胡田力，邱葉林，韓寶平

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082)

近年來(lái)，隨著北京某鎮(zhèn)建設(shè)的快速發(fā)展，水環(huán)境問(wèn)題日益突出，市民反映強(qiáng)烈?，F(xiàn)有的污水處理廠無(wú)法滿(mǎn)足北京某地區(qū)發(fā)展的要求，亟需重新進(jìn)行污水處理或再生水廠的建設(shè)。根據(jù)執(zhí)行的最新該地區(qū)規(guī)劃，新建1座日處理污水量約7～8萬(wàn)t/d的北京某鎮(zhèn)再生水廠。北京某鎮(zhèn)再生水廠建成后，將大大地加快該地區(qū)污水資源化進(jìn)程，有效節(jié)約水資源，緩解地區(qū)水資源緊缺狀況，促進(jìn)當(dāng)?shù)匮h(huán)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。智能曝氣系統(tǒng)對(duì)于合理控制曝氣量，精確控制生物池DO值，實(shí)現(xiàn)污水廠的節(jié)能降耗具有重要意義。

1 工藝設(shè)計(jì)

北京某再生水廠一期工程，一期工程占地面積約為0.069 km2，設(shè)計(jì)規(guī)模為7萬(wàn)m3/d。為滿(mǎn)足節(jié)能減排要求，一期工程出水水質(zhì)需要達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/890—2012)規(guī)定的新(改、擴(kuò))建城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施基本控制項(xiàng)目排放限值B標(biāo)準(zhǔn)(表1)。其整體工藝流程如圖1所示。

污水經(jīng)新建污水總干管進(jìn)入粗格柵、細(xì)格柵、沉砂池及進(jìn)水泵房，經(jīng)提升后進(jìn)入生物池，去除污水中的有機(jī)物、脫氮除磷，生物處理后的污水進(jìn)入二沉池及膜池進(jìn)行深度處理，處理達(dá)標(biāo)后的水排放。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Design Water Quality of Influent and Effluent

北京某再生水廠一期工程的采用AAO處理工藝，為確保CODCr、BOD5、SS、TP、TN的去除率，保證出水水質(zhì)，設(shè)計(jì)1套智能曝氣控制系統(tǒng)(intelligent aeration control system，IACS)實(shí)現(xiàn)生物池精準(zhǔn)曝氣。

2 IACS

生物池IACS是一個(gè)使用高級(jí)算法的在線監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)采用“前饋+模型+反饋”控制策略[1]為活性污泥工藝優(yōu)化曝氣控制[2]。IACS提供總曝氣量和各曝氣段曝氣量的設(shè)定值、以及閥門(mén)的控制，來(lái)優(yōu)化控制整個(gè)曝氣系統(tǒng)。利用先進(jìn)的控制策略能對(duì)給定的溶解氧(DO)設(shè)定值提供精確DO的控制。

2.1 IACS基本原理

IACS通過(guò)數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)計(jì)算生物池耗氧速率(OUR)，并精確地算出每一個(gè)曝氣段的需氣量以維持其設(shè)定的DO值，迅速而精確地調(diào)整閥門(mén)開(kāi)度以完成所需氣量的分配，達(dá)到了精準(zhǔn)的DO控制[2]。采用生物池曝氣控制系統(tǒng)將溶解氧穩(wěn)定控制在設(shè)定值，使工藝運(yùn)行穩(wěn)定可靠，節(jié)省曝氣能耗，IACS原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。曝氣電耗往往占活性污泥工藝的污水處理廠全廠用電50%以上，智能曝氣控制對(duì)節(jié)省曝氣能耗有較好的效果。

圖2 IACS原理圖Fig.2 Schematic Diagram of IACS

2.2 IACS設(shè)計(jì)

根據(jù)污水處理廠生物池氣管布置特點(diǎn)，劃分DO控制分區(qū)并確定儀表的安裝位置。每組生物池的池型、DO控制區(qū)的劃分、空氣管路的布置、在線分析儀表的位置以及閥門(mén)、流量計(jì)位置等設(shè)備的信息[3]如圖3所示。

注：此圖為北池儀表配置圖，南池配置與此圖呈鏡像對(duì)稱(chēng)圖3 IACS設(shè)備配置圖Fig.3 IACS Equipment Configuration Diagram

2.2.1 儀表的配置依據(jù)

