曝氣流量控制系統(tǒng)在城市污水廠的應(yīng)用

　　近年來，我國經(jīng)濟(jì)社會的迅速發(fā)展促使城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，從而引起城市生活污水處理量日益增多，國內(nèi)多數(shù)城市的污水處理廠的污水處理能力已滿足不了當(dāng)前我國城市發(fā)展的實(shí)際需求，多數(shù)城市污水處理廠存在著一系列的問題，例如曝氣能耗高、自動化水平低和溶解氧控制精度差等問題。一般采用活性污泥法的城市污水處理廠整個(gè)曝氣環(huán)節(jié)的能耗約占全廠能耗的50%～60%，因此對于曝氣能耗能否得到精確控制將直接決定污水處理廠運(yùn)行能耗的高低。對江蘇南京城南污水處理廠進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)施，該廠總處理規(guī)模為5萬噸/日，分兩座，一座生物池處理量為2.5萬噸/日，一座兩池，二級處理工藝均為AAO工藝，但此廠與其他廠不同的是此污水處理廠曝氣系統(tǒng)中存在空氣支管無空氣流量計(jì)、鼓風(fēng)機(jī)較低風(fēng)量運(yùn)行和自控系統(tǒng)不具備可用的水溫信號等特點(diǎn)，因此本文從生物工藝本身的特性出發(fā)，結(jié)合先進(jìn)的溶解氧(DO)追蹤數(shù)學(xué)模型，建立了獨(dú)特的曝氣流量控制系統(tǒng)。

　　1、曝氣流量控制系統(tǒng)現(xiàn)有控制方法及控制策略

　　1.1 現(xiàn)有控制方法

　　目前，在實(shí)際工程應(yīng)用中，國內(nèi)大部分采用活性污泥法的城市污水處理廠的曝氣控制系統(tǒng)常使用的控制方法有：人工經(jīng)驗(yàn)控制、經(jīng)驗(yàn)恒量控制和溶解氧-閥門PID控制等。

　　以上方法均有著不同程度的缺陷：

　　(1)人工經(jīng)驗(yàn)控制：具有一定的時(shí)滯性，精確度差，對操作人員的操作能力有較高的要求。頻繁的閥門調(diào)節(jié)不僅對閥門的壽命造成一定的損失，而且會造成溶解氧濃度的頻繁波動，從而使曝氣控制系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，影響出水水質(zhì)，另外人工費(fèi)用也會比較高。

　　(2)經(jīng)驗(yàn)恒量控制：對閥門開度設(shè)置為恒量，當(dāng)面對不同水質(zhì)狀況時(shí)無法靈活地進(jìn)行控制。系統(tǒng)為保證出水水質(zhì)，往往通入鼓風(fēng)機(jī)過多風(fēng)量造成過量能耗，而進(jìn)水負(fù)荷過大、鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量不足就會影響出水水質(zhì)。

　　(3)溶解氧-閥門PID控制：常規(guī)的控制算法已不能靈活應(yīng)對污水處理中存在的多因素、多變性和滯后性等問題，最終影響出水水質(zhì)。

　　1.2 曝氣流量控制系統(tǒng)控制策略

　　針對需要提標(biāo)改造的污水處理廠，考慮其現(xiàn)有設(shè)備儀表的配置情況，系統(tǒng)進(jìn)行有針對性的開發(fā)優(yōu)化，建立起無需人工干預(yù)，達(dá)到節(jié)能降耗、自動控制和穩(wěn)定運(yùn)行目的的曝氣流量控制系統(tǒng)。曝氣流量控制系統(tǒng)控制策略的研究步驟如表1所示。

　　本文以江蘇南京城南污水處理廠曝氣流量控制系統(tǒng)為例作介紹。

　　第一步前期現(xiàn)場調(diào)研：整理2016年6月～7月以及2016年12月～2017年1月的工藝數(shù)據(jù)，包括進(jìn)水負(fù)荷數(shù)據(jù)和生物池運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)水負(fù)荷具體包括進(jìn)水量、進(jìn)水化學(xué)需氧量(進(jìn)水COD)和進(jìn)水氨氮，生物池運(yùn)行數(shù)據(jù)具體包括DO和風(fēng)量。

