污水處理廠精確曝氣控制系統的關鍵問題

李建軍，唐安平，胡海軍

（1.北京藍白藍科技有限公司，北京 100101；2.北京協同創新智慧水務有限公司，北京 100094）

1 使用精確曝氣控制系統的目的

污水處理中曝氣流量控制的目標就是在生物反應器中形成穩定的溶解氧條件，為微生物生長與污染物降解建立一個動態平衡和可靠的生存環境。這一動態平衡過程的實質，就是使總氧轉移速率近似等于總耗氧速率。由于污水處理廠的進水水質和水量是變化的，在特定的時間段內其耗氧量也是變化的，只有使該時段內的供氧量和耗氧量相均衡，才能保證處理環境的穩定。

精確曝氣控制系統研發的目的是為了保障供氧和節能，通過控制溶解氧使生化系統處于動態平衡狀態，可以提高出水COD 和氨氮的達標率，也可以間接促進出水TN、TP 的達標率，進一步顯著提高污水處理廠出水水質達標率。

從技術應用的情況上來看，精確曝氣帶來的效果首先是顯著提高了出水水質達標率，其次是節能。

2 精確曝氣控制系統的適用范圍

目前精確曝氣控制的理論基礎模型是國際水協的ASMs 模型，針對的是傳統AAO 工藝、AAO 改良工藝，如多級AO、AAO-MBR 工藝等（見圖1）。

圖1 傳統AAO 工藝的流程

MBR 和MBBR 兩種工藝的曝氣強度控制主要是為了抖動膜絲、懸浮填料等，精確曝氣控制系統不能直接用于這兩種工藝。由于MBR 和MBBR 的曝氣量占膜池和填料池總曝氣量的份額都很大，而且基本不能調低，所以按常規AAO 的曝氣控制效果可能達不到減量10%的程度。但可以用精確曝氣的控制策略，溶解氧設置值和控制方法會做調整，也要看曝氣系統的硬件能否具備條件。AAO+MBR采用的是逐級回流，從膜池到最后一級好氧池的回流比甚至高達400%，所以最后1～2 級好氧池的曝氣量可以大大降低。例如，設1.5mg/L 溶解氧為控制值，也許把閥門全關上不曝氣，也能達到這個水平，從而節省了曝氣量。因此，精確曝氣控制的策略可以用于MBR、MBBR 工藝的節能。

3 精確曝氣控制系統的控制策略

精確曝氣控制系統的控制策略可采用前饋+串級反饋（見圖2）。

圖2 精確曝氣控制系統的控制策略

該系統共包括三級串聯的控制結構：第一級前饋開環控制，通過進水負荷設定計算最優溶解氧；第二級溶解氧反饋閉環控制，通過好氧區溶解氧儀的實時數據調整每個支管曝氣量及閥門開度；第三級鼓風機閉環反饋控制，通過溶解氧和支管曝氣量調整風機總氣量。

基于溶解氧或氨氮控制兩種策略使用的底層模型都是活性污泥微生物與污染物的生化反應模型，使用的參數包括工程應用的簡化手段會有所差異，但這種差異只是精確曝氣控制系統不同供應商之間的技術區別。

4 精確曝氣控制系統的核心

精確曝氣控制系統的核心是控制策略。由于每一個污水處理廠的工藝都有所不同，管路布局和施工也不同，因此每一個污水處理廠的優化控制策略都要根據自身情況進行設置。

5 精確曝氣控制系統對水質儀表的要求

精確曝氣控制系統需要水質儀表提供準確的數據，因此就需要對儀表進行良好的維護。針對儀表數據不準確的問題，該系統有專門的數據置信區間控制策略。

國家規定COD 的監測頻率為2h 一次，儀表本身可以45min 讀取一次數據。如果有工業廢水進入污水處理廠或污水處理廠進水水質波動較大的情況，建議將常規COD 讀數周期縮短，或者增加全光譜法COD儀表、高光譜水質監測儀表等。

