基于DO和ORP 的联合调控曝气技术

周光明，高明辉，张元禾，韩兴连

（重庆远通电子技术开发有限公司，重庆 400013）

在城市污水处理过程中，工艺控制的主要参数是污水进出水水质参数。生物处理工艺是目前广为采用的污水处理技术。在污水处理整个过程中，必须维持生化处理系统的动态平衡。目前，各个污水处理厂都是通过控制曝气机的转速，间接控制生化池好氧区内的氧含量［1］。曝气环节始终是污水处理中最重要的能耗环节。据统计，在国内污水处理厂中，曝气占据了整个污水处理工艺总耗电量的50%～70%［2］。如何科学地对曝气环节进行控制从而降低能耗，一直是污水处理中的热点问题。本文以重庆市长寿区污水处理厂的改良型Carrousel氧化沟作为研究对象，探讨如何对生化池好氧区进行有效供氧，保证出水水质达标。

1 方案背景

目前，大多数工艺都是将生化池好氧区内的溶解氧浓度（DO）作为控制对象，也有许多科研工作者发现了ORP与COD去除及硝化之间存在较好相关性，在实践中采用ORP来控制生化池好氧区曝气量［3］。但由于污水处理是一个典型的具有随机性、时变性、非线性、模糊性和非稳定性的复杂的处理过程，对其过程特性很难用严格的数学方法进行描述。其过程特性概括起来可归纳为：（1）过程时滞的未知性和时变性；（2）过程参数的未知性、时变性、随机性和分散性；（3）过程环境干扰的未知性、多样性和随机性；（4）过程各变量间的关联性；（5）过程严重的非线性［4］。单独以DO或ORP作为控制对象，难以达到节能降耗与水质达标的双重目的。通过对实际工艺的测试，提出将DO、ORP均作为控制对象，实现分阶段联动控制达到工艺要求。

2 控制实施

2.1 调控方案

重庆市长寿区污水处理厂的改良型Carrousel氧化沟于2003年开始正式运行，主要用于处理生活污水及少量工业废水，一个系列有2条单沟，4廊道设计，单池处理量为20 000m3／d。沟长62m，廊道宽7m。设计有效水深3.9m，有效池容6 170m3，水力停留时间7.4h；厌氧池有效水深5.9m，池容945m3，设计水力停留时间为1.13h。氧化沟内设3台55kW倒伞型表曝机，其中C号与D号可调频，E号为定速电机。廊道中部设潜水推进器共4台。沟内设置DO／SS／ORP检测仪表。改良型氧化沟的平面及检测仪表位置见图1。

图1 改良型氧化沟平面图

方案调控参数：溶解氧（DO）、氧化还原电位（ORP）、回流比（R）、悬浮污泥浓度（MLSS）、水温（T）、水利停留时间（HRT）、硝氮（NO3－N）、氨氮（NH3－N）、总氮（TN）。具体实现策略为：

（1）由于MLSS对ORP影响不大，只需保持较好运行条件下的MLSS即可。

（2）根据水温、HRT，设定相应的 ORP、DO、NH3－N、NO3－N的浓度区间，温度影响按季度列，分为春夏秋季（＞16℃）和冬季（＜16℃）；HRT变化按进水流量计算，分段控制ORP区间，见表1。

（3）在线获取ORP、氨氮，人工获取硝态氮。

（4）根据实测ORP、DO的数据，利用课题组研究得到的统计模型，判断ORP、DO是否符合变化规律，若是则执行下列①操作，否则执行下列②操作。

①判断实测DO是否处于设定范围内，若否则进行曝气设备调控，同时进行回流比的微调，调整后返回步骤（3）；若DO在设定范围则继续步骤（5）。②若ORP和DO之间不满足相关关系，则进行系统异常情况检查，包括设备原因、污泥性质变化、进水水质变化等原因的检查，若属于设备原因则进行设备维护，若属于污泥性质、进水水质变化则进行系统运行工况的调整，包括调整回流比、SRT、HRT、DO、pH等，直至系统恢复（人工根据实际情况进行工况调整），调整后返回步骤（3）。

