在線水質儀表在城市污水廠精確曝氣中的應用
來源：杭州英斯特科技有限公司 閱讀：7581 更新時間：2012-05-09 13:42
城市化的發展，使得城市污水的排放量不斷增加。目前，城市生活污水的排放量約為每年400億噸。2010年底，全國建有城市污水處理廠共2832座，日處理能力1.25億立方米，城市污水處理率達到77.4%。“十二五”期間，國家進一步加大對城鎮污水處理的支持力度，總氮、總磷的控制都將提上議事日程。我國污水處理的發展也將向提高污水處理廠的運行效率轉變。
一、背景介紹
目前，我國污水處理廠出水口一般設有在線水質分析儀器，而對于進水水質的檢測，則依***實驗室檢測，在線水質分析儀器比較少，檢測頻率低。然而，對于污水處理廠，進水流量和COD濃度是不斷變化的，如圖1所示為污水處理廠典型的每日進水負荷曲線。如果不了解進水水質，污水處理廠的工藝參數將得不到及時調整，最終導致出水水質波動較大。為保證出水達到排放標準，一般會按照最大的進水負荷設置工藝參數。這種保守的運行方式具有很大的富余量，效率低，浪費大。出現沖擊負荷時，又不能及時調整工藝參數，出現出水水質超標的現象。
圖1、每日進水負荷曲線
對于采用活性污泥工藝的污水處理廠，曝氣消耗的能量占了污水處理廠所有能量消耗的一半以上，如圖2所示。所以，對曝氣的精確控制具有巨大的節能潛力。
圖2、污水處理廠能量消耗分布圖
一個完整的脫氮過程包含硝化和反硝化過程。硝化過程是在好氧環境下把氨氮轉化為硝氮，需要曝氣；反硝化過程是在缺氧環境下把硝氮轉化為氮氣，不需要曝氣。污水處理廠要想讓出水的氨氮和總氮都達標，且具有較高的處理效率，就需要對曝氣進行精確控制。
二、精確曝氣控制
污水處理廠典型的曝氣控制類型主要有兩大類：
第一類是直接控制風機，如圖3所示。系統采集安裝在好氧池中的溶解氧分析儀測得的溶解氧值，與系統的設定值（此設定值可以由用戶設定）進行比較。如果實際溶解氧值比設定值大，則減小風機轉速，從而減少曝氣量，逐漸使好氧池的溶解氧下降，最終與設定值一致。如果實際解氧值比設定值小，則增大風機轉速，從而增大曝氣量，逐漸使好氧池的溶解氧上升，最終與設定值一致。對于這種控制方式，曝氣管道的空氣壓力會有一定波動，不利于曝氣的控制，一般用于小型污水處理廠的曝氣控制。
圖3、小型污水處理廠的曝氣控制
第二類是直接控制閥門，如圖4所示。系統采集實際的溶解氧值，并與系統的設定值進行比較，按照第一類的控制方式去控制閥門開度。同時，系統采集曝氣管道的壓力，并與壓力設定值比較。如果實際壓力比設定值大，則減小風機轉速；如果實際壓力比設定值小，則增大風機轉速；最終使曝氣管道的壓力保持恒定。對于這種控制方式，在曝氣管道壓力恒定的情況下，閥門開度與曝氣量的線性關系比較好，能夠較好的控制曝氣量，一般用于大、中型污水處理廠的曝氣控制。
圖4：大、中型污水處理廠的曝氣控制
以上的曝氣控制能夠控制好氧池的溶解氧濃度，由于進水負荷不斷變化，這樣的曝氣控制還不能很好的根據進水負荷來調整曝氣量，但卻是精確曝氣控制的一部分，也是精確曝氣控制的前提條件。
精確曝氣控制是采用自動控制理論，根據進水負荷的變化以及出水水質情況精確調整曝氣量，使曝氣量正好滿足污水處理的需要，實現穩定的出水，同時能夠節能降耗，增強污水處理廠的穩定性。
精確曝氣控制分為開環控制、閉環控制和復合控制。由于影響曝氣池硝化功能的因素比較復雜，一般不采用開環控制，這里不做介紹。
