基于A2O工藝的精確曝氣系統(tǒng)研究

馮淳一，湯卓衡，付 悅

（重慶遠通電子技術(shù)開發(fā)有限公司，重慶 400060）

0 引言

近年來，水環(huán)境安全越來越受國家重視，隨著城市化、工業(yè)化的發(fā)展，水環(huán)境污染加劇。污水處理廠作為可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)施，重點是將生活污水及工業(yè)污水收集處理達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）后排放［1］，改善水環(huán)境的污染。我國污水處理工藝核心采用生物活性污泥法為主［2］，利用微生物去除水中污染物，因此污水中溶解氧（DO）的濃度直接影響微生物群落的組成及污染物轉(zhuǎn)化的速度［3］。西南片區(qū)某污水處理廠服務(wù)面積約50 km2，污水處理工藝采用A2O工藝。目前曝氣對該水廠運行的影響有以下問題：①該廠曝氣根據(jù)人工經(jīng)驗預(yù)估實行間歇曝氣，存在運行能耗高的問題；②曝氣過低會影響硝化反應(yīng)，過高又造成多余的溶解氧經(jīng)回流影響缺氧池的反硝化及厭氧池中聚磷菌的釋磷；③厭氧池DO高導(dǎo)致碳源消耗增加［4］；④由于進水負荷波動，當進水負荷偏低，過曝導(dǎo)致污泥解體問題。上述存在的問題會提高能源成本，導(dǎo)致高能耗、高成本、低收益，因此優(yōu)化曝氣成為污水處理行業(yè)的研究熱點［5］。

曝氣是影響污水處理廠出水水質(zhì)和降低能耗的重要部分，曝氣利用ICA（Instrumentation，Control and Automation，即儀表、控制和自動化）技術(shù)，對污水廠好氧區(qū)進行自動、精確、合理地控制，解決污水處理廠出水水質(zhì)穩(wěn)定達標、節(jié)能減排及人工過度干預(yù)的問題［6］。曝氣是使空氣與水充分接觸的一種手段，目的是將空氣中的氧氣溶解于水中，或是將水中多余的氣體及揮發(fā)性物質(zhì)釋放到空氣中［7］。目前曝氣主要分為傳統(tǒng)曝氣和新型曝氣控制系統(tǒng)兩類，傳統(tǒng)曝氣控制系統(tǒng)通過人工經(jīng)驗調(diào)節(jié)閥門控制風(fēng)量，新型曝氣控制系統(tǒng)包含以模型計算為核心的精確曝氣及按規(guī)則推理為核心的智能曝氣控制。本文根據(jù)實際污水廠的生產(chǎn)分析，提出對曝氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化方案，通過模型計算與可編程邏輯控制器（PLC）通信控制曝氣時間及風(fēng)量，從而實現(xiàn)精確曝氣［8］。

1 智能曝氣系統(tǒng)優(yōu)化升級

西南片區(qū)某污水處理廠采用A2O生物池工藝，其工藝如圖1所示。

圖1 A2O生物池工藝

生物池安裝有曝氣裝置、推進器及回流渠道，將生物池分為厭氧區(qū)、缺氧區(qū)及好氧區(qū)，該工藝不僅能去除污水中有機碳污染，還能有效去除水中氮和磷污染。好氧區(qū)主要由曝氣裝置提供氧氣，該反應(yīng)區(qū)可去除生化需氧量（BOD）、硝化和吸收磷等，同時有部分污泥回流到缺氧區(qū)。

