曝气精确分配与控制系统在临平地埋式污水厂的应用案例分析

徐 敏，白小平，姜 乔，边 靖

(1. 杭州余杭水务控股集团有限公司 浙江杭州311100；2.杭州余杭城东净水有限公司 浙江杭州311100；3.中国市政工程华北设计研究总院有限公司 天津300074)

随着城市生活质量的逐步提高，人们对环保的关注度越来越高。城市生活污水排放是城市生活的一个重要组成部分，加强对城市污水的处理、减少城市污水带来的污染，也是当前我国急需解决的问题，而对城市污水中的氮、磷元素的处理又是整个污水处理过程中最为重要的一环[1]。

当前我国约有一半的污水处理厂采用氧化沟和A/A/O工艺来进行氮磷的处理，而且 A/A/O变形工艺的应用呈现上升趋势。在A/A/O工艺中，曝气量的多少对出水氮磷是否达标起到决定性作用。经权威调查显示，生物池鼓风曝气的能耗占污水处理厂总能耗的约 51%。因此，实现污水厂出水水质稳定及节能运行是目前污水处理厂实现提质增效这一目标的关键。

精确曝气的首要目标是保障生化处理工艺的稳定运行以及出水稳定达标，进而达到鼓风曝气系统的节能降耗和污水处理厂的运行成本降低。

1 项目背景

余杭临平净水厂位于杭州市余杭区望梅路东湖南路，是浙江省规模最大的全地埋式净水厂。净水厂设计处理水量20万t/d，生化段采用A/A/O+MBR处理工艺。

2019年，浙江省提出污水处理提质增效 3年行动计划，杭州计划完成 14座城镇污水处理厂的技术改造，使出水部分污染物指标优于一级A标准。余杭临平净水厂主要负责临平副城区域的污水处理，尾水直接排放至钱塘江，对出水水质有极高的要求。

目前国内大多数污水处理的曝气系统基本上采用经验恒量控制、溶解氧仪-阀门 PID 控制或人工经验控制，这 3种控制方式具有共同的缺点：不能对具有多变量、非线性、强耦合、大滞后等特点的曝气系统进行稳定控制；不能使曝气池各廊道阀门开度随水量和水质的变化而变化，从而导致曝气量与实际需气量相比冗余过大，造成工艺不稳定且能耗升高[2]。因此，如何利用一款自动化控制系统使生物池的曝气实现精确分配与实时控制显得极为重要。

2 曝气精确分配与控制系统的布置

临平净水厂设东西两座共4组生物池，单组设计处理水量为5万t/d。生物池采用底部微孔方式曝气，各配置3台离心风机(2用1备)，曝气控制则采用德国冰得公司的 VACOMASS®曝气精确分配与控制系统。根据控制需求，该净水厂 4组生物池被划分为8个曝气控制区进行独立控制。每组生物池分为进水和出水两个控制区，每个控制区分别设置一根曝气支干管，均安装相应的 Jet流线型空气调节阀并配套气体流量计，同时每个曝气控制区分别配置一台在线溶解氧测定仪。

图 1为一座 2组生物池的平面布置图，其中M2、M3分别为进水端的第一曝气控制区，M1、M4分别为出水端的第二曝气控制区。

图1 临平净水厂生物池VACOMASS®曝气精确分配与控制系统平面布置图Fig.1 Proposal of VACOMASS® system for Linping WWTP

3 系统运行效果分析

3.1 鼓风曝气系统全自动运行

该项目2019年4月中旬完成曝气精确分配与控制系统的整体系统调试，开启全自动运行。图 2是污水处理厂的中控室 SCADA截图，从图中可以看到，整个污水处理厂的空气调节阀及鼓风机均处于全自动运行状态。而且在同一个时间段内，不同曝气控制区的阀位、DO、曝气量均明显不同。

之所以会出现以上差异，是因为不同生物池的液位、污泥浓度等差异以及同一生物池不同曝气区域曝气效率差异等多方面的因素共同造成的。曝气精确分配与控制系统的作用就在于平衡这些人眼看不见的差异，进而实现合理的实时分配曝气量。

图2 中控室SCADA曝气精确分配与控制系统控制界面Fig.2 Interface of VACOMASS® system

3.2 气量实时按需分配

图 3为西池 M3进水端控制区的一张控制曲线图，时间为2019年6月11日至2019年6月17日。可以看到，为了使 DO保持在设定值附近，该控制区的曝气量以及阀位均在实时调节。

