精准曝气技术在污水处理中的研究进展

高新磊 邱 颉 黄 睿 房 睿

（1 广东粤海水务股份有限公司 广东深圳 518021 2 哈尔滨工业大学水资源国家工程研究中心有限公司 黑龙江哈尔滨 150000）

引言

随着我国城市化进程的不断发展，水环境污染的状况日益加剧，污水排放量也呈现出逐渐增加的趋势。污水处理厂作为城镇可持续发展的重要基础设施，其主要功能是将集中收集后的生活污水达标处理后排入水环境，从而降低污染。

随着国家对环境保护重视程度的不断提高，我国污水厂的处理规模得到了巨大提升。相关数据显示，2018 年我国已建成的污水处理厂达到5000 余座，年污水处理量达到700 亿立方米。[1]污水处理是保障人们生产生活和保护生态环境的重要措施，虽然污水处理的工艺繁杂，但目前大多数污水处理厂都使用活性污泥法对污水进行处理，这种污水处理方法已经被使用了100 余年，经受住了时间的考验。该处理法运用微生物代谢的方法对水中的污染物进行降解，微生物在去除污水污染物的过程中发挥着重要的作用。[2]要保证微生物群落的繁殖就必须满足适宜其生存的必要条件，污水中的氧气含量至关重要，因此，要保证污水中微生物得到有效的繁殖，就要将污水中的氧含量控制在一定的范围内，过低或过高的曝气量都会影响污水水质的处理效果。曝气法是常见的污水补氧方法，曝气设备之所以被广泛运用到污水处理设备中，不仅因为其可以提供充足的溶解氧，不会对水环境造成二次污染，而且具有搅拌混合等功能。[3]曝气法所消耗的能量占污水处理总能源消耗的一半以上，随着污水处理厂节能减排、降低能耗的要求逐渐提高，亟需由常规的自动化控制和人工调控向精准化、智能化控制转变。[4]精确控制污水中的氧含量，不仅能够有利于系统的稳定运行，还能进一步降低能源消耗。

在我国经济发展过程中，生态环境的保护越来越受到人们的重视，由于城市的快速扩张，导致人与环境出现矛盾，环境治理工作已经刻不容缓，污水控制工作至今没有得到妥善的解决，对城市的生态环境造成较大影响。相关研究结果显示，现阶段国内污水厂大多采用传统的手动调控和简易的自动控制系统，曝气控制系统存在精确度不高及硬件成本过高的问题。[5]在我国这样一个人口大国，每年由城市污水导致的环境问题层出不穷，对污水处理厂的曝气控制技术提出了更高的要求，不但需要更加精确的控制手段，还需要精细化的处理方案，降低能源消耗，提高污水处理能力，保护城市的生态环境。

1 污水处理厂曝气精准控制理念及必要性

1.1 污水处理厂曝气精准控制理念

曝气系统作为污水处理厂的主要能耗单元，其控制水平对于污水厂整体的能耗以及出水的水质都具有十分重要的影响。由于进水水质和水量的波动，传统的曝气控制往往具有滞后性，效果并不理想。[6]考虑到城市发展对生态环境保护的需求，在污水处理过程中采用曝气技术应遵循一定的原则，需要利用在线监测仪表实时采集污水量、气量、溶解氧、鼓风机功率以及压力等信号。

根据控制理论可知，要实现精准曝气，首先，要控制空气的输入量，空气输入后经过曝气装置喷出就会形成气泡，这些气泡具有不同的体积，在污水中不断上浮，实现曝气量的精准控制。其次，要控制空气的温度，使空气具有一定的冷凝作用，以便于形成水珠增强曝气的精准控制，这是要求气泡系统具有较高的控制精度，使曝气的有效性得以提升，最终实现曝气的精准控制。[7]精准曝气可以实现污水厂的生物处理系统的运行以及出水水质更加稳定，更重要的是，比人工控制更加节能。

1.2 污水处理厂曝气总量精准控制的必要性

根据现阶段我国污水处理厂的实际情况，曝气控制精度普遍处于较低的水平，导致污水处理厂的能耗普遍较高，为了提升能源利用率，进行曝气总量的精准控制是非常必要的。

污水处理厂通过控制鼓风机的风门控制曝气总量，并将溶解氧的含量作为参考指标。大多数污水处理厂采取人工方法进行风门控制，操作人员根据溶解氧指标反复调整风门的大小，受操作人员的水平和经验的限制，水质稳定性难以得到保障，资源浪费较为明显。在对曝气量进行控制时，污水处理厂的负荷是不断变化的，没有固定规律可循，溶解氧的波动很大，需要操作人员反复调整，不仅劳动强度较大，控制准确度也较低。要想精确控制溶解氧的含量，可以引入在线检测的方法，通过先进的传感器检测氧含量，为曝气量的控制提供实时数据，帮助工作人员准确控制曝气量的大小，但在实际工况下，氧含量传感器的位置和数量对测量精度有较大的影响，并且受电子设备传输的影响，监测结果具有一定的滞后性。

