曝气流量控制系统在城市污水厂的应用

　　近年来，我国经济社会的迅速发展促使城市规模不断扩大，从而引起城市生活污水处理量日益增多，国内多数城市的污水处理厂的污水处理能力已满足不了当前我国城市发展的实际需求，多数城市污水处理厂存在着一系列的问题，例如曝气能耗高、自动化水平低和溶解氧控制精度差等问题。一般采用活性污泥法的城市污水处理厂整个曝气环节的能耗约占全厂能耗的50%～60%，因此对于曝气能耗能否得到精确控制将直接决定污水处理厂运行能耗的高低。对江苏南京城南污水处理厂进行系统实施，该厂总处理规模为5万吨/日，分两座，一座生物池处理量为2.5万吨/日，一座两池，二级处理工艺均为AAO工艺，但此厂与其他厂不同的是此污水处理厂曝气系统中存在空气支管无空气流量计、鼓风机较低风量运行和自控系统不具备可用的水温信号等特点，因此本文从生物工艺本身的特性出发，结合先进的溶解氧(DO)追踪数学模型，建立了独特的曝气流量控制系统。

　　1、曝气流量控制系统现有控制方法及控制策略

　　1.1 现有控制方法

　　目前，在实际工程应用中，国内大部分采用活性污泥法的城市污水处理厂的曝气控制系统常使用的控制方法有：人工经验控制、经验恒量控制和溶解氧-阀门PID控制等。

　　以上方法均有着不同程度的缺陷：

　　(1)人工经验控制：具有一定的时滞性，精确度差，对操作人员的操作能力有较高的要求。频繁的阀门调节不仅对阀门的寿命造成一定的损失，而且会造成溶解氧浓度的频繁波动，从而使曝气控制系统运行不稳定，影响出水水质，另外人工费用也会比较高。

　　(2)经验恒量控制：对阀门开度设置为恒量，当面对不同水质状况时无法灵活地进行控制。系统为保证出水水质，往往通入鼓风机过多风量造成过量能耗，而进水负荷过大、鼓风机风量不足就会影响出水水质。

　　(3)溶解氧-阀门PID控制：常规的控制算法已不能灵活应对污水处理中存在的多因素、多变性和滞后性等问题，最终影响出水水质。

　　1.2 曝气流量控制系统控制策略

　　针对需要提标改造的污水处理厂，考虑其现有设备仪表的配置情况，系统进行有针对性的开发优化，建立起无需人工干预，达到节能降耗、自动控制和稳定运行目的的曝气流量控制系统。曝气流量控制系统控制策略的研究步骤如表1所示。

　　本文以江苏南京城南污水处理厂曝气流量控制系统为例作介绍。

　　第一步前期现场调研：整理2016年6月～7月以及2016年12月～2017年1月的工艺数据，包括进水负荷数据和生物池运行数据，进水负荷具体包括进水量、进水化学需氧量(进水COD)和进水氨氮，生物池运行数据具体包括DO和风量。

　　第二步建立离线模型：根据图纸计算厌氧区、缺氧区和好氧区容积，建立离线模型，模型仅仅针对一组生物池，模拟水温为20℃。用BioWin模型搭建的主要生物工艺流程，如图1所示。根据历史数据进入该组生物池的水量设定变化范围为7200m3/d～14400m3/d，进水COD设定变化范围为100mg/L～200mg/L，进水NH3-N2设定变化范围为15mg/L～30mg/L，手动调节时风量设定范围为2000m3/h～4000m3/h。针对一个溶解氧设定值(2.0mg/L)，分别使用最低负荷、常规负荷和最高负荷进行模拟，确定风量变化范围分别为539m3/h～1001m3/h、731.5m3/h～1358.5m3/h和1078m3/h～2002m3/h。

　　第三步根据模型数据确定控制功能、策略以及优化目标：手动运行最高风量3970m3/h，根据离线模型模拟，在最高负荷的情况下，需要4004m3/h，两者处于一个水平。根据现场的硬件与工艺数据，确认对于该污水处理厂的控制策略以及优化目标是一组生物池设置为一个溶解氧控制区域，由单独的空气阀门进行调节，同时需要满足今后全部生物池进行运行时，运行人员能进行系统的简单部署。

　　对城南污水处理厂相应的控制策略是根据两组生物池之间溶解氧与鼓风机系统总风量的关系，建立曝气流量控制系统并进行调试，在达到同样出水水质的前提下，进行系统自动控制与人工操作控制相关溶解氧、能耗等数据的比对分析。

