楚金喜，付根深，王小玲，高 靜，趙曉娟

(中原環(huán)保股份有限公司，河南鄭州 450000)

污水的收集處理及資源化利用是改善城鎮(zhèn)人居環(huán)境，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要組成。“十四五”期間，污水處理廠處理規(guī)模將進(jìn)一步增至2.64億m3/d，隨著國家“雙碳”目標(biāo)的提出，綠色低碳發(fā)展將成為污水處理廠今后工作的重點[1]。

活性污泥法是目前應(yīng)用最廣泛的污水處理技術(shù)，其通過微生物新陳代謝完成脫氮除磷的功效，往往依賴于曝氣系統(tǒng)提供適宜的溶解氧(DO)環(huán)境。而據(jù)統(tǒng)計，曝氣系統(tǒng)能耗占比可達(dá)城鎮(zhèn)污水處理廠生產(chǎn)總能耗的50%～70%，因此，優(yōu)化曝氣系統(tǒng)是實現(xiàn)節(jié)能降耗、低碳可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[2]?！胺蔷€性，大滯后”是傳統(tǒng)曝氣系統(tǒng)存在的主要問題，其嚴(yán)重滯后的曝氣量調(diào)節(jié)，往往會導(dǎo)致生物系統(tǒng)明顯的波動，不僅影響生物處理效果，而且會造成過度耗能；而精確曝氣系統(tǒng)以氣體流量為控制信號，以在線DO、進(jìn)水量和管道氣壓為輔助信號，實現(xiàn)“按需分配，精確供氧”[3-4]。目前，精確曝氣系統(tǒng)在國內(nèi)眾多污水廠得到成功應(yīng)用，綜合節(jié)能潛力可達(dá)10%～30%[5]。例如,荊玉姝等[6]指出，青島張村河污水凈化廠引入精確曝氣分配與控制系統(tǒng)后，DO穩(wěn)定在±0.3 mg/L，出水水質(zhì)更加穩(wěn)定，曝氣能耗降低24.8%，乙酸鈉藥耗降低15.8%；鄧歡忠等[7]以某10萬m3/d的污水廠為研究對象，發(fā)現(xiàn)精確曝氣可實現(xiàn)分區(qū)的DO控制，其水量比能耗降低4.48%；李升等[8]報道了馬頭崗二期精確曝氣應(yīng)用效果，其精度可控制在1%以內(nèi)，總磷日均值降低67.24%。

因此，本研究通過北方某污水處理廠的精確曝氣系統(tǒng)改造工程，探究了精確曝氣的實際控制效果對出水水質(zhì)的影響，同時對藥耗和不同溫度下能耗進(jìn)行了系統(tǒng)性評估。

1 材料與方法

1.1 項目背景

北方某污水處理廠采用改良UCT工藝，其特點在于內(nèi)回流由2個部分組成，即好氧段污泥回流至缺氧端和缺氧端污泥回流至厭氧段，該工藝不僅能克服UCT工藝不易控制缺氧段的停留時間的缺點，還能避免控制不當(dāng)，造成DO對厭氧區(qū)造成影響。該廠一期處理規(guī)模為10萬m3/d，共設(shè)兩組生物池，單組處理水量設(shè)計為5萬m3/d，其工藝流程圖如圖1所示，排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)與《賈魯河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 41/908—2014)。

該廠長期處于進(jìn)水碳源低、水質(zhì)波動大的運行狀況。在日常的生產(chǎn)中電耗，藥耗成本占比較高，2020年廠區(qū)能耗分布如圖2所示。污水處理電耗占比高達(dá)79.08%，節(jié)能降耗空間巨大。因此，2021年2月引入某公司自主研發(fā)的精確曝氣系統(tǒng)。

圖2 2020年該污水處理廠生產(chǎn)能耗分布Fig.2 Production Energy Consumption Distribution of the WWTP in 2020