(1)在每個(gè)好氧區(qū)內(nèi)安裝在線DO分析儀，作為控制信號(hào)及反饋信號(hào)，并用于氣量的計(jì)算。采用雙通道DO及SS分析儀來(lái)監(jiān)測(cè)污水中活性污泥濃度。

(2)于空氣支管安裝熱式氣體流量計(jì)，用于氣量的檢測(cè)，同時(shí)作為閥門(mén)開(kāi)度計(jì)算的反饋信號(hào)。

(3)于空氣支管安裝電動(dòng)閥門(mén)，用于將所需氣量精確的分配至各個(gè)控制單元。

2.2.2 溶解氧控制思路

當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)MCP系統(tǒng)接收并追蹤到IACS所給定的總風(fēng)量設(shè)定值后，依靠所安裝的8組電動(dòng)閥門(mén)及流量計(jì)做氣量的精確分配，進(jìn)行DO的精確追蹤控制。

IACS所需要的測(cè)量參數(shù)及功能描述，如表2所示。

表2 IACS主要設(shè)備清單Tab.2 Main Equipment of IACS

2.2.3 鼓風(fēng)機(jī)及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥選型

曝氣鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，選擇操作簡(jiǎn)單、噪音低、投資小的多級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)，配備變頻電機(jī)，根據(jù)IACS的反饋信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。曝氣調(diào)節(jié)的電動(dòng)閥門(mén)采用電動(dòng)菱形調(diào)節(jié)閥，閥腔為菱形設(shè)計(jì)，閥門(mén)開(kāi)啟度與曝氣量近似線性關(guān)系，可配合IACS實(shí)現(xiàn)曝氣量的精確控制。

3 IACS功能運(yùn)行與調(diào)試

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的所有受控設(shè)備完成單機(jī)調(diào)試，并將信號(hào)傳至中控系統(tǒng)后，IACS與中控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，確保IACS能夠準(zhǔn)確地獲取現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)，并可以將系統(tǒng)計(jì)算的設(shè)定值通過(guò)中控系統(tǒng)發(fā)送至受控設(shè)備，完成設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，對(duì)控制系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行如下描述。

3.1 鼓風(fēng)機(jī)總風(fēng)量追蹤測(cè)試

鼓風(fēng)機(jī)控制邏輯簡(jiǎn)介：由IACS根據(jù)各個(gè)生物池不同廊道DO設(shè)定值計(jì)算所需風(fēng)量設(shè)定值，并將所有氣量設(shè)定值合成至總風(fēng)量設(shè)定值，發(fā)送至鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)MCP，由MCP統(tǒng)一進(jìn)行鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)啟臺(tái)數(shù)，每臺(tái)開(kāi)度大小的調(diào)配，最終使得各個(gè)支管管流量計(jì)之和趨近于發(fā)送的設(shè)定值，即完成鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的控制。

本次工程生化池共有8臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，其中南池4臺(tái)、北池4臺(tái)風(fēng)機(jī)，分別負(fù)責(zé)向南、北池好氧區(qū)獨(dú)立供氣，并由獨(dú)立的MCP總控柜負(fù)責(zé)風(fēng)機(jī)組的控制，每組3用1備。其拓?fù)潢P(guān)系如圖4所示，以北池為例。

圖4 生物池鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.4 Topology of Blower System in Biological Pool

IACS將實(shí)際的風(fēng)量需求發(fā)送至MCP，將各總管、分管流量計(jì)數(shù)據(jù)作為反饋信號(hào)發(fā)送至鼓風(fēng)機(jī)MCP，鼓風(fēng)機(jī)MCP則會(huì)根據(jù)其內(nèi)部控制邏輯自動(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)及每臺(tái)風(fēng)機(jī)開(kāi)度，用以追蹤總風(fēng)量設(shè)定值(圖5)。鼓風(fēng)機(jī)總風(fēng)量追蹤曲線分析如表3所示。

圖5 鼓風(fēng)機(jī)總風(fēng)量追蹤效果曲線Fig.5 Tracking Effect Curve of Total Air Volume of Blower

表3 鼓風(fēng)機(jī)總風(fēng)量追蹤曲線Tab.3 Tracking Curve of Total Air Volume of Blower

通過(guò)測(cè)試，鼓風(fēng)機(jī)總風(fēng)量設(shè)定值追蹤效果優(yōu)秀，MCP能夠自動(dòng)調(diào)整總曝氣量以追蹤IACS所給定的總風(fēng)量設(shè)定值。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在整個(gè)系統(tǒng)的追蹤過(guò)程中，風(fēng)量控制精度在1.5%內(nèi)，控制死區(qū)為100 m3/h。

