污水處理廠精確曝氣控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題

李建軍，唐安平，胡海軍

（1.北京藍(lán)白藍(lán)科技有限公司，北京 100101；2.北京協(xié)同創(chuàng)新智慧水務(wù)有限公司，北京 100094）

1 使用精確曝氣控制系統(tǒng)的目的

污水處理中曝氣流量控制的目標(biāo)就是在生物反應(yīng)器中形成穩(wěn)定的溶解氧條件，為微生物生長(zhǎng)與污染物降解建立一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡和可靠的生存環(huán)境。這一動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程的實(shí)質(zhì)，就是使總氧轉(zhuǎn)移速率近似等于總耗氧速率。由于污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)和水量是變化的，在特定的時(shí)間段內(nèi)其耗氧量也是變化的，只有使該時(shí)段內(nèi)的供氧量和耗氧量相均衡，才能保證處理環(huán)境的穩(wěn)定。

精確曝氣控制系統(tǒng)研發(fā)的目的是為了保障供氧和節(jié)能，通過(guò)控制溶解氧使生化系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，可以提高出水COD 和氨氮的達(dá)標(biāo)率，也可以間接促進(jìn)出水TN、TP 的達(dá)標(biāo)率，進(jìn)一步顯著提高污水處理廠出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率。

從技術(shù)應(yīng)用的情況上來(lái)看，精確曝氣帶來(lái)的效果首先是顯著提高了出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率，其次是節(jié)能。

2 精確曝氣控制系統(tǒng)的適用范圍

目前精確曝氣控制的理論基礎(chǔ)模型是國(guó)際水協(xié)的ASMs 模型，針對(duì)的是傳統(tǒng)AAO 工藝、AAO 改良工藝，如多級(jí)AO、AAO-MBR 工藝等（見(jiàn)圖1）。

圖1 傳統(tǒng)AAO 工藝的流程

MBR 和MBBR 兩種工藝的曝氣強(qiáng)度控制主要是為了抖動(dòng)膜絲、懸浮填料等，精確曝氣控制系統(tǒng)不能直接用于這兩種工藝。由于MBR 和MBBR 的曝氣量占膜池和填料池總曝氣量的份額都很大，而且基本不能調(diào)低，所以按常規(guī)AAO 的曝氣控制效果可能達(dá)不到減量10%的程度。但可以用精確曝氣的控制策略，溶解氧設(shè)置值和控制方法會(huì)做調(diào)整，也要看曝氣系統(tǒng)的硬件能否具備條件。AAO+MBR采用的是逐級(jí)回流，從膜池到最后一級(jí)好氧池的回流比甚至高達(dá)400%，所以最后1～2 級(jí)好氧池的曝氣量可以大大降低。例如，設(shè)1.5mg/L 溶解氧為控制值，也許把閥門(mén)全關(guān)上不曝氣，也能達(dá)到這個(gè)水平，從而節(jié)省了曝氣量。因此，精確曝氣控制的策略可以用于MBR、MBBR 工藝的節(jié)能。

3 精確曝氣控制系統(tǒng)的控制策略

精確曝氣控制系統(tǒng)的控制策略可采用前饋+串級(jí)反饋（見(jiàn)圖2）。

圖2 精確曝氣控制系統(tǒng)的控制策略

該系統(tǒng)共包括三級(jí)串聯(lián)的控制結(jié)構(gòu)：第一級(jí)前饋開(kāi)環(huán)控制，通過(guò)進(jìn)水負(fù)荷設(shè)定計(jì)算最優(yōu)溶解氧；第二級(jí)溶解氧反饋閉環(huán)控制，通過(guò)好氧區(qū)溶解氧儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)整每個(gè)支管曝氣量及閥門(mén)開(kāi)度；第三級(jí)鼓風(fēng)機(jī)閉環(huán)反饋控制，通過(guò)溶解氧和支管曝氣量調(diào)整風(fēng)機(jī)總氣量。

基于溶解氧或氨氮控制兩種策略使用的底層模型都是活性污泥微生物與污染物的生化反應(yīng)模型，使用的參數(shù)包括工程應(yīng)用的簡(jiǎn)化手段會(huì)有所差異，但這種差異只是精確曝氣控制系統(tǒng)不同供應(yīng)商之間的技術(shù)區(qū)別。

