污水處理廠精確曝氣節(jié)能系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用研究

1、李鑫瑋，等：污水她理廠精確曝氣節(jié)能系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用研究污水處理廠精確曝氣節(jié)能系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用研究李鑫瑋1，高永青1，楊岸明1，常江1，甘一萍1，謝磊2(1北京城市排水集躁有限責(zé)任公霹，北京100124；2。土海芙滄系統(tǒng)控涮技術(shù) 有限責(zé)任公司，上海200030)摘要：精確曝氣系統(tǒng)可節(jié)約鼓風(fēng)機(jī)電耗，幫助污水處理廠實(shí)現(xiàn)工藝的精細(xì)調(diào)節(jié)。本文對(duì) 精確曝氣的原理和方法進(jìn)行了闡述，針對(duì)某污水處理廠進(jìn)行了精確曝氣節(jié)能系統(tǒng)的開發(fā)，并 進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)改造應(yīng)臻，實(shí)際運(yùn)行效果表瞬，該系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能爭(zhēng)達(dá)標(biāo)的要求。 關(guān)鍵詞：精確曝氣污水處理帶能截至2012年底，全國(guó)設(shè)市城市、縣累計(jì)建成城鎮(zhèn)污水處理廠3340座，其中A2

2、O工藝座數(shù)占 20，污水處理援占305；傳統(tǒng)活性污泥法座數(shù)占14，處理量占1l。曝氣單元是傳統(tǒng)活性污混 法和A2O工藝昀重要工藝環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)采用上述工藝的污水處理廠的能耗調(diào)查表明，二級(jí)生物處理 單元是全廠最大的耗能單元，而曝氣系統(tǒng)的節(jié)能是全廠節(jié)能降耗的關(guān)鍵途徑口?！?。對(duì)曝氣系統(tǒng)進(jìn)行 精細(xì)化控制從焉降低污水處理系統(tǒng)毹耗，成為近年來(lái)污水處理工藝優(yōu)化研究的熱點(diǎn)之一。本文對(duì)精確曝氣的原理秘方法進(jìn)行了闡述，針對(duì)北京審某污水處理廠進(jìn)行了精確曝氣節(jié)能系統(tǒng) 的開發(fā)和應(yīng)麗示范，實(shí)際運(yùn)行效暴表明，該系統(tǒng)可以使城市污水處理廠同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能和達(dá)標(biāo)的要求。l精確曝氣節(jié)麓系統(tǒng)的開發(fā)11原理和方法精確曝氣是通過(guò)設(shè)定固定的溶解

3、氧舀標(biāo)值，結(jié)合進(jìn)水水量、水質(zhì)的變化情況，即時(shí)計(jì)算瀣維持這 一囂標(biāo)溶解氧所需的曝氣量，并將這一信息傳遞給鼓風(fēng)機(jī)和閥門以獲取適當(dāng)?shù)墓饬?，從兩?shí)現(xiàn)水質(zhì) 達(dá)標(biāo)和節(jié)能降耗的平鶩，以優(yōu)化工藝。麗精確曝氣控制系統(tǒng)所要做的，就是如何通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)(氣源)的 輸出和閥門的調(diào)整這兩大關(guān)鍵環(huán)節(jié)的配合，采使實(shí)際的曝氣量和配氣盡量逼近設(shè)定值，從雨讓實(shí)際溶 解氧維持在設(shè)定酗標(biāo)上。精確曝氣系統(tǒng)可以使各種復(fù)雜的供氣方案季譬以實(shí)現(xiàn)，如聞歇曝氣、微量曝氣、正鬻曝氣、溶鷦氧分 布控制等；可以幫助污水處理廠實(shí)現(xiàn)工藝的精細(xì)調(diào)節(jié)，適應(yīng)各種工藝，并能夠隨著工藝變化而調(diào)整；還 可以根據(jù)當(dāng)前需要的曝氣量，通知鼓風(fēng)機(jī)主控進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，防止發(fā)生喘震

