氨氮動態優化控制系統在污水廠的應用效果

馮青青

(上海昊滄系統控制技術有限責任公司 上海200232)

0 引 言

在水污染問題中，水體富營養化尤為突出，而氮、磷這兩種營養元素起到了主要作用。因此，國家污染物排放標準對氮、磷的減排提出了嚴格要求。目前污水廠脫氮的主流方式依賴于硝化和反硝化過程，常規的硝化-反硝化脫氮工藝，往往存在效率不高、能耗較大等缺陷。由于硝化過程是一個好氧過程，需要一定的曝氣量以促成硝化反應充分進行，確保出水氨氮達標。但是，過多的曝氣量一方面帶來能耗的浪費，另一方面造成回流硝化液中溶解氧過高，抑制了硝態氮接受電子的能力，降低了反硝化反應速率，不利于總氮的去除[1]。因此，在脫氮過程中曝氣量并非越大越好，而是在滿足出水氨氮指標達標基礎上，優化曝氣運行控制，降低曝氣能耗，減弱溶解氧濃度過高對反硝化反應過程的抑制，這就對脫氮過程提出了“按需曝氣”的控制要求[2]。

1 氨氮動態優化控制系統原理

氨氮動態優化控制系統借助于數學模型求解將控制單元的出水氨氮值穩定在其目標值所需要的溶解氧，將該溶解氧值作為控制單元的溶解氧設定值；然后，借助于數學模型求解將控制單元的溶解氧穩定在該溶解氧設定值所需要的曝氣量[3]；最后通過調節鼓風機及各控制單元曝氣支管上的電動調節閥，實現各控制單元氣量的合理與精確分配及脫氮過程的“按需曝氣”。與傳統的依靠人工方式設定溶解氧設定值相比，氨氮動態優化控制系統根據出水氨氮濃度設定值，自動計算溶解氧設定濃度和曝氣量，實現了按需曝氣，使得不同控制單元的溶解氧穩定在設定值附近[4]。其控制原理如圖1所示。

圖1 氨氮優化控制系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of ammonia nitrogen optimization control system

2 氨氮動態優化控制系統評價指標

2.1 曝氣量控制效果

由于鼓風機的曝氣量與其電流呈正相關關系，曝氣量與鼓風機的電耗亦呈正相關關系。氨氮優化控制系統主要目的在于保證出水氨氮達標的基礎上實現節能降耗。在工程應用中，可采用節氣率及氣水比的變化率來體現氨氮優化控制系統對于鼓風機曝氣系統節能降耗的貢獻。其中，節氣率及氣水比變化率的計算公式如下：

式中：η空氣為節氣率，%；φ為氣水比的變化率，%；為未采用系統時，生化池的平均曝氣量(平均處理水量)為采用系統時，生化池的平均曝氣量(平均處理水量)，m3/h。

2.2 氨氮控制效果

出水氨氮是氨氮優化控制系統的首要指標。對于污水處理廠而言，出水氨氮濃度過高時，造成出水水質不達標；若出水氨氮濃度偏低，則將造成曝氣能耗的浪費。因此，通過控制措施將出水氨氮值維持在合適的范圍內，將會在保證出水水質達標基礎上實現節能降耗。本文用削減單位NH4-N所需的曝氣量來比較采用氨氮優化控制系統前后出水氨氮與生化池曝氣量這兩個指標的聯合作用效果。削減單位NH4-N所需的曝氣量公式如下：

式中：φ為削減單位NH4-N所需的曝氣量，m3/kg；Qair為曝氣量，m3/h；T1、T2為測定時間段的起止時間；Qin、Qout為進水、出水流量，m3/h；ρNH4-Nin、ρNH4-Nout為進水、出水氨氮濃度，kg/m3。

3 氨氮優化控制系統效果

3.1 生化池供氣量對比分析

氨氮優化控制系統的主要目的是在保證出水氨氮達標的前提下，節省生化池的曝氣量，從而達到節能降耗目的，因此對于氨氮優化控制系統節能降耗的能力的分析顯得尤為重要[5]。然而，由于本調試未對鼓風機進行調控，僅對生化池的供氣量進行控制，圖2為相同時間段采用氨氮優化控制系統前后生化池供氣量曲線。根據此圖，綜合考慮生化池的供氣量及處理水量情況后，可得出采用氨氮優化控制系統前后的平均曝氣量及氣水比情況，如表1所示。

圖2 采用氨氮優化控制系統前后生化池供氣量Fig.2 Biochemical pool gas supply before and after using ammonia nitrogen optimization control system

表1 采用氨氮優化控制系統前后生化池供氣量及氣水比對比分析表Tab.1 Comparative analysis of gas supply and gas-water ratio of biochemical pool before and after using ammonia nitrogen optimization control system