4 精確曝氣控制系統(tǒng)的核心

精確曝氣控制系統(tǒng)的核心是控制策略。由于每一個(gè)污水處理廠的工藝都有所不同，管路布局和施工也不同，因此每一個(gè)污水處理廠的優(yōu)化控制策略都要根據(jù)自身情況進(jìn)行設(shè)置。

5 精確曝氣控制系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)儀表的要求

精確曝氣控制系統(tǒng)需要水質(zhì)儀表提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因此就需要對(duì)儀表進(jìn)行良好的維護(hù)。針對(duì)儀表數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，該系統(tǒng)有專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)置信區(qū)間控制策略。

國(guó)家規(guī)定COD 的監(jiān)測(cè)頻率為2h 一次，儀表本身可以45min 讀取一次數(shù)據(jù)。如果有工業(yè)廢水進(jìn)入污水處理廠或污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大的情況，建議將常規(guī)COD 讀數(shù)周期縮短，或者增加全光譜法COD儀表、高光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀表等。

6 精確曝氣控制系統(tǒng)對(duì)閥門(mén)的要求

精確曝氣控制系統(tǒng)一般采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，分為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門(mén)兩部分。

精確曝氣控制系統(tǒng)對(duì)閥門(mén)沒(méi)有特殊要求，控制精確度從高到低依次是菱形閥、球閥、蝶閥，價(jià)格上從低到高依次是蝶閥、球閥、菱形閥。由于蝶閥30%開(kāi)度和全開(kāi)的風(fēng)量變化不大，因此一般不用于精確曝氣控制系統(tǒng)。

研究發(fā)現(xiàn)，在水深較大的情況下（大于6m），閥門(mén)的調(diào)節(jié)性能將發(fā)生畸變，建議電動(dòng)閥安裝時(shí)兩側(cè)增加變徑，以改善閥門(mén)的調(diào)節(jié)性能，電動(dòng)閥安裝尺寸為管道尺寸的60%～80%為宜。

7 精確曝氣控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)的要求

目前污水處理中曝氣使用的鼓風(fēng)機(jī)一般為單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)、多級(jí)低速離心鼓風(fēng)機(jī)、羅茨鼓風(fēng)機(jī)、螺桿鼓風(fēng)機(jī)等。

單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)因驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)形式的不同，可分為齒輪增速型單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)、空氣懸浮式高速離心鼓風(fēng)機(jī)、磁懸浮式高速離心鼓風(fēng)機(jī)等。

多級(jí)低速離心鼓風(fēng)機(jī)采用傳統(tǒng)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分級(jí)加壓，提供壓縮空氣。

羅茨鼓風(fēng)機(jī)、螺桿鼓風(fēng)機(jī)均為容積式鼓風(fēng)機(jī)，其中螺桿鼓風(fēng)機(jī)噪聲小、價(jià)格便宜。

精確曝氣控制系統(tǒng)可以對(duì)上述風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)和控制。

（1）從風(fēng)量調(diào)節(jié)方式上講，齒輪增速型單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)通過(guò)調(diào)整進(jìn)、出口導(dǎo)葉的方式調(diào)節(jié)風(fēng)量?？諝夂痛艖腋★L(fēng)機(jī)、多級(jí)鼓風(fēng)機(jī)、羅茨鼓風(fēng)機(jī)、螺桿鼓風(fēng)機(jī)均采用變頻器調(diào)整轉(zhuǎn)速方式，調(diào)節(jié)風(fēng)量。根據(jù)風(fēng)量需求控制風(fēng)機(jī)，單臺(tái)不滿足時(shí)加開(kāi)或減開(kāi)風(fēng)機(jī)，啟停時(shí)有保護(hù)，避免頻繁啟停。

（2）從風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍上講，齒輪增速型單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)一般能做到45%～100%的調(diào)節(jié)范圍，而且不易發(fā)生喘震現(xiàn)象。磁懸浮和空氣懸浮風(fēng)機(jī)本身無(wú)法調(diào)節(jié)風(fēng)量，需要增加變頻器，變頻器調(diào)節(jié)范圍一般為50%～100%?？紤]到節(jié)能效率和管理水平，不建議用精確曝氣控制系統(tǒng)來(lái)控制羅茨風(fēng)機(jī)和多級(jí)風(fēng)機(jī)。

