精準曝氣技術在污水處理中的研究進展

高新磊 邱 頡 黃 睿 房 睿

（1 廣東粵海水務股份有限公司 廣東深圳 518021 2 哈爾濱工業大學水資源國家工程研究中心有限公司 黑龍江哈爾濱 150000）

引言

隨著我國城市化進程的不斷發展，水環境污染的狀況日益加劇，污水排放量也呈現出逐漸增加的趨勢。污水處理廠作為城鎮可持續發展的重要基礎設施，其主要功能是將集中收集后的生活污水達標處理后排入水環境，從而降低污染。

隨著國家對環境保護重視程度的不斷提高，我國污水廠的處理規模得到了巨大提升。相關數據顯示，2018 年我國已建成的污水處理廠達到5000 余座，年污水處理量達到700 億立方米。[1]污水處理是保障人們生產生活和保護生態環境的重要措施，雖然污水處理的工藝繁雜，但目前大多數污水處理廠都使用活性污泥法對污水進行處理，這種污水處理方法已經被使用了100 余年，經受住了時間的考驗。該處理法運用微生物代謝的方法對水中的污染物進行降解，微生物在去除污水污染物的過程中發揮著重要的作用。[2]要保證微生物群落的繁殖就必須滿足適宜其生存的必要條件，污水中的氧氣含量至關重要，因此，要保證污水中微生物得到有效的繁殖，就要將污水中的氧含量控制在一定的范圍內，過低或過高的曝氣量都會影響污水水質的處理效果。曝氣法是常見的污水補氧方法，曝氣設備之所以被廣泛運用到污水處理設備中，不僅因為其可以提供充足的溶解氧，不會對水環境造成二次污染，而且具有攪拌混合等功能。[3]曝氣法所消耗的能量占污水處理總能源消耗的一半以上，隨著污水處理廠節能減排、降低能耗的要求逐漸提高，亟需由常規的自動化控制和人工調控向精準化、智能化控制轉變。[4]精確控制污水中的氧含量，不僅能夠有利于系統的穩定運行，還能進一步降低能源消耗。

在我國經濟發展過程中，生態環境的保護越來越受到人們的重視，由于城市的快速擴張，導致人與環境出現矛盾，環境治理工作已經刻不容緩，污水控制工作至今沒有得到妥善的解決，對城市的生態環境造成較大影響。相關研究結果顯示，現階段國內污水廠大多采用傳統的手動調控和簡易的自動控制系統，曝氣控制系統存在精確度不高及硬件成本過高的問題。[5]在我國這樣一個人口大國，每年由城市污水導致的環境問題層出不窮，對污水處理廠的曝氣控制技術提出了更高的要求，不但需要更加精確的控制手段，還需要精細化的處理方案，降低能源消耗，提高污水處理能力，保護城市的生態環境。

1 污水處理廠曝氣精準控制理念及必要性

1.1 污水處理廠曝氣精準控制理念

曝氣系統作為污水處理廠的主要能耗單元，其控制水平對于污水廠整體的能耗以及出水的水質都具有十分重要的影響。由于進水水質和水量的波動，傳統的曝氣控制往往具有滯后性，效果并不理想。[6]考慮到城市發展對生態環境保護的需求，在污水處理過程中采用曝氣技術應遵循一定的原則，需要利用在線監測儀表實時采集污水量、氣量、溶解氧、鼓風機功率以及壓力等信號。

根據控制理論可知，要實現精準曝氣，首先，要控制空氣的輸入量，空氣輸入后經過曝氣裝置噴出就會形成氣泡，這些氣泡具有不同的體積，在污水中不斷上浮，實現曝氣量的精準控制。其次，要控制空氣的溫度，使空氣具有一定的冷凝作用，以便于形成水珠增強曝氣的精準控制，這是要求氣泡系統具有較高的控制精度，使曝氣的有效性得以提升，最終實現曝氣的精準控制。[7]精準曝氣可以實現污水廠的生物處理系統的運行以及出水水質更加穩定，更重要的是，比人工控制更加節能。

1.2 污水處理廠曝氣總量精準控制的必要性

根據現階段我國污水處理廠的實際情況，曝氣控制精度普遍處于較低的水平，導致污水處理廠的能耗普遍較高，為了提升能源利用率，進行曝氣總量的精準控制是非常必要的。

污水處理廠通過控制鼓風機的風門控制曝氣總量，并將溶解氧的含量作為參考指標。大多數污水處理廠采取人工方法進行風門控制，操作人員根據溶解氧指標反復調整風門的大小，受操作人員的水平和經驗的限制，水質穩定性難以得到保障，資源浪費較為明顯。在對曝氣量進行控制時，污水處理廠的負荷是不斷變化的，沒有固定規律可循，溶解氧的波動很大，需要操作人員反復調整，不僅勞動強度較大，控制準確度也較低。要想精確控制溶解氧的含量，可以引入在線檢測的方法，通過先進的傳感器檢測氧含量，為曝氣量的控制提供實時數據，幫助工作人員準確控制曝氣量的大小，但在實際工況下，氧含量傳感器的位置和數量對測量精度有較大的影響，并且受電子設備傳輸的影響，監測結果具有一定的滯后性。

