曝氣精確分配與控制系統在臨平地埋式污水廠的應用案例分析

徐 敏，白小平，姜 喬，邊 靖

(1. 杭州余杭水務控股集團有限公司 浙江杭州311100；2.杭州余杭城東凈水有限公司 浙江杭州311100；3.中國市政工程華北設計研究總院有限公司 天津300074)

隨著城市生活質量的逐步提高，人們對環保的關注度越來越高。城市生活污水排放是城市生活的一個重要組成部分，加強對城市污水的處理、減少城市污水帶來的污染，也是當前我國急需解決的問題，而對城市污水中的氮、磷元素的處理又是整個污水處理過程中最為重要的一環[1]。

當前我國約有一半的污水處理廠采用氧化溝和A/A/O工藝來進行氮磷的處理，而且 A/A/O變形工藝的應用呈現上升趨勢。在A/A/O工藝中，曝氣量的多少對出水氮磷是否達標起到決定性作用。經權威調查顯示，生物池鼓風曝氣的能耗占污水處理廠總能耗的約 51%。因此，實現污水廠出水水質穩定及節能運行是目前污水處理廠實現提質增效這一目標的關鍵。

精確曝氣的首要目標是保障生化處理工藝的穩定運行以及出水穩定達標，進而達到鼓風曝氣系統的節能降耗和污水處理廠的運行成本降低。

1 項目背景

余杭臨平凈水廠位于杭州市余杭區望梅路東湖南路，是浙江省規模最大的全地埋式凈水廠。凈水廠設計處理水量20萬t/d，生化段采用A/A/O+MBR處理工藝。

2019年，浙江省提出污水處理提質增效 3年行動計劃，杭州計劃完成 14座城鎮污水處理廠的技術改造，使出水部分污染物指標優于一級A標準。余杭臨平凈水廠主要負責臨平副城區域的污水處理，尾水直接排放至錢塘江，對出水水質有極高的要求。

目前國內大多數污水處理的曝氣系統基本上采用經驗恒量控制、溶解氧儀-閥門 PID 控制或人工經驗控制，這 3種控制方式具有共同的缺點：不能對具有多變量、非線性、強耦合、大滯后等特點的曝氣系統進行穩定控制；不能使曝氣池各廊道閥門開度隨水量和水質的變化而變化，從而導致曝氣量與實際需氣量相比冗余過大，造成工藝不穩定且能耗升高[2]。因此，如何利用一款自動化控制系統使生物池的曝氣實現精確分配與實時控制顯得極為重要。

2 曝氣精確分配與控制系統的布置

臨平凈水廠設東西兩座共4組生物池，單組設計處理水量為5萬t/d。生物池采用底部微孔方式曝氣，各配置3臺離心風機(2用1備)，曝氣控制則采用德國冰得公司的 VACOMASS?曝氣精確分配與控制系統。根據控制需求，該凈水廠 4組生物池被劃分為8個曝氣控制區進行獨立控制。每組生物池分為進水和出水兩個控制區，每個控制區分別設置一根曝氣支干管，均安裝相應的 Jet流線型空氣調節閥并配套氣體流量計，同時每個曝氣控制區分別配置一臺在線溶解氧測定儀。

圖 1為一座 2組生物池的平面布置圖，其中M2、M3分別為進水端的第一曝氣控制區，M1、M4分別為出水端的第二曝氣控制區。

圖1 臨平凈水廠生物池VACOMASS?曝氣精確分配與控制系統平面布置圖Fig.1 Proposal of VACOMASS? system for Linping WWTP

3 系統運行效果分析

3.1 鼓風曝氣系統全自動運行

該項目2019年4月中旬完成曝氣精確分配與控制系統的整體系統調試，開啟全自動運行。圖 2是污水處理廠的中控室 SCADA截圖，從圖中可以看到，整個污水處理廠的空氣調節閥及鼓風機均處于全自動運行狀態。而且在同一個時間段內，不同曝氣控制區的閥位、DO、曝氣量均明顯不同。

之所以會出現以上差異，是因為不同生物池的液位、污泥濃度等差異以及同一生物池不同曝氣區域曝氣效率差異等多方面的因素共同造成的。曝氣精確分配與控制系統的作用就在于平衡這些人眼看不見的差異，進而實現合理的實時分配曝氣量。

圖2 中控室SCADA曝氣精確分配與控制系統控制界面Fig.2 Interface of VACOMASS? system

3.2 氣量實時按需分配

圖 3為西池 M3進水端控制區的一張控制曲線圖，時間為2019年6月11日至2019年6月17日。可以看到，為了使 DO保持在設定值附近，該控制區的曝氣量以及閥位均在實時調節。