4、等異常情況，節(jié)約鼓風(fēng)橇 電耗。1。2模型設(shè)計(jì)精確曝氣模型的建立主要涉及翻污水生他處理過(guò)程反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型、需氣量模型、配氣系統(tǒng)模型 以及鼓風(fēng)枧調(diào)控模型的設(shè)計(jì)與開發(fā)。12。1污水生化處理過(guò)程反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)值求解 污水的生化處理是一個(gè)復(fù)雜的連續(xù)、非線性、時(shí)變的過(guò)程，受弼諸多外界因素的干擾。衙通過(guò)溶解氧、水量、水蕨來(lái)計(jì)算需氣量這一關(guān)鍵過(guò)程，正是基于污水處理生化反應(yīng)裁力學(xué)模型的仿囊所起的·219·全國(guó)攆水委員會(huì)2013霉年會(huì)論文集作蒲?；钚晕勰嗄Ｐ?ASMs)被廣泛地使用在設(shè)計(jì)和過(guò)程仿真中，其特征是用物料平衡方程來(lái)描述活性 污泥工藝流程中各個(gè)連續(xù)流反應(yīng)器中各種物質(zhì)的變化，表現(xiàn)為一

5、系列相關(guān)聯(lián)的常微分方程組。出于 這些常微分方程組沒有解析鰓，只熊用數(shù)值方法求解。通過(guò)本研究的大量數(shù)值模擬表明，無(wú)論從穩(wěn)定 性還是計(jì)算效率考慮，變步長(zhǎng)的RungeKuttaFehlberg法適用于活性污泥模型的數(shù)值求解H1。 12。2氣量分配模燮的設(shè)計(jì)與開發(fā)(1)單個(gè)閥門的氣量調(diào)節(jié)模型的設(shè)計(jì)與開發(fā) 為了向控截單元供應(yīng)其所需的氣量，需要精確地調(diào)節(jié)閥門。本研究中，首先考慮單個(gè)閥門的配氣模型，主要采用粗調(diào)加微調(diào)的方式對(duì)閥門加以調(diào)節(jié)。粗調(diào)，即根據(jù)選用的閥l'-J的開度一氣量睦線，根 據(jù)所需氣量，設(shè)定閥門的開度；微調(diào)，即在粗涮的基礎(chǔ)上，根據(jù)流量的設(shè)定值(即需氣量)，以PID的方 式，對(duì)閥門進(jìn)行精細(xì)

6、的調(diào)節(jié)。在實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)通過(guò)閥門的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)閥門開度進(jìn)行粗調(diào)，流量計(jì)給出的氣量實(shí)際值與 設(shè)定流量之聞還是存在15左右的偏差，達(dá)不到精確控制氣量的番的。查其原因主要在予：闋門的 氣量一開度曲線存在著不準(zhǔn)確的因素；在通過(guò)迭代法求解設(shè)定氣量對(duì)應(yīng)的閥門開度的過(guò)程中，假定 管道的壓力不變，這給數(shù)值求解帶來(lái)了誤差；閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行動(dòng)作也存在著偏差。為了進(jìn) 一步降低氣量的偏差，采用基于PID調(diào)節(jié)的微調(diào)措施來(lái)對(duì)閥門的開度進(jìn)行進(jìn)一步精細(xì)地調(diào)節(jié)。為了 簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)難度，采用了比例環(huán)節(jié)進(jìn)行微調(diào)。試驗(yàn)表明，通過(guò)這樣的配氣方式，可將流量的談差控制在 5以內(nèi)。(2)閥門系統(tǒng)的調(diào)控原則 污永處理廠往往包括多個(gè)并行熬

7、生化處理單元，鼓風(fēng)梳通過(guò)總管向每個(gè)生化單元供氣。在精確曝氣控制系統(tǒng)中，僅僅考慮單個(gè)閥門的配氣性能還不足以使得整個(gè)曝氣系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，整 個(gè)曝氣系統(tǒng)中一個(gè)元件(如電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門)的動(dòng)作往往會(huì)弓l越整個(gè)配氣效果的波動(dòng)。為了盡量降低其 中一個(gè)閥門的動(dòng)作對(duì)其他配氣單元配氣效果的影響，通過(guò)多次試驗(yàn)提出了控制多個(gè)閥門系統(tǒng)的原則：需要避免悶門系統(tǒng)中所有閥門的開度同時(shí)減小(或增大)，這一原則對(duì)避免鼓風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振具有重 要的意義；為了降低系統(tǒng)的總壓損，在所有時(shí)刻至少有一個(gè)閥門處予容許的最大開度下，這一原則 要求必須實(shí)時(shí)地根據(jù)總的需氣量對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的供氣量進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)；為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，各個(gè)閥 門開度酶和需

