謝華林/北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司廣東分院

精確曝氣系統(tǒng)在臨平凈水廠的應(yīng)用

謝華林/北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司廣東分院

精確曝氣系統(tǒng)是一種以精確生化反應(yīng)數(shù)學(xué)模型為依托的智能控制系統(tǒng)，它包含鼓風(fēng)機(jī)控制、電動(dòng)氣體流量調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度調(diào)節(jié)、以及鼓風(fēng)機(jī)與閥門(mén)的聯(lián)合調(diào)節(jié)等能夠?qū)ξ鬯畯S曝氣池內(nèi)的溶解氧進(jìn)行精細(xì)化控制，在處理工藝出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)曝氣系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化[1]，在主流工藝市政污水廠有著很好的應(yīng)用。本文介紹了精確曝氣流量控制系統(tǒng)，及其技術(shù)方案在杭州市臨平凈水廠的應(yīng)用，并對(duì)本系統(tǒng)的應(yīng)用效益做了分析。

精確曝氣系統(tǒng)；優(yōu)化控制；MBR工藝控制

概述

精確曝氣流量控制系統(tǒng)Aeration Volume control System（以下簡(jiǎn)稱：AVS)是一個(gè)集成的控制系統(tǒng)，旨在為生物處理過(guò)程提供精確曝氣。AVS以氣體流量作為控制信號(hào)，溶解氧信號(hào)作為輔助控制信號(hào)，根據(jù)污水廠進(jìn)水水量和水質(zhì)實(shí)時(shí)計(jì)算需氣量，實(shí)現(xiàn)按需曝氣和溶解氧的精細(xì)化控制[1]。

1.AVS系統(tǒng)介紹

AVS由系統(tǒng)硬件和控制軟件組成，其中，AVS控制軟件包含生化需氣量計(jì)算、氣量分配、鼓風(fēng)機(jī)控制、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)云平臺(tái)等核心功能模塊，其底層核心算法基于國(guó)際水協(xié)（IWA）的活性污泥系列模型ASMs（Activated Sludge Model）。

AVS能夠?qū)娘L(fēng)機(jī)和受控曝氣單元的氣量分配進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，根據(jù)實(shí)際水質(zhì)水量數(shù)據(jù)智能分配每個(gè)溶解氧控制區(qū)的供氣量，自動(dòng)調(diào)整氣體流量設(shè)定值，按需曝氣。實(shí)際需氣量由現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)受控曝氣單元根據(jù)DO、MLSS、水溫、液位等和進(jìn)水流量、COD、NH4-N（可選）、NO3-N（可選）等信號(hào)通過(guò)模型進(jìn)行計(jì)算?？偲貧饬坑葾VS系統(tǒng)控制柜向鼓風(fēng)機(jī)主控柜MCP發(fā)出指令，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉或變頻器的頻率進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)；AVS系統(tǒng)通過(guò)同時(shí)調(diào)節(jié)多個(gè)電動(dòng)線性調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使受控曝氣單元支管內(nèi)的實(shí)際氣量達(dá)到所需氣量，在實(shí)現(xiàn)精確曝氣的同時(shí)，節(jié)省了鼓風(fēng)機(jī)的曝氣能耗。

AVS根據(jù)當(dāng)前需要的曝氣量，控制鼓風(fēng)機(jī)的啟停、進(jìn)出口導(dǎo)葉的開(kāi)度或變頻器的頻率等進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，并與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，降低鼓風(fēng)機(jī)喘振等異常情況發(fā)生的頻次，實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。

污水處理系統(tǒng)具有大擾動(dòng)、大時(shí)滯及非線性的特點(diǎn)，對(duì)于生物處理工藝，AVS內(nèi)置冗余的控制策略組合，基于“前饋+模型+反饋”的多參數(shù)控制模式，能夠?qū)崟r(shí)精確計(jì)算所需曝氣量，實(shí)現(xiàn)溶解氧的精確控制，并通過(guò)控制鼓風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)量降低曝氣能耗。

2.AVS控制原理

生物處理是污水處理過(guò)程中最重要的工藝環(huán)節(jié)，即通過(guò)人為地維持好/缺/厭氧環(huán)境，使曝氣池中的微生物維持在特定的生化過(guò)程中，以去除或降低污水中的目標(biāo)物質(zhì)（BOD5、CODcr、總磷TP、總氮TN），從而滿足工藝出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放的要求[2]。

