污水处理厂精确曝气控制系统的关键问题

2021-08-15李建军唐安平胡海军

中国环保产业 2021年7期

李建军，唐安平，胡海军

（1.北京蓝白蓝科技有限公司，北京 100101；2.北京协同创新智慧水务有限公司，北京 100094）

1 使用精确曝气控制系统的目的

污水处理中曝气流量控制的目标就是在生物反应器中形成稳定的溶解氧条件，为微生物生长与污染物降解建立一个动态平衡和可靠的生存环境。这一动态平衡过程的实质，就是使总氧转移速率近似等于总耗氧速率。由于污水处理厂的进水水质和水量是变化的，在特定的时间段内其耗氧量也是变化的，只有使该时段内的供氧量和耗氧量相均衡，才能保证处理环境的稳定。

精确曝气控制系统研发的目的是为了保障供氧和节能，通过控制溶解氧使生化系统处于动态平衡状态，可以提高出水COD 和氨氮的达标率，也可以间接促进出水TN、TP 的达标率，进一步显著提高污水处理厂出水水质达标率。

从技术应用的情况上来看，精确曝气带来的效果首先是显著提高了出水水质达标率，其次是节能。

2 精确曝气控制系统的适用范围

目前精确曝气控制的理论基础模型是国际水协的ASMs 模型，针对的是传统AAO 工艺、AAO 改良工艺，如多级AO、AAO-MBR 工艺等（见图1）。

图1 传统AAO 工艺的流程

MBR 和MBBR 两种工艺的曝气强度控制主要是为了抖动膜丝、悬浮填料等，精确曝气控制系统不能直接用于这两种工艺。由于MBR 和MBBR 的曝气量占膜池和填料池总曝气量的份额都很大，而且基本不能调低，所以按常规AAO 的曝气控制效果可能达不到减量10%的程度。但可以用精确曝气的控制策略，溶解氧设置值和控制方法会做调整，也要看曝气系统的硬件能否具备条件。AAO+MBR采用的是逐级回流，从膜池到最后一级好氧池的回流比甚至高达400%，所以最后1～2 级好氧池的曝气量可以大大降低。例如，设1.5mg/L 溶解氧为控制值，也许把阀门全关上不曝气，也能达到这个水平，从而节省了曝气量。因此，精确曝气控制的策略可以用于MBR、MBBR 工艺的节能。

3 精确曝气控制系统的控制策略

精确曝气控制系统的控制策略可采用前馈+串级反馈（见图2）。

图2 精确曝气控制系统的控制策略

该系统共包括三级串联的控制结构：第一级前馈开环控制，通过进水负荷设定计算最优溶解氧；第二级溶解氧反馈闭环控制，通过好氧区溶解氧仪的实时数据调整每个支管曝气量及阀门开度；第三级鼓风机闭环反馈控制，通过溶解氧和支管曝气量调整风机总气量。

基于溶解氧或氨氮控制两种策略使用的底层模型都是活性污泥微生物与污染物的生化反应模型，使用的参数包括工程应用的简化手段会有所差异，但这种差异只是精确曝气控制系统不同供应商之间的技术区别。

4 精确曝气控制系统的核心

精确曝气控制系统的核心是控制策略。由于每一个污水处理厂的工艺都有所不同，管路布局和施工也不同，因此每一个污水处理厂的优化控制策略都要根据自身情况进行设置。

5 精确曝气控制系统对水质仪表的要求

精确曝气控制系统需要水质仪表提供准确的数据，因此就需要对仪表进行良好的维护。针对仪表数据不准确的问题，该系统有专门的数据置信区间控制策略。

国家规定COD 的监测频率为2h 一次，仪表本身可以45min 读取一次数据。如果有工业废水进入污水处理厂或污水处理厂进水水质波动较大的情况，建议将常规COD 读数周期缩短，或者增加全光谱法COD仪表、高光谱水质监测仪表等。

6 精确曝气控制系统对阀门的要求

精确曝气控制系统一般采用电动调节阀，分为电动执行机构和阀门两部分。

精确曝气控制系统对阀门没有特殊要求，控制精确度从高到低依次是菱形阀、球阀、蝶阀，价格上从低到高依次是蝶阀、球阀、菱形阀。由于蝶阀30%开度和全开的风量变化不大，因此一般不用于精确曝气控制系统。

研究发现，在水深较大的情况下（大于6m），阀门的调节性能将发生畸变，建议电动阀安装时两侧增加变径，以改善阀门的调节性能，电动阀安装尺寸为管道尺寸的60%～80%为宜。

7 精确曝气控制系统对风机的要求

目前污水处理中曝气使用的鼓风机一般为单级高速离心鼓风机、多级低速离心鼓风机、罗茨鼓风机、螺杆鼓风机等。

单级高速离心鼓风机因驱动、传动形式的不同，可分为齿轮增速型单级高速离心鼓风机、空气悬浮式高速离心鼓风机、磁悬浮式高速离心鼓风机等。

多级低速离心鼓风机采用传统异步电机驱动，分级加压，提供压缩空气。

罗茨鼓风机、螺杆鼓风机均为容积式鼓风机，其中螺杆鼓风机噪声小、价格便宜。

精确曝气控制系统可以对上述风机进行风量调节和控制。

（1）从风量调节方式上讲，齿轮增速型单级高速离心鼓风机通过调整进、出口导叶的方式调节风量。空气和磁悬浮风机、多级鼓风机、罗茨鼓风机、螺杆鼓风机均采用变频器调整转速方式，调节风量。根据风量需求控制风机，单台不满足时加开或减开风机，启停时有保护，避免频繁启停。

