應(yīng)基光，林莉峰，汪蕓蕓

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

污水處理是城市建設(shè)的重要組成部分。近年來(lái)，我國(guó)污水處理行業(yè)發(fā)展迅速，污水處理廠深度參與協(xié)同減排是建設(shè)低碳社會(huì)、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。在“雙碳”目標(biāo)下，低碳污水處理廠的理念受到了業(yè)界的關(guān)注。為了契合低碳污水處理廠的發(fā)展戰(zhàn)略，需要對(duì)污水處理廠節(jié)能減排關(guān)鍵的因素進(jìn)行分析研究。

國(guó)內(nèi)的污水處理大部分采用活性污泥處理工藝，該處理工藝中關(guān)鍵的因素是需要給生化池中的微生物提供適量的氧氣進(jìn)行氧化反應(yīng)，因此對(duì)于曝氣量的控制至關(guān)重要[1]。傳統(tǒng)的曝氣控制是通過(guò)手動(dòng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，主要取決于現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)，存在著很大程度的不確定性和浪費(fèi)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)精確曝氣系統(tǒng)的自動(dòng)控制，減少人員的干預(yù)，研究人員對(duì)曝氣控制方法作了大量研究，包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、支持向量機(jī)等。本文主要以深圳某污水處理廠多段AAO 處理工藝為研究對(duì)象，對(duì)精確曝氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程進(jìn)行分析和總結(jié)，以期為同類項(xiàng)目提供借鑒。

1 系統(tǒng)概述

1.1 精確曝氣系統(tǒng)原理

生物處理是污水處理過(guò)程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，通常通過(guò)維持生物持續(xù)有效的生長(zhǎng)，促進(jìn)生物的生化過(guò)程，從而達(dá)到去除或者降低污水中需要除去的物質(zhì)之目的，滿足污水排放的標(biāo)準(zhǔn)要求。傳統(tǒng)的控制策略無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地應(yīng)對(duì)現(xiàn)狀污水處理參數(shù)的變化。一般試運(yùn)行初期僅對(duì)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，或者只對(duì)末端曝氣管道進(jìn)行調(diào)節(jié)，而無(wú)法根據(jù)實(shí)際運(yùn)行條件的改變對(duì)反應(yīng)池的曝氣量進(jìn)行實(shí)時(shí)、按需調(diào)節(jié)，同時(shí)做到節(jié)省能耗[2]。

溶解氧是影響生物處理過(guò)程的主要因素，溶解氧控制的好壞直接影響著污水處理效果。精確曝氣系統(tǒng)引入“前饋+ 反饋+ 模型”組成的多參數(shù)控制方式，能有效應(yīng)對(duì)污水處理廠大時(shí)滯、非線性等特性，綜合考慮鼓風(fēng)機(jī)、曝氣管路的調(diào)節(jié)閥，以及溶解氧、水量負(fù)荷等，對(duì)生物反應(yīng)過(guò)程實(shí)施精確控制，實(shí)現(xiàn)按需曝氣，從而提高運(yùn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性，節(jié)約能源。

在污水處理廠中，前饋信號(hào)主要包括進(jìn)水水量和水質(zhì)等信號(hào)；反饋信號(hào)主要包括溶解氧、污泥濃度、生化池的液位等信號(hào)。

精確曝氣系統(tǒng)的溶解氧控制策略通常有將控制目標(biāo)設(shè)為恒定值和動(dòng)態(tài)值這2 種。

通常，在溶解氧控制目標(biāo)設(shè)為恒定值的控制策略下，精確曝氣系統(tǒng)將根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)、進(jìn)水水量、溶解氧設(shè)定值、生化池污泥濃度等信號(hào)，計(jì)算出各個(gè)生化池區(qū)域的需求氣量和總的需求氣量，從而調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)和曝氣管上的電動(dòng)閥，使供氣量和需求氣量相匹配，從而實(shí)現(xiàn)溶解氧目標(biāo)值的控制。

采用精確曝氣系統(tǒng)，污水處理廠可以更好地實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）降低單位污水處理的能耗，節(jié)約成本。

（2）提高污水處理運(yùn)行整體穩(wěn)定性和可靠性[3]。

（3）根據(jù)處理的水量負(fù)荷、污染負(fù)荷進(jìn)行曝氣的自動(dòng)調(diào)節(jié)，真正做到按需曝氣、自動(dòng)控制。