為了對(duì)曝氣池內(nèi)溶解氧（DO）濃度進(jìn)行精確控制，有必要對(duì)DO的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程進(jìn)行充分的認(rèn)識(shí)，其包含兩個(gè)過(guò)程：一是氧擴(kuò)散過(guò)程，在鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)中主要體現(xiàn)為空氣從曝氣池底部的曝氣頭釋放后，氧氣從氣相向液相中轉(zhuǎn)移；二是氧消耗過(guò)程，該過(guò)程綜合了好氧處理過(guò)程的各種環(huán)節(jié)，包括有機(jī)碳去除過(guò)程、生物脫氮、生物除磷等。DO的消耗是由上述兩個(gè)過(guò)程綜合作用的結(jié)果。由于污水廠進(jìn)水水質(zhì)和水量具有時(shí)變性，在特定的時(shí)間段內(nèi)微生物的耗氧量也是時(shí)刻變化的，因此，只有使該時(shí)段內(nèi)的供氧量和耗氧量相均衡，才能保證微生物生化環(huán)境的穩(wěn)定，保證出水水質(zhì)。

下圖為AVS的控制原理圖：

圖1 AVS控制原理圖

AVS精確曝氣系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理模塊、生物需氣量計(jì)算模塊、鼓風(fēng)機(jī)控制模塊和氣量分配模塊組成。對(duì)于鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)，AVS系統(tǒng)首先接收從其它PLC站點(diǎn)采集的進(jìn)水流量、COD、氨氮（可選）、硝酸鹽氮（可選）等前饋信號(hào)，以及從現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)受控曝氣單元采集到的DO、水溫、MLSS、液位等反饋信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)這些采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，生物需氣量計(jì)算模塊即可根據(jù)處理后前饋、反饋信號(hào)，計(jì)算出各個(gè)溶解氧控制區(qū)的需氣量及總需氣量。并將總氣量信號(hào)發(fā)送至鼓風(fēng)機(jī)主控柜MCP，利用鼓風(fēng)機(jī)控制模塊，自動(dòng)控制鼓風(fēng)機(jī)的啟停、導(dǎo)葉的開(kāi)度或變頻器的頻率，從而調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的輸出氣量；同時(shí)，對(duì)于各個(gè)溶解氧控制區(qū)而言，AVS系統(tǒng)包含的氣量分配模塊，可通過(guò)電動(dòng)閥門(mén)的調(diào)節(jié)，將氣量分配至各個(gè)溶解氧控制區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)按需供氣。

3.AVS精確曝氣控制系統(tǒng)應(yīng)用方案

3.1 項(xiàng)目概況

杭州市臨平凈水廠，廠址位于余杭區(qū)東湖路以西，滬杭高速以南地塊。總處理規(guī)模20萬(wàn)m3/d，采取地埋式污水處理廠，將主體構(gòu)筑物置于地下，組團(tuán)布置，選擇膜生物反應(yīng)器（membrane bioreactor，簡(jiǎn)稱MBR）污水處理技術(shù)。臨平凈水廠設(shè)計(jì)選用6臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，4用2備，分為兩組系統(tǒng)，分別對(duì)應(yīng)兩座生物反應(yīng)池。

3.2 AVS技術(shù)方案

在對(duì)臨平凈水廠工程的設(shè)計(jì)工藝、設(shè)備儀表以及控制策略進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上制定適合的AVS系統(tǒng)方案，使AVS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。并在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)微生物生化環(huán)境的穩(wěn)定，進(jìn)而促進(jìn)處理工藝的穩(wěn)定運(yùn)行，提高出水水質(zhì)的達(dá)標(biāo)率。

3.2.1 AVS溶解氧控制策略。

AVS的溶解氧控制策略有兩種：（1）溶解氧控制目標(biāo)設(shè)定值為恒定值；（2）溶解氧控制目標(biāo)設(shè)定值為動(dòng)態(tài)值?？刂撇呗钥筛鶕?jù)臨平凈水廠程的儀表配置等實(shí)際情況，由工作人員自主選擇。

①溶解氧控制目標(biāo)設(shè)定值為恒定值

在溶解氧控制目標(biāo)設(shè)定值為恒定值的控制策略下，工作人員可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或出水水質(zhì)等情況人工自主設(shè)定溶解氧控制目標(biāo)值，一旦該設(shè)定值確定，AVS將根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)、進(jìn)水水量、生化池污泥濃度、生化池液位、該溶解氧設(shè)定值等信號(hào)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算出各溶解氧控制區(qū)的需氣量及總需氣量，并通過(guò)調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)的啟停、進(jìn)出口導(dǎo)葉開(kāi)度及各曝氣支管的電動(dòng)空氣調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使需氣量與供氣量相吻合，從而實(shí)現(xiàn)生化池各控制區(qū)的實(shí)際溶解氧在該溶解氧控制目標(biāo)設(shè)定值上下波動(dòng)，直至該溶解氧設(shè)定值被修改。