1.2 精確曝氣系統(tǒng)原理及應(yīng)用

傳統(tǒng)PID控制為實現(xiàn)DO達(dá)到某一個設(shè)定值，頻繁啟動鼓風(fēng)機、空氣蝶閥，影響設(shè)備的使用壽命，增加設(shè)備的維護(hù)成本。某公司的精確曝氣系統(tǒng)會針對日、月、年的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析，采用趨近循優(yōu)參數(shù)選擇，科學(xué)設(shè)定DO的控制區(qū)間、空氣調(diào)節(jié)閥門區(qū)間、鼓風(fēng)機壓力范圍區(qū)間，經(jīng)智能專家系統(tǒng)分析實時調(diào)控，實現(xiàn)對好氧末端控制目標(biāo)的預(yù)控，使DO在最佳范圍，保證出水達(dá)標(biāo)，系統(tǒng)原理如圖3所示。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)PID的精確曝氣控制相比，減少了鼓風(fēng)機等設(shè)備的動作頻次，保證了精確曝氣的長期穩(wěn)定運行。

圖3 精確曝氣系統(tǒng)控制示意圖Fig.3 Control Diagram of Precise Aeration System

該廠結(jié)合生產(chǎn)實際與現(xiàn)有曝氣管道設(shè)計，將生物池好氧段DO控制分為前端、中斷、末端3個區(qū)段，每個區(qū)段均安裝DO探頭，污泥濃度計安裝在好氧段末端；同時根據(jù)末端DO目標(biāo)值設(shè)定，實時收集生物池DO、水量、污泥濃度、水溫等指標(biāo)參數(shù)的反饋。經(jīng)智能分析后，通過精確曝氣系統(tǒng)控制柜，鼓風(fēng)機主控制柜，鼓風(fēng)機就地控制柜逐級實現(xiàn)風(fēng)量的調(diào)整，且可根據(jù)DO各區(qū)域的實際需求，手動調(diào)整曝氣管支路的蝶閥開度，實現(xiàn)對每個曝氣支管的分區(qū)控制。

2 結(jié)果與討論

2.1 DO控制分析

為了準(zhǔn)確評估精確曝氣系統(tǒng)的控制效果，于2021年2月21日—2021年2月27日進(jìn)行實際DO測試，設(shè)定生物池出口DO目標(biāo)值為1.5 mg/L，結(jié)果如圖4所示。

圖4 生物池末端DO控制曲線Fig.4 Control Curve of DO at the End of Biological Tank

DO基本維持在1～2 mg/L，波動在±0.5 mg/L，說明精確曝氣對DO有良好的控制效果。但每天8:00—10:00，DO明顯偏離設(shè)定值。這是由于在此期間進(jìn)水水量過低，而鼓風(fēng)機風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍有限，即使將風(fēng)量調(diào)至最小開度，供氣量也依舊過剩。這與其他精確曝氣應(yīng)用的相關(guān)報道一致[3]。

2.2 進(jìn)出水水質(zhì)對比分析

如表1所示，2021年12月與2020年12月的月進(jìn)水總量、進(jìn)水CODCr、氨氮、總氮濃度無明顯差異，僅總磷濃度偏低，水質(zhì)情況基本接近。

表1 2020年12月與2021年同期進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Effluent Quality Indices in December 2020 and 2021

圖5為精確曝氣系統(tǒng)應(yīng)用前后出水水質(zhì)指標(biāo)對比。由圖5可知，2021年12月的日進(jìn)水水量波動情況明顯高于2020年同期，這對于污水的生化處理是不利的。2021年12月出水CODCr、總氮、總磷的日濃度相較于2020年同期明顯下降。CODCr平均去除率從91.06%提升至95.42%；總氮平均去除率從70.0%提升至73.8%；總磷平均去除率從94.4%提升至97.3%。這表明精確曝氣系統(tǒng)的應(yīng)用，的確有助于進(jìn)一步改善出水水質(zhì)，同時保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定性。值得注意的是，氨氮的平均去除率均在99%以上，但在12月18日往后，2021年出水氨氮日濃度反而高于同期水平，這是由于精確曝氣DO控制優(yōu)化調(diào)節(jié)，減少因出水氨氮無必要的過度處理造成電耗成本增加。

