精確氣流量控制在污水生物處理工藝中的應用
一 污水生物處理工藝及曝氣控制
周一軍先生，上海工業自動化儀表研究所副總工程師、上海西派埃自動化技術工程有限公司總經理；范岳峰先生，上海昊滄系統控制技術有限責任公司總經理；王建華先生，上海桃浦工業區污水處理廠廠長。生物處理過程是個復雜的生物化學反應過程，通過曝氣維持好氧環境是其中一個非常重要的環節。不同的工藝，曝氣的方式也有所不同，但是在幾乎所有的采用活性污泥生物處理工藝的污水處理廠中，鼓風曝氣是能耗最大的環節。從一些國內的污水處理廠耗電量來看，曝氣環節占據了總耗電量的50～70%，所以曝氣系統的精細化控制改造對整個污水處理廠的節能運行意義重大。
1. 污水生物處理工藝
從工藝處理流程整體來分析，城市污水處理過程控制由于進水流量、進水水質在時間上的不固定性，加上生化反應過程還受到季節、溫度和天氣的影響，污水處理系統具有參數維數高和高度非線性的特點；而且，污水處理工藝中存在大時滯，系統平衡難以在短時間內達到；輸入量有隨機特性，建立污水處理系統的精確數學模型較為困難。因此，精確曝氣流量控制對污水處理行業來說是一項復雜的研究和實踐課題。為了達到按生物處理過程需要供氣、減少生物反應池中DO值的波動波幅、使生物處理過程處于最佳狀態，即：污水處理既達到既定的排放標準，又能節約曝氣能耗，就有必要研究基于模型的精確控制技術。
2. 大多數污水處理廠曝氣系統現狀
國內大多數污水處理廠的曝氣系統采用了兩類簡單的控制回路來自動或人工控制曝氣。一是采用溶解氧(DO)檢測儀和電動調節閥作為簡單的控制回路，當生化反應池內的DO值大于某一個設定值時，關閉電動蝶閥；當DO值小于某一個設定值時則打開電動蝶閥。二是采用PID進行定值調節，根據池中溶氧儀的DO反饋信號與DO設定值進行比較，將偏差通過PID運算后傳給閥門的行程控制器調節閥門的開度，進而控制池內的DO值。
傳統控制方法的缺點在于：一是由于時間延遲，即從開始曝氣到池內DO變化需要一段時間，造成溶解氧的控制波動很大；二是傳統方法能耗高，為了保證安全運行，系統的DO設定值只能保持在較高的數值上，保持了過大的余度而造成浪費；三是過大的波動會使得池內的生物環境不穩定，干擾生物系統的工作。
AVS精確曝氣流量控制系統以解決上述問題為目標，以下將對其進行詳細說明。
二 AVS精確曝氣流量控制系統控制原理
目前，城市污水生物處理工藝較多采用的是厭氧—好氧(A1—O除磷)和缺氧—好氧(A2—O脫氮)組合工藝流程的活性污泥法，底部曝氣和立式曝氣是好氧流程的主要兩種充氧手段，而且大部分采用鼓風機組底部曝氣。
1. 性能配置
AVS精確曝氣流量控制系統是一個集成的曝氣控制系統，它由系統控制單元、帶執行機構的曝氣流量調節閥、熱值氣體流量計、壓力變送器和液位計等組成。系統功能上由生物處理過程建模模塊、曝氣流量配氣建模模塊和曝氣流量控制回路3個部分組成。
該系統以曝氣流量信號作為控制信號，溶解氧、進水CODcr、BOD5和氨氮信號作為輔助控制信號，經過生物處理過程模型和歷史數據綜合處理，得出系統需要的曝氣量；系統同時根據實際的曝氣輸送管道分布等負載大小，經曝氣流量配氣模塊處理，提供給鼓風機組控制系統，使鼓風機組處于所要求的工況狀態來提供空氣供給量，系統可根據實際負載狀況自行調整設定值的大小；曝氣流量控制回路為基本就地控制回路，由電動流量調節閥、熱值氣體流量計和模型給定的瞬時設定流量組成回路，可快速、準確地根據實際的負荷波動調節空氣供給量，使生物池的每一部分都能達到高效。從而減少生物反應池中DO值波動，達到精確曝氣的控制目標。
