高新磊 邱 頡 黃 睿 房 睿

（1 廣東粵海水務(wù)股份有限公司 廣東深圳 518021 2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(fā)展，水環(huán)境污染的狀況日益加劇，污水排放量也呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。污水處理廠作為城鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)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(huán)境，從而降低污染。

隨著國家對環(huán)境保護重視程度的不斷提高，我國污水廠的處理規(guī)模得到了巨大提升。相關(guān)數(shù)據(jù)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(chǎn)生活和保護生態(tài)環(huán)境的重要措施，雖然污水處理的工藝繁雜，但目前大多數(shù)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(jīng)被使用了100 余年，經(jīng)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(fā)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(guān)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(nèi)，過低或過高的曝氣量都會影響污水水質(zhì)的處理效果。曝氣法是常見的污水補氧方法，曝氣設(shè)備之所以被廣泛運用到污水處理設(shè)備中，不僅因為其可以提供充足的溶解氧，不會對水環(huán)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(jié)能減排、降低能耗的要求逐漸提高，亟需由常規(guī)的自動化控制和人工調(diào)控向精準化、智能化控制轉(zhuǎn)變。[4]精確控制污水中的氧含量，不僅能夠有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，還能進一步降低能源消耗。

在我國經(jīng)濟發(fā)展過程中，生態(tài)環(huán)境的保護越來越受到人們的重視，由于城市的快速擴張，導(dǎo)致人與環(huán)境出現(xiàn)矛盾，環(huán)境治理工作已經(jīng)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(tài)環(huán)境造成較大影響。相關(guān)研究結(jié)果顯示，現(xiàn)階段國內(nèi)污水廠大多采用傳統(tǒng)的手動調(diào)控和簡易的自動控制系統(tǒng)，曝氣控制系統(tǒng)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(dǎo)致的環(huán)境問題層出不窮，對污水處理廠的曝氣控制技術(shù)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(tài)環(huán)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(tǒng)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(zhì)都具有十分重要的影響。由于進水水質(zhì)和水量的波動，傳統(tǒng)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(fā)展對生態(tài)環(huán)境保護的需求，在污水處理過程中采用曝氣技術(shù)應(yīng)遵循一定的原則，需要利用在線監(jiān)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(jù)控制理論可知，要實現(xiàn)精準曝氣，首先，要控制空氣的輸入量，空氣輸入后經(jīng)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(xiàn)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(tǒng)具有較高的控制精度，使曝氣的有效性得以提升，最終實現(xiàn)曝氣的精準控制。[7]精準曝氣可以實現(xiàn)污水廠的生物處理系統(tǒng)的運行以及出水水質(zhì)更加穩(wěn)定，更重要的是，比人工控制更加節(jié)能。

1.2 污水處理廠曝氣總量精準控制的必要性

根據(jù)現(xiàn)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(dǎo)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(shù)污水處理廠采取人工方法進行風門控制，操作人員根據(jù)溶解氧指標反復(fù)調(diào)整風門的大小，受操作人員的水平和經(jīng)驗的限制，水質(zhì)穩(wěn)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(guī)律可循，溶解氧的波動很大，需要操作人員反復(fù)調(diào)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(shù)據(jù)，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(shù)量對測量精度有較大的影響，并且受電子設(shè)備傳輸?shù)挠绊懀O(jiān)測結(jié)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(yīng)遵循曝氣量變化規(guī)律，制定科學(xué)的曝氣方案，從而更加精確的控制曝氣總量，滿足保護生態(tài)環(huán)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(jié)

污水處理廠制定精確曝氣方案時，應(yīng)結(jié)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(tǒng)中，仍存在控制精度偏低的問題，這是因為相關(guān)的工作人員對控制技術(shù)掌握不夠充分，缺乏工作經(jīng)驗，不具備扎實的理論基礎(chǔ)造成的，導(dǎo)致曝氣控制時無法做到精確控制與實際需求的協(xié)調(diào)，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(xiàn)階段我國污水處理廠精準曝氣控制嚴重依賴于硬件設(shè)備，控制系統(tǒng)包含了自動調(diào)節(jié)氣閥、流量計和先進氧傳感器等設(shè)備，這些設(shè)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(shè)備的投入一直居高不下，在項目建設(shè)中存在一定的困難，制約了精準曝氣控制的建設(shè)。

此外，精準曝氣所需的各類設(shè)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(xiàn)較大的偏差，如不及時矯正，可能會導(dǎo)致曝氣量與實際需求不一致，容易造成出水水質(zhì)不達標。傳統(tǒng)曝氣控制手段又過分依賴于工作人員的經(jīng)驗和責任心，無法實現(xiàn)曝氣精準控制，對污水處理系統(tǒng)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(jù)當前我國污水處理廠的實際運行情況可知，大多數(shù)處理廠采用活性污泥數(shù)學(xué)模型作為精準曝氣控制系統(tǒng)的計算邏輯，這一算法需要處理廠的歷史數(shù)據(jù)作為參照，才能預(yù)測出將要執(zhí)行的曝氣總量，一些關(guān)鍵參數(shù)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(xiàn)過水質(zhì)不達標的問題，進一步增加了水質(zhì)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(shù)分類

曝氣技術(shù)歷經(jīng)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(xiàn)曝氣總量的精確控制，能源浪費情況嚴重，后來技術(shù)人員引入模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進控制方法，開發(fā)出自動控制技術(shù)，并逐漸向智能化方向發(fā)展?，F(xiàn)階段我國自動控制技術(shù)在污水處理廠中的應(yīng)用還較少，隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，可編程控制器技術(shù)逐漸成熟，基于模型的精確控制技術(shù)已經(jīng)進入實際應(yīng)用階段，在自動曝氣控制技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。