如圖5所示，為精確曝氣閉環控制系統，是建立在典型的曝氣控制基礎上的。系統需要的儀表為安裝曝氣池的在線溶解氧分析儀和安裝在曝氣池末端的在線氨氮分析儀。系統采集曝氣池末端的氨氮濃度值，與設定值進行比較。如果實際氨氮濃度值比設定值高，說明曝氣池的硝化能力不足以把進水的氨氮負荷轉化為硝氮，要么硝化能力不足，要么進水氨氮偏高，可以增加曝氣池的溶解氧設定值來提高曝氣池的硝化能力。如果實際氨氮濃度值比設定值低，說明曝氣池的硝化能力相對于進水的氨氮負荷有所富余，可以減少曝氣池的溶解氧設定值來減少曝氣池的硝化能力，以節約能量消耗。由于該閉環控制系統，是在曝氣池后測量氨氮，屬于后反饋控制，能夠保證出水符合排放標準，但不能及時響應負荷的變化，具有一定的滯后性。
圖5、精確曝氣閉環控制
如圖6所示，為精確曝氣復合控制系統，是建立在精確曝氣閉環控制系統基礎上增加前反饋控制，能夠提前得知進水負荷的變化，解決后反饋控制的滯后問題。系統采集厭氧池前在線氨氮分析儀測得的氨氮濃度值，并利用活性污泥模型，以及自動控制理論，同時考慮厭氧池到曝氣池的遲滯效應，計算曝氣池的溶解氧設定值。生物反應池進水氨氮值升高，曝氣池溶解氧設定值相應增大；氨氮值降低，曝氣池溶解氧設定值也相應減少。當然，如前所述的精確曝氣閉環控制，在復合控制系統中還是起主導作用的。當前饋控制要求溶解氧設定值減少，而閉環控制要求溶解氧設定值增大時，要以閉環控制為主，讓溶解氧設定值增大；反之，當前饋控制要求溶解氧設定值增大，而閉環控制要求溶解氧設定值減少時，要以閉環控制為主，讓溶解氧設定值減少。復合控制系統具有一定的提前量，又能夠保證出水氨氮符合排放標準，是比較理想精確曝氣控制方式。
圖6、精確曝氣復合控制
三、總結
應用上述精確曝氣控制系統，能夠根據進水負荷調整曝氣量，使曝氣量與進水負荷相適應，在保證穩定出水水質的基礎上節省曝氣，達到節能降耗。
同時，由于曝氣池的曝氣量剛好夠用，不會有多余的氧隨著內回流流到缺氧池，也就不會破壞缺氧池的反硝化功能。所以，精確曝氣控制在優化硝化功能的同時，保障了反硝化功能，能夠用最小的能量消耗實現氨氮和總氮排放穩定達標。
我們知道，污水處理廠的一級A出水標準是氨氮出水濃度<5mg/L，總氮15mg/L。據調查，很多污水處理廠的出水氨氮小于1mg/L，甚至達到0.1mg/L。這說明曝氣有較大的富余量，具有巨大的節能潛力。應用精確曝氣控制系統，可以把出水氨氮提高到4mg/L左右而不超標，這自然就節省了曝氣的能耗。理論上，利用精確曝氣控制系統，可以節約10-30%的曝氣量。
英國南部的Peel Common污水處理廠，是英國早期建立的污水處理廠之一，采用4級Bardenpho工藝，即在傳統A2O工藝的好氧區末段增加停曝氣缺氧區，加強反硝化。處理水量約6萬m3/d，服務人口25萬人。2008年安裝了污水處理實時控制系統，即RTC system，其中包含精確曝氣控制系統。該系統使用了Hach公司的水質在線分析儀器(氨氮、硝氮、溶解氧、污泥濃度等)和WTOS控制系統，節約了20%的曝氣量。
任何儀器都會出現故障，在線水質分析儀器由于長時間在污水中浸泡運行，更加容易出現故障。我們知道在線分析儀器在控制中屬于傳感器，相當于整個控制系統的眼睛，出現故障時，將無法正常工作。WTOS控制系統對此做好了充分準備，設計了PROGNOSYS模塊，能夠判斷在線分析儀器的運行狀態，當在線分析儀器需要維護、出現故障時，會給出報警。當檢測到異常狀況時，WTOS控制系統會啟動故障運行方式，從而實現控制的可***性，避免在異常狀況時無法控制。
在線水質分析儀器應用于污水處理廠，能夠實現了水質的連續檢測，為精確曝氣等各種優化控制提供有效可***的測量值，從而提高處理效率，實現節能降耗。隨著污水處理技術的數學模型不斷完善，過程控制理論在污水處理廠的不斷應用，以及在線檢測儀器技術的不斷進步，我們能夠在污水處理廠應用更多的優化控制策略，最終提高污水處理廠的運行管理水平，滿足日益嚴格的排放標準。