系統中曝氣流量配氣模塊對流量調節性能和空氣壓力損失的關系進行了平衡。電動流量調節閥在全開情況下壓力損失比較小，但隨著開度的減小壓力損失會逐步上升。出于優化運行和節能的考慮，需盡量使電動流量調節閥在大開度工況條件下工作，減少因壓力損失造成的能源損耗，尋找最優閥門開度組合(最小的壓力損失)，并在此條件下給出鼓風機允許的最小輸出壓力。曝氣控制系統的整體流量控制精確度達5%，振蕩小。生物反應池的空氣總管處安裝壓力變送器，為檢測管道漏損、閥門泄漏、曝氣頭堵塞等異常現象提供了分析工具。
AVS精確曝氣控制系統提供3種運行模式，即本地自動控制、人工強制控制和安全模式，并提供通信接口，支持數據遠傳。本地自動控制是推薦控制方式，用于污水廠污水處理工藝正常運行、精確曝氣控制系統的熱值氣體流量計、DO溶氧儀、壓力傳感器工作正常情況下，具有最大的節氣效能；人工強制控制是在污水廠污水處理工藝處于非正常運行條件下，例如污水負荷突然大幅度改變、污水含有有毒物質、生化反應池處于異常狀態等情況下，直接允許人工操縱的控制方式；安全模式是一種大余度的自動控制方式，用于污水廠污水處理工藝經常處于大擾動條件下，比如進水的污水負荷較大范圍的經常性變動、進入生化反應池的水量有較大的變化情況下，大余度控制的本質是提高系統抵抗大擾動的能力，提高安全運行系數。
2. 精確曝氣流量控制原理
生物處理是污水處理過程中最重要的工藝處理環節，即通過人為地維持好氧環境(好氧氧化法)，使曝氣池(好氧流程)內氧含量處于可接受的范圍。在這個范圍內，曝氣池中的微生物將維持一系列的生化過程，使污水中的目標物質(BOD5、CODcr、總磷TP、總氮TN)含量降低，從而達到排放要求。
為了對曝氣池溶解氧(DO)環境進行精確的控制，要對DO的動態平衡有充分的認識，其包含兩個過程：一是氧擴散過程，在鼓風曝氣系統中主要體現為空氣從曝氣池底部的曝氣頭釋放后，空氣中的氧氣從氣相向液相中轉移。二是氧消耗過程，這個過程綜合了好氧處理過程的各種環節，包括有機碳去除過程、生物脫氮、生物除磷等，DO的消耗是由上述過程綜合作用的結果。由于污水廠的進水水質和水量是變化的，在特定的時間段內其耗氧量也是變化的，只有使該時段內的供氧量和耗氧量相均衡，才能保證處理環境的穩定，保證出水水質。
AVS精確流量控制過程包括兩個主要部分內容：
(1)生物處理模型的設計建模過程，即通過對某一特定污水處理廠的歷史運行數據(如：進水、BOD5，CODcr， SS、TP，TN(NH3-N)等)或在線運行數據進行匯總統計和分析處理，確定該污水廠生物處理過程的一些特征參數和補償參數。再通過仿真，檢驗這些特征參數的有效性。通過這個過程，基本可以獲得該污水處理廠的水平衡(包含污水負荷)、泥(底物)平衡、氣(曝氣)平衡過程的穩態值及其擾動特征，同時需要考慮一些額外的環境影響因素，如：溫度、pH值、固體懸浮物MLSS組分等。
(2)在線實時控制過程，即通過建模過程中獲得的特征參數和補償參數，經模型計算得出當前需要的曝氣量，按該氣量進行精確控制。在控制中需要3種類型的數據：經過對歷史數據統計分析后獲得的特征參數，由各種擾動帶來的補償參數，在線數據。比如冬天和夏天溫度不同造成氧消耗特征明顯不同，池底沉淀物濃度變化也會對氧消耗帶來很大影響。在線數據又分為前置數據以及目標數據，前置數據是對一些可能會造成擾動的輸入進行提前測量，比如水量變化、pH值等水質變化，當AVS獲得這些在線數據后會提前進行抑制操作，而不是等到DO值發生變化后再進行調節；目標數據是DO值，系統會對DO值進行跟蹤以確定控制結果。需要指出的是，AVS并非嚴格依賴DO值進行控制，即使在溶氧儀不準確或損壞的情況下，按照模型中的歷史數據及某些前置參數，仍然可以確保曝氣池安全運行，只不過加大抵抗擾動的安全控制余度，表現為DO的真實平均值上升。
