污水處理廠精確曝氣系統的實施及應用效果

張難

摘? 要：提出精確曝氣控制系統在污水處理廠應用的必要性;通過介紹精確曝氣系統在徐州開發區污水處理廠的應用情況，闡明精確曝氣系統的原理和特點;分析該系統在工作過程中需要控制的關鍵點，例如對鼓風機變頻器的調節，優化溶解氧目標值的設定等;對該系統進行了綜合評價，分析系統使用前后碳源投加和電耗的變化，提出精確曝氣系統不僅可以節省人力，節能降耗關鍵可以穩定生產，保證出水達標，是未來曝氣系統的發展趨勢。

關鍵詞：生物脫氮 ?溶解氧控制 ?精確曝氣 ?節能降耗

隨著城市建設的高速發展，城市規模的不斷擴大和人口的增加，水環境污染成了一大難題。水污染對生態環境的破壞日益嚴重的同時也造成水資源的缺乏，制約了社會經濟的可持續發展。國家每年用于污水處理的費用要達數億元。因此，這就要求已建或擬在建的污水處理廠能最大程度的提高污水處理效率，保證出水水質，同時最大程度的降低能耗，減少運行處理成本。

精確曝氣控制所帶來的節能經濟性效果對污水處理向精細化、節能化運行的轉變是一種共識和趨勢，也是節約能源的需要。

在污水處理過程中，生物處理曝氣環節是一個非常關鍵的環節，它直接影響處理效率和出水達標率，能耗也在整個污水處理過程中占相當大的比重。在此環節上，也遇到了相同的函待解決的難題。

一、項目背景

徐州開發區污水處理廠（下稱該污水處理廠）自2008年運行以來主要處理開發區內企業排放的工業廢水，光伏企業廢水占總水量的50%左右，該類型廢水的特征污染物表現為：COD低、TN高、SS高、氯離子超高。受納污區域內企業偷排的影響，進水水質波動大，尤其在出水總氮指標控制方面，波動更大。為解決進水水質C/N比嚴重不足問題，需要外投碳源，導致污水處理成本大幅上升，溶解氧的精確控制是減少碳源使用量，保證出水總氮達標的關鍵。

根據污水脫氮的機理，即：通過硝化和反硝化菌的作用，將氨氮通過硝化轉化為亞硝態氮、硝態氮，再通過反硝化作用將硝態氮轉化為氮氣從水中移除。

在反硝化的過程中，反硝化菌利用硝酸鹽及亞硝酸鹽作為電子受體，進行無氧呼吸氧化有機物，氧的存在會與硝酸鹽競爭電子供體，對反硝化速率有非常大的影響，另外反硝化菌必須在厭氧和有硝酸鹽的條件下才能誘導合成硝酸鹽還原酶，所以反硝化區溶解氧的高低直接影響生物脫氮功能的進行。

在污水處理工藝中，缺氧段的溶解氧是通過內、外回流帶入，為了降低缺氧段溶解氧值，應在硝化功能完成的前提下，盡可能降低生化系統好氧段末端的溶解氧，以減少回流混合液中氧的攜帶量，從而保證反硝化功能的正常運行。工藝流程圖：

該污水處理廠因進水水質波動，導致生化系統工藝控制參數變化較大，人工手動調節精確度較低，主要表現為：

1.溶解氧與風量調節存在滯后

應對進水水質的突變，根據經驗值手動調節風機變頻，風量調整的不及時且DO變化的滯后性，系統難以在短時間內達到平衡，過大的波動會干擾生化系統造成生物環境不穩定。

2.調節過程中的人為因素

該污水廠均采用溶解氧反饋控制的方法來調節生化池中溶解氧的濃度，由于進水水質的不確定性，曝氣量需要不斷調整，人工調整存在操作人員技術水平及工作責任心不同的人為因素，對污水處理系統的運行影響較大，導致溶解氧波動大，出水水質不穩定。目前該污水處理廠的運行采用四班兩運轉的運行方式，晚班人員上班時間達到15小時，由于工作時間過長，操作人員很難做到及時調整風機的風量，為確保出水氨氮達標，避免人為控制誤差因素對出水的影響，DO值的控制不得不高于實際需要值，給處理系統控制參數留有一定的余地。

為解決以上問題，使生物處理反應池中溶解氧（DO值）的控制處于最佳狀態，引入了一套以溶解氧（DO）的精確控制為核心的智能變頻風機控制系統。

二、溶解氧（DO）精確曝氣系統的方案設計

1.溶解氧（DO）精確曝氣系統的設計目標

溶解氧（DO）精確控制系統的核心理念是通過對風機的智能實時變頻調節，精準控制風機的曝氣量，以實現精確、穩定的控制溶解氧（DO）的濃度，在污水廠的在線監測系統中溶解氧曲線應顯示為一條近似直線。