①当系统运行到 A区域的时候，检测到 DO有较大幅度的下降，于是迅速将风量由 1800Nm3/h调整至 6500Nm3/h，从而使得 DO值迅速恢复到设定值合理范围。

图3 M3曝气控制区一周DO控制曲线Fig.3 One week DO curves of M3 control zone

②当系统运行到B区域时，DO值出现了周期约为 3.5h的连续波动。为了抑制 DO的连续性波动，VACOMASS®系统紧紧跟随DO的波动周期，实时调节风量，从而有效抑制了DO波动的连续与发散。

③当系统运行到 C区域的时候，操作人员根据实际运行的需要，将 DO设定值由 1.0mg/L调整为0.7mg/L。系统及时捕捉到 DO设定值的信号变化后，将风量由7000Nm3/h调整为3500Nm3/h。

3.3 DO稳定控制

图4是东区生物池M5—M8控制区在6月11日至 6月 17日共计 8d的 DO-阀位数据曲线，其中蓝色的是DO测量值，黄色为 DO设定值，上部红色是阀门开度。从图中可以看出，系统可以自动控制空气调节阀的开度，实时调整空气流量，保持 DO维持在设定值附近。在 85%以上的时间内，DO测量值始终维持在DO设定值±0.5mg/L范围内。

图4 M5—M8曝气控制区一周DO控制曲线Fig.4 One week DO curves of M5-M8 control zones

3.4 工艺运行稳定

余杭临平净水厂采用一级 A的水质排放标准，在 VACOMASS®系统正常运行期间，污水处理厂工艺稳定运行，出水稳定达到排放标准。

此污水处理厂设计COD进水为450mg/L，氨氮进水为35mg/L，总氮进水为45mg/L。从图5中可以看到，在进水参数波动甚至超过设计参数的时候，系统通过及时调整氧气供给量，保证出水水质始终达到一级 A标准(COD＜50mg/L，N-N＜5mg/L，TN＜15mg/L)。

图5 4月1日至6月23日进出水水质曲线Fig.5 Influent and effluent quality curves from April 1 to June 23

3.5 鼓风曝气系统节能降耗

系统内置的 E-control功能模块能够监测并实时调整鼓风机的压力值，避免过度曝气以及曝气不足，使整个鼓风曝气系统始终处于效率最高的状态。

如图 6所示，随着 E-control压力建议值的不断更新，鼓风机通过调整导叶开度，可以不断调整系统压力及供气量。在进水负荷下降时段A，E-Control输出压力建议值降低，鼓风机导叶关小、工作电流下降，能耗降低，从而避免系统过度曝气；在进水负荷上升时段 B，E-Control输出压力建议值升高，鼓风机导叶增大，工作电流上升，能耗增加，从而避免系统曝气不足。

图6 E-control压力建议值曲线Fig.6 E-control pressure recommended value curve

在人工手动控制模式下，系统压力值为630mbar。此时，E-control带来的节能空间为：

如果考虑到选用了 Jet流线型空气调节阀还能额外给系统减少30～50mbr的压力损失(图7)，则系统实际能为客户带来的节能空间是＞(S节能区间/660)×t。

本研究统计了污水处理厂在2019年6月10日至7月17日及8月12日至9月12日共计68d的鼓风机运行数据，运行结果如表1所示。

图7 E-control压力建议值曲线Fig.7 E-control pressure recommended value curve

表1 电耗数据统计表Tab.1 Power consumption statistics

由表 1可知，在两段不同的时间段内，系统均处于全自动运行状态，生物池平均吨水电耗分别为0.056kWh/t和 0.063kWh/t。

4 效果总结

①曝气精确分配与控制系统能控制鼓风曝气系统全自动运行，实现各个生物池每个好氧区的气量按需分配，精确控制每个好氧区的DO测量值在DO设定值的±0.5mg/L以内，有力保障了污水处理厂的工艺稳定运行，出水水质稳定达到所需的排放标准。

②曝气精确分配与控制系统可根据污水处理厂进水负荷的变化实时调整鼓风机风量，并适时优化鼓风机压力，达到节能降耗的效果。

③曝气精确分配与控制系统实现了曝气系统的全自动运行，和以往常见的手动调节总管阀和鼓风机相比，明显降低了设备的运维强度，提高了运行管理人员的工作效率。