（2）从风量调节范围上讲，齿轮增速型单级高速离心鼓风机一般能做到45%～100%的调节范围，而且不易发生喘震现象。磁悬浮和空气悬浮风机本身无法调节风量，需要增加变频器，变频器调节范围一般为50%～100%。考虑到节能效率和管理水平，不建议用精确曝气控制系统来控制罗茨风机和多级风机。

从目前项目的执行情况来看，精确曝气控制系统对风机产生的背压相比于人工控制较大，所以在进行精确曝气时需要考虑鼓风机的背压上限与可调空间，避免损坏风机。

（3）从频繁启动的限制上讲，磁悬浮风机不受启停次数的限制，空气悬浮风机影响较大。

（4）从效率上讲，磁悬浮风机、空气悬浮风机、齿轮增速型单级高速离心鼓风机的效率均在75%以上。

（5）从功率上讲，鼓风机功率在350kW 以上时，齿轮增速型单级高速离心鼓风机应用较多；鼓风机功率在350kW 以下时，磁悬浮风机、空气悬浮风机应用较多。

（6）从价格上讲，齿轮增速型单级高速离心鼓风机最贵，磁悬浮风机次之，空气悬浮风机最便宜。

（7）从后期维护费用上讲，磁悬浮风机、空气悬浮风机只需要定期更换空气过滤棉，运行维护成本较低；齿轮增速型单级高速离心鼓风机附属设备较多，涉及滑动轴承润滑、降温冷却、润滑油更换等附属设备的运行维护。

（8）从运行噪声上讲，空气悬浮风机和磁悬浮风机优势很大。

（9）从占地面积上讲，齿轮增速型单级高速离心鼓风机的设备尺寸大一些。

目前来看，国产品牌的鼓风机多数是单导叶或没有导叶，进口品牌的鼓风机多数是双导叶联动调节，因此可以简单地用导叶技术来区分技术实力和品牌定位。

罗茨鼓风机、多级低速鼓风机、螺杆鼓风机因整机效率较低，在污水处理厂曝气环节使用得越来越少。

8 精确曝气的控制难点

（1）曝气过程自身不容易控制

充氧过程和传质系数、流量不成线性关系，与液位和温度等有关。耗氧过程是复杂的生化反应过程，条件几乎时刻在改变，很难实现动态平衡。过程扰动因素多，参数不稳定，如温度对传质系数、饱和溶解氧、微生物活性影响明显。进水负荷对耗氧速率影响明显且程度难以准确计算。管道供气过程进行较快，而氧平衡过程较慢，必须对供气过程进行准确和快速控制才能实现过程的稳态平衡。

对溶解氧的控制不仅表现在溶解氧实时值的稳定性上，还体现在合适的溶解氧浓度设定值上。由于AAO 工艺存在分区差异，相互之间有所影响，比如末端溶解氧会影响反硝化区的脱氮效果、二沉池回流污泥溶解氧会影响厌氧区释磷效果等，这就要求对好氧区不同位置进行区别对待，合理设置溶解氧浓度，以便促进整个系统的脱氮除磷效果。

关于溶解氧设定值的选择，一般采用离线优化运行方法，主要是利用污水处理工艺的现场测试和数学模拟。通过现场测试，可以掌握系统的动态特性，并确定关键的ASMs 模型参数，实现成功的数学模拟。通过情景模拟和分析，可以对多种工况进行分析和总结，得到适用于现场操作的方法和方案，从而在实际生产中实现工艺优化运行。在这一方面，清华大学环境学院施汉昌教授研究团队进行了长期的研究工作，并且通过大量的工程项目积累了丰富的经验，使得这套系统得到了丰富和完善。

曝气调整的时机和尺度也难以确定。从控制的角度来讲，什么时间调整，一次调整多少非常关键，如果这两个参数确定不好，控制系统基本是紊乱的。除了对进水水质、水量进行实时监控外，当进水负荷变化超过一定限度时，还需要预测这波进水到生化反应池大概需要的时间，然后再做出相应的调整。负荷不同，气体调整的数量，甚至调整的方式也会有所不同。

（2）曝气支管气量分配不容易控制

曝气管道和曝气盘的布置对曝气控制的影响很大。

单纯的风机控制只能实现总风量的调节，无法实现每个区域的风量都分配合适，而且风管气量分布问题很复杂，光靠风机调节不能保证气量的准确分配。

不同分区为了达到相同的溶解氧，支管阀门开度差别较大，有的甚至全开也不及其他区域30%开度所带来的溶解氧。

9 影响精确曝气控制系统长期稳定运行的因素

（1）设备维护情况

设备维护包括仪表、风机、通信的维护等，数据不正常或通信故障、设备不能正确动作都会影响精确曝气控制系统的长期稳定运行。随着使用时间的延长，由于设备维护不到位或老化也会造成设备的一些参数发生变化。

在运行阶段，控制策略往往受限于硬件设备的维护情况。

（2）一些无法预知的干扰操作

例如，冷凝水或者生物池之外的某处需要曝气，如果不迅速调整风机的输出，会导致DO 大幅度下降，严重影响溶解氧的稳定性，而且如果持续如此，那就很难控制系统的稳定运行。

（3）技术供应商和使用单位脱节

精确曝气控制系统不是标准化的产品，根据不同污水处理厂的情况需要做出不同的控制策略，在调试阶段需要投入大量的人力和时间。污水处理厂作为使用单位不仅需要维护好相关硬件设备，还需要了解控制逻辑，正确使用这套系统。项目验收完成之后，技术供应商和使用单位还需要针对使用过程中的软件、硬件，甚至整个污水处理厂的工艺问题开展长期的合作和交流。