6 精確曝氣控制系統對閥門的要求

精確曝氣控制系統一般采用電動調節閥，分為電動執行機構和閥門兩部分。

精確曝氣控制系統對閥門沒有特殊要求，控制精確度從高到低依次是菱形閥、球閥、蝶閥，價格上從低到高依次是蝶閥、球閥、菱形閥。由于蝶閥30%開度和全開的風量變化不大，因此一般不用于精確曝氣控制系統。

研究發現，在水深較大的情況下（大于6m），閥門的調節性能將發生畸變，建議電動閥安裝時兩側增加變徑，以改善閥門的調節性能，電動閥安裝尺寸為管道尺寸的60%～80%為宜。

7 精確曝氣控制系統對風機的要求

目前污水處理中曝氣使用的鼓風機一般為單級高速離心鼓風機、多級低速離心鼓風機、羅茨鼓風機、螺桿鼓風機等。

單級高速離心鼓風機因驅動、傳動形式的不同，可分為齒輪增速型單級高速離心鼓風機、空氣懸浮式高速離心鼓風機、磁懸浮式高速離心鼓風機等。

多級低速離心鼓風機采用傳統異步電機驅動，分級加壓，提供壓縮空氣。

羅茨鼓風機、螺桿鼓風機均為容積式鼓風機，其中螺桿鼓風機噪聲小、價格便宜。

精確曝氣控制系統可以對上述風機進行風量調節和控制。

（1）從風量調節方式上講，齒輪增速型單級高速離心鼓風機通過調整進、出口導葉的方式調節風量?？諝夂痛艖腋★L機、多級鼓風機、羅茨鼓風機、螺桿鼓風機均采用變頻器調整轉速方式，調節風量。根據風量需求控制風機，單臺不滿足時加開或減開風機，啟停時有保護，避免頻繁啟停。

（2）從風量調節范圍上講，齒輪增速型單級高速離心鼓風機一般能做到45%～100%的調節范圍，而且不易發生喘震現象。磁懸浮和空氣懸浮風機本身無法調節風量，需要增加變頻器，變頻器調節范圍一般為50%～100%?？紤]到節能效率和管理水平，不建議用精確曝氣控制系統來控制羅茨風機和多級風機。

從目前項目的執行情況來看，精確曝氣控制系統對風機產生的背壓相比于人工控制較大，所以在進行精確曝氣時需要考慮鼓風機的背壓上限與可調空間，避免損壞風機。

（3）從頻繁啟動的限制上講，磁懸浮風機不受啟停次數的限制，空氣懸浮風機影響較大。

（4）從效率上講，磁懸浮風機、空氣懸浮風機、齒輪增速型單級高速離心鼓風機的效率均在75%以上。

（5）從功率上講，鼓風機功率在350kW 以上時，齒輪增速型單級高速離心鼓風機應用較多；鼓風機功率在350kW 以下時，磁懸浮風機、空氣懸浮風機應用較多。

（6）從價格上講，齒輪增速型單級高速離心鼓風機最貴，磁懸浮風機次之，空氣懸浮風機最便宜。

（7）從后期維護費用上講，磁懸浮風機、空氣懸浮風機只需要定期更換空氣過濾棉，運行維護成本較低；齒輪增速型單級高速離心鼓風機附屬設備較多，涉及滑動軸承潤滑、降溫冷卻、潤滑油更換等附屬設備的運行維護。