2.溶解氧（DO）精確曝氣系統的控制原理

（1）控制框圖說明

溶解氧（DO）精確控制系統主要包括溶解氧（DO）傳感器、智能變頻控制器、風機變頻器三部分組成。

控制原理如圖2，在精確曝氣系統投入運行后，控制中心能自動檢測風機變頻器的實際頻率和溶解氧的實際值，之后進行智能運算，判斷變頻器調頻的方向和調頻的速度，在溶解氧實際值與目標值偏差過大時，會自動加快調速過程，在溶解氧實際值與目標值偏差較小時，會自動減慢調速過程，以充分保證系統的響應速度和穩定性。在系統設計中，默認為溶解氧實際值低于目標值，風機頻率應上調，即風機轉速應加快;溶解氧實際值高于目標值，風機頻率應下調，

即風機轉速應降低。

（2）系統控制數學模型

該控制中心采用“智能多通道尋優+模糊邏輯控制”為主體算法，通過建立以溶解氧為第一控制主變量（XDO），時間（t）為第二控制參變量為基礎的二維復合函數模型，其函數邏輯如下：

ΔXDO=XDOm-XDOs;

ΔF= d[f（XDOm）- f（XDOs）]/d（Δt）;

F=F0+ΔF

XDOm：溶解氧目標值???? XDOs：溶解氧實際值? ΔXDO：溶解氧偏差值

Δt：設定控制系統的調整周期時間（脈沖時間） ΔF：最小調整頻率*倍率

三、溶解氧（DO）精確曝氣系統的方案的優化

1.風機并聯的優化配置

（1）現有鼓風曝氣系統現狀

該污水處理廠設計處理量為4.5萬噸/日，目前實際處理水量3.5萬噸/日左右，雙溝運行，設置2臺鼓風機為生物反應池供氣，日常運行1用1備，均為章丘大成機械有限公司風機，型號C80-1.8（160KW，變頻器眾辰Z2400-160G），C100-1.8（185KW，眾辰Z2400-185P）

（2）風機校正頻率的設定

合理的設定多臺風機的校正頻率有利于避免由于曝氣管路（開發區廠輸送管路為U型管并彎頭多）或多臺風機并聯運行（風壓和風量差異大）引起的共振。

風機共振會造成風機異響，嚴重情況下會造成風機電機過熱，觸發停機甚至損壞電機。

在控制中心通過人為改變不同編號風機的校正頻率來規避風機設備及管路系統的共振。在開發區污水處理廠的應用實踐中，通過將兩臺共振的風機進行校正頻率設定，使兩臺風機在整個變頻調節過程中避免了在共振點運行，使整體系統對溶解氧的控制連續、穩定，風機運行安全平穩，保證控制效果且延長了風機的使用壽命

2.優化溶解氧目標設定值

為滿足該污水處理廠對出水氨氮排放的要求，應根據進出水各項化驗指標需要謹慎設置溶解氧目標值。

3.系統控制參數優化設置

（1）DO允許偏差的設置

ΔXDO > DO允許偏差，控制中心將調整風機變頻器的運行頻率，調整曝氣量，以使DO回歸目標值。

合理設置溶解氧偏差值范圍更有利于保持系統的精確度和穩定性。偏差值選擇過大，控制的精度會降低;偏差值選擇過小，控制中心將對風機的調節過于頻繁，系統的穩定性差。

經過在該污水處理廠運行實踐，偏差值設為0.02mg/L最為合適，系統運行精度在0.1mg/L之內，穩定性也非常好。

（2）Δt/n（脈沖時間，單位：ms）的設定

Δt代表控制中心從傳感器讀取數據、處理數據及發送指令的時間周期。合理設置脈沖時間既有利于保證控制系統的響應速度也能保證系統的穩定性提升抗干擾能力。

脈沖時間過短，系統的響應速度過快，控制中心對風機的調節過于頻繁，系統的穩定性就變差;如果脈沖時間設置過長，響應速度慢，對外界條件（如進水水質、水量變化、暴雨等）引起的干擾遲遲不能自動調整到位，抗干擾能力變差。在實踐過程中，受風機管路的長短、曝氣管道內氣流速度、溶解氧DO傳感器的安裝位置，水流的速度等因素的影響，風機的曝氣量的變化反映在溶解氧值的變化上是有一定的時間滯后性，一般為幾分鐘。脈沖設置時應有所考慮。

在該污水處理廠的應用實踐中發現，系統調整周期時間（脈沖時間）設定為300～600ms之間比較合理，因不同污水廠具體情況不同，需在實踐中多次調試后完成設定。

（3）ΔF（=最小調整頻率*倍率）的設置

最小調整頻率指控制中心每次脈沖指令發出后變頻器變化的頻率絕對值，設定值越低，對風機的頻率調整就越微小，運轉就越平穩。一般默認值為最小值0.01Hz。倍率指在溶解氧實際值遠離目標值時，系統可以根據實際值與目標值的實際差距計算最小調整頻率的倍數，一般無需人工干預。