圖5 精確曝氣系統(tǒng)應(yīng)用前后出水水質(zhì)指標(biāo)對比Fig.5 Comparison of Effluent Quality Indices before and after Application of Precise Aeration System

生物池內(nèi)污泥活性強弱及濃度大小是評價污水生化處理效果的關(guān)鍵指標(biāo)[9]。圖6為精確曝氣系統(tǒng)應(yīng)用前后生物池污泥濃度的對比分析結(jié)果。2021年12月日均污泥濃度相較于2020年同期有顯著提升，污泥平均濃度增長32.3%。結(jié)合圖4與圖5的討論結(jié)果，可以充分說明精確曝氣系統(tǒng)的精準(zhǔn)按需曝氣，在生物池內(nèi)分區(qū)域形成了動態(tài)穩(wěn)定的DO環(huán)境，對微生物的活性及生長繁殖有積極作用，從而保證在2021年進(jìn)水水量同比波動明顯的情況下，生物池抗沖擊負(fù)荷增強且出水水質(zhì)的進(jìn)一步優(yōu)化。

圖6 精確曝氣系統(tǒng)應(yīng)用前后生物池污泥濃度對比Fig.6 Comparison of Bio-Pool Sludge Concentrations before and after Application of Precision Aeration System

2.3 溫度變化對精確曝氣的效果評價

溫度的季節(jié)性變化對我國北方污水處理廠的生產(chǎn)能耗以及出水水質(zhì)情況有明顯的沖擊，其中缺氧段的反硝化進(jìn)程受溫度的變化制約最明顯[10-11]。因此，選取2021年7月、12月作為夏季、冬季的代表月份，進(jìn)行溫度探究分析，并與2020年同期月份進(jìn)行對比。表2為各時期生物池的平均溫度，其中一系列與二系列是該廠一期兩組平行的生物池系統(tǒng)。2021年7月平均池溫為23.44 ℃，12月的平均池溫為15.88 ℃，均與2020年同期基本持平。

表2 不同時期下生物池水溫變化Tab.2 Changes of Water Temperatures of Biological Pool under Different Period

圖7為溫度變化對出水水質(zhì)的影響。2020年12月出水CODCr、總氮、氨氮濃度相較于7月有明顯上漲，其中出水CODCr質(zhì)量濃度上漲4.37 mg/L，出水總氮濃度上漲2.74 mg/L；而應(yīng)用精確曝氣后的2021年同期出水水質(zhì)變化卻不明顯。這是因為冬季水溫下降，活性污泥中微生物增殖速率，群落結(jié)構(gòu)及沉降性能受影響明顯，導(dǎo)致水體污染物去除性能變差。而精確曝氣的應(yīng)用創(chuàng)造了適合微生物生長的DO環(huán)境，很大程度上抵消了溫度下降帶來的消極影響。

圖7 溫度變化對出水水質(zhì)的影響Fig.7 Changes of Influence of Temperatures on Effluent Quality

表3為2021年與2020年不同時期下的污泥濃度。各時期生物池一、二系列的污泥濃度大致相同。2021年夏季7月的污泥平均濃度相較于2020年同期增加27.6%，冬季12月污泥濃度增加32.2%。這再次表明精確曝氣對氣量的實時控制顯著提高了生物池各區(qū)域的微生物活性及濃度，這與圖6的分析結(jié)果一致。

表3 不同時期下生物池污泥濃度Tab.3 Sludge Concentration of Biological Pond in Different Periods

2.4 節(jié)能降耗效果評價

2.4.1 鼓風(fēng)機能耗分析

節(jié)能降耗是精確曝氣系統(tǒng)應(yīng)用效果評估的關(guān)鍵[7]。表4為精確曝氣系統(tǒng)應(yīng)用前后鼓風(fēng)機能耗的對比。可以發(fā)現(xiàn)，2021年12月的鼓風(fēng)機單耗最低，僅為0.142 kW·h/m3，相較于2020年同期能耗降低10.7%；而2021年7月的鼓風(fēng)機單耗同比僅降低3.9%。這可能是因為冬季相較于夏季池溫低，微生物活性減弱，生化處理效果變差，曝氣量需求增加，傳統(tǒng)曝氣的粗放式曝氣導(dǎo)致鼓風(fēng)機電耗偏高。此外，冬季去除單位質(zhì)量CODCr的能耗同比下降32.6%，夏季同比下降17.5%，也進(jìn)一步表明精確曝氣帶來的良好經(jīng)濟(jì)效益。

