市政污水氧化溝工藝精準曝氣技術研究與應用

奚瑞鋒，肖宇梅

（廣東省輕紡建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510000）

隨著我國城市化進程的加快，城市的污水排放量逐年增加，這給城市污水處理廠帶來了巨大壓力，又由于污水處理廠是能源密集型行業，所以，需消耗大量的電能、藥劑等資源[1]。其中，電耗作為大型污水處理廠的主要能耗指標，其污水處理噸水電耗約為0.2～0.3 kwh/m3，在污水處理成本中占比非常高，甚至可達到60%～90%[2]。鑒于“十四五”時期生態文明的建設要求，單位國內生產總值（GDP）能源消耗5年累計要降低13.5%，這意味著我國的污水處理與經濟發展的能源之爭愈發激烈。

本文旨在構建市政污水處理系統進、出口的污水污染物濃度與氧化溝所需曝氣量之間的關系模型，在保證水質達標排放的前提下，利用所述的關系模型計算得到氧化溝所需曝氣量，并通過風機流量計實時獲取氧化溝實際的曝氣量，通過控制氧化溝曝氣風機變頻器對風機的轉速進行調控，使氧化溝實際的曝氣量達到計算的氧化溝所需的最佳曝氣量，進而達到降低污水處理成本的目標。

1 污水處理工藝

1.1 氧化溝工藝

氧化溝是活性污泥法的一種變型，屬活性污泥法中的延時曝氣法，具有工藝流程簡單、水力停留時間長、曝氣設備充氧效率高、攪拌力強等特點。根據現在相關報道顯示，氧化溝工藝能耗占比最大的部分在生化段能耗，其占總能耗的65%～80%之間[3-5]。

1.2 曝氣量的控制

利用所述的關系模型，依托控制器實現對曝氣設備輸出功率的實時調整，從而使溶解氧的濃度處于合理范圍之內，這樣不僅能夠使自動控制和節能運行的目的得以實現，還能夠顯著降低能耗。

1.3 曝氣量控制原理

通常情況下，控制器會根據檢測到的進、出口的污水污染物的化學需氧量[6]和生化需氧量[6]的濃度，并利用所述關系模型而計算得到氧化溝的所需曝氣量，從而對氧化溝的曝氣風機變頻器進行實時控制。同時，通過將曝氣量與污染物的濃度變化實時掛鉤，來實現曝氣量會根據污染物的不同濃度進行自動調節，而相比于常量曝氣和過量曝氣的有效降低電耗，應用氧化溝技術更為簡便。

2 工作原理

2.1 COD與BOD5相關關系

（1）生物需氧量[6]（BOD)是指在一定的條件下，微生物在分解、氧化可生物降解的有機物過程中，所消耗的游離氧量，也是反映水中有機污染物含量的一個綜合指標，其單位為mg/L或kg/m3。

（2）而化學需氧量[6]（COD)是指在一定條件下，用強氧化劑氧化污水中的污染物時，所消耗的氧化劑的量，其單位為mg/L。

（3）根據相關調查顯示，市政污水基質的降解過程可用一級動力學模式計算，且只有在滿足有氧條件、有機質參與生化反應條件下，才能推算出B OD5=K'COD[7-8]。

2.2 COD和BOD5之間的關系

根據《室外排水設計規范》（GB 50014-2021），△BOD5（生物需氧量去除量）作為氧化溝好氧曝氣量Q理論的計算依據，但BOD5的測定周期較長（一般需要5 d），所以，不能實時反映出生化系統的運行現狀。因此，本研究通過利用BOD5與COD之間的相互關系，并根據進、出口COD值和其相關方程來計算進、出口的BOD5，同時，通過曝氣量Q理論與△BOD5的計算依據，來構建進、出口COD與曝氣量Q理論的數學關系，并通過實際運行Q實際（DO=2 mg/L）對Q理論進行修正。最終確定了進、出口COD和理論值Q實際的關系模型，實現了進、出水COD對氧化溝曝氣量的聯鎖控制。