8、要保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下。123鼓風(fēng)機(jī)配氣模型設(shè)計(jì) 鼓風(fēng)祝是提供污水廠歪翁空氣的主要來(lái)源，污水廠迸水受荷的時(shí)變性要求實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)視的總輸出氣量和壓力以滿足曝氣池內(nèi)的微生物對(duì)溶解氧的動(dòng)態(tài)需求量。系統(tǒng)曝氣分配與控制系統(tǒng)根據(jù)本 系統(tǒng)模型計(jì)算如來(lái)各好氧段的實(shí)際需氣量，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主控柜MCP(Master Control Panel)實(shí)現(xiàn)全 自動(dòng)控制鼓風(fēng)機(jī)的啟停和進(jìn)、出口導(dǎo)葉開度來(lái)調(diào)節(jié)氣量，并通過(guò)閥門單元模型實(shí)現(xiàn)按需供氣，從麗避 免進(jìn)水負(fù)荷高峰時(shí)的曝氣不足和進(jìn)水負(fù)荷低谷時(shí)的曝氣過(guò)量，實(shí)現(xiàn)工藝的精細(xì)化、穩(wěn)定化控制，節(jié)約 曝氣能耗。124動(dòng)態(tài)溶解氧氣量模型設(shè)計(jì) 控剿單元?jiǎng)討B(tài)溶解氧氣量設(shè)計(jì)主要是根據(jù)生

9、億池控麓單元根據(jù)生訖模型計(jì)算出溶勰氧的設(shè)定值，然后根據(jù)溶解氧值及模型參數(shù)來(lái)決定各控制單元的真正需氣量來(lái)滿足生化池氣量需求。溶解氯·220-李鑫瑋，等：污水處理廠精確曝氣節(jié)能系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用研究動(dòng)態(tài)設(shè)定值通過(guò)控制單元水質(zhì)儀表參數(shù)(如：溶解氧、污泥濃度、氨氮儀等)，動(dòng)態(tài)水力模型以及出水要 求動(dòng)態(tài)計(jì)算而得出。本系統(tǒng)主要考慮了以下幾點(diǎn)：溶解氧實(shí)時(shí)值帶來(lái)的滯后響應(yīng)，需自適應(yīng)修正部 分模型系數(shù)，使匹配度達(dá)到最佳；氣量與溶解氧值的復(fù)雜周期關(guān)系，需通過(guò)周期補(bǔ)償系數(shù)來(lái)解決； 各個(gè)閥門的動(dòng)作頻率和開度變化必須充分考慮對(duì)其余控制單元的影響；鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)節(jié)拍對(duì)整 個(gè)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)至關(guān)重要，需綜合各控制單元的

10、硬件和環(huán)境屬性、水質(zhì)、水量的沖擊變化，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)系 統(tǒng)設(shè)定值和實(shí)際值做出針對(duì)性的周期變化，避免系統(tǒng)出現(xiàn)規(guī)律性震蕩。13控制系統(tǒng)的開發(fā) 為了在降低污水處理能耗的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)改善出水水質(zhì)、確保氨氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的要求，本系統(tǒng)以氨氮為控制目標(biāo)，根據(jù)時(shí)刻變化的進(jìn)水流量、COD和氨氮等，即時(shí)計(jì)算出降解這些氨氮所需的氣量(轉(zhuǎn)化 成DO量)，以使出水COD和氨氮能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。目前，針對(duì)溶解氧的精確曝氣控制在工程實(shí)踐中得到了較為廣泛的應(yīng)用。在針對(duì)溶解氧的精確 曝氣控制中，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)一閥門系統(tǒng)的調(diào)節(jié)將生化反應(yīng)池控制單元中的溶解氧控制在目標(biāo)值上，以維 持穩(wěn)定的生化環(huán)境，提高出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率。但是，這樣的控制方式和控制目標(biāo)只

11、是間接影響或控制出 水水質(zhì)的手段。出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不涉及到溶解氧，而直接針對(duì)的是COD、氨氮等。為了達(dá)到直接控制生 化池出水氨氮的目的，本系統(tǒng)采用更為復(fù)雜的級(jí)聯(lián)控制方式。盾圈嘈一鄉(xiāng)廠-丘應(yīng)，也詹誓弘一一_斗o斗一-,'ta一4-N嘲(籬)壓圃廠!、圖1級(jí)聯(lián)控制原理圖該級(jí)聯(lián)控制邏輯的內(nèi)回路是DO控制器，即溶解氧一曝氣量控制回路；其外回路是氨氮一溶解氧 設(shè)定值控制回路，兩個(gè)回路通過(guò)溶解氧設(shè)定值關(guān)聯(lián)在一起。在該控制邏輯中，首先借助于數(shù)學(xué)模型求 解將控制單元的實(shí)際氨氮值穩(wěn)定在其目標(biāo)值所需要的溶解氧，將該溶解氧值設(shè)定為控制單元的溶解 氧設(shè)定值；然后，通過(guò)DO控制器調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)和曝氣量，使得控制單元的溶

