謝華林/北京市市政工程設計研究總院有限公司廣東分院

精確曝氣系統(tǒng)在臨平凈水廠的應用

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精確曝氣系統(tǒng)是一種以精確生化反應數學模型為依托的智能控制系統(tǒng)，它包含鼓風機控制、電動氣體流量調節(jié)閥門的開度調節(jié)、以及鼓風機與閥門的聯合調節(jié)等能夠對污水廠曝氣池內的溶解氧進行精細化控制，在處理工藝出水穩(wěn)定達標排放的基礎上，實現曝氣系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化[1]，在主流工藝市政污水廠有著很好的應用。本文介紹了精確曝氣流量控制系統(tǒng)，及其技術方案在杭州市臨平凈水廠的應用，并對本系統(tǒng)的應用效益做了分析。

精確曝氣系統(tǒng)；優(yōu)化控制；MBR工藝控制

概述

精確曝氣流量控制系統(tǒng)Aeration Volume control System（以下簡稱：AVS)是一個集成的控制系統(tǒng)，旨在為生物處理過程提供精確曝氣。AVS以氣體流量作為控制信號，溶解氧信號作為輔助控制信號，根據污水廠進水水量和水質實時計算需氣量，實現按需曝氣和溶解氧的精細化控制[1]。

1.AVS系統(tǒng)介紹

AVS由系統(tǒng)硬件和控制軟件組成，其中，AVS控制軟件包含生化需氣量計算、氣量分配、鼓風機控制、數據處理和數據云平臺等核心功能模塊，其底層核心算法基于國際水協（IWA）的活性污泥系列模型ASMs（Activated Sludge Model）。

AVS能夠對鼓風機和受控曝氣單元的氣量分配進行自動調節(jié)，根據實際水質水量數據智能分配每個溶解氧控制區(qū)的供氣量，自動調整氣體流量設定值，按需曝氣。實際需氣量由現場每個受控曝氣單元根據DO、MLSS、水溫、液位等和進水流量、COD、NH4-N（可選）、NO3-N（可選）等信號通過模型進行計算?？偲貧饬坑葾VS系統(tǒng)控制柜向鼓風機主控柜MCP發(fā)出指令，通過鼓風機導葉或變頻器的頻率進行氣量調節(jié)；AVS系統(tǒng)通過同時調節(jié)多個電動線性調節(jié)閥的開度，使受控曝氣單元支管內的實際氣量達到所需氣量，在實現精確曝氣的同時，節(jié)省了鼓風機的曝氣能耗。

AVS根據當前需要的曝氣量，控制鼓風機的啟停、進出口導葉的開度或變頻器的頻率等進行風量調節(jié)，并與電動調節(jié)閥進行聯動，降低鼓風機喘振等異常情況發(fā)生的頻次，實現鼓風機的安全運行。

污水處理系統(tǒng)具有大擾動、大時滯及非線性的特點，對于生物處理工藝，AVS內置冗余的控制策略組合，基于“前饋+模型+反饋”的多參數控制模式，能夠實時精確計算所需曝氣量，實現溶解氧的精確控制，并通過控制鼓風機的出口風量降低曝氣能耗。

2.AVS控制原理

生物處理是污水處理過程中最重要的工藝環(huán)節(jié)，即通過人為地維持好/缺/厭氧環(huán)境，使曝氣池中的微生物維持在特定的生化過程中，以去除或降低污水中的目標物質（BOD5、CODcr、總磷TP、總氮TN），從而滿足工藝出水水質達標排放的要求[2]。

為了對曝氣池內溶解氧（DO）濃度進行精確控制，有必要對DO的動態(tài)平衡過程進行充分的認識，其包含兩個過程：一是氧擴散過程，在鼓風曝氣系統(tǒng)中主要體現為空氣從曝氣池底部的曝氣頭釋放后，氧氣從氣相向液相中轉移；二是氧消耗過程，該過程綜合了好氧處理過程的各種環(huán)節(jié)，包括有機碳去除過程、生物脫氮、生物除磷等。DO的消耗是由上述兩個過程綜合作用的結果。由于污水廠進水水質和水量具有時變性，在特定的時間段內微生物的耗氧量也是時刻變化的，因此，只有使該時段內的供氧量和耗氧量相均衡，才能保證微生物生化環(huán)境的穩(wěn)定，保證出水水質。