（4）改善出水水質(zhì)，提高出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率。

1.2 精確曝氣系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該污水處理廠的設(shè)計(jì)處理規(guī)模為5 萬(wàn)m3/d，采用多段AAO 工藝，設(shè)有2 座生化池，出水水質(zhì)主要指標(biāo)達(dá)到地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。污水處理工藝流程見圖1。

圖1 污水處理工藝流程

該項(xiàng)目共有2 個(gè)生化池，每個(gè)生化池劃分為6個(gè)溶解氧控制區(qū)，全廠生化池共劃分為12 個(gè)溶解氧控制區(qū)。其精確曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖見圖2。

圖2 精確曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

為了能夠?qū)崿F(xiàn)精確曝氣，需要配套完整的精確曝氣系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)。精確曝氣系統(tǒng)自動(dòng)化通訊拓?fù)鋱D見圖3。

圖3 精確曝氣系統(tǒng)自動(dòng)化通訊拓?fù)鋱D

圖4 精確曝氣系統(tǒng)需氣量計(jì)算模型

精確曝氣系統(tǒng)控制主站通過(guò)通訊直接獲取曝氣鼓風(fēng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)，采集現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)儀表的信號(hào)，并將控制調(diào)節(jié)指令給到設(shè)備閥門和鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)曝氣環(huán)節(jié)的全自動(dòng)控制以及流量調(diào)節(jié)閥與鼓風(fēng)機(jī)的聯(lián)合調(diào)節(jié)。

1.3 精確曝氣系統(tǒng)硬件組成

在每個(gè)溶解氧控制區(qū)配置1 臺(tái)在線溶解氧儀表，每個(gè)溶解氧控制區(qū)對(duì)應(yīng)的曝氣支管上各配置1臺(tái)熱式氣體流量計(jì)和1 臺(tái)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。在鼓風(fēng)機(jī)房出口總管上分別安裝1 臺(tái)熱式氣體流量計(jì)和1 臺(tái)壓力變送器。

精確曝氣系統(tǒng)設(shè)備及儀表配置表見表1。

表1 精確曝氣系統(tǒng)設(shè)備及儀表配置表

1.4 精確曝氣系統(tǒng)軟件組成

精確曝氣系統(tǒng)軟件安裝運(yùn)行在精確曝氣系統(tǒng)工作站上，是系統(tǒng)的核心處理單元。該單元基于采集到的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，通過(guò)模型計(jì)算生化池的生物需氣量，同時(shí)向現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備發(fā)出調(diào)節(jié)指令，功能上包括曝氣量計(jì)算模塊、配氣模塊、鼓風(fēng)機(jī)優(yōu)化給定模塊等核心模塊。

精確曝氣系統(tǒng)軟件主要基于以下兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：

（1）精確曝氣系統(tǒng)將好氧段分為數(shù)個(gè)獨(dú)立的溶解氧控制區(qū)，能夠適應(yīng)工藝控制流程的要求，自動(dòng)調(diào)整曝氣的流量，滿足處理單元所需要的溶解氧分布工藝工況。

（2）精確曝氣系統(tǒng)允許用戶自主設(shè)定目標(biāo)溶解氧含量，而且支持DO 動(dòng)態(tài)設(shè)定?？紤]方便性和可操作性，相關(guān)數(shù)據(jù)可在中控室進(jìn)行查看和配置。

精確曝氣的控制機(jī)制為現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)先，其次是中控上位機(jī)，主要包括閥門控制和鼓風(fēng)機(jī)控制。

閥門控制有就地控制模式和遠(yuǎn)程控制模式這2種模式。在中控上位機(jī)上有手動(dòng)和精確曝氣模式2種選擇。

鼓風(fēng)機(jī)的壓力控制包括：

（1）當(dāng)主控柜進(jìn)入就地模式時(shí)，壓力設(shè)定可就地手動(dòng)設(shè)置。

（2）當(dāng)主控柜進(jìn)入遠(yuǎn)程自動(dòng)模式時(shí)，壓力設(shè)置分為手動(dòng)和精確曝氣模式2 種，并切換至中控室控制。