因此，曝氣總量的精確控制除參考氧含量這一指標外，還應遵循曝氣量變化規律，制定科學的曝氣方案，從而更加精確的控制曝氣總量，滿足保護生態環境的需求。

1.3 污水處理廠曝氣總量精準控制中存在的問題

1.3.1 自動控制與精準控制相互脫節

污水處理廠制定精確曝氣方案時，應結合實際情況，有針對性的提高控制精度。在一些自動控制系統中，仍存在控制精度偏低的問題，這是因為相關的工作人員對控制技術掌握不夠充分，缺乏工作經驗，不具備扎實的理論基礎造成的，導致曝氣控制時無法做到精確控制與實際需求的協調，影響精確控制的實施效果。

1.3.2 曝氣精準控制的硬件條件較高

現階段我國污水處理廠精準曝氣控制嚴重依賴于硬件設備，控制系統包含了自動調節氣閥、流量計和先進氧傳感器等設備，這些設備都要求有極高的控制精度，因此硬件成本較高，在新建污水廠項目中，用于精準曝氣控制設備的投入一直居高不下，在項目建設中存在一定的困難，制約了精準曝氣控制的建設。

此外，精準曝氣所需的各類設備維護要求也偏高，儀表及閥門等運行一段時間后，可能會出現較大的偏差，如不及時矯正，可能會導致曝氣量與實際需求不一致，容易造成出水水質不達標。傳統曝氣控制手段又過分依賴于工作人員的經驗和責任心，無法實現曝氣精準控制，對污水處理系統的正常運行造成一定程度的影響。

1.3.3 精確曝氣控制的校驗時間較長

根據當前我國污水處理廠的實際運行情況可知，大多數處理廠采用活性污泥數學模型作為精準曝氣控制系統的計算邏輯，這一算法需要處理廠的歷史數據作為參照，才能預測出將要執行的曝氣總量，一些關鍵參數的校驗時間較長，對控制精度有很大影響。許多污水處理廠都出現過水質不達標的問題，進一步增加了水質處理的難度，使精準曝氣控制變得更加困難。

2 精確曝氣技術分類

曝氣技術歷經兩個階段，分別是手動控制階段和自動控制階段，自動控制階段主要采用恒氧含量控制方法，又可分為直接控制風機與間接控制風機兩種形式，手動控制方法無法實現曝氣總量的精確控制，能源浪費情況嚴重，后來技術人員引入模糊控制和神經網絡控制等先進控制方法，開發出自動控制技術，并逐漸向智能化方向發展?，F階段我國自動控制技術在污水處理廠中的應用還較少，隨著智能技術的不斷發展，可編程控制器技術逐漸成熟，基于模型的精確控制技術已經進入實際應用階段，在自動曝氣控制技術領域占據主導地位。

結合國內外自動曝氣技術的發展現狀來看，現階段精確曝氣控制主要分為生物模型和硬件集成兩類。

生物模型主要以水中微生物生長的模型為基礎，在污水處理池中安裝各種傳感器和監測設備，監測水溫、氧含量、微生物含量等指標，掌握水質的變化情況，然后建立污水處理池污泥模型，預測空氣需求量，作為控制鼓風機輸出量的參考，實時調整風機吹風量。理論上來講，這種方法可以實現精確的氧含量控制，對各種監測設備的要求較高，假如監測指標與實際差異較大，計算結果會嚴重失真，導致需氧量得不到精確控制，產生水質異常等情況。我國研究這種技術的企業有上海昊滄公司等，這家企業開發的AVS 精確曝氣控制系統就是基于上述理論進行曝氣量精確控制的。

沈軍[8]等學者以上海污水處理廠引進的AVS 精確曝氣控制系統為研究對象，研究了該技術在實際應用中的效果，通過生物模型等參數控制，污水池中的氧含量控制精度較高，經測量曝氣池內的氧含量變化不超過±0.5mg/L，水質也得到了很好的控制，氧、氨、氮、磷的達標率平均提升5%左右，與采用手動控制方法的污水處理廠相比，水質得到明顯改善，不合格率降低，曝氣系統的能源消耗降低11%。

