基于改良UCT工藝的精確曝氣技術的應用

楚金喜，付根深，王小玲，高 靜，趙曉娟

(中原環保股份有限公司，河南鄭州 450000)

污水的收集處理及資源化利用是改善城鎮人居環境，推進生態文明建設的重要組成。“十四五”期間，污水處理廠處理規模將進一步增至2.64億m3/d，隨著國家“雙碳”目標的提出，綠色低碳發展將成為污水處理廠今后工作的重點[1]。

活性污泥法是目前應用最廣泛的污水處理技術，其通過微生物新陳代謝完成脫氮除磷的功效，往往依賴于曝氣系統提供適宜的溶解氧(DO)環境。而據統計，曝氣系統能耗占比可達城鎮污水處理廠生產總能耗的50%～70%，因此，優化曝氣系統是實現節能降耗、低碳可持續發展的關鍵[2]。“非線性，大滯后”是傳統曝氣系統存在的主要問題，其嚴重滯后的曝氣量調節，往往會導致生物系統明顯的波動，不僅影響生物處理效果，而且會造成過度耗能；而精確曝氣系統以氣體流量為控制信號，以在線DO、進水量和管道氣壓為輔助信號，實現“按需分配，精確供氧”[3-4]。目前，精確曝氣系統在國內眾多污水廠得到成功應用，綜合節能潛力可達10%～30%[5]。例如,荊玉姝等[6]指出，青島張村河污水凈化廠引入精確曝氣分配與控制系統后，DO穩定在±0.3 mg/L，出水水質更加穩定，曝氣能耗降低24.8%，乙酸鈉藥耗降低15.8%；鄧歡忠等[7]以某10萬m3/d的污水廠為研究對象，發現精確曝氣可實現分區的DO控制，其水量比能耗降低4.48%；李升等[8]報道了馬頭崗二期精確曝氣應用效果，其精度可控制在1%以內，總磷日均值降低67.24%。

因此，本研究通過北方某污水處理廠的精確曝氣系統改造工程，探究了精確曝氣的實際控制效果對出水水質的影響，同時對藥耗和不同溫度下能耗進行了系統性評估。

1 材料與方法

1.1 項目背景

北方某污水處理廠采用改良UCT工藝，其特點在于內回流由2個部分組成，即好氧段污泥回流至缺氧端和缺氧端污泥回流至厭氧段，該工藝不僅能克服UCT工藝不易控制缺氧段的停留時間的缺點，還能避免控制不當，造成DO對厭氧區造成影響。該廠一期處理規模為10萬m3/d，共設兩組生物池，單組處理水量設計為5萬m3/d，其工藝流程圖如圖1所示，排放標準執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準與《賈魯河流域水污染物排放標準》(DB 41/908—2014)。

該廠長期處于進水碳源低、水質波動大的運行狀況。在日常的生產中電耗，藥耗成本占比較高，2020年廠區能耗分布如圖2所示。污水處理電耗占比高達79.08%，節能降耗空間巨大。因此，2021年2月引入某公司自主研發的精確曝氣系統。

圖2 2020年該污水處理廠生產能耗分布Fig.2 Production Energy Consumption Distribution of the WWTP in 2020

1.2 精確曝氣系統原理及應用

傳統PID控制為實現DO達到某一個設定值，頻繁啟動鼓風機、空氣蝶閥，影響設備的使用壽命，增加設備的維護成本。某公司的精確曝氣系統會針對日、月、年的數據進行智能化分析，采用趨近循優參數選擇，科學設定DO的控制區間、空氣調節閥門區間、鼓風機壓力范圍區間，經智能專家系統分析實時調控，實現對好氧末端控制目標的預控，使DO在最佳范圍，保證出水達標，系統原理如圖3所示。該系統與傳統PID的精確曝氣控制相比，減少了鼓風機等設備的動作頻次，保證了精確曝氣的長期穩定運行。

圖3 精確曝氣系統控制示意圖Fig.3 Control Diagram of Precise Aeration System

該廠結合生產實際與現有曝氣管道設計，將生物池好氧段DO控制分為前端、中斷、末端3個區段，每個區段均安裝DO探頭，污泥濃度計安裝在好氧段末端；同時根據末端DO目標值設定，實時收集生物池DO、水量、污泥濃度、水溫等指標參數的反饋。經智能分析后，通過精確曝氣系統控制柜，鼓風機主控制柜，鼓風機就地控制柜逐級實現風量的調整，且可根據DO各區域的實際需求，手動調整曝氣管支路的蝶閥開度，實現對每個曝氣支管的分區控制。