表1 初始ORP与DO设定值

（5）判断氨氮、硝态氮是否在设定范围，若是则不作任何调控，按当前状态运行；若否则判断氨氮、硝态氮和ORP之间是否满足相关关系，若是则根据相关关系计算所需的ORP反馈调整设定值，若否则进行系统异常检查，如步骤（4）中的②。见图2。

2.2 调控实现

现阶段的污水处理控制中，较多地使用了智能控制技术。经过现场实践，模糊控制、神经网络控制、专家控制在控制好氧区的曝气时，由于都需要现场的大量数据及现场人员丰富的调试经验，因此现场应用受到了一定限制［5］。基于简单规则的开关控制、反馈控制及前馈－反馈控制不仅调试简便，而且其算法也很容易在PLC等通用控制器上实现。课题组采用PLC最终实现参数联调控制。参数界面设置见图3。

图2 联调控制流程图

图3 自控程序界面

控制说明，自动控制模式下，PLC程序交替运行在DO曝气程序段和ORP控制程序段。正常情况下，在控制参数“曝气时间”范围内，PLC自动控制曝气机频率，使溶解氧保持在控制参数“DOH”和“DOL”之间（DOH为溶解氧控制高限，DOL为溶解氧控制低限）。当曝气时间达到，自动进入ORP控制，其中曝气时间是从氧化沟出口溶解氧高于DOL开始计时。当溶解氧迟迟不能高于DOL（如果探头未能定期清洗，也可能出现这种情况），为保证池内生物活性，将持续曝气。在曝气阶段，优先调节背离出口侧曝气机D频率。ORP控制阶段用于降低出水总氮，降低系统生产电耗。进入ORP控制阶段时，在控制参数“ORP控制时间内”，将停止曝气机E，并自动调节曝气机频率，优先调节出口侧曝气机A频率。ORP控制阶段作为辅助控制，通过调节曝气机频率，将氧化沟出口ORP控制在控制参数“ORPL”和“ORPH”之间（ORPL 为 ORP 控制低限，ORPH为ORP控制高限）。当ORP控制时间到达，无论ORP是否满足控制要求，都将退出ORP控制阶段并进入曝气阶段。根据工艺条件，“曝气时间”＋“ORP控制时间”应不大于2h。系统运行时，需操作人员根据实际情况及时调整控制参数。尤其是采用ORP控制，可能出现污泥膨胀，因此在有膨胀迹象时需提高ORP控制限值或缩短ORP控制时间。

该系统运行半年以来，节能效果显著，电耗下降30%；同时出水水质稳定，达到国家排放标准。

3 结论

以ORP与DO同时作为污水处理曝气控制对象，研究曝气控制策略。前期阶段利用DO控制曝气量（转碟曝气机的频率），当设定的曝气时间到达时，转为利用ORP控制。通过2个参数的联合调控，既保证了出水水质又实现了节能降耗。结果表明，在不增加现有设备投资的情况下，充分发挥自控程序的灵活性，DO与ORP的联合调控技术实现了节能与环保的要求。

［1］王 涛，徐跃飞，陈贵生，等.ORP用于优化改良型Carrousel氧化沟脱氮的研究［J］.中国给水排水，2012，28（21）：16－19.

［2］王 涛，岳 波，张妙月，等.氧化沟间歇曝气脱氮效果及控制策略的中试研究［J］.水处理技术，2012，38（6）：78－81.

［3］苏高强，彭永臻.基于ORP的控制策略在废水生物处理中的应用［J］.工业水处理，2011，31（8）：11－15.

［4］孙 骞，许 睿，龚 琼.基于模糊神经网络的自适应精确曝气系统设计［J］.桂林电子科技大学学报，2011，31（5）：382－385.

［5］王 静.污水处理曝气过程的智能融合控制策略［J］.西南大学学报：自然科学版，2012，34（7）：120－124.