市政污水氧化沟工艺精准曝气技术研究与应用

奚瑞锋，肖宇梅

（广东省轻纺建筑设计院有限公司，广东 广州 510000）

随着我国城市化进程的加快，城市的污水排放量逐年增加，这给城市污水处理厂带来了巨大压力，又由于污水处理厂是能源密集型行业，所以，需消耗大量的电能、药剂等资源[1]。其中，电耗作为大型污水处理厂的主要能耗指标，其污水处理吨水电耗约为0.2～0.3 kwh/m3，在污水处理成本中占比非常高，甚至可达到60%～90%[2]。鉴于“十四五”时期生态文明的建设要求，单位国内生产总值（GDP）能源消耗5年累计要降低13.5%，这意味着我国的污水处理与经济发展的能源之争愈发激烈。

本文旨在构建市政污水处理系统进、出口的污水污染物浓度与氧化沟所需曝气量之间的关系模型，在保证水质达标排放的前提下，利用所述的关系模型计算得到氧化沟所需曝气量，并通过风机流量计实时获取氧化沟实际的曝气量，通过控制氧化沟曝气风机变频器对风机的转速进行调控，使氧化沟实际的曝气量达到计算的氧化沟所需的最佳曝气量，进而达到降低污水处理成本的目标。

1 污水处理工艺

1.1 氧化沟工艺

氧化沟是活性污泥法的一种变型，属活性污泥法中的延时曝气法，具有工艺流程简单、水力停留时间长、曝气设备充氧效率高、搅拌力强等特点。根据现在相关报道显示，氧化沟工艺能耗占比最大的部分在生化段能耗，其占总能耗的65%～80%之间[3-5]。

1.2 曝气量的控制

利用所述的关系模型，依托控制器实现对曝气设备输出功率的实时调整，从而使溶解氧的浓度处于合理范围之内，这样不仅能够使自动控制和节能运行的目的得以实现，还能够显著降低能耗。

1.3 曝气量控制原理

通常情况下，控制器会根据检测到的进、出口的污水污染物的化学需氧量[6]和生化需氧量[6]的浓度，并利用所述关系模型而计算得到氧化沟的所需曝气量，从而对氧化沟的曝气风机变频器进行实时控制。同时，通过将曝气量与污染物的浓度变化实时挂钩，来实现曝气量会根据污染物的不同浓度进行自动调节，而相比于常量曝气和过量曝气的有效降低电耗，应用氧化沟技术更为简便。

2 工作原理

2.1 COD与BOD5相关关系

（1）生物需氧量[6]（BOD)是指在一定的条件下，微生物在分解、氧化可生物降解的有机物过程中，所消耗的游离氧量，也是反映水中有机污染物含量的一个综合指标，其单位为mg/L或kg/m3。

（2）而化学需氧量[6]（COD)是指在一定条件下，用强氧化剂氧化污水中的污染物时，所消耗的氧化剂的量，其单位为mg/L。

（3）根据相关调查显示，市政污水基质的降解过程可用一级动力学模式计算，且只有在满足有氧条件、有机质参与生化反应条件下，才能推算出B OD5=K'COD[7-8]。

2.2 COD和BOD5之间的关系

根据《室外排水设计规范》（GB 50014-2021），△BOD5（生物需氧量去除量）作为氧化沟好氧曝气量Q理论的计算依据，但BOD5的测定周期较长（一般需要5 d），所以，不能实时反映出生化系统的运行现状。因此，本研究通过利用BOD5与COD之间的相互关系，并根据进、出口COD值和其相关方程来计算进、出口的BOD5，同时，通过曝气量Q理论与△BOD5的计算依据，来构建进、出口COD与曝气量Q理论的数学关系，并通过实际运行Q实际（DO=2 mg/L）对Q理论进行修正。最终确定了进、出口COD和理论值Q实际的关系模型，实现了进、出水COD对氧化沟曝气量的联锁控制。