西南片區(qū)某污水處理廠24小時進水水量波動較大，監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，某一天就產(chǎn)生了54次流量突變，波動在50%及以上有48次，如此頻繁及大幅度的水量沖擊對后續(xù)工藝的自動穩(wěn)定控制產(chǎn)生了較大的影響。而且原有的曝氣閥門采用的是手動式，即根據(jù)人工經(jīng)驗實行“曝2停2”式的間歇曝氣［9］。廠區(qū)在運行時，當出水化學(xué)需氧量（COD）和氨氮存在超標風(fēng)險時，工作人員便增加曝氣量，控制達標。該方法較粗糙，并且根據(jù)出水預(yù)測存在一定滯后性，因此改造需要對生物脫氮的硝化和反硝化過程進行優(yōu)化控制，該過程需要合理控制曝氣量，曝氣過低會使生物硝化不完全，出水氨氮和總氮存在超標風(fēng)險，反之使得回流水中溶解氧（DO）過高，增大碳源的消耗，同時也會使鼓風(fēng)機的能耗增加［10］。曝氣系統(tǒng)采用一級控制結(jié)構(gòu)，由好氧區(qū)的溶氧儀及濁度計反饋，調(diào)節(jié)曝氣閥門開度。基于此將在厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)增添檢測儀表，對硝氮進行提早檢測。該污水處理廠生物池中原本只安裝有溶氧儀、濁度計及鼓風(fēng)管道內(nèi)安裝的壓力計和氣體流量計。

優(yōu)化曝氣控制系統(tǒng)，對兩個生物池進行改造，新增在線儀表溶氧儀、氨氮儀、硝氮儀、ORP儀和磷酸鹽儀，曝氣管道將手動閥門改為電動閥門等。生物池新增儀表和設(shè)備（如圖2所示）。

圖2 生物池新增儀表和設(shè)備示意圖

為節(jié)省能耗，該污水廠設(shè)計并安裝了曝氣優(yōu)化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對曝氣量的精確控制［11］。曝氣控制系統(tǒng)采用三級串聯(lián)的控制結(jié)構(gòu)：第一級前饋開環(huán)控制，通過進水負荷設(shè)定計算最優(yōu)溶解氧；第二級水質(zhì)反饋閉環(huán)控制，通過好氧區(qū)溶解氧儀的實時數(shù)據(jù)調(diào)整每個支管曝氣量及閥門開度；第三級鼓風(fēng)機閉環(huán)反饋控制，通過溶解氧和支管曝氣量調(diào)整風(fēng)機總氣量。控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 曝氣過程控制策略

曝氣控制系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括在線儀表、鼓風(fēng)機等，軟件系統(tǒng)包括中控室上位機組態(tài)、曝氣過程控制系統(tǒng)等。鼓風(fēng)管道和電動閥門是為活性污泥提供氧氣，保持其活性以去除有機物污染；在線儀表作為監(jiān)測手段實時反應(yīng)整個曝氣過程好氧微生物降解有機物的情況，及時調(diào)整曝氣量；上位機組態(tài)作為人機交互，使管理人員及時掌握在線儀表水質(zhì)狀況，通過遠程進行調(diào)節(jié)［12］；曝氣控制系統(tǒng)可實現(xiàn)根據(jù)進水負荷、出水水質(zhì)與溶解氧狀態(tài)，實時調(diào)節(jié)閥門開度控制鼓風(fēng)機風(fēng)量，實現(xiàn)按需曝氣，使其在滿足出水達標的前提下降低曝氣量，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。通過在線儀表采集數(shù)據(jù)及存儲數(shù)據(jù)，通過模型精確計算曝氣量并轉(zhuǎn)換為鼓風(fēng)機與閥門的調(diào)節(jié)參數(shù)，將參數(shù)傳輸給鼓風(fēng)機及電動閥門對應(yīng)的PLC子站，由PLC站對鼓風(fēng)機及閥門進行調(diào)節(jié)控制，從而控制生物池的曝氣量。

根據(jù)廠區(qū)實際運行情況與儀表等硬件設(shè)備對曝氣控制系統(tǒng)進行優(yōu)化。曝氣控制系統(tǒng)根據(jù)進水負荷計算系統(tǒng)對應(yīng)的總需氣量，結(jié)合曝氣條件下的溶解氧、風(fēng)量變化情況計算實際曝氣量。由于間歇曝氣應(yīng)對沖擊能力較低，在進水前饋的基礎(chǔ)上增加了氨氮反饋補償策略和時間保護策略，增加了“停機最長時間”“曝氣最短時間”“氨氮上線/下線設(shè)定值”等參數(shù)預(yù)防曝氣量不足的情況，最終構(gòu)成間歇曝氣的鼓風(fēng)機啟停控制策略（如圖4所示）。

