高氮的廢水，核心是圍繞總氮的去除，對于相似的污水廠具有一定的參考意義。氧化溝的全自動運行，有多方面的好處，可以提高出水的穩定性和抗沖擊能力；可以提高電能的利用率從而降低能耗，可以減輕值班人員工作量，降低人員因素的影響，最終形成精確控制的標準化生產，有較好的推廣意義。

參考文獻：

[1]鄧榮森.氧化溝污水處理理論與技術[M].第一版.北京：化學工業出版社，2006

[2]周玉文.城市污水處理應用技術[M].第一版.北京：中國建筑工業出版社，1996

[3]裴剛.秦桂海.城市污水廠DE氧化溝分階段運行探討[J].中國給水排水，2010（6）：95-97

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四、互聯網的發展對社區經濟影響的展望

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參考文獻：

[1]姚建強.社區商業的分類及其發展趨勢，浙江大學碩士學位論文 2007

[2]張曉霞.社區經濟發展現存問題及創新思路 商業時代 2010.07.