②溶解氧控制目標(biāo)設(shè)定值為動(dòng)態(tài)值

溶解氧控制目標(biāo)設(shè)定值為動(dòng)態(tài)值的控制方式，其內(nèi)回路是溶解氧控制器，即溶解氧-曝氣量控制回路；其外回路是氨氮-溶解氧設(shè)定值控制回路，兩個(gè)回路通過(guò)溶解氧設(shè)定值關(guān)聯(lián)在一起。在該控制邏輯中，首先借助于數(shù)學(xué)模型求解將控制單元的實(shí)際氨氮值穩(wěn)定在其目標(biāo)值所需要的溶解氧，將該溶解氧值設(shè)定為控制單元的溶解氧設(shè)定值；然后，通過(guò)溶解氧控制器調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)和曝氣量，使得控制單元的溶解氧穩(wěn)定在設(shè)定值附近。其控制原理如下圖所示：

圖2 溶解氧控制目標(biāo)設(shè)定值為動(dòng)態(tài)值的控制原理圖

污水生化處理系統(tǒng)中影響氨氮降解的因素主要有溫度、溶解氧、停留時(shí)間、污泥齡或污泥濃度等，在這些因素中，對(duì)于開(kāi)放性的系統(tǒng)，只有溶解氧能夠被控制。因此，氨氮控制系統(tǒng)的原理是根據(jù)時(shí)刻變化的進(jìn)水流量、進(jìn)水COD和進(jìn)水氨氮等，時(shí)刻計(jì)算出降解這些氨氮所需的曝氣量，以使出水COD和氨氮能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，故在該控制策略與溶解氧控制目標(biāo)設(shè)定值為恒定值的控制方式相比，需要在生化池配置在線氨氮測(cè)定儀。

3.2.2 AVS數(shù)據(jù)信號(hào)要求。

AVS采集多種設(shè)備儀表的信號(hào)，通過(guò)內(nèi)置的精確曝氣流量數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)計(jì)算各溶解氧控制區(qū)的實(shí)際需要曝氣量，并對(duì)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)定。

表2 AVS所需接受信號(hào)一覽表

進(jìn)水區(qū)共1組鼓風(fēng)機(jī)房●進(jìn)水流量信號(hào)●進(jìn)水COD●進(jìn)水氨氮、總氮（二選一）●鼓風(fēng)機(jī)總管壓力信號(hào)●鼓風(fēng)機(jī)房總管總流量信號(hào) 共1組

3.2.3 AVS鼓風(fēng)機(jī)控制。

臨平凈水廠工程設(shè)計(jì)選用6臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，4用2備，安裝在鼓風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)，采用進(jìn)出口導(dǎo)葉的開(kāi)度控制方式調(diào)節(jié)氣量。每臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)配置一個(gè)單元控制器（LCP），設(shè)置一臺(tái)主控柜（MCP）來(lái)負(fù)責(zé)鼓風(fēng)機(jī)投入啟動(dòng)或關(guān)閉臺(tái)數(shù)及導(dǎo)葉的開(kāi)度調(diào)節(jié)等，并能依據(jù)相關(guān)的信號(hào)做完整的控制動(dòng)作。

本方案采用總流量或總壓力的調(diào)節(jié)控制方式，根據(jù)AVS系統(tǒng)動(dòng)態(tài)計(jì)算出來(lái)的總風(fēng)量，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)主控柜MCP自動(dòng)控制所有鼓風(fēng)機(jī)的啟停、頻率，使鼓風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量及壓力滿足需求，避免進(jìn)水負(fù)荷高峰時(shí)的曝氣不足和進(jìn)水負(fù)荷低谷時(shí)的曝氣過(guò)量，實(shí)現(xiàn)了曝氣過(guò)程的精細(xì)化、穩(wěn)定化控制，按需曝氣節(jié)約了曝氣能耗。

鼓風(fēng)機(jī)的控制示意圖如下所示：

圖3 AVS系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)控制原理示意圖

為了鼓風(fēng)機(jī)防止出現(xiàn)喘振，在流量調(diào)節(jié)時(shí)充分考慮調(diào)節(jié)過(guò)程、液位變化對(duì)管路壓力的沖擊影響，優(yōu)化設(shè)置流量調(diào)節(jié)步長(zhǎng)，在達(dá)到流量調(diào)節(jié)的同時(shí)避免由壓力沖擊過(guò)大造成鼓風(fēng)機(jī)喘振。