12、解氧穩(wěn)定在設(shè)定值附近。2精確曝氣系統(tǒng)在污水處理廠的應(yīng)用21污水處理廠概況2I1工藝流程 某污水處理廠采用A2O工藝，日處理污水20萬(wàn)m3。構(gòu)筑物參數(shù)如下：曝氣池4組，每組5廊道，每廊道113×95×6 m，厭氧、缺氧、好氧段水力停留時(shí)間(HRT)分別為：15 h、32 h、108 h。212能耗分布 該污水處理廠運(yùn)行成本分布見圖3，電耗費(fèi)用、絮凝劑費(fèi)用占運(yùn)行成本構(gòu)成的前兩位，其中電耗占運(yùn)行成本的比例為5642?？梢姡?jié)能降耗對(duì)降低城市污水處理廠總運(yùn)行成本具有重要意義。 通過(guò)分析該廠污水處理系統(tǒng)預(yù)處理、二級(jí)處理、污泥處理等單元中主要處理設(shè)備的電耗情況，發(fā)221·全國(guó)

13、排水委員會(huì)2013年年會(huì)論文集現(xiàn)二級(jí)生物處理單元是整個(gè)城市污水處理廠的最大耗能單元，占到整個(gè)城市污水處理廠能耗的60， 因此確定節(jié)能的重要處理單元是二級(jí)處理單元。F而習(xí)r麗【J_uu-。uuJir1。1。一i一一一一一一，悃出?黑：一率些臣母一一1|蘭圖2污水處理廠工藝流程圖緩豳蘭豳1141囫g71囫767圖3污水處理廠運(yùn)行成本分布比例二級(jí)處理單元的能耗主要集中在鼓風(fēng)機(jī)、攪拌器和內(nèi)外回流泵，鼓風(fēng)機(jī)占二級(jí)處理單元電耗的 7996，占全廠能耗的4775，是最大的耗能單元，因此對(duì)于二級(jí)處理單元及全廠的節(jié)能重點(diǎn)應(yīng)該 在鼓風(fēng)機(jī)的節(jié)能降耗上。22精確曝氣節(jié)能系統(tǒng)實(shí)施方案221控制策略 精確曝氣系統(tǒng)對(duì)曝氣的

14、精細(xì)控制分為時(shí)間與空間兩個(gè)維度，在空間上對(duì)生化池進(jìn)行溶解氧分區(qū)控制，滿足不同工藝段的曝氣需求；在時(shí)間上隨進(jìn)水負(fù)荷變化動(dòng)態(tài)設(shè)定曝氣量，滿足不同進(jìn)水趨勢(shì)下 的曝氣需求。精確曝氣系統(tǒng)對(duì)曝氣系統(tǒng)在控制上分為就地控制和鼓風(fēng)機(jī)控制，基于曝氣計(jì)算模型和 曝氣分配模型，精確曝氣系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)各就地控制閥門，實(shí)現(xiàn)生化系統(tǒng)曝氣的按需分配；基于總曝氣 流量和安全壓力設(shè)定，精確曝氣系統(tǒng)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，總曝氣流量滿足生化系統(tǒng)曝氣量需求， 安全壓力設(shè)定滿足鼓風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行需求。222儀表布置 由于好氧段沿推流方向的污染負(fù)荷不同，對(duì)溶解氧的需求也不同。因此，為了適應(yīng)好氧區(qū)不同區(qū)段對(duì)溶解氧需求量的差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶解氧的精確控