趙雅然[9]等學者分析無錫市污水處理廠采用AVS精確曝氣控制系統的實際運行情況，該廠污水池中的氧含量能夠穩定在（3.5±0.5）mg/L，與未采用該控制系統前相比，供氣系統的供氣量降低30%，節約電力26%，二沉池內的厭氧反應得到有效控制，污水處理成本明顯降低，預計每年可節約資金100 萬元。

李升[10]等學者追蹤了馬頭崗污水處理廠改建項目中引入自動曝氣控制系統的實際運行效果，在一年的運行過程中，鼓風機供氧量的控制精度穩定在1%左右，水中溶解氧的穩定程度超過0.9，磷含量百分比下降65%。

余云龍[11]等學者指出精準曝氣技術能夠明顯降低污水處理廠的能源消耗，并以某污水處理廠的實際運行數據為例進行說明，該處理廠經技術改造后能耗下降20%，供氧量下降16%，水中的氨濃度下降50%，水質得到了較大的改善。

硬件集成控制模式簡化了生物模擬環節，使參數更加簡單，僅對曝氣系統末端的氧含量進行精確控制，對空氣流量傳感器和閥門的要求較高，需要適配高性能風機才能滿足系統需求。這種控制技術最先由德國一家企業提出，該企業開發的VACOMASS 精確曝氣控制系統在行業內擁有較高的知名度。

我國學者梁銳振[12]等以太湖污水處理廠引入的VS精確曝氣控制系統為例說明了該技術的應用效果，與未引入該技術之前相比，該污水處理廠的氧含量精確度提高0.3 mg/L，氮和磷含量下降1.35 mg/L，耗電量下降27%，說明該技術的應用效果非常明顯。

姚斌[13]等學者研究了紹興污水處理廠三期工程中VS 精確曝氣控制系統的逆行成效，他們追蹤了該污水處理廠一年的運行數據，分析結果顯示應用新技術后溶解氧的波動穩定在±0.5 mg/L，能耗降低30%，污水處理廠的整體運營成本降低25%。

唐鑫偉[14]等學者跟蹤了寧波污水處理廠VS 精確曝氣控制系統的應用情況，該污水處理廠應用這項技術后，水質得到了明顯提升，氮含量降低2mg/L，消除率提高5%，未引進新技術前，鼓風機工作電流達到235A，引進新技術后工作電流下降至212 A。

鄧歡忠[15]等學者介紹了某污水處理廠新建10 萬立方米超大容量的項目，經過一段時間的運行，獲得了較好的運行效果。

黃仲均[16]等學者以無錫污水處理廠為例，說明了VS 精確曝氣控制系統的應用前景，在該污水處理廠的二期項目中采用了這一新技術，與采用傳統技術的一期項目相比，氧含量控制精度提高0.5 mg/L，TN 濃度下降1.35 mg/L，曝氣系統的電能消耗下降26%，并且實現了鼓風機系統的智能控制，大大降低了工作人員的勞動強度，獲得了較好的應用效果。

除以上控制技術外，國內學者馮立杰[17]等嘗試將大數據技術引入曝氣控制系統中，通過歷史數據的監測，建模進行各項數據的預算，預測鼓風機的功率，這種技術所需的監測設備較少，是基于歷史數據對曝氣系統進行優化。通過污水處理廠的實踐應用，該技術確實展現出了一定的應用前景，可以穩定控制污水池中的氧含量，鼓風機的功率控制也較為精確，節能效果明顯。

結語

污水處理工藝中引用精準曝氣技術能大幅度降低污水處理廠的能源消耗，提升排放水質，獲得穩定的水質指標。污水處理廠作為保護城市生態環境的重要一環，其能源消耗一直受到多方面的關注，曝氣系統占污水處理廠總能源消耗的一半以上，對曝氣量進行精確控制是降低能源消耗，改善水質的好方法，隨著環保理念日益深入人心，以及各項先進技術的發展，精確曝氣系統的應用已經得到了實現，在未來一段時間內將得到更多污水處理廠的認可。

近年來，為改善水環境總體質量，我國部分城市和地區提高了污水處理廠的排放標準，某些污水廠需將出水水質提升至GB3838-2002 《地表水環境質量標準》中的準Ⅳ類標準。在這樣的背景之下，曝氣精確控制系統要想真正發揮作用，需要進一步完善曝氣系統的管理，并結合污水處理廠的現實需求，引入合適的自動控制手段，雖然在實際應用中還存在一定問題，受工作人員的經驗和硬件水平的限制，還無法發揮出最大作用，但新技術的節能減排效果和水質改善效果已經得到了業內的認可，也為污水處理廠引用新技術指明了方向，污水處理廠應結合自身實際情況，采用最佳的控制模式，提升曝氣控制系統的精確程度，使精準曝氣系統能夠在實際的工程應用中向低能耗、高效率的方向發展。