2 結果與討論

2.1 DO控制分析

為了準確評估精確曝氣系統的控制效果，于2021年2月21日—2021年2月27日進行實際DO測試，設定生物池出口DO目標值為1.5 mg/L，結果如圖4所示。

圖4 生物池末端DO控制曲線Fig.4 Control Curve of DO at the End of Biological Tank

DO基本維持在1～2 mg/L，波動在±0.5 mg/L，說明精確曝氣對DO有良好的控制效果。但每天8:00—10:00，DO明顯偏離設定值。這是由于在此期間進水水量過低，而鼓風機風量調節范圍有限，即使將風量調至最小開度，供氣量也依舊過剩。這與其他精確曝氣應用的相關報道一致[3]。

2.2 進出水水質對比分析

如表1所示，2021年12月與2020年12月的月進水總量、進水CODCr、氨氮、總氮濃度無明顯差異，僅總磷濃度偏低，水質情況基本接近。

表1 2020年12月與2021年同期進水水質指標Tab.1 Effluent Quality Indices in December 2020 and 2021

圖5為精確曝氣系統應用前后出水水質指標對比。由圖5可知，2021年12月的日進水水量波動情況明顯高于2020年同期，這對于污水的生化處理是不利的。2021年12月出水CODCr、總氮、總磷的日濃度相較于2020年同期明顯下降。CODCr平均去除率從91.06%提升至95.42%；總氮平均去除率從70.0%提升至73.8%；總磷平均去除率從94.4%提升至97.3%。這表明精確曝氣系統的應用，的確有助于進一步改善出水水質，同時保證出水水質的穩定性。值得注意的是，氨氮的平均去除率均在99%以上，但在12月18日往后，2021年出水氨氮日濃度反而高于同期水平，這是由于精確曝氣DO控制優化調節，減少因出水氨氮無必要的過度處理造成電耗成本增加。

圖5 精確曝氣系統應用前后出水水質指標對比Fig.5 Comparison of Effluent Quality Indices before and after Application of Precise Aeration System

生物池內污泥活性強弱及濃度大小是評價污水生化處理效果的關鍵指標[9]。圖6為精確曝氣系統應用前后生物池污泥濃度的對比分析結果。2021年12月日均污泥濃度相較于2020年同期有顯著提升，污泥平均濃度增長32.3%。結合圖4與圖5的討論結果，可以充分說明精確曝氣系統的精準按需曝氣，在生物池內分區域形成了動態穩定的DO環境，對微生物的活性及生長繁殖有積極作用，從而保證在2021年進水水量同比波動明顯的情況下，生物池抗沖擊負荷增強且出水水質的進一步優化。

圖6 精確曝氣系統應用前后生物池污泥濃度對比Fig.6 Comparison of Bio-Pool Sludge Concentrations before and after Application of Precision Aeration System

2.3 溫度變化對精確曝氣的效果評價

溫度的季節性變化對我國北方污水處理廠的生產能耗以及出水水質情況有明顯的沖擊，其中缺氧段的反硝化進程受溫度的變化制約最明顯[10-11]。因此，選取2021年7月、12月作為夏季、冬季的代表月份，進行溫度探究分析，并與2020年同期月份進行對比。表2為各時期生物池的平均溫度，其中一系列與二系列是該廠一期兩組平行的生物池系統。2021年7月平均池溫為23.44 ℃，12月的平均池溫為15.88 ℃，均與2020年同期基本持平。

表2 不同時期下生物池水溫變化Tab.2 Changes of Water Temperatures of Biological Pool under Different Period

圖7為溫度變化對出水水質的影響。2020年12月出水CODCr、總氮、氨氮濃度相較于7月有明顯上漲，其中出水CODCr質量濃度上漲4.37 mg/L，出水總氮濃度上漲2.74 mg/L；而應用精確曝氣后的2021年同期出水水質變化卻不明顯。這是因為冬季水溫下降，活性污泥中微生物增殖速率，群落結構及沉降性能受影響明顯，導致水體污染物去除性能變差。而精確曝氣的應用創造了適合微生物生長的DO環境，很大程度上抵消了溫度下降帶來的消極影響。