因此，曝气总量的精确控制除参考氧含量这一指标外，还应遵循曝气量变化规律，制定科学的曝气方案，从而更加精确的控制曝气总量，满足保护生态环境的需求。

1.3 污水处理厂曝气总量精准控制中存在的问题

1.3.1 自动控制与精准控制相互脱节

污水处理厂制定精确曝气方案时，应结合实际情况，有针对性的提高控制精度。在一些自动控制系统中，仍存在控制精度偏低的问题，这是因为相关的工作人员对控制技术掌握不够充分，缺乏工作经验，不具备扎实的理论基础造成的，导致曝气控制时无法做到精确控制与实际需求的协调，影响精确控制的实施效果。

1.3.2 曝气精准控制的硬件条件较高

现阶段我国污水处理厂精准曝气控制严重依赖于硬件设备，控制系统包含了自动调节气阀、流量计和先进氧传感器等设备，这些设备都要求有极高的控制精度，因此硬件成本较高，在新建污水厂项目中，用于精准曝气控制设备的投入一直居高不下，在项目建设中存在一定的困难，制约了精准曝气控制的建设。

此外，精准曝气所需的各类设备维护要求也偏高，仪表及阀门等运行一段时间后，可能会出现较大的偏差，如不及时矫正，可能会导致曝气量与实际需求不一致，容易造成出水水质不达标。传统曝气控制手段又过分依赖于工作人员的经验和责任心，无法实现曝气精准控制，对污水处理系统的正常运行造成一定程度的影响。

1.3.3 精确曝气控制的校验时间较长

根据当前我国污水处理厂的实际运行情况可知，大多数处理厂采用活性污泥数学模型作为精准曝气控制系统的计算逻辑，这一算法需要处理厂的历史数据作为参照，才能预测出将要执行的曝气总量，一些关键参数的校验时间较长，对控制精度有很大影响。许多污水处理厂都出现过水质不达标的问题，进一步增加了水质处理的难度，使精准曝气控制变得更加困难。

2 精确曝气技术分类

曝气技术历经两个阶段，分别是手动控制阶段和自动控制阶段，自动控制阶段主要采用恒氧含量控制方法，又可分为直接控制风机与间接控制风机两种形式，手动控制方法无法实现曝气总量的精确控制，能源浪费情况严重，后来技术人员引入模糊控制和神经网络控制等先进控制方法，开发出自动控制技术，并逐渐向智能化方向发展。现阶段我国自动控制技术在污水处理厂中的应用还较少，随着智能技术的不断发展，可编程控制器技术逐渐成熟，基于模型的精确控制技术已经进入实际应用阶段，在自动曝气控制技术领域占据主导地位。

结合国内外自动曝气技术的发展现状来看，现阶段精确曝气控制主要分为生物模型和硬件集成两类。

生物模型主要以水中微生物生长的模型为基础，在污水处理池中安装各种传感器和监测设备，监测水温、氧含量、微生物含量等指标，掌握水质的变化情况，然后建立污水处理池污泥模型，预测空气需求量，作为控制鼓风机输出量的参考，实时调整风机吹风量。理论上来讲，这种方法可以实现精确的氧含量控制，对各种监测设备的要求较高，假如监测指标与实际差异较大，计算结果会严重失真，导致需氧量得不到精确控制，产生水质异常等情况。我国研究这种技术的企业有上海昊沧公司等，这家企业开发的AVS 精确曝气控制系统就是基于上述理论进行曝气量精确控制的。

沈军[8]等学者以上海污水处理厂引进的AVS 精确曝气控制系统为研究对象，研究了该技术在实际应用中的效果，通过生物模型等参数控制，污水池中的氧含量控制精度较高，经测量曝气池内的氧含量变化不超过±0.5mg/L，水质也得到了很好的控制，氧、氨、氮、磷的达标率平均提升5%左右，与采用手动控制方法的污水处理厂相比，水质得到明显改善，不合格率降低，曝气系统的能源消耗降低11%。