下圖為AVS的控制原理圖：

圖1 AVS控制原理圖

AVS精確曝氣系統(tǒng)由數據處理模塊、生物需氣量計算模塊、鼓風機控制模塊和氣量分配模塊組成。對于鼓風曝氣系統(tǒng)，AVS系統(tǒng)首先接收從其它PLC站點采集的進水流量、COD、氨氮（可選）、硝酸鹽氮（可選）等前饋信號，以及從現場每個受控曝氣單元采集到的DO、水溫、MLSS、液位等反饋信號，經數據處理模塊對這些采集到的數據進行預處理后，生物需氣量計算模塊即可根據處理后前饋、反饋信號，計算出各個溶解氧控制區(qū)的需氣量及總需氣量。并將總氣量信號發(fā)送至鼓風機主控柜MCP，利用鼓風機控制模塊，自動控制鼓風機的啟停、導葉的開度或變頻器的頻率，從而調節(jié)鼓風機的輸出氣量；同時，對于各個溶解氧控制區(qū)而言，AVS系統(tǒng)包含的氣量分配模塊，可通過電動閥門的調節(jié)，將氣量分配至各個溶解氧控制區(qū)，從而實現按需供氣。

3.AVS精確曝氣控制系統(tǒng)應用方案

3.1 項目概況

杭州市臨平凈水廠，廠址位于余杭區(qū)東湖路以西，滬杭高速以南地塊?？偺幚硪?guī)模20萬m3/d，采取地埋式污水處理廠，將主體構筑物置于地下，組團布置，選擇膜生物反應器（membrane bioreactor，簡稱MBR）污水處理技術。臨平凈水廠設計選用6臺鼓風機，4用2備，分為兩組系統(tǒng)，分別對應兩座生物反應池。

3.2 AVS技術方案

在對臨平凈水廠工程的設計工藝、設備儀表以及控制策略進行充分調研的基礎上制定適合的AVS系統(tǒng)方案，使AVS系統(tǒng)方案能夠完全匹配該廠的運行工況，實現精確曝氣控制。并在此基礎上，實現微生物生化環(huán)境的穩(wěn)定，進而促進處理工藝的穩(wěn)定運行，提高出水水質的達標率。

3.2.1 AVS溶解氧控制策略。

AVS的溶解氧控制策略有兩種：（1）溶解氧控制目標設定值為恒定值；（2）溶解氧控制目標設定值為動態(tài)值?？刂撇呗钥筛鶕R平凈水廠程的儀表配置等實際情況，由工作人員自主選擇。

①溶解氧控制目標設定值為恒定值

在溶解氧控制目標設定值為恒定值的控制策略下，工作人員可根據經驗或出水水質等情況人工自主設定溶解氧控制目標值，一旦該設定值確定，AVS將根據進水水質、進水水量、生化池污泥濃度、生化池液位、該溶解氧設定值等信號，實時動態(tài)計算出各溶解氧控制區(qū)的需氣量及總需氣量，并通過調整鼓風機的啟停、進出口導葉開度及各曝氣支管的電動空氣調節(jié)閥的開度，使需氣量與供氣量相吻合，從而實現生化池各控制區(qū)的實際溶解氧在該溶解氧控制目標設定值上下波動，直至該溶解氧設定值被修改。

②溶解氧控制目標設定值為動態(tài)值

溶解氧控制目標設定值為動態(tài)值的控制方式，其內回路是溶解氧控制器，即溶解氧-曝氣量控制回路；其外回路是氨氮-溶解氧設定值控制回路，兩個回路通過溶解氧設定值關聯在一起。在該控制邏輯中，首先借助于數學模型求解將控制單元的實際氨氮值穩(wěn)定在其目標值所需要的溶解氧，將該溶解氧值設定為控制單元的溶解氧設定值；然后，通過溶解氧控制器調節(jié)鼓風機和曝氣量，使得控制單元的溶解氧穩(wěn)定在設定值附近。其控制原理如下圖所示：

圖2 溶解氧控制目標設定值為動態(tài)值的控制原理圖

污水生化處理系統(tǒng)中影響氨氮降解的因素主要有溫度、溶解氧、停留時間、污泥齡或污泥濃度等，在這些因素中，對于開放性的系統(tǒng)，只有溶解氧能夠被控制。因此，氨氮控制系統(tǒng)的原理是根據時刻變化的進水流量、進水COD和進水氨氮等，時刻計算出降解這些氨氮所需的曝氣量，以使出水COD和氨氮能夠穩(wěn)定達標，故在該控制策略與溶解氧控制目標設定值為恒定值的控制方式相比，需要在生化池配置在線氨氮測定儀。

3.2.2 AVS數據信號要求。

AVS采集多種設備儀表的信號，通過內置的精確曝氣流量數學模型實時計算各溶解氧控制區(qū)的實際需要曝氣量，并對鼓風機進行調節(jié)設定。

表2 AVS所需接受信號一覽表

進水區(qū)共1組鼓風機房●進水流量信號●進水COD●進水氨氮、總氮（二選一）●鼓風機總管壓力信號●鼓風機房總管總流量信號 共1組

3.2.3 AVS鼓風機控制。

臨平凈水廠工程設計選用6臺鼓風機，4用2備，安裝在鼓風機房內，采用進出口導葉的開度控制方式調節(jié)氣量。每臺鼓風機配置一個單元控制器（LCP），設置一臺主控柜（MCP）來負責鼓風機投入啟動或關閉臺數及導葉的開度調節(jié)等，并能依據相關的信號做完整的控制動作。