3.2 氣量設(shè)定值追蹤精度

IACS經(jīng)過(guò)2個(gè)步驟完成氣量的追蹤：(1)氣量計(jì)算邏輯，根據(jù)各個(gè)廊道的DO設(shè)定值計(jì)算得到氣量設(shè)定值；(2)空氣閥門(mén)控制邏輯，根據(jù)各個(gè)廊道的氣量設(shè)定值計(jì)算空氣閥門(mén)開(kāi)度設(shè)定值，以百分比形式發(fā)送至各個(gè)閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并負(fù)責(zé)將閥門(mén)開(kāi)度調(diào)整至設(shè)定值，即完成閥門(mén)的控制。

本次工程中，共計(jì)安裝8套電動(dòng)閥門(mén)和8套熱式氣體流量計(jì)，以精確調(diào)控曝氣量。閥門(mén)的控制精度會(huì)直接影響到DO的控制效果。

圖6為南池第二控制區(qū)通過(guò)閥門(mén)開(kāi)度的調(diào)整，所達(dá)成的氣量追蹤效果。由圖6可知，IACS會(huì)根據(jù)氣量設(shè)定值，通過(guò)不斷調(diào)整閥門(mén)開(kāi)度，以追蹤氣量設(shè)定值。

圖6 氣量設(shè)定值追蹤效果圖Fig.6 Effect Chart of Air Setting Value Tracking

圖7為南組生物池全部4個(gè)控制區(qū)域的風(fēng)量追蹤曲線。由圖7可知，IACS可以根據(jù)氣量設(shè)定值，精準(zhǔn)計(jì)算并調(diào)控閥門(mén)開(kāi)度，使其滿(mǎn)足氣量精確分配的要求。聯(lián)調(diào)成功后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，各個(gè)控制區(qū)氣量的追蹤精度如表4所示。

圖7 生物池氣量追蹤整體效果圖Fig.8 Overall Effect of Bio-Tank Air Tracking

表4 各控制區(qū)氣量追蹤精度Tab.4 Air Tracking Accuracy of Each Control Zone

3.3 閥門(mén)設(shè)定邏輯測(cè)定

考慮到電動(dòng)閥門(mén)的頻繁動(dòng)作會(huì)減少其使用壽命，IACS對(duì)于閥門(mén)開(kāi)度的計(jì)算進(jìn)行了一系列的內(nèi)部邏輯優(yōu)化，圖8為實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中1 h內(nèi)，共計(jì)4個(gè)控制周期閥門(mén)開(kāi)度變化與此時(shí)的風(fēng)量追蹤效果曲線。

圖8 閥門(mén)控制邏輯圖Fig.8 Logic Diagram of Valve Control

由圖8可知，閥門(mén)在每個(gè)周期開(kāi)始階段經(jīng)過(guò)3～8次的調(diào)整，維持氣量在設(shè)定值附近，IACS完備的閥門(mén)開(kāi)度算法，可以最大限度地減少閥門(mén)的動(dòng)作頻次，實(shí)現(xiàn)氣量設(shè)定值的精確追蹤。

在本工程中，閥門(mén)的設(shè)定如表5所示。

表5 閥門(mén)的設(shè)定參照表Tab.5 Reference of Valve Setting

3.4 IACS對(duì)于DO的追蹤效果測(cè)試

在生物池處于手動(dòng)控制狀態(tài)下，鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)與閥門(mén)系統(tǒng)均處于人工操作狀態(tài)。因此，當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，無(wú)法第一時(shí)間進(jìn)行總風(fēng)量/閥門(mén)的調(diào)整，結(jié)果就是生物池中DO的讀數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，直接反映進(jìn)水水量的變化。使用生物池曝氣控制系統(tǒng)IACS接管整個(gè)生物池的曝氣控制后，會(huì)自動(dòng)根據(jù)好氧速率等指標(biāo)直接計(jì)算維持DO設(shè)定值所需的風(fēng)量，繼而控制鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)與各個(gè)空氣調(diào)節(jié)閥，最后使得DO能夠穩(wěn)定在設(shè)定值較小范圍內(nèi)，如圖9所示。