①當系統運行到 A區域的時候，檢測到 DO有較大幅度的下降，于是迅速將風量由 1800Nm3/h調整至 6500Nm3/h，從而使得 DO值迅速恢復到設定值合理范圍。

圖3 M3曝氣控制區一周DO控制曲線Fig.3 One week DO curves of M3 control zone

②當系統運行到B區域時，DO值出現了周期約為 3.5h的連續波動。為了抑制 DO的連續性波動，VACOMASS?系統緊緊跟隨DO的波動周期，實時調節風量，從而有效抑制了DO波動的連續與發散。

③當系統運行到 C區域的時候，操作人員根據實際運行的需要，將 DO設定值由 1.0mg/L調整為0.7mg/L。系統及時捕捉到 DO設定值的信號變化后，將風量由7000Nm3/h調整為3500Nm3/h。

3.3 DO穩定控制

圖4是東區生物池M5—M8控制區在6月11日至 6月 17日共計 8d的 DO-閥位數據曲線，其中藍色的是DO測量值，黃色為 DO設定值，上部紅色是閥門開度。從圖中可以看出，系統可以自動控制空氣調節閥的開度，實時調整空氣流量，保持 DO維持在設定值附近。在 85%以上的時間內，DO測量值始終維持在DO設定值±0.5mg/L范圍內。

圖4 M5—M8曝氣控制區一周DO控制曲線Fig.4 One week DO curves of M5-M8 control zones

3.4 工藝運行穩定

余杭臨平凈水廠采用一級 A的水質排放標準，在 VACOMASS?系統正常運行期間，污水處理廠工藝穩定運行，出水穩定達到排放標準。

此污水處理廠設計COD進水為450mg/L，氨氮進水為35mg/L，總氮進水為45mg/L。從圖5中可以看到，在進水參數波動甚至超過設計參數的時候，系統通過及時調整氧氣供給量，保證出水水質始終達到一級 A標準(COD＜50mg/L，N-N＜5mg/L，TN＜15mg/L)。

圖5 4月1日至6月23日進出水水質曲線Fig.5 Influent and effluent quality curves from April 1 to June 23

3.5 鼓風曝氣系統節能降耗

系統內置的 E-control功能模塊能夠監測并實時調整鼓風機的壓力值，避免過度曝氣以及曝氣不足，使整個鼓風曝氣系統始終處于效率最高的狀態。

如圖 6所示，隨著 E-control壓力建議值的不斷更新，鼓風機通過調整導葉開度，可以不斷調整系統壓力及供氣量。在進水負荷下降時段A，E-Control輸出壓力建議值降低，鼓風機導葉關小、工作電流下降，能耗降低，從而避免系統過度曝氣；在進水負荷上升時段 B，E-Control輸出壓力建議值升高，鼓風機導葉增大，工作電流上升，能耗增加，從而避免系統曝氣不足。

圖6 E-control壓力建議值曲線Fig.6 E-control pressure recommended value curve

在人工手動控制模式下，系統壓力值為630mbar。此時，E-control帶來的節能空間為：

如果考慮到選用了 Jet流線型空氣調節閥還能額外給系統減少30～50mbr的壓力損失(圖7)，則系統實際能為客戶帶來的節能空間是＞(S節能區間/660)×t。

本研究統計了污水處理廠在2019年6月10日至7月17日及8月12日至9月12日共計68d的鼓風機運行數據，運行結果如表1所示。

圖7 E-control壓力建議值曲線Fig.7 E-control pressure recommended value curve

表1 電耗數據統計表Tab.1 Power consumption statistics

由表 1可知，在兩段不同的時間段內，系統均處于全自動運行狀態，生物池平均噸水電耗分別為0.056kWh/t和 0.063kWh/t。

4 效果總結

①曝氣精確分配與控制系統能控制鼓風曝氣系統全自動運行，實現各個生物池每個好氧區的氣量按需分配，精確控制每個好氧區的DO測量值在DO設定值的±0.5mg/L以內，有力保障了污水處理廠的工藝穩定運行，出水水質穩定達到所需的排放標準。

②曝氣精確分配與控制系統可根據污水處理廠進水負荷的變化實時調整鼓風機風量，并適時優化鼓風機壓力，達到節能降耗的效果。

③曝氣精確分配與控制系統實現了曝氣系統的全自動運行，和以往常見的手動調節總管閥和鼓風機相比，明顯降低了設備的運維強度，提高了運行管理人員的工作效率。