2.3 数据处理

相关数据进行归一化处理。

3 实践与运用

3.1 基础数据资料

以广东省湛江市某城区污水处理厂为例，进出口的实测资料详见表1。

表1 湛江市某城区污水处理厂进出口COD与BOD5的实测值

3.2 直线回归方程检验

xi为自变量COD，Yi为因变量BOD5；n为样本数量。

当γ=0时，x与Y无关；当0 ＜ | γ | ＜ 1时，说明x与Y有一定线性关系；γ＞0，为正相关，γ ＜ 0为负相关。拟合线性回归方程为：，其回归曲线如图1所示，COD出口=2.73BOD5出口+0.07()。

经计算γ进口=0.90，γ出口=0.91，取α=1%，查数理统计表可知γ (1)=0.684。因γ＞γ (1)，由此线性回归显著，无论是进口还是出口，COD与BOD5的两者线性相关较好。

3.3 直线回归方程的应用

（1）通过其拟合线性回归方程校正进出口BOD5的理论值，即利用易获得的COD指标获得污水的BOD5，得到污水BOD5的理论值，详见表2。

由表2可以看出，BOD5预测值的精度较高。

表2 湛江市某城区污水处理厂进口、出口的BOD5实测值与预测值比较

（2）以设计的规范曝气量Q理论与△BOD5计算为依据，推算Q理论。采用鼓风曝气，将标准状态下污水需氧量换算为标准状态下的供气量，Gs=Os（/0 .28EA），为 标准状态下的供气量（m3/h）；为标准状态下污水需氧量（kgO2/h）；EA为曝气设备氧的利用率，此处取20%；计算结果详见表3。通过实际曝气量Q实际（DO=2 mg/L）对Q理论进行修正，由此可以看出线性回归显著，Q实际和Q理论两者线性相关较好。

通过其拟合线性回归方程校正Q理论，通过Q理论获得Q实际理论值，得到Q实际理论值见表3。最终确定了进口、出口COD和Q实际理论值的关系模型，实现了进、出口COD值对氧化沟曝气量的联锁控制。

表3 曝气量Q理论与△BOD5的计算结果

（3）通过以上相互之间关系转换及修正得到市政污水处理系统进出口的污水污染物浓度（COD）与实际曝气量（Q实际）之间的关系模型,关系式为：Q实际=7.47COD进口+503.03，回归曲线如图1所示。

图1 湛江市某城区污水处理厂Q实际与COD进口的回归曲线

4 结论

精准曝气技术在传统市政污水处理氧化沟工艺的现有基础上，通过科学优化控制方式，相比于传统氧化沟工艺具有节省电耗、简化操作、降低运行成本等优势。具体结论如下：

（1）在反应完全的条件下，拟合BOD5与COD线性回归方程BOD=K·COD，以广东省湛江市某城区污水处理厂的实测资料得到BOD5出口=0.30COD出口+1.07，BOD5进口=0.23COD进口+13.05，并通过检验进出口BOD5与COD两者线性显著相关（P＜0.01）；

（2）通过△BOD5推测曝气量Q，并通过Q实际校正曝气量Q理论，其两者线性回归方程为Q实际=0.71Q理论+0.32，并通过检验两者线性显著相关（P＜0.01）；

（3）最终确定进口、出口COD和Q实际理论值的关系模型，实现进、出口COD值对氧化沟曝气量的联锁控制，可根据每一组COD、BOD5实测值丰富数据库，修正模型；曝气量理论值Q理论可定期根据Q实际（DO=2.0 mg/L）流量计读数进行修正，得到市政污水处理系统进出口的污水污染物浓度（COD）与曝气量理论值（Q理论）之间的关系模型；而模型随着时间推移，计算精度更高；

（4）通过将调整曝气量与污染物浓度变化实时挂钩，联锁控制氧化沟曝气风机变频器，实现了曝气量自动调节，相比于常量曝气和过量曝气有效降低了电耗，从而使氧化沟操作技术更加简便。