圖9 溶解氧追蹤效果Fig.9 DO Tracking Effect

圖9為南組生物池第1、4控制單元DO的控制效果。由圖9可知，IACS界入控制之前，末端DO最高可達(dá)6.2 mg/L，一方面造成了能源的浪費(fèi)；另一方面使回流至缺氧區(qū)的內(nèi)回流液DO偏高，好氧微生物與反硝化菌競(jìng)爭(zhēng)碳源，影響工藝的脫氮效果。IACS界入之后，在每隔15 min的控制周期，根據(jù)給定的DO設(shè)定值計(jì)算每個(gè)控制單元的需氣量，并通過(guò)調(diào)整閥門(mén)將所需氣量精準(zhǔn)分配至各個(gè)控制區(qū)，使DO實(shí)際值穩(wěn)定在設(shè)定值附近，經(jīng)過(guò)4～5個(gè)周期的調(diào)整之后，整個(gè)生物池工藝運(yùn)行便趨于穩(wěn)定。

4 IACS運(yùn)行效果與結(jié)論

DO是IACS的主要控制目標(biāo)。對(duì)DO的精確控制，一方面為微生物創(chuàng)造一個(gè)穩(wěn)定的生化環(huán)境，提高其代謝營(yíng)養(yǎng)物的效率；另一方面，對(duì)工藝好氧段不同區(qū)域?qū)嵤┌葱杵貧?，滿(mǎn)足生化系統(tǒng)對(duì)曝氣量的需求，從而降低了不必要的曝氣能耗，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鼓風(fēng)機(jī)曝氣的節(jié)能控制[4]。在實(shí)際應(yīng)用中，IACS根據(jù)工藝需求計(jì)算出全廠總需氣量，將總需求設(shè)定值傳輸至鼓風(fēng)機(jī)主控制柜，主控制柜按照設(shè)定目標(biāo)對(duì)所屬鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保高低負(fù)荷工況下，曝氣量都能達(dá)到實(shí)際需求，同時(shí)又能降低不必要的曝氣能耗[5]。

4.1 DO的控制效果

將IACS與人工控制下的運(yùn)行效果作對(duì)比，以驗(yàn)證控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

圖10 IACS控制下DO整體控制曲線Fig.10 Overall Control Curve of Dissolved Oxygen under IACS Control

圖11 手動(dòng)條件下DO運(yùn)行曲線Fig.11 Dissolved Oxygen Operation Curve under Manual Conditions

圖10為調(diào)試期間，南組生物池4個(gè)控制單元在精確曝氣控制系統(tǒng)下，實(shí)時(shí)DO與DO設(shè)定值曲線。圖11反映了手動(dòng)條件下的DO運(yùn)行曲線。在人工控制條件下，實(shí)時(shí)DO的變化曲線明顯受進(jìn)水負(fù)荷的影響，從控制曲線看，實(shí)時(shí)DO曲線變化波動(dòng)達(dá)6.8 mg/L，最小為0.5 mg/L，最大可達(dá)7.3 mg/L。但在精確曝氣系統(tǒng)的控制下，對(duì)于所獲取的數(shù)據(jù)，去除噪聲干擾后統(tǒng)計(jì)DO實(shí)際值在設(shè)定值±0.5 mg/L內(nèi)出現(xiàn)的概率，表示最終的DO控制效果，計(jì)算如式(1)。

(1)

其中:n——測(cè)試期間所采集的DO數(shù)據(jù)點(diǎn);

DK5——溶解氧在0～0.5 mg/L范圍內(nèi)的概率，百分率形式表示，DK5=P/N；

P——設(shè)定值與實(shí)際值的絕對(duì)值在0.5 mg/L范圍內(nèi)的個(gè)數(shù)，個(gè)；

DOi——某一時(shí)點(diǎn)的溶解氧值，mg/L；

DOSET——溶解氧設(shè)定值，mg/L。

測(cè)試期間共獲取不間斷數(shù)據(jù)4 977個(gè)，并統(tǒng)計(jì)實(shí)時(shí)DO在DO設(shè)定值±0.5 mg/L的時(shí)間，第1控制區(qū)為98.0%，第2控制區(qū)為82.3%，第3控制區(qū)為79.0%，第4控制區(qū)為85.3%，如圖12所示。

圖12 各控制區(qū)溶解氧控制精度圖 (a)第一控制區(qū)；(b)第二控制區(qū)；(c)第三控制區(qū)；(d)第四控制區(qū)Fig.12 Dissolved Oxygen Control Accuracy Diagram of Each Control Area (a)1st Control Area;(b)2nd Control Area;(c)3rd Control Area;(d)4th Control Area