本方案采用總流量或總壓力的調節(jié)控制方式，根據AVS系統(tǒng)動態(tài)計算出來的總風量，通過鼓風機主控柜MCP自動控制所有鼓風機的啟停、頻率，使鼓風機出口風量及壓力滿足需求，避免進水負荷高峰時的曝氣不足和進水負荷低谷時的曝氣過量，實現了曝氣過程的精細化、穩(wěn)定化控制，按需曝氣節(jié)約了曝氣能耗。

鼓風機的控制示意圖如下所示：

圖3 AVS系統(tǒng)鼓風機控制原理示意圖

為了鼓風機防止出現喘振，在流量調節(jié)時充分考慮調節(jié)過程、液位變化對管路壓力的沖擊影響，優(yōu)化設置流量調節(jié)步長，在達到流量調節(jié)的同時避免由壓力沖擊過大造成鼓風機喘振。

3.2.4 AVS溶解氧控制區(qū)的劃分。

AVS對曝氣的精細控制分為時間與空間兩個維度，在空間上對生化池進行溶解氧分區(qū)控制，滿足不同工藝段對不同曝氣量的需求；在時間上隨進水負荷變化動態(tài)設定曝氣量，滿足不同進水趨勢下的曝氣需求。

根據臨平凈水廠工程的工藝設計，曝氣管路為樹狀分布。根據該設計，本精確曝氣系統(tǒng)將單座生物反應池劃分成4個溶解氧控制區(qū)，實現對溶解氧的精確控制。單座池溶解氧控制區(qū)如下圖所示：

圖4 生化池AVS系統(tǒng)所需設備、儀表布置示意圖

3.2.5 AVS系統(tǒng)閥門、儀表系統(tǒng)配置。

針對臨平凈水廠的工藝流程，此AVS設計方案在每個溶解氧控制區(qū)配置1臺在線溶解氧儀表，在DN600和DN500的曝氣支管上配置1臺熱式氣體流量計和1臺電動線性調節(jié)閥。另外，由于AVS需要MLSS、壓力和液位等反饋信號來補償曝氣量計算及調節(jié)，因此，還需增加MLSS儀、壓力變送器等儀表。單座生化池的儀表安裝位置如圖4所示。AVS系統(tǒng)設備及儀表配置如下：

表3 臨平凈水廠工程AVS系統(tǒng)配置清單

4.結語

AVS系統(tǒng)可以為污水廠帶來以下效益：

4.1 更穩(wěn)定的溶解氧控制

由于好氧段水流方向上有機負荷不同，對溶解氧的需求量也不同，因此，實現好氧池中對不同區(qū)域內不同DO濃度的控制能力是衡量控制系統(tǒng)性能的重要指標之一。AVS能把曝氣池內DO控制在0.5～5.0 mg/L之間的任一設定值，控制精度在設定值的±0.5 mg/L范圍內。

4.2 更佳的出水水質

AVS運行后，DO控制的穩(wěn)定度大大提高，使微生物生化環(huán)境的穩(wěn)定性隨之提高，進而促進生化處理工藝的穩(wěn)定運行，提高出水水質的達標率及穩(wěn)定性。

采用AVS后，污水廠出水氨氮及總氮的達標率及穩(wěn)定性均有所提高，而出水總氮的控制效果尤為明顯。這主要是由于：（1）AVS將生化池溶解氧進行分區(qū)控制，一般情況下，后段的DO濃度相對較低，此時內回流至缺氧段的混合液含氧量就大大降低，從而對反硝化過程的抑制得到緩解；（2）生化池后段較低的溶解氧濃度，使同步硝化反硝化反應在此區(qū)域得以發(fā)生，從而有利于出水總氮濃度的降低。

4.3 實現污水廠節(jié)能運行

AVS按需曝氣，極大地節(jié)省了曝氣量?？紤]到鼓風機效率、季節(jié)等影響因素，鼓風機的節(jié)氣量并不等于節(jié)能率。相對于依靠人工控制鼓風曝氣而言，采用AVS通?？梢詫崿F25～40%的節(jié)氣率，在鼓風機風量可調節(jié)的情況下，對應地可以實現鼓風機8～15%的節(jié)電率。

[1]楊志，梅小艷.污水處理中基于仿人智能的DO參數控制系統(tǒng).可編程控制器與工廠自動化.2006 (2).

[2]朱軍輝.AVS精確曝氣控制系統(tǒng).中國土木工程學會全國排水委員會2010年年會論文集.2010.