3.2.4 AVS溶解氧控制區(qū)的劃分。

AVS對(duì)曝氣的精細(xì)控制分為時(shí)間與空間兩個(gè)維度，在空間上對(duì)生化池進(jìn)行溶解氧分區(qū)控制，滿足不同工藝段對(duì)不同曝氣量的需求；在時(shí)間上隨進(jìn)水負(fù)荷變化動(dòng)態(tài)設(shè)定曝氣量，滿足不同進(jìn)水趨勢(shì)下的曝氣需求。

根據(jù)臨平凈水廠工程的工藝設(shè)計(jì)，曝氣管路為樹(shù)狀分布。根據(jù)該設(shè)計(jì)，本精確曝氣系統(tǒng)將單座生物反應(yīng)池劃分成4個(gè)溶解氧控制區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶解氧的精確控制。單座池溶解氧控制區(qū)如下圖所示：

圖4 生化池AVS系統(tǒng)所需設(shè)備、儀表布置示意圖

3.2.5 AVS系統(tǒng)閥門(mén)、儀表系統(tǒng)配置。

針對(duì)臨平凈水廠的工藝流程，此AVS設(shè)計(jì)方案在每個(gè)溶解氧控制區(qū)配置1臺(tái)在線溶解氧儀表，在DN600和DN500的曝氣支管上配置1臺(tái)熱式氣體流量計(jì)和1臺(tái)電動(dòng)線性調(diào)節(jié)閥。另外，由于AVS需要MLSS、壓力和液位等反饋信號(hào)來(lái)補(bǔ)償曝氣量計(jì)算及調(diào)節(jié)，因此，還需增加MLSS儀、壓力變送器等儀表。單座生化池的儀表安裝位置如圖4所示。AVS系統(tǒng)設(shè)備及儀表配置如下：

表3 臨平凈水廠工程AVS系統(tǒng)配置清單

4.結(jié)語(yǔ)

AVS系統(tǒng)可以為污水廠帶來(lái)以下效益：

4.1 更穩(wěn)定的溶解氧控制

由于好氧段水流方向上有機(jī)負(fù)荷不同，對(duì)溶解氧的需求量也不同，因此，實(shí)現(xiàn)好氧池中對(duì)不同區(qū)域內(nèi)不同DO濃度的控制能力是衡量控制系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一。AVS能把曝氣池內(nèi)DO控制在0.5～5.0 mg/L之間的任一設(shè)定值，控制精度在設(shè)定值的±0.5 mg/L范圍內(nèi)。

4.2 更佳的出水水質(zhì)

AVS運(yùn)行后，DO控制的穩(wěn)定度大大提高，使微生物生化環(huán)境的穩(wěn)定性隨之提高，進(jìn)而促進(jìn)生化處理工藝的穩(wěn)定運(yùn)行，提高出水水質(zhì)的達(dá)標(biāo)率及穩(wěn)定性。

采用AVS后，污水廠出水氨氮及總氮的達(dá)標(biāo)率及穩(wěn)定性均有所提高，而出水總氮的控制效果尤為明顯。這主要是由于：（1）AVS將生化池溶解氧進(jìn)行分區(qū)控制，一般情況下，后段的DO濃度相對(duì)較低，此時(shí)內(nèi)回流至缺氧段的混合液含氧量就大大降低，從而對(duì)反硝化過(guò)程的抑制得到緩解；（2）生化池后段較低的溶解氧濃度，使同步硝化反硝化反應(yīng)在此區(qū)域得以發(fā)生，從而有利于出水總氮濃度的降低。

4.3 實(shí)現(xiàn)污水廠節(jié)能運(yùn)行

AVS按需曝氣，極大地節(jié)省了曝氣量?？紤]到鼓風(fēng)機(jī)效率、季節(jié)等影響因素，鼓風(fēng)機(jī)的節(jié)氣量并不等于節(jié)能率。相對(duì)于依靠人工控制鼓風(fēng)曝氣而言，采用AVS通?？梢詫?shí)現(xiàn)25～40%的節(jié)氣率，在鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量可調(diào)節(jié)的情況下，對(duì)應(yīng)地可以實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)8～15%的節(jié)電率。

[1]楊志，梅小艷.污水處理中基于仿人智能的DO參數(shù)控制系統(tǒng).可編程控制器與工廠自動(dòng)化.2006 (2).

[2]朱軍輝.AVS精確曝氣控制系統(tǒng).中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)全國(guó)排水委員會(huì)2010年年會(huì)論文集.2010.