圖4 曝氣控制策略流程圖

2 結(jié)果與分析

2.1 出水水質(zhì)分析

該廠區(qū)對城市生活污水進行處理，進水量存在波動，以好氧池出水氨氮值作為工藝穩(wěn)定的評價指標。根據(jù)污水處理一級A排放標準，出水氨氮的排放標準為0～5 mg/L。本文利用2019年、2020年及2021年同期的出水氨氮值作為對比評價，如圖5所示。

如圖5所示，采集2019年7月和2020年7月數(shù)據(jù)作為對比期，2021年7月為實施期，對比期出水氨氮濃度在 0.5 mg/L 以下的累計頻率分別為 94.89%、90.73%，精確曝氣實施后，在出水水質(zhì)達標范圍內(nèi)，盡可能減少曝氣量，使得出水氨氮濃度基本維持在0～3 mg/L內(nèi)波動，有效減少廠區(qū)能耗。

圖5 實施前后出水氨氮變化情況

同時選取了一段時間進行了改進前后的進水COD和出水COD的對比，如圖6、圖7所示。

圖6 改進前進出水COD對比

圖7 改進后進出水COD對比

改進前出水COD控制在5～17 mg/L，保持在較低水平必然造成能耗損失，對比智能精確曝氣改進后出水COD穩(wěn)定在13～28 mg/L，在降低能耗的情況下保證了出水水質(zhì)的穩(wěn)定達標。

2.2 廠區(qū)能耗分析

廠區(qū)為驗證智能精確曝氣能夠?qū)崿F(xiàn)降低能耗的效果，對單日能耗進行統(tǒng)計，但水量逐年增加，所以單日鼓風(fēng)機能耗無法說明能耗節(jié)約情況，可通過每噸進水污染物含量計算電耗。監(jiān)測中控室可獲取鼓風(fēng)機啟停時間及對應(yīng)的電流，鼓風(fēng)機日平均耗能計算公式如公式（1）、公式（2）所示：

式中，A表示鼓風(fēng)機瞬時電流，t表示開啟時間，不考慮功率因數(shù)影響，cos取1計算。表示每噸水鼓風(fēng)機能耗。

污水不同時期進水水質(zhì)存在差異，因此不能單一按每噸水鼓風(fēng)機電耗說明曝氣控制系統(tǒng)能耗情況，引入單位耗氧污染物鼓風(fēng)機能耗作為評價指標，該指標綜合考慮了水質(zhì)和水量對能耗的影響。根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠運營質(zhì)量評價標準》（CJJ/T 228—2014）計算方法［13］，耗氧污染物消減日均值如公式（3）、公式（4）所示：

其中，BODin、NH4in分別為進水BOD和氨氮，BODout、NH4out分別為出水BOD和氨氮，in為進水流量，3.5是換算氧消耗量；FT為耗氧污染物消減量；為耗氧污染物消減日均值。

單位耗氧污染物鼓風(fēng)機能耗如公式（5）所示：

本文對改進前后同一時間段內(nèi)（改進前2019年6月8～24日、2020年6月8～24日，改進后2021年6月8～24日）耗氧污染物消減日均值和單位耗氧污染物鼓風(fēng)機能耗進行計算，對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 改進前后智能曝氣能耗對比值

由表1可知，2021年改進智能精確曝氣后與2020及2019進行對比，能耗明顯降低，改進后能耗比2019年同期降低14.54%，同樣比2020年同期降低6.11%，由此可以得出改進后的智能精確曝氣能耗明顯降低。隨著改進的運行趨于穩(wěn)定，后期可考慮優(yōu)化相應(yīng)的時間，以保護上、下限設(shè)定值。

3 結(jié)束語

本文以西南片區(qū)某污水處理廠A2O工藝為研究對象，進行智能精確曝氣控制系統(tǒng)改造。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算，在保證出水水質(zhì)達城市污水處理一級A標排放的前提下，實現(xiàn)污水處理能耗降低的目的，同時降低了人工成本、智能化控制曝氣時間及風(fēng)量。好氧區(qū)增加溶氧儀及在各區(qū)新增監(jiān)測儀表，更好地做到提前反饋，提前預(yù)防出水水質(zhì)超標問題，穩(wěn)定控制溶解氧，保證了出水水質(zhì)的穩(wěn)定性。