4.2 控制系統(tǒng)的節(jié)能效果分析

手動(dòng)生物池控制狀態(tài)下，鼓風(fēng)機(jī)的總風(fēng)量依靠手動(dòng)在各臺(tái)風(fēng)機(jī)上進(jìn)行百分比調(diào)節(jié)，具有較大的延時(shí)性以及非精確性。同時(shí)，也無(wú)法實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此，當(dāng)遇到進(jìn)水低谷的時(shí)，無(wú)法對(duì)風(fēng)量進(jìn)行及時(shí)降低，造成能耗的浪費(fèi)；利用曝氣控制系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)DO進(jìn)行控制，在進(jìn)水負(fù)荷降低的時(shí)，能夠有效降低整個(gè)系統(tǒng)中的鼓風(fēng)機(jī)總風(fēng)量，繼而降低能耗。

圖13 測(cè)試期間進(jìn)水總量變化曲線Fig.13 Variation Curve of Total Inflow During Test Period

通過(guò)與SCADA通訊，獲取測(cè)試期2018年5月20日—5月24日共計(jì)5 d的進(jìn)水流量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖13所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，最大處理流量為145 183 m3/d，最小處理量為54 040 m3/d，平均日處理量為84 589 m3，變化系數(shù)為11%。

由圖14可知，在手動(dòng)運(yùn)行條件下，采取固定風(fēng)量的模式進(jìn)行控制，測(cè)試期間北池平均總風(fēng)量為16 903 m3/d，南池平均總風(fēng)量為19 424 m3/d。當(dāng)切入IACS自動(dòng)控制后，總風(fēng)量設(shè)定值會(huì)隨進(jìn)水負(fù)荷進(jìn)行相應(yīng)變化。其中，北池風(fēng)量變化為4 964～10 961 m3/d，平均為9 068 m3/d；南池風(fēng)量變化為6 762～16 310 m3/d，平均為13 266 m3/d。與手動(dòng)控制模式相比，在IACS自動(dòng)控制條件下，南、北池節(jié)省平均風(fēng)量分別為31.7%和46.4%。(注：本數(shù)據(jù)分析源于將南、北池作為單獨(dú)的控制單元，并對(duì)不同時(shí)間段手動(dòng)/自動(dòng)條件下日平均風(fēng)量進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)分析時(shí)未考慮進(jìn)水污染負(fù)荷濃度及進(jìn)水量等影響因素，同時(shí)，受鼓風(fēng)機(jī)效率及總管壓力的影響，實(shí)際的鼓風(fēng)能耗節(jié)省空間有待進(jìn)一步論證)

圖14 手動(dòng)/自動(dòng)條件下總風(fēng)量運(yùn)行曲線Fig.14 Total Air Volume Operation Curve under Manual/Automatic Conditions

為評(píng)估IACS自動(dòng)控制條件下每噸水能耗的節(jié)省空間，現(xiàn)將南、北池作為一個(gè)整體進(jìn)行考慮，同時(shí)需滿(mǎn)足以下3個(gè)條件：

(1)南北池全手動(dòng)條件下，平均污水處理量為82 060 m3/d，氣水比為10.6∶1；

(2)南池自動(dòng)、北池手動(dòng)條件下，污水日均處理量為91 813 m3/d，氣水比為9.0∶1；

(3)北池自動(dòng)、南池手動(dòng)條件下，污水日均處理量為79 425 m3/d，氣水比為7.4∶1。

在滿(mǎn)足上述3個(gè)設(shè)定條件下進(jìn)行對(duì)比分析，南、北池處理每噸污水的風(fēng)量節(jié)省空間分別為15.0%和30.0%。若2組同時(shí)在自動(dòng)條件下運(yùn)行，理論上會(huì)有更大的節(jié)能空間。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合北京某再生水廠IACS主要功能模塊的測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并實(shí)測(cè)驗(yàn)證，對(duì)控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化。從控制效果看，其風(fēng)量追蹤精度在90%以上，DO控制穩(wěn)定。在IACS自動(dòng)控制條件下，再生水廠南、北池較手動(dòng)控制分別節(jié)省平均風(fēng)量分別為31.7%和46.4%。證明IACS的控制邏輯，能夠完全滿(mǎn)足AAO工藝長(zhǎng)期運(yùn)行的要求，具備系統(tǒng)驗(yàn)收的條件。

(2)在日后系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，可能需持續(xù)地對(duì)系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行關(guān)注，并定期對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中可能產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行跟蹤與故障排查，確保系統(tǒng)長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行。