城鎮污水處理廠精確曝氣與碳源精準投加系統研究

摘要：構建污水處理廠精確曝氣和碳源精準投加系統有助于保證出水穩定達標，同時降低污水處理廠的電耗、藥耗以及人工成本。本文以壽光市西城污水處理廠為例，結合污水處理工藝流程，分析城鎮污水處理廠精確曝氣與碳源精準投加系統，研究模型參數的優化方法。在未來進水水質、水量穩定的前提下，污水處理廠要對當前的進水水質、水量與相關工藝參數進行實時監測，應用模型對曝氣量和碳源投加量進行精準控制，從而節能降耗，保證出水水質穩定達標。

關鍵詞：城鎮污水處理廠；精確曝氣；碳源精準投加；模型預測；參數優化

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）04-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.04.048

Research on Precision Aeration and Carbon Source Dosing System for Urban Sewage Treatment Plants

YANG Weikuo， LIU Feng， CHEN Hui， LIU Chao

（CCCC （Shouguang） Investment Co.， Ltd.， Shouguang 262703， China）

Abstract： Building a precise aeration and carbon source dosing system for sewage treatment plants helps to ensure stable effluent compliance， while reducing power， drug， and labor costs for the plants. Taking the Xicheng Sewage Treatment Plant in Shouguang City as an example， this paper analyzes the precise aeration and carbon source dosing system of urban sewage treatment plant based on the sewage treatment process flow， and studies the optimization method of model parameters. On the premise of stable inflow water quality and quantity in the future， sewage treatment plants need to monitor the current inflow water quality， quantity and related process parameters in real time， and apply models to accurately control the aeration amount and carbon source dosage， in order to save energy and reduce consumption， and ensure stable and standard effluent water quality.

Keywords： urban sewage treatment plant; precise aeration; precise carbon source dosing; model prediction; parameter optimization

目前，污水處理廠安裝多種傳感器對污水處理過程的重要指標進行監測，但硬件傳感器的使用面臨多種問題[1]，污水處理系統運行環境及傳感器安裝環境惡劣，部分儀表運行效果不佳，頻繁發生故障；部分關鍵水質指標受限于技術原因，無法實現在線監測[2]；安裝硬件傳感器產生的經濟成本與維護校正導致的人工成本加重污水處理廠運營負擔[3]。在污水處理廠進水水質、水量穩定的前提下，有必要對當前的進水水質、水量與相關工藝參數進行實時監測，應用模型對曝氣量和碳源投加量進行精準控制，從而節能降耗并保證出水水質穩定達標。

1 污水處理工藝流程

壽光市西城污水處理廠設計處理規模為50 000 m3/d，主要收集壽光市北環路以南、西環路以東、農圣街以北、渤海路以西范圍內的市政生活污水，服務面積約為38 km2，出水水質執行《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的準Ⅲ類標準。該污水處理廠為我國首座一次性建成且日處理規模達5萬m3的準Ⅲ類污水處理廠，全廠占地面積約為4.2 hm2，污水處理工藝流程如圖1所示。

2 精確曝氣和碳源精準投加系統

2.1 精確曝氣系統

壽光市西城污水處理廠采用厭氧-缺氧-好氧（A2O）工藝，精確曝氣系統主要用于去除未被反硝化細菌利用的碳源和難生物降解有機物，在氧氣充足情況下，好氧微生物進行氨氧化作用，將污水中氨氮轉化為硝酸鹽[4-6]。該污水處理廠在進水端與出水端均安裝有水質在線分析儀、流量計，在A2O生物池安裝有混合液懸浮固體濃度（MLSS）在線監測儀，同時可以獲得水溫數據，硬件設備完全可以滿足水質指標監測需求。水質在線分析儀可以同時監測化學需氧量（COD）和氨氮（NH3-N）。要想獲得精確曝氣系統的預測輸出值（鼓風機供氣量），必須合理設計各控制參數，如表1所示。

2.2 碳源精準投加系統

根據壽光市西城污水處理廠的污水處理工藝和進水水質，A2O生物池缺氧區前端需要投加混合碳源，以滿足反硝化需求。反硝化細菌可以去除回流硝化液攜帶的硝酸鹽，去除回流污泥含有的硝酸鹽。為了保證加藥量精準，碳源精準投加系統需要合理設計各控制參數，如表2所示。

3 模型參數優化方法

3.1 精確曝氣模型參數優化

為確保計算的準確性，系統投入使用前需要對參數進行初定和優化。不同污水處理廠的污水處理工藝、進水水質和運行情況不盡相同，即使是同一參數，也存在較大差異。精確曝氣模型一般需要優化6個主要參數[7-9]。一是單位校正系數，單位量綱不同時，可由其進行整體單位調整；二是降解COD好氧系數，在污水處理過程中，完全去除1 g COD需要1 g DO，因此其取值一般為1；三是出水COD，根據出水水質確定；四是降解NH3-N好氧系數，1 mol的氨氮完全氧化成硝態氮需要4 mol的氧原子，因此其為固定值（0.004 57）；五是活性污泥呼吸好氧系數，該系數需要通過試驗確定；六是氧轉移效率，它需要通過后期設備調試確定，并根據實際情況進行調整。

3.2 碳源精準投加模型參數優化

碳源精準投加模型分為長期和短期兩種[10-11]，運行初期的1～2年采用理論模型控制，2年后數據量足夠大時采用數據驅動模型。碳源精準投加模型一般需要優化6個主要參數[12-14]。一是單位校正系數，單位量綱不同時，可由其進行整體單位調整；二是稀釋倍數，碳源投加過程中，乙酸鈉濃度過高時，可以通過其進行濃度稀釋；三是氮氧系數，缺氧區反硝化快速降解有機物時，1 g DO可折算成0.35 g 硝酸鹽氮（NO3--N），因此氮氧系數為定值（0.35）；四是碳氧系數；五是進水碳源系數；六是修正系數。碳氧系數、進水碳源系數和修正系數都可通過反硝化試驗確定[15-17]。

4 結論

精確曝氣與碳源精準投加系統是壽光市西城污水處理廠的重要組成部分，做好系統設計，優化模型參數，有助于節能降耗，確保出水水質穩定達標。在未來進水水質、水量穩定的前提下，污水處理廠要對當前的進水水質、水量與相關工藝參數進行實時監測，應用模型對曝氣量和碳源投加量進行精準控制，從而節能降耗并保證出水水質穩定達標。

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