合理的設定控制系統的最小調整頻率及倍率有利于保證設備的安全平穩運轉，延長曝氣風機的使用壽命。

四、溶解氧（DO）精確曝氣系統的特點

1.精確度

溶解氧DO實際值應≤目標值±0.1mg/L為合格點，在產品穩定運行時間區間內，4月23日到4月29日，每天0：00-4：00 和8：00-12：00各取40個點計算合格率，在線檢測系統采樣點合格率>98%。

2.穩定性

（1）運行效果

穩定運行時間區間內應保證溶解氧DO平穩，溶解氧DO檢測曲線應近似為直線。如圖3和4所示，2021年4月1日至6日未使用精確曝氣DO的歷史曲線和4月26至30日使用精確曝氣控制DO的歷史曲線對比，后者對DO的控制更平穩。

（2）穩定性的拓展應用

通過對溶解氧DO的控制曲線進行分析，當受外界條件的劇烈干擾時，因為控制系統具有自適應性的抗干擾調整能力，溶解氧控制曲線會有一段時間（一般為幾分鐘到十幾分鐘）的陡坡狀或斷崖狀突變調整過程。例如暴雨天氣會出現陡坡狀或半陡坡狀上升（之后幾分鐘至十幾分鐘內會下降逐漸調整至目標值附近），來水水質突變（上游企業偷排）會出現斷崖狀下降（之后幾分鐘至十幾分鐘內會有上升調整趨勢，如在風機曝氣調整能力之內會上升逐漸至目標值附近）。例如開發區污水處理廠根據曲線明顯的周期性變化規律推測出了企業偷拍的具體時間，采取了有效的針對性措施，變被動為主動。

3.抗干擾性

對外界引起的干擾，應在較短時間內自適應調整至穩定運行狀態（水質干擾調整周期應≤20min，水量干擾調整周期應≤15min，溫度、雨量干擾調整周期應≤2min，人工等其他干擾調整周期應≤10min）

4.安全性

運行期間內正常情況下不會引發被控風機跳閘、過流、過熱、喘振、異響或其他被控設備問題。

5.可靠性

對異常情況造成的外界超溫、超壓、斷電、傳感器信號丟失等應能在0.5s內自動切換到原有控制模式

6.經濟性

① 精確曝氣使用前后噸水電耗的對比

鼓風曝氣占總耗電量的50%-70%，實現風機節能，降低處理單位污水的耗電量（單位kWh/t）有重要的意義，經現場7次24小時中試檢驗與未使用精確曝氣同比時間對比，節能率檢測數據如表2所示：

徐州開發區污水廠2019年全年電量3679755度，電費231.509元;2020年全年電量3619305度，電費210.935萬元，保守估計按照節電5%計算，兩年共計節約電費約22萬元。

② 精確曝氣量前后碳源投加量對比

使用精確曝氣后保證出水總氮不變的情況下，碳源的投加量有明顯減少的，且出水總氮的數值基本趨于穩定。

2019年全年碳源投加量617.72噸，總費用188.417萬元;2020年全年碳源投加量603.99噸，總費用152.2509萬元，碳源成本占污水處理處理成本30%左右，實現出水總氮達標的情況下，減少碳源的投加量可以很好的節約水處理成本。

五、結論

1、精確曝氣控制使得工藝控制更加穩定

精確曝氣系統可實現在污水處理過程中定需供氣，減少生物反應池溶解氧濃度波動幅度，污水在多次交替的缺氧與好氧中，可實現有機物的降解、為處理系統脫氮除磷提供良好的外部條件，從而使得脫氮除磷功能的效率最大化，出水水質的穩定達標也更有保障，這也是我們引進精確曝氣系統的根本出發點。

2、節能降耗

電耗和藥劑（碳源）費用是整個污水處理的直接成本的主要來源，與傳統的曝氣方式相比，精確曝氣系統的使用在穩定生產的前提下，有節能降耗的作用。

3、降低操作人員勞動強度

溶解氧是污水處理廠生產運行最重要的控制參數，也是值班人員最關注的控制點，精確曝氣項目實施前，值班人員需要密切關注生化系統溶解氧的變化，及時調整供風量，占用了操作人員大部分的精力。精確曝氣實施后，根據工藝要求設定溶解氧理想目標值，不但降低了操作人員的勞動強度，同時曝氣系統的控制更加智能靈活。

六、對未來的展望

在國家對環保事業要求越來越高的情況下，污水處理過程控制將朝著嚴格、精細方面發展，精確曝氣使污水處理過程向精細化、節能化轉變，污水處理過程的精細控制具有較大的拓展空間和推廣價值。

此項目在2017年5月獲得了國家知識產權局的實用新型專利證書

參考文獻

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