表4 精確曝氣應(yīng)用前后鼓風(fēng)機能耗對比Tab.4 Comparison of Blower Energy Consumption before and after Precise Aeration Application

2.4.2 系統(tǒng)藥耗分析

該污水廠進(jìn)水C/N長期偏低，導(dǎo)致需要外加碳源的補充；同時化學(xué)除磷也是污水廠除磷的必要手段。因此，針對精確曝氣應(yīng)用前后藥耗的系統(tǒng)分析，也是對精確曝氣系統(tǒng)的評價指標(biāo)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 精確曝氣系統(tǒng)應(yīng)用前后藥耗對比Fig.8 Comparison of Chemicals Consumption before and after Application of Precise Aeration System

精確曝氣應(yīng)用后的藥耗累計使用量明顯降低，2021年7月甲醇投加量同比降低24 kg/(103m3)，PAC投加量降低22 kg/(103m3)；2021年12月各藥劑單耗累計量最低，其中PAC藥劑和甲醇的投加量均為0。這是因為精確曝氣DO的精確控制降低了回流硝化液DO，強化了生物除磷，同時避免了好氧段過量曝氣導(dǎo)致水體自身碳源的過量消耗，降低了缺氧反硝化過程中的碳源投加，結(jié)果與圖5分析一致。

2.4.3 整體性評價

精確曝氣系統(tǒng)的應(yīng)用在生產(chǎn)能耗，藥耗上具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)合上文可知，2021年12月與2020年12月相比，鼓風(fēng)機電耗降低0.017 kW·h/m3，碳源藥劑降低45 kg/(103m3)，除磷藥劑降低10 kg/(103m3)。2021年累計處理水量為2 537.18萬m3，電費單價為0.6元/(kW·h)，外加碳源單價為3 600元/m3，除磷藥劑為486元/m3，計算可得年電費降低0.01元/m3，藥劑費降低0.02元/m3，節(jié)能降耗效果明顯。

3 結(jié)論

精確曝氣系統(tǒng)的應(yīng)用是城鎮(zhèn)污水廠實現(xiàn)出水水質(zhì)穩(wěn)定改善、節(jié)約成本的有效措施。本研究基于北方某污水處理廠精確曝氣系統(tǒng)的應(yīng)用，結(jié)論如下。

(1)精確曝氣系統(tǒng)實現(xiàn)了生物池好氧區(qū)DO穩(wěn)定控制在1.5 mg/L，波動在0.5 mg/L左右。

(2)精確曝氣系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)一步穩(wěn)定和改善了出水水質(zhì)，CODCr平均去除率從91.06%提升至95.42%；總氮平均去除率從70.0%提升至73.8%；總磷平均去除率從94.4%提升至97.3%。

(3)精確曝氣系統(tǒng)在冬季的應(yīng)用效果明顯優(yōu)于夏季，精確曝氣通過DO的精確控制明顯增加了兩系列生物池污泥濃度，冬季污泥濃度平均增加32.3%，保證微生物冬季的活性高于同期。

(4)精確曝氣系統(tǒng)節(jié)能降耗效果明顯。鼓風(fēng)機在夏季能耗同比降低3.9%，冬季則能同比降低10.7%，藥耗也得到很大程度節(jié)約。應(yīng)用精確曝氣系統(tǒng)年電費可降低0.01元/m3，藥劑費降低0.02元/m3。

(5)本文重點圍繞北方某采用改良UCT工藝的污水廠精確曝氣的應(yīng)用研究，處理水量規(guī)模僅為10萬m3/d。因此，關(guān)于城鎮(zhèn)大多數(shù)采用傳統(tǒng)AAO工藝以及處理規(guī)模更大的污水廠，精確曝氣的應(yīng)用以及節(jié)能降耗的效果評價還需要深入的研究。