結(jié)合國內(nèi)外自動曝氣技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，現(xiàn)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(chǔ)，在污水處理池中安裝各種傳感器和監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測水溫、氧含量、微生物含量等指標，掌握水質(zhì)的變化情況，然后建立污水處理池污泥模型，預(yù)測空氣需求量，作為控制鼓風機輸出量的參考，實時調(diào)整風機吹風量。理論上來講，這種方法可以實現(xiàn)精確的氧含量控制，對各種監(jiān)測設(shè)備的要求較高，假如監(jiān)測指標與實際差異較大，計算結(jié)果會嚴重失真，導(dǎo)致需氧量得不到精確控制，產(chǎn)生水質(zhì)異常等情況。我國研究這種技術(shù)的企業(yè)有上海昊滄公司等，這家企業(yè)開發(fā)的AVS 精確曝氣控制系統(tǒng)就是基于上述理論進行曝氣量精確控制的。

沈軍[8]等學(xué)者以上海污水處理廠引進的AVS 精確曝氣控制系統(tǒng)為研究對象，研究了該技術(shù)在實際應(yīng)用中的效果，通過生物模型等參數(shù)控制，污水池中的氧含量控制精度較高，經(jīng)測量曝氣池內(nèi)的氧含量變化不超過±0.5mg/L，水質(zhì)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(zhì)得到明顯改善，不合格率降低，曝氣系統(tǒng)的能源消耗降低11%。

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

李升[10]等學(xué)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(tǒng)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(wěn)定在1%左右，水中溶解氧的穩(wěn)定程度超過0.9，磷含量百分比下降65%。

余云龍[11]等學(xué)者指出精準曝氣技術(shù)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(shù)據(jù)為例進行說明，該處理廠經(jīng)技術(shù)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(zhì)得到了較大的改善。

硬件集成控制模式簡化了生物模擬環(huán)節(jié)，使參數(shù)更加簡單，僅對曝氣系統(tǒng)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(tǒng)需求。這種控制技術(shù)最先由德國一家企業(yè)提出，該企業(yè)開發(fā)的VACOMASS 精確曝氣控制系統(tǒng)在行業(yè)內(nèi)擁有較高的知名度。

我國學(xué)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(tǒng)為例說明了該技術(shù)的應(yīng)用效果，與未引入該技術(shù)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(shù)的應(yīng)用效果非常明顯。

姚斌[13]等學(xué)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(tǒng)的逆行成效，他們追蹤了該污水處理廠一年的運行數(shù)據(jù)，分析結(jié)果顯示應(yīng)用新技術(shù)后溶解氧的波動穩(wěn)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(xué)者跟蹤了寧波污水處理廠VS 精確曝氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況，該污水處理廠應(yīng)用這項技術(shù)后，水質(zhì)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(shù)前，鼓風機工作電流達到235A，引進新技術(shù)后工作電流下降至212 A。

鄧歡忠[15]等學(xué)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(jīng)過一段時間的運行，獲得了較好的運行效果。

黃仲均[16]等學(xué)者以無錫污水處理廠為例，說明了VS 精確曝氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用前景，在該污水處理廠的二期項目中采用了這一新技術(shù)，與采用傳統(tǒng)技術(shù)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(tǒng)的電能消耗下降26%，并且實現(xiàn)了鼓風機系統(tǒng)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(yīng)用效果。

除以上控制技術(shù)外，國內(nèi)學(xué)者馮立杰[17]等嘗試將大數(shù)據(jù)技術(shù)引入曝氣控制系統(tǒng)中，通過歷史數(shù)據(jù)的監(jiān)測，建模進行各項數(shù)據(jù)的預(yù)算，預(yù)測鼓風機的功率，這種技術(shù)所需的監(jiān)測設(shè)備較少，是基于歷史數(shù)據(jù)對曝氣系統(tǒng)進行優(yōu)化。通過污水處理廠的實踐應(yīng)用，該技術(shù)確實展現(xiàn)出了一定的應(yīng)用前景，可以穩(wěn)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(jié)能效果明顯。

結(jié)語

污水處理工藝中引用精準曝氣技術(shù)能大幅度降低污水處理廠的能源消耗，提升排放水質(zhì)，獲得穩(wěn)定的水質(zhì)指標。污水處理廠作為保護城市生態(tài)環(huán)境的重要一環(huán)，其能源消耗一直受到多方面的關(guān)注，曝氣系統(tǒng)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(zhì)的好方法，隨著環(huán)保理念日益深入人心，以及各項先進技術(shù)的發(fā)展，精確曝氣系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)得到了實現(xiàn)，在未來一段時間內(nèi)將得到更多污水處理廠的認可。

近年來，為改善水環(huán)境總體質(zhì)量，我國部分城市和地區(qū)提高了污水處理廠的排放標準，某些污水廠需將出水水質(zhì)提升至GB3838-2002 《地表水環(huán)境質(zhì)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(tǒng)要想真正發(fā)揮作用，需要進一步完善曝氣系統(tǒng)的管理，并結(jié)合污水處理廠的現(xiàn)實需求，引入合適的自動控制手段，雖然在實際應(yīng)用中還存在一定問題，受工作人員的經(jīng)驗和硬件水平的限制，還無法發(fā)揮出最大作用，但新技術(shù)的節(jié)能減排效果和水質(zhì)改善效果已經(jīng)得到了業(yè)內(nèi)的認可，也為污水處理廠引用新技術(shù)指明了方向，污水處理廠應(yīng)結(jié)合自身實際情況，采用最佳的控制模式，提升曝氣控制系統(tǒng)的精確程度，使精準曝氣系統(tǒng)能夠在實際的工程應(yīng)用中向低能耗、高效率的方向發(fā)展。