三 AVS是基于模型的精確控制
污水處理廠生物處理工藝全過程的建模包括：氧擴散過程、微生物呼吸過程、有機碳的吸附過程、氨氮反硝化過程、污泥的回流過程、水力學過程、處理過程中的擾動處理過程(比如pH值變化、進水的有機物濃度變化、水力擴散過程、溫度變化、測量誤差等干擾)。
1. 動力學模型
為了進行有效和精確的控制，我們有必要對污水處理的全過程進行分析，但是通常DO是快時標變量，其動力學特性是非線性和時變的，依賴簡單控制回路的傳統控制方法無法解決精確控制的問題。必須建立可靠的動力學模型，該模型應包含歷史經驗，其控制參數將會隨著對擾動的測量進行增益調節，本質上形成曝氣流量和生化反應池內DO值和分布的可靠關系，但該關系是非線性和時變的。典型的生物處理有機碳去除工藝可簡化為如圖2所示的處理流程圖。其中假設，沉淀池為理想沉淀狀態。
建立的模型中假設了出水中沒有微生物，出水、剩余污泥和回流污泥中沒有溶解氧，而且空氣流量和氧總轉移系數為指數關系(即Monod模型)。數值試驗表明該系統是一剛性(stiff)問題，在數值求解中應特別小心。進水流量隨時間的變化假設如圖3所示。相應地，生物反應池中溶解氧濃度也呈現出周期性地變化趨勢，見圖4中的虛線所示。可以看到，溶解氧濃度波動范圍很大。下面要闡述的優化控制，就是要在不增加總的曝氣量的條件下，通過對曝氣量的控制來抑制生物反應池中溶解氧濃度的波動，使其達到一個較為穩定的狀態。
2. 曝氣量優化控制
如前所述，生物反應池中溶解氧濃度的控制是污水處理工藝中非常關鍵而且非常困難的一個環節。
我們考慮用分段常值(Piecewise Constant)的函數來逼近控制變量qA。把一個周期等分為M個階段，在階段i(0<i≤M)中，空氣流量取為定值qAi，這樣就沒有必要對曝氣量進行實時控制，減少了系統的控制成本。通過引入對偶變量、求解狀態參數滿足的ODE方程組，達到最優控制。圖4是優化過程中溶解氧濃度的變化曲線圖。
圖中虛線所示為優化前溶解氧濃度的初始曲線，其波動超過了±1mg/L。可以看到，隨著優化過程的進行，溶解氧濃度的波動程度逐漸減小，最終減至±0.2mg/L，即(2.8±0.2)mg/L。圖4中右縱座標所示是曝氣量，總的曝氣量比優化前減小了5.36%。可以看到，曝氣量隨時間的變化趨勢基本與進水量的變化趨勢相一致。這里需要指出，以上僅以水量的變化以及如何抑制水量變化對DO的影響作為示例。可與此類似地計算其它相關各量。
3. 控制模型的適用性考慮
AVS系統建模采用了國際水協會(IWA)的活性污泥數學模型，在眾多的活性污泥數學模型中，由國際水協會(IWA)推出的活性污泥數學模型(ASM1～3)代表當今最新活性污泥模型研究的最高水平。國際水協于1987年推出活性污泥1號模型(ASM1)，引起了強烈的反響。隨著對活性污泥法機理研究的深入、分析測試水平及計算能力的提高，該模型不斷地發展隨后又推出了活性污泥2號模型(ASM2)、3號模型(ASM3)，又把2號模型ASM2拓展為ASM2d，這些都極大地推動了活性污泥法數學模型的研究。這些模型可方便地用于新建、改建污水處理廠的方案設計，也可用于已有污水處理廠的靜態、動態模擬和運行狀況預測、以及運行工藝改進。