　　2、曝气流量控制系统运行分析

　　2.1 溶解氧控制精度效果分析

　　溶解氧参数是采用活性污泥法运行的污水处理厂生物池各参数中最主要的参数之一。溶解氧参数具有多因素影响和滞后性的特点，人工操作控制溶解氧精度有较大地难度。为保证溶解氧控制精度在手动和自动状态下可以科学直观的展现，分别在手动和自动状态下对二期生物池采集为期两周的溶解氧数据。该污水处理厂二期生物池在手动状态和自动控制状态的两组(2-1/2-2)末端溶解氧控制曲线比对的部分界面如图2和图3所示。

　　图2为手动控制状态下城南污水处理厂二期生物池溶解氧控制曲线，2-1末端溶解氧浓度在理想范围(1.5mg/L～2.5mg/L)内的数据占全体数据的百分比为49.41%，2-2末端溶解氧浓度在理想范围内的数据占全体数据的百分比为50.67%。两条末端溶解氧曲线波动均较大，溶解氧浓度有出现高达6mg/L的情况，在手动控制条件下溶解氧浓度存在持续偏离理想范围的情况。图3为采用曝气流量控制系统即自动控制状态下城南污水处理厂二期生物池溶解氧控制曲线，两组末端溶解氧浓度控制在理想范围内的数据占全体数据较手动控制状态下分别提高到71.27%与69.41%。两条末端溶解氧曲线均呈现收敛状态，两条末端溶解氧曲线在理想范围内来回波动且波动比较小，溶解氧浓度波动范围基本处于0mg/L～5mg/L，其中出现的几次较大异常波动是由于当时鼓风机总风量不时跳动至双倍造成的，曝气系统逻辑在后期已经通过优化算法逻辑屏蔽掉该情况，生物池末端溶解氧能够得到平稳控制，符合预期目标。曝气流量控制系统不仅能对曝气系统整体运行的稳定和出水水质有相当有利的帮助，而且节约了城市污水厂的人工成本。

　　2.2 处理效率与节能效果分析

　　本文数据来自2017年8月至9月城南污水处理厂的实测数据，记录进水负荷，计算吨水位能耗和处理效率并进行比对分析，具体出水数据包括出水化学需氧量(出水COD)、出水氨氮和万吨水鼓风机能耗。将所得数据进行整理汇总，得到手动状态和自动状态鼓风机万吨水能耗曲线，进行对比分析。因分析数据图表太过庞大复杂，本文仅对8月上旬和9月下旬作具体分析。城南污水处理厂8月上旬为手动控制溶解氧精度，9月下旬为曝气流量控制系统自动控制溶解氧精度，8月上旬和9月下旬城南污水处理厂鼓风机万吨水能耗与进出水负荷的数据如表2所示。

　　在进水负荷基本保持相同的条件下，9月下旬系统自动控制与8月上旬手动控制在最终出水COD、出水氨氮方面基本维持图5、9月下旬鼓风机万吨水能耗曲线在同一个水平线。针对万吨水鼓风机能耗作具体分析，图4为8月上旬城南污水处理厂鼓风机万吨水能耗曲线，图5为9月下旬城南污水处理厂鼓风机万吨水能耗曲线。

　　由图4和图5比对分析，鼓风机万吨水能耗在9月下旬比8月上旬百分比降低了11.48%，能耗基线降低。对2017年8月至9月的数据进行分析：对比手动操作的状态，自动控制的吨水位能耗百分比平均降低了9.9%。在运行期间，针对系统进行初始数据调整，包含了风量设定值上下限和阀门开度设定值的上下限等，设定值的优化能够为系统效果带来积极变化。吨水位能耗降低的百分比较为稳定，且有一定上升趋势。从2017年8月至9月的能耗数据比对分析中可以看出，曝气流量控制系统能够在保证稳定出水水质的前提下达到明显的节能降耗效果，节约了污水处理厂的运行成本。

　　3、结束语

　　经过长时间运行的数据比对分析，针对污水处理厂硬件的不同配置，曝气流量控制系统能够灵活性地进行优化调整，实现无需人工干预操作、提高溶解氧精度和节能降耗的目的。溶解氧控制精度可以在合理的范围内得到有效提高，万吨水鼓风机能耗自动控制条件下与手动运行下相比得到有效降低，达到节能降耗的目的。曝气流量控制系统具备灵活性、宽容度和兼容性的特点，对风量死区进行自动规避，确保污水处理厂能长期稳定运行。

　　此系统的成功实施，证明了曝气流量控制系统在城市污水厂广泛的适用性和可行性，对于采用活性污泥法的城市污水处理厂具有相当的指导意义和作用。(来源：南京水务集团有限公司，上海电气自动化设计研究所有限公司)