從目前項(xiàng)目的執(zhí)行情況來(lái)看，精確曝氣控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的背壓相比于人工控制較大，所以在進(jìn)行精確曝氣時(shí)需要考慮鼓風(fēng)機(jī)的背壓上限與可調(diào)空間，避免損壞風(fēng)機(jī)。

（3）從頻繁啟動(dòng)的限制上講，磁懸浮風(fēng)機(jī)不受啟停次數(shù)的限制，空氣懸浮風(fēng)機(jī)影響較大。

（4）從效率上講，磁懸浮風(fēng)機(jī)、空氣懸浮風(fēng)機(jī)、齒輪增速型單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)的效率均在75%以上。

（5）從功率上講，鼓風(fēng)機(jī)功率在350kW 以上時(shí)，齒輪增速型單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)應(yīng)用較多；鼓風(fēng)機(jī)功率在350kW 以下時(shí)，磁懸浮風(fēng)機(jī)、空氣懸浮風(fēng)機(jī)應(yīng)用較多。

（6）從價(jià)格上講，齒輪增速型單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)最貴，磁懸浮風(fēng)機(jī)次之，空氣懸浮風(fēng)機(jī)最便宜。

（7）從后期維護(hù)費(fèi)用上講，磁懸浮風(fēng)機(jī)、空氣懸浮風(fēng)機(jī)只需要定期更換空氣過(guò)濾棉，運(yùn)行維護(hù)成本較低；齒輪增速型單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)附屬設(shè)備較多，涉及滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑、降溫冷卻、潤(rùn)滑油更換等附屬設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)。

（8）從運(yùn)行噪聲上講，空氣懸浮風(fēng)機(jī)和磁懸浮風(fēng)機(jī)優(yōu)勢(shì)很大。

（9）從占地面積上講，齒輪增速型單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)的設(shè)備尺寸大一些。

目前來(lái)看，國(guó)產(chǎn)品牌的鼓風(fēng)機(jī)多數(shù)是單導(dǎo)葉或沒(méi)有導(dǎo)葉，進(jìn)口品牌的鼓風(fēng)機(jī)多數(shù)是雙導(dǎo)葉聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，因此可以簡(jiǎn)單地用導(dǎo)葉技術(shù)來(lái)區(qū)分技術(shù)實(shí)力和品牌定位。

羅茨鼓風(fēng)機(jī)、多級(jí)低速鼓風(fēng)機(jī)、螺桿鼓風(fēng)機(jī)因整機(jī)效率較低，在污水處理廠曝氣環(huán)節(jié)使用得越來(lái)越少。

8 精確曝氣的控制難點(diǎn)

（1）曝氣過(guò)程自身不容易控制

充氧過(guò)程和傳質(zhì)系數(shù)、流量不成線性關(guān)系，與液位和溫度等有關(guān)。耗氧過(guò)程是復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)程，條件幾乎時(shí)刻在改變，很難實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。過(guò)程擾動(dòng)因素多，參數(shù)不穩(wěn)定，如溫度對(duì)傳質(zhì)系數(shù)、飽和溶解氧、微生物活性影響明顯。進(jìn)水負(fù)荷對(duì)耗氧速率影響明顯且程度難以準(zhǔn)確計(jì)算。管道供氣過(guò)程進(jìn)行較快，而氧平衡過(guò)程較慢，必須對(duì)供氣過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確和快速控制才能實(shí)現(xiàn)過(guò)程的穩(wěn)態(tài)平衡。

對(duì)溶解氧的控制不僅表現(xiàn)在溶解氧實(shí)時(shí)值的穩(wěn)定性上，還體現(xiàn)在合適的溶解氧濃度設(shè)定值上。由于AAO 工藝存在分區(qū)差異，相互之間有所影響，比如末端溶解氧會(huì)影響反硝化區(qū)的脫氮效果、二沉池回流污泥溶解氧會(huì)影響厭氧區(qū)釋磷效果等，這就要求對(duì)好氧區(qū)不同位置進(jìn)行區(qū)別對(duì)待，合理設(shè)置溶解氧濃度，以便促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)的脫氮除磷效果。