ASM2包含ASM1的所有工藝過程，但還是不能完全準確地反映活性污泥系統中的生物除磷過程。國際水協數學模型課題組對ASM2進行了補充，成為ASM2d。它加入了聚磷菌的缺氧條件下的生長過程，使其含19種組分、21種反應、22個化學計量系數及45個動力學參數。
ASM系列模型已經廣泛地用于污水處理廠的設計、過程模擬，為工藝設計師和研究人員提供了極為方便的研究工具。但ASM系列模型在污水處理廠的在線控制領域仍然有很多的困難，主要原因如下：
(1)ASM模型的構造在理論上相當完美，但要把其直接使用在污水廠在線控制中，面臨的主要困難是：污水廠的在線分析儀表非常有限(沒有實驗室那樣有完善的實驗條件)，通常無法滿足ASM模型的輸入要求，只能以估計值作為輸入，無形之中降低了ASM模型的高度解析的模型要求；
(2)ASM2d模型中雖然包含了生物脫氮、除磷的解析模型，然而其推出時間是在1999年，就其應用而言，主要還是在設計研究的范圍之內，雖然在實驗環境中有大量驗證性文章，但直接用于污水處理廠的在線脫氮、除磷控制，尚未檢索到完整的在線控制實施案例；
(3)利用ASM模型用于在線控制，必須考慮到在線儀表會經常出現各種故障，如果完全依賴儀表進行自動控制，則有不可預知的風險。
因此，基于上述原因的綜合考慮，需要在完美的理論模型和現實控制之間找到契合點，需在原模型的基礎上進行適應性改造，以適合各類污水處理廠的實際條件。每一座污水處理廠具有一個獨特的內在活性污泥處理模型，而且隨著鼓風曝氣系統效率、配氣輸送系統損耗、活性生物量、進水負荷(進水水量、組分)的長時間運行變化，該模型會逐漸變化。因此需通過定期校準和檢驗模型，使系統具備對模型漸變的持續跟蹤能力，從而適應每座長久運行的污水處理廠生物處理工藝過程的漸變需要。
四 AVS系統的實踐應用
日處理能力為6萬m3的上海桃浦工業區污水處理廠采用序批式活性污泥法(SBR)處理工藝，處理的污水主要是桃浦工業區的工業廢水和部分城市污水。結合桃浦工業區污水處理廠的改造工程，AVS系統設備于2005年9月10日開始在現場安裝，經過各設備單體安裝調試完成后，生物處理工藝調試于11月29日進行，試運行自2006年1月份開始。
1. AVS應用試驗方法和調試
桃浦工業區污水處理廠共有3組SBR生物處理單元，每組處理單元分為4個池，其中2、3號中間兩池為常曝氣區，1、4號兩側池為交替曝氣和沉淀。本次應用試驗確定了以第二組單元采用AVS精確曝氣系統進行控制，稱作試驗池，日處理量為2萬噸；第三組單元沿用以前的控制模式，稱作對比池，日處理量同樣為2萬噸；兩組池子均獨立計量常曝氣區的曝氣流量。
在試驗池常曝氣總管上安裝一只DN600的流量調節閥，同時安裝熱值氣體流量計和壓力變送器。在對比池常曝氣總管上安裝熱值氣體流量計。
試驗分為3個階段，第一階段是建立模型，確定桃浦污水處理廠生物處理的特征參數；第二階段是根據第一步確定的模型進行調試，根據現場數據對模型進行修正；第三階段為試運行，用以驗證精確控制的效果。
首先對桃浦污水處理廠歷年的運行數據進行分析，包括環境數據(季節因素、溫度、大氣壓、水溫、pH值、曝氣SBR池體積等)、動力學數據(歷史曝氣量、歷史進出水流量、出水DO濃度、池中DO濃度及其分布特征、MLSS、進出水BOD5、CODcr、SS、TN、TP等)，結合運行中的工藝參數，在完成對上述數據進行統計性分析后，可獲得桃浦污水廠的模型的基本構型及特征參數的取值范圍。歷史數據沿用了桃浦污水處理廠歷年的運行數據、化驗室數據。
