在线溶解氧仪在智能曝气系统中的应用

张 伟 李东华 武少伟 许春莲 李志 王红雨

（中国环境科学研究院工程设计研究中心1，北京 100012；瑞星集团有限公司2，山东 东平 271509）

在线溶解氧仪在智能曝气系统中的应用

张 伟1李东华2武少伟1许春莲1李志1王红雨1

（中国环境科学研究院工程设计研究中心1，北京 100012；瑞星集团有限公司2，山东 东平 271509）

我国大部分污水处理工程中，曝气设备的动力能耗占污水处理工程全部能耗的40％～60％。为了降低能耗，对曝气系统的控制方式进行了研究。将在线溶解氧仪安装在好氧槽，根据实时反馈的溶解氧值和温度值，计算好氧槽内的微生物呼吸速率，确定曝气时间并反馈给PLC控制系统，以自动控制鼓风机启停。实际运行结果表明，在线溶解氧仪测量准确、快速、维护量少，应用在该智能曝气系统中既能满足出水达标的要求，又节约了能耗。

在线溶解氧 智能曝气系统 PLC 污水处理 反馈 节能

0 引言

在我国大部分污水处理工程中，活性污泥法是应用最为广泛的处理工艺之一。该工艺以曝气池为核心处理构筑物。需处理的污水和从二次沉淀池回流的活性污泥同时进入曝气池，在曝气作用下，污水和活性污泥充分混合接触，并得到溶解氧（dissolved oxygen，DO），为微生物的生长繁殖创造良好条件。污水中的有机污染物不断地被微生物吸附、分解，使污水得到净化［1］。其中，曝气池中溶解氧浓度的稳定控制，是提高城市污水处理厂生化单元运行效率、保证污水处理厂出水水质达标、降低曝气系统能耗的必要条件。曝气池中溶解氧浓度的高低直接影响有机物的去除效率，并在活性污泥法污水处理过程中影响活性污泥的生长，也是影响运行费用和出水水质的重要因素。因此，在生物处理系统的运行中溶解氧浓度是过程控制的重要控制参数［2］。

曝气池内DO浓度对微生物活动的影响很大，进而影响整个污水处理进程。曝气是维持曝气池内DO浓度的直接手段，控制DO浓度就是控制曝气强度。同时曝气设备的动力能耗占污水处理工程全部能耗的40％ ～60％［3－4］。为了实现污水处理过程中的节能，在保证出水达标的前提下，智能曝气控制系统成为当前节能降耗的主要措施。由于在线溶解氧仪采用了荧光溶解氧电极，具有快速、抗干扰性强、操作简便的优点，因此本文在污水生物处理工艺中的好氧槽内应用在线溶解氧仪，根据在线DO变化速率实时调整曝气时间，既满足了出水达标的要求，又节约了能耗。

1 智能曝气系统

1.1 工作原理

在曝气量控制方面，以往的曝气控制技术多是为了节省曝气能耗或满足营养物去除过程中不同阶段的不同需氧情况而进行的监控。本文介绍的智能曝气系统直接把DO浓度与污水处理过程中微生物的呼吸速率联系起来，采用智能化供氧系统（automatic oxygen supply device，AOSD），在好氧槽内设置在线溶解氧仪和温度传感器，根据实时反馈的溶解氧值和温度值，计算好氧槽内的微生物呼吸速率（溶解氧升降斜率），并根据反应槽内微生物的呼吸速率（溶解氧升降斜率）来自动计算当前温度条件下的有机物降解、硝化所需要的溶解氧需要量，精确控制间歇曝气的时间。

智能供氧系统工作原理如图1所示。

图1 智能供氧系统工作原理Fig.1 The working principle of intelligent oxygen supplying system

1.2 荧光法在线溶解氧仪

智能曝气系统的实现依赖于好氧槽内溶解氧和温度值的实时传送。本文采用HACH SC100在线溶解氧仪。该溶解氧仪由SC100控制器和LDO溶解氧测量探头两部分组成。测量探头可以直接浸入水中，通过测量探头表面的荧光物质发射红光的时间，得出水中溶解氧的浓度。测量探头特有的光学检测方法，可以有效地消除样品中的pH值波动、硫化氢、水中的化学物质或重金属的干扰，从而在更长的时间内提供更稳定、更准确的测量结果［4］。