2.3 數據處理

相關數據進行歸一化處理。

3 實踐與運用

3.1 基礎數據資料

以廣東省湛江市某城區污水處理廠為例，進出口的實測資料詳見表1。

表1 湛江市某城區污水處理廠進出口COD與BOD5的實測值

3.2 直線回歸方程檢驗

xi為自變量COD，Yi為因變量BOD5；n為樣本數量。

當γ=0時，x與Y無關；當0 ＜ | γ | ＜ 1時，說明x與Y有一定線性關系；γ＞0，為正相關，γ ＜ 0為負相關。擬合線性回歸方程為：，其回歸曲線如圖1所示，COD出口=2.73BOD5出口+0.07()。

經計算γ進口=0.90，γ出口=0.91，取α=1%，查數理統計表可知γ (1)=0.684。因γ＞γ (1)，由此線性回歸顯著，無論是進口還是出口，COD與BOD5的兩者線性相關較好。

3.3 直線回歸方程的應用

（1）通過其擬合線性回歸方程校正進出口BOD5的理論值，即利用易獲得的COD指標獲得污水的BOD5，得到污水BOD5的理論值，詳見表2。

由表2可以看出，BOD5預測值的精度較高。

表2 湛江市某城區污水處理廠進口、出口的BOD5實測值與預測值比較

（2）以設計的規范曝氣量Q理論與△BOD5計算為依據，推算Q理論。采用鼓風曝氣，將標準狀態下污水需氧量換算為標準狀態下的供氣量，Gs=Os（/0 .28EA），為 標準狀態下的供氣量（m3/h）；為標準狀態下污水需氧量（kgO2/h）；EA為曝氣設備氧的利用率，此處取20%；計算結果詳見表3。通過實際曝氣量Q實際（DO=2 mg/L）對Q理論進行修正，由此可以看出線性回歸顯著，Q實際和Q理論兩者線性相關較好。

通過其擬合線性回歸方程校正Q理論，通過Q理論獲得Q實際理論值，得到Q實際理論值見表3。最終確定了進口、出口COD和Q實際理論值的關系模型，實現了進、出口COD值對氧化溝曝氣量的聯鎖控制。

表3 曝氣量Q理論與△BOD5的計算結果

（3）通過以上相互之間關系轉換及修正得到市政污水處理系統進出口的污水污染物濃度（COD）與實際曝氣量（Q實際）之間的關系模型,關系式為：Q實際=7.47COD進口+503.03，回歸曲線如圖1所示。

圖1 湛江市某城區污水處理廠Q實際與COD進口的回歸曲線

4 結論

精準曝氣技術在傳統市政污水處理氧化溝工藝的現有基礎上，通過科學優化控制方式，相比于傳統氧化溝工藝具有節省電耗、簡化操作、降低運行成本等優勢。具體結論如下：

（1）在反應完全的條件下，擬合BOD5與COD線性回歸方程BOD=K·COD，以廣東省湛江市某城區污水處理廠的實測資料得到BOD5出口=0.30COD出口+1.07，BOD5進口=0.23COD進口+13.05，并通過檢驗進出口BOD5與COD兩者線性顯著相關（P＜0.01）；

（2）通過△BOD5推測曝氣量Q，并通過Q實際校正曝氣量Q理論，其兩者線性回歸方程為Q實際=0.71Q理論+0.32，并通過檢驗兩者線性顯著相關（P＜0.01）；

（3）最終確定進口、出口COD和Q實際理論值的關系模型，實現進、出口COD值對氧化溝曝氣量的聯鎖控制，可根據每一組COD、BOD5實測值豐富數據庫，修正模型；曝氣量理論值Q理論可定期根據Q實際（DO=2.0 mg/L）流量計讀數進行修正，得到市政污水處理系統進出口的污水污染物濃度（COD）與曝氣量理論值（Q理論）之間的關系模型；而模型隨著時間推移，計算精度更高；

（4）通過將調整曝氣量與污染物濃度變化實時掛鉤，聯鎖控制氧化溝曝氣風機變頻器，實現了曝氣量自動調節，相比于常量曝氣和過量曝氣有效降低了電耗，從而使氧化溝操作技術更加簡便。