在線數據采集包括：分析儀信號、工藝信號等投運需要的30個在線數據，以每5秒記錄一次的方式，將所有數據計入數據庫，每日記錄的數據量約為15M。在線控制的數據采樣率為每秒10次，以PLC的采樣周期為準。
本次應用試驗目的是：(1)在同等工況條件下，確定試驗池所需的真實曝氣量，與對比池進行比較；(2)通過對曝氣量的調節，驗證精確調節曝氣池內DO值的方法，降低DO波動，穩定生化環境；(3)確定采用AVS系統后的節氣量，為將來節能改造提供技術保證和依據；(4)檢驗采用AVS系統控制后的總出水情況，確保出水達到排放標準。
在調試中，發現進出水工藝交替時，由于污泥流向發生變化，對溶解氧帶來很大的沖擊，如圖5中對比池DO呈周期性的波動，符合桃浦污水處理廠運行中工藝輪換周期。出于這種情況，對模型進行了進一步的修正，使其能夠提前抵御工藝交替帶來的影響。
2. AVS系統實際應用效果
采用了AVS精確曝氣控制，經過近5個月的調試和試運行后，基本達到了應用試驗的預期效果，具體如下：
(1)在試運行期間，經模型調節后試驗池的曝氣量明顯低于對比池的曝氣量，連續記錄了1個月的曝氣流量數據，發現試驗池相對對比池節約曝氣量30.51%；檢測同期出水結果無明顯變化。
(2)基本實現了溶解氧的穩定控制。在任意給定的DO設定值(試驗中取2.2，2.5，2.8，3.0)下，52%的時間內實現了±0.2范圍內的波動，在91%的時間內實現了在±0.5范圍內的波動。DO設定值的取值范圍參考了有關資料。發生超出控制范圍的情況幾乎全都出現在SBR池的工藝輪換后6～8min，特別是沉淀池變為進水池時，由于底部污泥迅速攪拌，DO下降迅速；
(3)實現了節能曝氣，以較低曝氣量滿足工藝要求。在實際試運行過程中，由于發現曝氣量過大，建議少開1臺鼓風機。自2006年2月份起，試行只開1臺鼓風機，而歷年都是開2臺鼓風機(日平均氣量72萬標準立方米)。以3月份的運行數據為例，節能效果明顯，如表所示；
(4)由AVS系統進行精確控制的第2組生物處理單元在整個試運行期間表現出良好的運行狀態，經實驗室采樣分析，與另兩組單元相對比，出水水質情況明顯穩定。
五 總結和展望
本文針對在污水生物處理工藝系統中運用精確曝氣流量控制進行了研究，提出了運用最優化控制手段、選擇分段常值的曝氣量實現方法，理論控制目標使得生物反應池中溶解氧濃度在較多的時間內波動范圍為±0.2mg/L。以此方法和模擬結果指導用于實際案例，經過實踐應用調試和試運行，基本達到了精確曝氣和節省能耗的目標。
因桃浦污水處理廠進水中大部分為工業廢水，而且組分日變化率較大，為了出水達標，原系統中留有較大余度。因此，采用精確曝氣流量控制后，前后對比能耗降低相當明顯；盡管這并不意味著所有污水處理廠都能達到這樣的效果，但精確曝氣流量控制的節能經濟性效果是必然的、肯定的。污水處理向精細化、節能化運行的轉變是一種共識和趨勢，也是節約能源的需要。
周一軍先生，上海工業自動化儀表研究所副總工程師、上海西派埃自動化技術工程有限公司總經理；范岳峰先生，上海昊滄系統控制技術有限責任公司總經理；王建華先生，上海桃浦工業區污水處理廠廠長。
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