测量探头最前端的传感器罩上覆盖有一层荧光物质，LED光源发出的蓝光照射到荧光物质上，荧光物质被激发，发出红光。光电池检测荧光物质从发射红光到回到基态所需要的时间。这个时间只和蓝光的发射时间以及氧气的多少有关。探头另有一个LED光源，在蓝光发射的同时发射红光，作为蓝光发射时间的参考。传感器周围的氧气越多，荧光物质发射红光的时间就越短，由此计算出溶解氧的浓度［5］。与电化学原理的溶解氧探头技术不同，荧光法溶解氧探头不会消耗氧，不需要频繁地进行反复校准和清洗，因此具有更长的使用寿命以及更为稳定和准确的读数。

1.3 PLC控制系统

电子技术的发展，使可编程逻辑控制器的稳定性、可靠性及抗干扰性能大幅提高，其被广泛应用于工业控制中，完成各种复杂的控制和计算功能［6］。整个自动控制系统按照分布式系统结构分为三层：中央控制层（操作站/上位机）、现场控制层（PLC/下位机）和现场设备层。上位机采用C++Builder编程实现的监控软件，实时显示在线DO及温度值，并进行曝气时间智能计算和复位控制。现场控制层即PLC控制单元，负责现场仪表的数据采集，以及对现场设备进行监控。本控制系统采用OMRON公司CJ1G系列小型PLC系统。该PLC系统由电源模块、CPU、模拟量输入模块及数字量输出模块组成，完成数据采集、智能运算、控制鼓风机运行及故障报警等顺序控制功能。系统结构简单，运行稳定。现场设备层包括在线溶解氧仪、鼓风机、搅拌机和电动阀门等。

2 在线溶解氧仪在AOSD中的应用

在某小型生活污水处理装置中，采用AOSD实现曝气，将在线溶解氧仪SC100杆式安装在处理装置中的好氧槽内，并配备自动反清洗器。在线监测好氧槽内的DO和温度T，通过RS-485端口进行数据通信，将数据输送到PLC。按照AOSD控制算法进行运算，得出曝气时间。将控制信号反馈给鼓风机，控制其运行和停止。鼓风机停止曝气时启动槽内小型搅拌机，以保证槽内污水混合均匀。智能曝气系统示意图如图2所示。

装置所需原水采用邻近居民楼生活污水，经过调试后在智能曝气系统控制下正式运行。该装置初始设置曝气和搅拌时间各为60min。运行期间，AOSD系统根据在线DO和温度值，按照内置控制规则自动调整曝气时间，每2 h为一个曝气控制段。运行正常后某天9：00～21：00时间间隔内在线DO值与鼓风机曝气运行状态曲线如图3所示。图3中，鼓风机运行状态由1和0表示：1表示运行；0表示停止。从图3可以看出，曝气时间段大部分时间处于低溶解氧状态，溶解氧浓度大致保持在0.6～1.2 mg/L之间，只有1～2 h由于通过较长时间曝气，使溶解氧浓度迅速升高并保持在3～4.7 mg/L。在曝气停止阶段，好氧槽溶解氧浓度一般在0.02～0.6mg/L范围内。每日曝气时间与曝气停止时间的比例约为1∶1。即使在如此低的溶解氧状态下，系统也保持了良好的处理效果，同时能耗降低18％～47％（平均35.4％）。采用AOSD控制系统期间主风机的消耗电量为4.7～10.1 kWh/d（平均 6.93 kWh/d），搅拌机的消耗电量为 2.32～0.87 kWh/d（平均1.60 kWh/d）；而不采用AOSD控制系统期间，好氧槽曝气用鼓风机（0.55 kW）为24 h连续运行，日耗电量为13.2 kWh/d。

图3 在线溶解氧值与鼓风机运行状态曲线Fig.3 The curves of online dissolved oxygen value and blower running state

装置运行稳定后原水和出水的水质参数如表1所示。由表1可知，出水水质符合国家标准，表明通过在线溶解氧仪的数据采集，实现智能曝气时间的控制，既能满足出水达标的要求，又节约了能耗，为污水处理工艺节能减排提供了有效途径。

水质参数进水水量/（m3·d－1）化学需氧量/（m3·L－1）总氮/（m3·L－1）氨氮/（m3·L－1）原水 6 510～769 55～104 42.0～92.0出水618～45 10～26 1.2～13.5