赵雅然[9]等学者分析无锡市污水处理厂采用AVS精确曝气控制系统的实际运行情况，该厂污水池中的氧含量能够稳定在（3.5±0.5）mg/L，与未采用该控制系统前相比，供气系统的供气量降低30%，节约电力26%，二沉池内的厌氧反应得到有效控制，污水处理成本明显降低，预计每年可节约资金100 万元。

李升[10]等学者追踪了马头岗污水处理厂改建项目中引入自动曝气控制系统的实际运行效果，在一年的运行过程中，鼓风机供氧量的控制精度稳定在1%左右，水中溶解氧的稳定程度超过0.9，磷含量百分比下降65%。

余云龙[11]等学者指出精准曝气技术能够明显降低污水处理厂的能源消耗，并以某污水处理厂的实际运行数据为例进行说明，该处理厂经技术改造后能耗下降20%，供氧量下降16%，水中的氨浓度下降50%，水质得到了较大的改善。

硬件集成控制模式简化了生物模拟环节，使参数更加简单，仅对曝气系统末端的氧含量进行精确控制，对空气流量传感器和阀门的要求较高，需要适配高性能风机才能满足系统需求。这种控制技术最先由德国一家企业提出，该企业开发的VACOMASS 精确曝气控制系统在行业内拥有较高的知名度。

我国学者梁锐振[12]等以太湖污水处理厂引入的VS精确曝气控制系统为例说明了该技术的应用效果，与未引入该技术之前相比，该污水处理厂的氧含量精确度提高0.3 mg/L，氮和磷含量下降1.35 mg/L，耗电量下降27%，说明该技术的应用效果非常明显。

姚斌[13]等学者研究了绍兴污水处理厂三期工程中VS 精确曝气控制系统的逆行成效，他们追踪了该污水处理厂一年的运行数据，分析结果显示应用新技术后溶解氧的波动稳定在±0.5 mg/L，能耗降低30%，污水处理厂的整体运营成本降低25%。

唐鑫伟[14]等学者跟踪了宁波污水处理厂VS 精确曝气控制系统的应用情况，该污水处理厂应用这项技术后，水质得到了明显提升，氮含量降低2mg/L，消除率提高5%，未引进新技术前，鼓风机工作电流达到235A，引进新技术后工作电流下降至212 A。

邓欢忠[15]等学者介绍了某污水处理厂新建10 万立方米超大容量的项目，经过一段时间的运行，获得了较好的运行效果。

黄仲均[16]等学者以无锡污水处理厂为例，说明了VS 精确曝气控制系统的应用前景，在该污水处理厂的二期项目中采用了这一新技术，与采用传统技术的一期项目相比，氧含量控制精度提高0.5 mg/L，TN 浓度下降1.35 mg/L，曝气系统的电能消耗下降26%，并且实现了鼓风机系统的智能控制，大大降低了工作人员的劳动强度，获得了较好的应用效果。

除以上控制技术外，国内学者冯立杰[17]等尝试将大数据技术引入曝气控制系统中，通过历史数据的监测，建模进行各项数据的预算，预测鼓风机的功率，这种技术所需的监测设备较少，是基于历史数据对曝气系统进行优化。通过污水处理厂的实践应用，该技术确实展现出了一定的应用前景，可以稳定控制污水池中的氧含量，鼓风机的功率控制也较为精确，节能效果明显。

结语

污水处理工艺中引用精准曝气技术能大幅度降低污水处理厂的能源消耗，提升排放水质，获得稳定的水质指标。污水处理厂作为保护城市生态环境的重要一环，其能源消耗一直受到多方面的关注，曝气系统占污水处理厂总能源消耗的一半以上，对曝气量进行精确控制是降低能源消耗，改善水质的好方法，随着环保理念日益深入人心，以及各项先进技术的发展，精确曝气系统的应用已经得到了实现，在未来一段时间内将得到更多污水处理厂的认可。

近年来，为改善水环境总体质量，我国部分城市和地区提高了污水处理厂的排放标准，某些污水厂需将出水水质提升至GB3838-2002 《地表水环境质量标准》中的准Ⅳ类标准。在这样的背景之下，曝气精确控制系统要想真正发挥作用，需要进一步完善曝气系统的管理，并结合污水处理厂的现实需求，引入合适的自动控制手段，虽然在实际应用中还存在一定问题，受工作人员的经验和硬件水平的限制，还无法发挥出最大作用，但新技术的节能减排效果和水质改善效果已经得到了业内的认可，也为污水处理厂引用新技术指明了方向，污水处理厂应结合自身实际情况，采用最佳的控制模式，提升曝气控制系统的精确程度，使精准曝气系统能够在实际的工程应用中向低能耗、高效率的方向发展。