從圖2和表1可知，在未采用氨氮優化控制系統時，生化池的每日供氣量幾乎維持恒定不變(2200～2500m3/h)，采用氨氮優化控制系統后，該系列生化池實現按需供氣，實際供氣量隨著系統計算所得的供氣量值而波動，波動頻率較高且幅度較大，平均每小時供氣量為1650～1870m3，曝氣量降低了19.09%～34.86%，氣水比降低了14.34%～35.73%。此外，生化池的節氣率與曝氣電耗存在著正相關關系，故節氣將最終利于系統的節能降耗。

3.2 出水氨氮值對比分析

對于污水廠而言，其為了保證出水水質達標，將生化池的曝氣量留有較大的余度。生化池的過量曝氣，使得出水的氨氮值通常偏低。然而，出水氨氮值并不是越低越好：出水氨氮過低，意味著曝氣量過大，也就意味著曝氣能耗過高，污水的運行成本大幅增加；同時，過多的曝氣量也將造成回流硝化液中溶解氧濃度過高，從而抑制了硝態氮接受電子的能力，降低了反硝化反應速率，不利于總氮的去除。因此，采用氨氮優化控制系統，其主要目的是：在滿足出水氨氮指標達標基礎上，優化曝氣運行控制，降低曝氣能耗，減弱溶解氧濃度過高對反硝化反應過程的抑制，最終實現脫氮過程的“按需曝氣”。

3.2.1 不同出水氨氮設定值的控制效果

對于氨氮優化控制系統而言，其應該具有對于不同出水氨氮設定值的響應能力。在工程調試中，分別采用0.95mg/L及1.0mg/L作為出水氨氮的設定值。圖3為采用氨氮優化控制系統、且出水氨氮設定值為0.95mg/L時的出水氨氮數據；圖4為采用氨氮優化控制系統、且出水氨氮設定值為1.0mg/L時的出水氨氮數據。

圖3 出水氨氮設定值為0.95mg/L時出水氨氮數據Fig.3 Data at effluent ammonia nitrogen set value of 0.95mg/L

圖4 出水氨氮設定值為1.0mg/L時出水氨氮數據Fig.4 Data at effluent ammonia nitrogen set value of 1.0mg/l

從圖3和圖4可看出，采用氨氮優化控制系統后，無論氨氮的設定值為多少，氨氮均可在設定出水氨氮值上下波動，且實際出水氨氮值可控制在出水達標線以內。但是，在采用系統之后，氨氮控制的穩定性略微下降，這主要是由于：①氨氮優化控制系統采用的是兩級級聯控制，其與傳統的采用人工設定溶解氧設定值的精確曝氣系統相比，非定常性效應將更加顯著；②在不同溶解氧下氨氮對溶解氧的敏感性不同，則出水氨氮值的波動在可接受的范圍內。

3.2.2 削減單位氨氮所需曝氣量控制效果

氨氮優化控制系統的主要目的：保證出水氨氮在達標線以內的前提下，使削減單位氨氮所需的曝氣量盡量較低。圖5為相同時間段采用氨氮優化控制系統前后削減單位氨氮所需氣量數據曲線。

圖5 氨氮優化控制系統前后削減單位氨氮所需氣量Fig.5 Gas volume required for reduction of unit ammonia nitrogen before and after using ammonia nitrogen optimization control system

3.3 出水水質對比分析

氨氮優化控制系統在保證出水氨氮達標的前提下，亦應實現其他水質指標的達標。圖6所示為未采用氨氮優化控制系統及采用氨氮優化控制系統生化池出水COD及總氮的出水情況。從圖6可以看出，采用氨氮優化控制系統后，系統的運行對出水COD濃度影響不大，且能夠做到達標排放。

出水總氮的達標排放對污水廠而言也尤為重要，圖7分析了采用氨氮優化控制系統前后生化池出水總氮的情況。從圖7可以看出，采用氨氮優化控制系統后，出水總氮的濃度基本可維持在15mg/L以內，且出水總氮的濃度較未采用系統時略微降低，出水總氮的穩定性也有所提高。

圖6 氨氮優化控制系統前后進出水COD值Fig.6 COD value in effluent before and after using ammonia nitrogen optimization control system

圖7 氨氮優化控制系統前后進出水總氮值Fig.7 Total nitrogen value in effluent before and after using ammonia nitrogen optimization control system

4 結 論

①采用氨氮優化控制系統后，生化池的曝氣量降低了14.34%～35.73%，若對閥門開度下限進行調整，則其節氣空間將提升。

②采用氨氮優化控制系統后，出水氨氮能夠做到達標排放，且基本可維持在設定值附近，出水氨氮濃度控制的穩定性較高；削減單位氨氮所需氣量降低了11.43%～32.17%。

③采用氨氮優化控制系統后，對出水COD濃度的影響較小，可維持在達標排放；出水總氮的穩定性及達標率提升。