3 日常维护

由于荧光法在线溶解氧仪维护量较少，因此在正常运行过程中，只需要做好以下几个方面。

①清洗：每三个月清洗一次传感器探头。用水流清洗传感器的外表面，如果仍有碎屑残留，用湿沫布进行擦拭。

②检查：每三个月检查一次传感器及传感器帽是否损坏。

③更换：每年更换一次传感器帽。

在使用过程中，对于一些常见故障，需按照以下方法进行一一排除。

①控制面板读数闪烁。主要原因包括传感器帽未正确安装、传感器帽的光程受到遮挡、传感器运行不正常等。具体解决办法为操作控制面板，找出错误代码，然后取出并重新安装传感器帽；检查传感器帽中的阻塞，确认红色二极管灯或者蓝色二极管灯正在闪烁。

②报警。当传感器温度超出量程或者红色/蓝色波长振幅超出量程时会出现报警。这时应查看控制面板上“传感器诊断”菜单，确认是哪一种报警原因，然后进行介质温度调整或者取出传感器帽并重新安装。

4 结束语

在线溶解氧仪采用荧光法测量溶解氧，测量数据准确、快速，维护工作量小。在生活污水处理装置智能供氧系统中，该溶解氧仪根据温度及DO变化速率计算鼓风机曝气时间，并反馈给PLC，以控制鼓风机设备的运行和停止，实现高效的有机物降解和脱氮效果，同时，最大限度地节省曝气所需的能量消耗。HACH在线溶解氧仪SC100在污水处理装置智能曝气系统中投用以来，设备运行稳定、可靠，出水稳定。在日常维护中，除了更换传感器帽以外，几乎没有故障发生，为生活污水处理智能曝气系统的有效控制运行提供了可靠的保障。

［1］王小文.水污染控制工程［M］.北京：煤炭工业出版社，2002.

［2］ Olsson G，Nielsen M，Yuan Z，et al.Instrumentation，control and automation in wastewater systems［M］.London：IWA Publishing，2005.

［3］夏文辉，刘芬，周雹.污水处理厂曝气控制研究［J］.给水排水，2009，35（1）：121－125.

［4］谷成国，宋剑锋.污水处理厂鼓风曝气阶段的节能降耗研究［J］.环境保护科学，2008，34（5）：26－28.

［5］蔡芝斌，孔建成，王江良.智能供氧系统在污水领域的应用研究［J］.环境科学与管理，2008，33（2）：77－81.

［6］李骏.荧光法溶解氧电极测溶解氧方法及优势［J］.化学工程与装备，2011（7）：190－191.

［7］罗远程.污水厂DO在线监测与便携式测试数据的对比［J］.中国给水排水，2012，28（11）：72－74.

［8］姚斌，蔡芝斌，邹华.绍兴污水处理厂在线仪表安装与维修经验总结［J］.给水排水，2012，38（9）：105－108.

［9］许光泞，周林荣，文欣秀.污水处理厂的优化节能控制措施与应用［J］.中国给水排水，2010，26（18）：139－143.

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［11］马金峰，王佳伟，张胜海，等.污水处理厂溶解氧自动控制系统的运行优化［J］.中国给水排水，2010，26（11）：17－20.

Application of the Online Dissolved Oxygen Analyzer in Intelligent Aeration System

In our country，the power energy consumption of aeration equipment inmost of the sewage treatment processes is40％to 60％of the total energy consumption of the overall sewage treatment project.To reduce the energy consumption，the controlmodes of the aeration system are researched.By installing the online dissolved oxygen analyser in aerobic tank，according to the feedback dissolved oxygen value and temperature value，themicrobial respiration rate in aerobic tank is calculated to determine the aeration time，and then feedback to PLC control system for startup and shutdown the blower automatically.The results of practical operation show that the online dissolved oxygen analyzer is accurate，fast speed and less in maintenance；its application in intelligent aeration system meets the requirements of effluent compliance and energy saving.

Online dissolved oxygen Intelligent aeration system PLC Sewage treatment Feedback Energy saving

TP212+.9

A

国家水体污染控制与治理科技重大专项基金资助项目（编号：2009ZX07529-007）。

修改稿收到日期：2013－10－23。

张伟（1977－），男，2006年毕业于北京工业大学控制理论与控制工程专业，获硕士学位，工程师；主要从事自动控制系统和智能控制技术应用、环境技术验证方面的研究。