關(guān)于溶解氧設(shè)定值的選擇，一般采用離線優(yōu)化運(yùn)行方法，主要是利用污水處理工藝的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)學(xué)模擬。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，可以掌握系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，并確定關(guān)鍵的ASMs 模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)成功的數(shù)學(xué)模擬。通過(guò)情景模擬和分析，可以對(duì)多種工況進(jìn)行分析和總結(jié)，得到適用于現(xiàn)場(chǎng)操作的方法和方案，從而在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化運(yùn)行。在這一方面，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院施漢昌教授研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究工作，并且通過(guò)大量的工程項(xiàng)目積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，使得這套系統(tǒng)得到了豐富和完善。

曝氣調(diào)整的時(shí)機(jī)和尺度也難以確定。從控制的角度來(lái)講，什么時(shí)間調(diào)整，一次調(diào)整多少非常關(guān)鍵，如果這兩個(gè)參數(shù)確定不好，控制系統(tǒng)基本是紊亂的。除了對(duì)進(jìn)水水質(zhì)、水量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控外，當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷變化超過(guò)一定限度時(shí)，還需要預(yù)測(cè)這波進(jìn)水到生化反應(yīng)池大概需要的時(shí)間，然后再做出相應(yīng)的調(diào)整。負(fù)荷不同，氣體調(diào)整的數(shù)量，甚至調(diào)整的方式也會(huì)有所不同。

（2）曝氣支管氣量分配不容易控制

曝氣管道和曝氣盤(pán)的布置對(duì)曝氣控制的影響很大。

單純的風(fēng)機(jī)控制只能實(shí)現(xiàn)總風(fēng)量的調(diào)節(jié)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)每個(gè)區(qū)域的風(fēng)量都分配合適，而且風(fēng)管氣量分布問(wèn)題很復(fù)雜，光靠風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)不能保證氣量的準(zhǔn)確分配。

不同分區(qū)為了達(dá)到相同的溶解氧，支管閥門(mén)開(kāi)度差別較大，有的甚至全開(kāi)也不及其他區(qū)域30%開(kāi)度所帶來(lái)的溶解氧。

9 影響精確曝氣控制系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的因素

（1）設(shè)備維護(hù)情況

設(shè)備維護(hù)包括儀表、風(fēng)機(jī)、通信的維護(hù)等，數(shù)據(jù)不正?；蛲ㄐ殴收?、設(shè)備不能正確動(dòng)作都會(huì)影響精確曝氣控制系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，由于設(shè)備維護(hù)不到位或老化也會(huì)造成設(shè)備的一些參數(shù)發(fā)生變化。

在運(yùn)行階段，控制策略往往受限于硬件設(shè)備的維護(hù)情況。

（2）一些無(wú)法預(yù)知的干擾操作

例如，冷凝水或者生物池之外的某處需要曝氣，如果不迅速調(diào)整風(fēng)機(jī)的輸出，會(huì)導(dǎo)致DO 大幅度下降，嚴(yán)重影響溶解氧的穩(wěn)定性，而且如果持續(xù)如此，那就很難控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）技術(shù)供應(yīng)商和使用單位脫節(jié)

精確曝氣控制系統(tǒng)不是標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，根據(jù)不同污水處理廠的情況需要做出不同的控制策略，在調(diào)試階段需要投入大量的人力和時(shí)間。污水處理廠作為使用單位不僅需要維護(hù)好相關(guān)硬件設(shè)備，還需要了解控制邏輯，正確使用這套系統(tǒng)。項(xiàng)目驗(yàn)收完成之后，技術(shù)供應(yīng)商和使用單位還需要針對(duì)使用過(guò)程中的軟件、硬件，甚至整個(gè)污水處理廠的工藝問(wèn)題開(kāi)展長(zhǎng)期的合作和交流。

10 精確曝氣控制系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

更多地和TN、TP 排放指標(biāo)的控制相結(jié)合；更多地和碳源控制、加藥控制相結(jié)合；控制邏輯從AAO 應(yīng)用到其他工藝。