由于具有全自動(dòng)控制、局部自動(dòng)控制和手動(dòng)強(qiáng)制控制這3 種控制模式，且能夠在現(xiàn)場(chǎng)或主控室內(nèi)進(jìn)行模式切換，精確曝氣系統(tǒng)可以充分應(yīng)對(duì)污水處理廠運(yùn)行中遇到的各種情況。

1.5 精確曝氣系統(tǒng)功能

1.5.1 需氣量計(jì)算

精確曝氣系統(tǒng)能夠根據(jù)生化池中各因素的變化動(dòng)態(tài)地計(jì)算出實(shí)際需氣量，使曝氣系統(tǒng)隨需而變地進(jìn)行供氣。精確曝氣系統(tǒng)需氣量計(jì)算模型見圖5。

在實(shí)際的污水處理廠精確曝氣控制應(yīng)用中，精確曝氣系統(tǒng)可以隨進(jìn)水水量和水質(zhì)負(fù)荷的變化而實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)際用氣需求，保證合理曝氣，既滿足生化要求又可節(jié)省不必要的曝氣能耗。

1.5.2 曝氣量分配

精確曝氣系統(tǒng)涉及多個(gè)曝氣控制單元。精確曝氣系統(tǒng)內(nèi)置多氣閥解耦控制策略，以抑制單閥調(diào)節(jié)對(duì)其他閥的干擾影響。精確曝氣系統(tǒng)具有多閥最優(yōu)開度控制策略，可實(shí)現(xiàn)快速、最優(yōu)的閥門開度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)不同曝氣控制單元曝氣量的快速、準(zhǔn)確傳輸和分配。

1.5.3 風(fēng)機(jī)優(yōu)化控制

曝氣環(huán)節(jié)的能耗節(jié)省是通過(guò)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，曝氣系統(tǒng)的核心是根據(jù)運(yùn)行參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。一方面風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)需要結(jié)合實(shí)際的運(yùn)行參數(shù)，另一方面對(duì)風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)還需考慮對(duì)設(shè)備的保護(hù)?？偟脑瓌t就是讓風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最經(jīng)濟(jì)的工況下，同時(shí)防止風(fēng)機(jī)的異常工況（比如喘振）。

精確曝氣系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的工藝運(yùn)行參數(shù)計(jì)算出所需氣量，然后將信號(hào)給到風(fēng)機(jī)控制柜。通過(guò)空氣總量設(shè)定值對(duì)各鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行啟停、開度調(diào)節(jié)操作，以滿足生化系統(tǒng)對(duì)曝氣量的需求，同時(shí)通過(guò)喘振保護(hù)壓力對(duì)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行喘振保護(hù)。鼓風(fēng)機(jī)是污水處理廠的核心工藝設(shè)備，精確曝氣系統(tǒng)應(yīng)在防止鼓風(fēng)機(jī)喘振的前提下來(lái)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行，滿足生化池的曝氣需求[4]。

2 精確曝氣系統(tǒng)的調(diào)試

為了保證精確曝氣系統(tǒng)的正常投運(yùn)，首先需要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的單體設(shè)備逐一進(jìn)行調(diào)試；其次需要對(duì)生化池曝氣閥門和鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)調(diào)試，設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)氣量并調(diào)節(jié)管道的壓力監(jiān)控。調(diào)試期間，所有的操作和調(diào)試均保證不影響生產(chǎn)。特別地，要強(qiáng)調(diào)一下鼓風(fēng)機(jī)緊急操作時(shí)的注意事項(xiàng)：

（1）風(fēng)機(jī)開度短時(shí)大幅波動(dòng)時(shí)。該系統(tǒng)采用的是磁懸離心鼓風(fēng)機(jī)，可實(shí)時(shí)接收精確曝氣系統(tǒng)所發(fā)送的給定值，鼓風(fēng)機(jī)根據(jù)差值調(diào)整開度和動(dòng)作時(shí)間。精確曝氣系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)波動(dòng)設(shè)有安全保護(hù)機(jī)制，防止風(fēng)機(jī)波動(dòng)所導(dǎo)致的喘振[5]。風(fēng)機(jī)開度短時(shí)大幅波動(dòng)的可能原因是進(jìn)水水質(zhì)突然變化、系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)不匹配、管道壓力突變、生化池儀表故障等因素，為了設(shè)備使用安全，防止管道壓力波動(dòng)大和風(fēng)機(jī)喘振風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)可人工切除精確曝氣系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換為手動(dòng)模式。