　　第二步建立離線模型：根據(jù)圖紙計(jì)算厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)容積，建立離線模型，模型僅僅針對一組生物池，模擬水溫為20℃。用BioWin模型搭建的主要生物工藝流程，如圖1所示。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)入該組生物池的水量設(shè)定變化范圍為7200m3/d～14400m3/d，進(jìn)水COD設(shè)定變化范圍為100mg/L～200mg/L，進(jìn)水NH3-N2設(shè)定變化范圍為15mg/L～30mg/L，手動調(diào)節(jié)時(shí)風(fēng)量設(shè)定范圍為2000m3/h～4000m3/h。針對一個(gè)溶解氧設(shè)定值(2.0mg/L)，分別使用最低負(fù)荷、常規(guī)負(fù)荷和最高負(fù)荷進(jìn)行模擬，確定風(fēng)量變化范圍分別為539m3/h～1001m3/h、731.5m3/h～1358.5m3/h和1078m3/h～2002m3/h。

　　第三步根據(jù)模型數(shù)據(jù)確定控制功能、策略以及優(yōu)化目標(biāo)：手動運(yùn)行最高風(fēng)量3970m3/h，根據(jù)離線模型模擬，在最高負(fù)荷的情況下，需要4004m3/h，兩者處于一個(gè)水平。根據(jù)現(xiàn)場的硬件與工藝數(shù)據(jù)，確認(rèn)對于該污水處理廠的控制策略以及優(yōu)化目標(biāo)是一組生物池設(shè)置為一個(gè)溶解氧控制區(qū)域，由單獨(dú)的空氣閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)需要滿足今后全部生物池進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行人員能進(jìn)行系統(tǒng)的簡單部署。

　　對城南污水處理廠相應(yīng)的控制策略是根據(jù)兩組生物池之間溶解氧與鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)總風(fēng)量的關(guān)系，建立曝氣流量控制系統(tǒng)并進(jìn)行調(diào)試，在達(dá)到同樣出水水質(zhì)的前提下，進(jìn)行系統(tǒng)自動控制與人工操作控制相關(guān)溶解氧、能耗等數(shù)據(jù)的比對分析。

　　2、曝氣流量控制系統(tǒng)運(yùn)行分析

　　2.1 溶解氧控制精度效果分析

　　溶解氧參數(shù)是采用活性污泥法運(yùn)行的污水處理廠生物池各參數(shù)中最主要的參數(shù)之一。溶解氧參數(shù)具有多因素影響和滯后性的特點(diǎn)，人工操作控制溶解氧精度有較大地難度。為保證溶解氧控制精度在手動和自動狀態(tài)下可以科學(xué)直觀的展現(xiàn)，分別在手動和自動狀態(tài)下對二期生物池采集為期兩周的溶解氧數(shù)據(jù)。該污水處理廠二期生物池在手動狀態(tài)和自動控制狀態(tài)的兩組(2-1/2-2)末端溶解氧控制曲線比對的部分界面如圖2和圖3所示。

　　圖2為手動控制狀態(tài)下城南污水處理廠二期生物池溶解氧控制曲線，2-1末端溶解氧濃度在理想范圍(1.5mg/L～2.5mg/L)內(nèi)的數(shù)據(jù)占全體數(shù)據(jù)的百分比為49.41%，2-2末端溶解氧濃度在理想范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)占全體數(shù)據(jù)的百分比為50.67%。兩條末端溶解氧曲線波動均較大，溶解氧濃度有出現(xiàn)高達(dá)6mg/L的情況，在手動控制條件下溶解氧濃度存在持續(xù)偏離理想范圍的情況。圖3為采用曝氣流量控制系統(tǒng)即自動控制狀態(tài)下城南污水處理廠二期生物池溶解氧控制曲線，兩組末端溶解氧濃度控制在理想范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)占全體數(shù)據(jù)較手動控制狀態(tài)下分別提高到71.27%與69.41%。兩條末端溶解氧曲線均呈現(xiàn)收斂狀態(tài)，兩條末端溶解氧曲線在理想范圍內(nèi)來回波動且波動比較小，溶解氧濃度波動范圍基本處于0mg/L～5mg/L，其中出現(xiàn)的幾次較大異常波動是由于當(dāng)時(shí)鼓風(fēng)機(jī)總風(fēng)量不時(shí)跳動至雙倍造成的，曝氣系統(tǒng)邏輯在后期已經(jīng)通過優(yōu)化算法邏輯屏蔽掉該情況，生物池末端溶解氧能夠得到平穩(wěn)控制，符合預(yù)期目標(biāo)。曝氣流量控制系統(tǒng)不僅能對曝氣系統(tǒng)整體運(yùn)行的穩(wěn)定和出水水質(zhì)有相當(dāng)有利的幫助，而且節(jié)約了城市污水廠的人工成本。