15、制，要對(duì)好氧區(qū)進(jìn)行劃分。將生化池單個(gè)池子的好 氧區(qū)分為前后兩個(gè)溶解氧控制區(qū)，分別設(shè)置不同的溶解氧控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶解氧的精細(xì)化控制。不 同的溶解氧控制區(qū)都可以單獨(dú)設(shè)定目標(biāo)控制值。每個(gè)溶解氧控制區(qū)由一臺(tái)溶氧儀、一臺(tái)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥222李鑫瑋，等：污水處理廠精確曝氣節(jié)能系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用研究門、一臺(tái)熱式空氣流量計(jì)和氨氮在線儀構(gòu)成。除閥門等關(guān)鍵執(zhí)行設(shè)備以外所有信號(hào)均通過(guò)總線形式 接入精確曝氣系統(tǒng)。下圖為生化池單個(gè)池子溶解氧分區(qū)控制圖，以及溶氧儀、氨氮儀電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門和熱式空氣流量計(jì) 的安裝位置圖：注：AN為氨氮儀，DO為溶解氧儀，F(xiàn)為熱式空氣流量計(jì)，M為污泥濃度計(jì)， L為液位計(jì)，P為壓力變送器，V為閥門。圖

16、4單池設(shè)備儀表布局223鼓風(fēng)機(jī)控制方案 在精確曝氣系統(tǒng)的實(shí)施中，對(duì)該廠高速離心鼓風(fēng)機(jī)控制方式進(jìn)行改造，把4臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)作為一個(gè)整體系統(tǒng)，設(shè)置一臺(tái)主控柜(MCP)，在自動(dòng)方式下由MCP實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)的啟停與調(diào)節(jié)功能。精確曝氣系 統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前進(jìn)水流量、進(jìn)水負(fù)荷實(shí)時(shí)計(jì)算出所需空氣總量，進(jìn)而將所需氣量設(shè)定信號(hào)及壓力信號(hào)傳遞 給鼓風(fēng)機(jī)MCP，MCP對(duì)某一臺(tái)或者幾臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)實(shí)施啟停、進(jìn)出口導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)等，使鼓風(fēng)機(jī)不再以某個(gè) 固定功率持續(xù)運(yùn)行，調(diào)節(jié)時(shí)間間隔也不再以小時(shí)為單位，而是根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算出的實(shí)際需氣量以分鐘為 單位進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到風(fēng)量及系統(tǒng)壓力動(dòng)態(tài)設(shè)定的目的，同時(shí)給出當(dāng)前工況下的喘振壓力保護(hù)值，用 于保護(hù)鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行

17、。通過(guò)系統(tǒng)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的控制，避免了進(jìn)水負(fù)荷高峰時(shí)的曝氣量不足和進(jìn)水負(fù)荷 較低時(shí)曝氣量過(guò)大，實(shí)現(xiàn)了工藝的精細(xì)化、穩(wěn)定化控制，同時(shí)節(jié)約了曝氣能耗。圖5精確曝氣系統(tǒng)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的控制方式23現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果231 BOD·223·全國(guó)排水委員會(huì)2013年年會(huì)論文集如圖6所示，2012年611月BOD月均出水值相比2009年同期有所減小，達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理 廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GBl8918-2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，低于10。0 mgL。喜鑫。q月份翻6 20119年與2012年6-11月份出水BOD綾果對(duì)比2。3。2NH4+一N如圖7所示，精確曝氣系統(tǒng)運(yùn)行后月均出水氨氮值能夠達(dá)1 mgL左右，出

18、水氨氮值較2009年出 水平均值下降了約l mgL。這是由予該系統(tǒng)將出水氨氮作為反饋信號(hào)籃參與控簇曝氣漉中的曝氣 量，并且溶解氧分為前段和后段兩個(gè)控制區(qū)域，使曝氣池中氨氮分梯度分階段降解，有利于硝化菌提 高硝化降解麓力。精確曝氣系統(tǒng)運(yùn)行后，舀水NH4一N月均一級(jí)A達(dá)標(biāo)率的穩(wěn)定性得到了大幅提 高，一級(jí)A達(dá)標(biāo)率提高到了90以上。數(shù)據(jù)表明，采取溶解氯耦合氨氮的精確曝氣控制模式，在較小 氣水比的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)氨氮的快速降解，保障出水NH4+一N一級(jí)A達(dá)標(biāo)率穩(wěn)定在90以上，對(duì)于 曝氣能耗的節(jié)省具有積極意義。圈7 2009筇與2012年6一11月出永NHfN結(jié)果對(duì)比23。3箋耗統(tǒng)計(jì)2012年，通過(guò)應(yīng)用溶解氧耦合氨氮的雙重因素精確曝氣控制模式的節(jié)能措施后，該廠處理水單耗為0219 kWht，與2009年桷跑，污水處理系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)能耗降低了106。3結(jié)論將研究