（2）鼓風(fēng)機(jī)喘振時(shí)。調(diào)試初期，風(fēng)機(jī)喘振在所難免，可能原因是閥門和鼓風(fēng)機(jī)的配合度不夠完善，導(dǎo)致管道壓力升高，出現(xiàn)喘振；或者因?yàn)楣娘L(fēng)機(jī)本身的參數(shù)不合理，開度調(diào)整得太快，致使鼓風(fēng)機(jī)本身喘振。發(fā)生此故障時(shí)可人工切除精確曝氣系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換為手動(dòng)模式進(jìn)行操作。

3 精確曝氣系統(tǒng)溶解氧控制效果與節(jié)能效果

3.1 精確曝氣系統(tǒng)溶解氧控制效果

針對(duì)該工程精確曝氣系統(tǒng)的效果驗(yàn)證，主要通過(guò)精確曝氣系統(tǒng)的介入與否來(lái)進(jìn)行比對(duì)。傳統(tǒng)控制方式無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地應(yīng)對(duì)各種擾動(dòng)的影響，當(dāng)在線控制中的溶解氧值呈現(xiàn)大范圍波動(dòng)時(shí)，未采用精確曝氣的生化池內(nèi)某位置的溶解氧（DO）隨時(shí)間的變化如圖5 所示。

相對(duì)傳統(tǒng)的生化池控制方式，精確曝氣控制方式可以更精確地控制生化池內(nèi)的溶解氧，適應(yīng)性更強(qiáng)，從而可以更好地實(shí)現(xiàn)曝氣和節(jié)能。采用精確曝氣的生化池內(nèi)某位置的溶解氧（DO）趨勢(shì)圖見圖6。

圖6 精確曝氣控制方式下生化池內(nèi)溶解氧（DO）變化趨勢(shì)圖

根據(jù)本工程精確控制系統(tǒng)試運(yùn)行結(jié)果，溶解氧DO 值分布在目標(biāo)設(shè)定值±0.5 mg/L 以內(nèi)的概率為90%；溶解氧DO 值分布在目標(biāo)設(shè)定值±0.3 mg/L 以內(nèi)的概率為30%；分布在DO 目標(biāo)設(shè)定值±0.2 mg/L以內(nèi)的概率為20%，滿足設(shè)計(jì)要求和實(shí)際運(yùn)行需要。

3.2 精確曝氣系統(tǒng)溶解氧控制的節(jié)能效果

多段AAO 污水處理廠精確曝氣系統(tǒng)在對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的控制過(guò)程中，根據(jù)當(dāng)前進(jìn)水流量、進(jìn)水負(fù)荷實(shí)時(shí)計(jì)算出所需空氣總量，然后將空氣總需求設(shè)定值傳輸至鼓風(fēng)機(jī)主控制柜，主控制柜再按照設(shè)定目標(biāo)對(duì)所屬鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保高低負(fù)荷工況下，曝氣量都能滿足實(shí)際需求，同時(shí)又能降低不必要的曝氣能耗。而在傳統(tǒng)方式控制下，鼓風(fēng)機(jī)會(huì)一直以某個(gè)較大功率運(yùn)行。通過(guò)精確曝氣系統(tǒng)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行功率的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，達(dá)到了節(jié)省能耗的目的。

多段AAO 污水處理廠采用精確曝氣系統(tǒng)后，有助于其處理設(shè)備正常運(yùn)行、儀表數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、進(jìn)水水量和水質(zhì)穩(wěn)定（不超過(guò)設(shè)計(jì)值±20%）、鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行壓力足夠、風(fēng)量連續(xù)可調(diào)、主控制柜自動(dòng)恒壓運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

精確曝氣系統(tǒng)在多段AAO 污水處理廠的應(yīng)用，旨在為污水處理過(guò)程的曝氣環(huán)節(jié)提供精細(xì)化運(yùn)行解決方案。精確曝氣系統(tǒng)方案能夠完全匹配該廠的運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)精確曝氣控制。在此基礎(chǔ)上，微生物生化環(huán)境保持穩(wěn)定，從而幫助污水處理廠實(shí)現(xiàn)了曝氣系統(tǒng)精細(xì)化、節(jié)能化、自動(dòng)化運(yùn)行，進(jìn)而提高了出水水質(zhì)的穩(wěn)定性。