（8）從運行噪聲上講，空氣懸浮風機和磁懸浮風機優勢很大。

（9）從占地面積上講，齒輪增速型單級高速離心鼓風機的設備尺寸大一些。

目前來看，國產品牌的鼓風機多數是單導葉或沒有導葉，進口品牌的鼓風機多數是雙導葉聯動調節，因此可以簡單地用導葉技術來區分技術實力和品牌定位。

羅茨鼓風機、多級低速鼓風機、螺桿鼓風機因整機效率較低，在污水處理廠曝氣環節使用得越來越少。

8 精確曝氣的控制難點

（1）曝氣過程自身不容易控制

充氧過程和傳質系數、流量不成線性關系，與液位和溫度等有關。耗氧過程是復雜的生化反應過程，條件幾乎時刻在改變，很難實現動態平衡。過程擾動因素多，參數不穩定，如溫度對傳質系數、飽和溶解氧、微生物活性影響明顯。進水負荷對耗氧速率影響明顯且程度難以準確計算。管道供氣過程進行較快，而氧平衡過程較慢，必須對供氣過程進行準確和快速控制才能實現過程的穩態平衡。

對溶解氧的控制不僅表現在溶解氧實時值的穩定性上，還體現在合適的溶解氧濃度設定值上。由于AAO 工藝存在分區差異，相互之間有所影響，比如末端溶解氧會影響反硝化區的脫氮效果、二沉池回流污泥溶解氧會影響厭氧區釋磷效果等，這就要求對好氧區不同位置進行區別對待，合理設置溶解氧濃度，以便促進整個系統的脫氮除磷效果。

關于溶解氧設定值的選擇，一般采用離線優化運行方法，主要是利用污水處理工藝的現場測試和數學模擬。通過現場測試，可以掌握系統的動態特性，并確定關鍵的ASMs 模型參數，實現成功的數學模擬。通過情景模擬和分析，可以對多種工況進行分析和總結，得到適用于現場操作的方法和方案，從而在實際生產中實現工藝優化運行。在這一方面，清華大學環境學院施漢昌教授研究團隊進行了長期的研究工作，并且通過大量的工程項目積累了豐富的經驗，使得這套系統得到了豐富和完善。

曝氣調整的時機和尺度也難以確定。從控制的角度來講，什么時間調整，一次調整多少非常關鍵，如果這兩個參數確定不好，控制系統基本是紊亂的。除了對進水水質、水量進行實時監控外，當進水負荷變化超過一定限度時，還需要預測這波進水到生化反應池大概需要的時間，然后再做出相應的調整。負荷不同，氣體調整的數量，甚至調整的方式也會有所不同。

（2）曝氣支管氣量分配不容易控制

曝氣管道和曝氣盤的布置對曝氣控制的影響很大。

單純的風機控制只能實現總風量的調節，無法實現每個區域的風量都分配合適，而且風管氣量分布問題很復雜，光靠風機調節不能保證氣量的準確分配。

不同分區為了達到相同的溶解氧，支管閥門開度差別較大，有的甚至全開也不及其他區域30%開度所帶來的溶解氧。

9 影響精確曝氣控制系統長期穩定運行的因素

（1）設備維護情況

設備維護包括儀表、風機、通信的維護等，數據不正?；蛲ㄐ殴收稀⒃O備不能正確動作都會影響精確曝氣控制系統的長期穩定運行。隨著使用時間的延長，由于設備維護不到位或老化也會造成設備的一些參數發生變化。

在運行階段，控制策略往往受限于硬件設備的維護情況。

（2）一些無法預知的干擾操作

例如，冷凝水或者生物池之外的某處需要曝氣，如果不迅速調整風機的輸出，會導致DO 大幅度下降，嚴重影響溶解氧的穩定性，而且如果持續如此，那就很難控制系統的穩定運行。

（3）技術供應商和使用單位脫節

精確曝氣控制系統不是標準化的產品，根據不同污水處理廠的情況需要做出不同的控制策略，在調試階段需要投入大量的人力和時間。污水處理廠作為使用單位不僅需要維護好相關硬件設備，還需要了解控制邏輯，正確使用這套系統。項目驗收完成之后，技術供應商和使用單位還需要針對使用過程中的軟件、硬件，甚至整個污水處理廠的工藝問題開展長期的合作和交流。

10 精確曝氣控制系統未來的發展趨勢

更多地和TN、TP 排放指標的控制相結合；更多地和碳源控制、加藥控制相結合；控制邏輯從AAO 應用到其他工藝。