圖7 溫度變化對出水水質的影響Fig.7 Changes of Influence of Temperatures on Effluent Quality

表3為2021年與2020年不同時期下的污泥濃度。各時期生物池一、二系列的污泥濃度大致相同。2021年夏季7月的污泥平均濃度相較于2020年同期增加27.6%，冬季12月污泥濃度增加32.2%。這再次表明精確曝氣對氣量的實時控制顯著提高了生物池各區域的微生物活性及濃度，這與圖6的分析結果一致。

表3 不同時期下生物池污泥濃度Tab.3 Sludge Concentration of Biological Pond in Different Periods

2.4 節能降耗效果評價

2.4.1 鼓風機能耗分析

節能降耗是精確曝氣系統應用效果評估的關鍵[7]。表4為精確曝氣系統應用前后鼓風機能耗的對比。可以發現，2021年12月的鼓風機單耗最低，僅為0.142 kW·h/m3，相較于2020年同期能耗降低10.7%；而2021年7月的鼓風機單耗同比僅降低3.9%。這可能是因為冬季相較于夏季池溫低，微生物活性減弱，生化處理效果變差，曝氣量需求增加，傳統曝氣的粗放式曝氣導致鼓風機電耗偏高。此外，冬季去除單位質量CODCr的能耗同比下降32.6%，夏季同比下降17.5%，也進一步表明精確曝氣帶來的良好經濟效益。

表4 精確曝氣應用前后鼓風機能耗對比Tab.4 Comparison of Blower Energy Consumption before and after Precise Aeration Application

2.4.2 系統藥耗分析

該污水廠進水C/N長期偏低，導致需要外加碳源的補充；同時化學除磷也是污水廠除磷的必要手段。因此，針對精確曝氣應用前后藥耗的系統分析，也是對精確曝氣系統的評價指標，結果如圖8所示。

圖8 精確曝氣系統應用前后藥耗對比Fig.8 Comparison of Chemicals Consumption before and after Application of Precise Aeration System

精確曝氣應用后的藥耗累計使用量明顯降低，2021年7月甲醇投加量同比降低24 kg/(103m3)，PAC投加量降低22 kg/(103m3)；2021年12月各藥劑單耗累計量最低，其中PAC藥劑和甲醇的投加量均為0。這是因為精確曝氣DO的精確控制降低了回流硝化液DO，強化了生物除磷，同時避免了好氧段過量曝氣導致水體自身碳源的過量消耗，降低了缺氧反硝化過程中的碳源投加，結果與圖5分析一致。

2.4.3 整體性評價

精確曝氣系統的應用在生產能耗，藥耗上具有顯著的經濟效益。結合上文可知，2021年12月與2020年12月相比，鼓風機電耗降低0.017 kW·h/m3，碳源藥劑降低45 kg/(103m3)，除磷藥劑降低10 kg/(103m3)。2021年累計處理水量為2 537.18萬m3，電費單價為0.6元/(kW·h)，外加碳源單價為3 600元/m3，除磷藥劑為486元/m3，計算可得年電費降低0.01元/m3，藥劑費降低0.02元/m3，節能降耗效果明顯。

3 結論

精確曝氣系統的應用是城鎮污水廠實現出水水質穩定改善、節約成本的有效措施。本研究基于北方某污水處理廠精確曝氣系統的應用，結論如下。

(1)精確曝氣系統實現了生物池好氧區DO穩定控制在1.5 mg/L，波動在0.5 mg/L左右。

(2)精確曝氣系統的應用進一步穩定和改善了出水水質，CODCr平均去除率從91.06%提升至95.42%；總氮平均去除率從70.0%提升至73.8%；總磷平均去除率從94.4%提升至97.3%。

(3)精確曝氣系統在冬季的應用效果明顯優于夏季，精確曝氣通過DO的精確控制明顯增加了兩系列生物池污泥濃度，冬季污泥濃度平均增加32.3%，保證微生物冬季的活性高于同期。

(4)精確曝氣系統節能降耗效果明顯。鼓風機在夏季能耗同比降低3.9%，冬季則能同比降低10.7%，藥耗也得到很大程度節約。應用精確曝氣系統年電費可降低0.01元/m3，藥劑費降低0.02元/m3。

(5)本文重點圍繞北方某采用改良UCT工藝的污水廠精確曝氣的應用研究，處理水量規模僅為10萬m3/d。因此，關于城鎮大多數采用傳統AAO工藝以及處理規模更大的污水廠，精確曝氣的應用以及節能降耗的效果評價還需要深入的研究。