　　2.2 處理效率與節(jié)能效果分析

　　本文數(shù)據(jù)來自2017年8月至9月城南污水處理廠的實(shí)測數(shù)據(jù)，記錄進(jìn)水負(fù)荷，計(jì)算噸水位能耗和處理效率并進(jìn)行比對分析，具體出水?dāng)?shù)據(jù)包括出水化學(xué)需氧量(出水COD)、出水氨氮和萬噸水鼓風(fēng)機(jī)能耗。將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總，得到手動狀態(tài)和自動狀態(tài)鼓風(fēng)機(jī)萬噸水能耗曲線，進(jìn)行對比分析。因分析數(shù)據(jù)圖表太過龐大復(fù)雜，本文僅對8月上旬和9月下旬作具體分析。城南污水處理廠8月上旬為手動控制溶解氧精度，9月下旬為曝氣流量控制系統(tǒng)自動控制溶解氧精度，8月上旬和9月下旬城南污水處理廠鼓風(fēng)機(jī)萬噸水能耗與進(jìn)出水負(fù)荷的數(shù)據(jù)如表2所示。

　　在進(jìn)水負(fù)荷基本保持相同的條件下，9月下旬系統(tǒng)自動控制與8月上旬手動控制在最終出水COD、出水氨氮方面基本維持圖5、9月下旬鼓風(fēng)機(jī)萬噸水能耗曲線在同一個(gè)水平線。針對萬噸水鼓風(fēng)機(jī)能耗作具體分析，圖4為8月上旬城南污水處理廠鼓風(fēng)機(jī)萬噸水能耗曲線，圖5為9月下旬城南污水處理廠鼓風(fēng)機(jī)萬噸水能耗曲線。

　　由圖4和圖5比對分析，鼓風(fēng)機(jī)萬噸水能耗在9月下旬比8月上旬百分比降低了11.48%，能耗基線降低。對2017年8月至9月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：對比手動操作的狀態(tài)，自動控制的噸水位能耗百分比平均降低了9.9%。在運(yùn)行期間，針對系統(tǒng)進(jìn)行初始數(shù)據(jù)調(diào)整，包含了風(fēng)量設(shè)定值上下限和閥門開度設(shè)定值的上下限等，設(shè)定值的優(yōu)化能夠?yàn)橄到y(tǒng)效果帶來積極變化。噸水位能耗降低的百分比較為穩(wěn)定，且有一定上升趨勢。從2017年8月至9月的能耗數(shù)據(jù)比對分析中可以看出，曝氣流量控制系統(tǒng)能夠在保證穩(wěn)定出水水質(zhì)的前提下達(dá)到明顯的節(jié)能降耗效果，節(jié)約了污水處理廠的運(yùn)行成本。

　　3、結(jié)束語

　　經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行的數(shù)據(jù)比對分析，針對污水處理廠硬件的不同配置，曝氣流量控制系統(tǒng)能夠靈活性地進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)無需人工干預(yù)操作、提高溶解氧精度和節(jié)能降耗的目的。溶解氧控制精度可以在合理的范圍內(nèi)得到有效提高，萬噸水鼓風(fēng)機(jī)能耗自動控制條件下與手動運(yùn)行下相比得到有效降低，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。曝氣流量控制系統(tǒng)具備靈活性、寬容度和兼容性的特點(diǎn)，對風(fēng)量死區(qū)進(jìn)行自動規(guī)避，確保污水處理廠能長期穩(wěn)定運(yùn)行。

　　此系統(tǒng)的成功實(shí)施，證明了曝氣流量控制系統(tǒng)在城市污水廠廣泛的適用性和可行性，對于采用活性污泥法的城市污水處理廠具有相當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)意義和作用。(來源：南京水務(wù)集團(tuán)有限公司，上海電氣自動化設(shè)計(jì)研究所有限公司)