精確曝氣在CASS工藝運行和節(jié)能中的應(yīng)用

1、精確曝氣在CASS工藝運行和節(jié)能中的應(yīng)用 上海昊滄系統(tǒng)控制技術(shù)有限責(zé)任公司摘要：曝氣環(huán)節(jié)是污水處理廠節(jié)省能耗和降低運行費用的關(guān)鍵，曝氣效果和出水水質(zhì)是否達標密切相關(guān)，如何既能保證出水達標運行，又能盡可能降低曝氣環(huán)節(jié)的消耗和費用，達成兩者的平衡，就成為考量污水廠精細化控制水平的標桿。對污水處理廠曝氣系統(tǒng)的精細化控制非常重要，而為了達到優(yōu)化曝氣的目的，需要建立基于活性污泥數(shù)學(xué)模型的先進控制技術(shù)。精確曝氣是基于活性污泥數(shù)學(xué)模型和鼓風(fēng)機-閥門聯(lián)合控制的先進控制技術(shù)，本文以四川省內(nèi)江市污水處理廠二期新建污水處理工程為例，剖析精確曝氣在CASS工藝運行和節(jié)能中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：精確曝氣，內(nèi)江市污水處理廠，曝

2、氣方式城市污水處理屬于高能耗行業(yè)，污水廠的直接成本中，所占比例最大的是動力費，而動力費中曝氣環(huán)節(jié)又占據(jù)了50%以上的份額，可見曝氣環(huán)節(jié)是污水廠節(jié)省能耗和降低運行費用的關(guān)鍵。曝氣效果和出水水質(zhì)是否達標密切相關(guān)，如何既能保證出水達標運行，又能盡可能降低曝氣環(huán)節(jié)的消耗和費用，達成兩者的平衡，就成為考量污水廠精細化控制水平的標桿。溶解氧濃度也就成為影響整個污水生化處理過程的重要影響因素，其控制水平的好壞影響到污水廠的出水水質(zhì)和運行效果。在傳統(tǒng)的曝氣控制模式下（人工調(diào)節(jié)、PID等）， 由于污水處理系統(tǒng)的時變性、時滯性、擾動性和非線性等特性會造成各種擾動，很難做到曝氣系統(tǒng)按需供、配氣，實際應(yīng)用中經(jīng)常發(fā)生供

3、氣不足或者過量供氣，導(dǎo)致出水水質(zhì)不穩(wěn)定和能耗過高的弊端。因此，對污水處理廠曝氣系統(tǒng)的精細化控制非常重要，而為了達到優(yōu)化曝氣的目的，需要建立基于活性污泥數(shù)學(xué)模型的先進控制技術(shù)。 精確曝氣是基于活性污泥數(shù)學(xué)模型和鼓風(fēng)機-閥門聯(lián)合控制的先進控制技術(shù)， 模型的核心是國際水協(xié)于上世紀80年代以來提出的一系列用于描述活性污泥工藝處理污水的生化反應(yīng)動力學(xué)過程的數(shù)學(xué)模型ASM系列模型（ASM1、ASM2、ASM2d、ASM3）。該系列模型以定量化的方式描述了污水生化處理過程中溶解氧濃度的變遷、有機污染物的降解、不同種群微生物的生長-衰亡規(guī)律和脫氮除磷的過程?；贏SM模型，精確曝氣控制系統(tǒng)能根據(jù)曝氣池中設(shè)定的

4、目標溶解氧濃度，結(jié)合進水的水量、水質(zhì)等工藝參數(shù)，計算出維持當前目標溶解氧濃度所需的曝氣量，即需氣量，并向曝氣池提供足以維持設(shè)定目標溶解氧的氣量，而這一過程將由鼓風(fēng)機-閥門的聯(lián)合精細化控制來實現(xiàn)。鼓風(fēng)機是整個曝氣系統(tǒng)的動力源泉，通過啟?；蛘哒{(diào)節(jié)進、出口導(dǎo)葉開度提供曝氣池所需的總曝氣量；閥門通過調(diào)節(jié)開度，負責(zé)曝氣量在各個生化池或不同工藝控制單元內(nèi)的二次分配，以保證每個控制單元都能“分配”到合適的氣量。通過精確曝氣系統(tǒng)的精確控制，曝氣池的溶氧能維持在設(shè)定目標值附近波動，避免了傳統(tǒng)曝氣方式下可能為了一味追求水質(zhì)達標帶來的過量供氣的弊端。 四川省內(nèi)江市污水處理廠二期新建污水處理工程于2013年8月開始實

5、施精確曝氣，而原有的一期污水處理工程從2013年10月開始實施精確曝氣，至2014年3月均已基本實現(xiàn)溶解氧的精細化控制，削減單位污染物、處理單方水的鼓風(fēng)機電耗也有明顯的降低。1、內(nèi)江市污水處理廠實施精確曝氣前的概況內(nèi)江市污水廠分為一期和二期工程，均采用CASS工藝，分別由四組生化反應(yīng)池構(gòu)成，設(shè)計處理能力分別為5萬m3/日，工藝運行周期包括進水、曝氣、沉淀和出水等階段，單個運行周期為4小時，出水水質(zhì)執(zhí)行城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標準（GB18918-2002）一級B標準。一期、二期工程分別設(shè)有3臺Siemens-Turbo鼓風(fēng)機，各自為4組生化池進行供氣。在實施精確曝氣改造之前，3臺鼓風(fēng)機之間設(shè)有管路

6、截止閥門。運行中通過截止Valve-1打開Valve-2或打開Valve-1截止Valve-2實現(xiàn)1#、2#或3#鼓風(fēng)機為不同生化池供氣：圖1 鼓風(fēng)機曝氣管道系統(tǒng)圖（實施精確曝氣之前）鼓風(fēng)機系統(tǒng)原有的供氣模式是傳統(tǒng)的、基于人工調(diào)節(jié)的方式。根據(jù)CASS工藝周期性運行的工藝特性，通過啟閉安裝在鼓風(fēng)機曝氣總管上的截止閥Vavle-1、Vavle-2來實現(xiàn)向不同的生化池組供氣：截止Vavle-2、打通Vavle-1來向A、B池組供氣；截止Vavle-1、打通Vavle-2來向C、D池組供氣。安裝在四根曝氣支管（分別通向A、B、C、D四座生化池）上的電動閥，在曝氣階段打開，在沉淀、排水等不需曝氣的階段關(guān)

7、閉。整個曝氣管道系統(tǒng)通過上述閥門的啟閉來切換向各池的供氣。 在日常運行中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場經(jīng)常會開啟2臺鼓風(fēng)機，池內(nèi)DO儀表的讀數(shù)較高，但存在只用一臺鼓風(fēng)機進行曝氣即可取得理想出水水質(zhì)的可能性，有較大的節(jié)氣、節(jié)能空間；而且出水氨氮值偏低，氨氮削減量也較高，往往超過總氮的削減量，證明生化池的硝化比較徹底，但反硝化不足，尚有上升空間。而這和較高的供氣量抑制了反硝化有關(guān)，會造成出水總氮偏高。如果能通過精確曝氣減少一部分曝氣量，不僅可以節(jié)能，還有助于出水總氮的降低。2、內(nèi)江市污水廠精確曝氣工程的實施精確曝氣系統(tǒng)（Aeration Volume control System，簡稱AVS）是一個集成的控制系統(tǒng)，可

8、以實現(xiàn)整個鼓風(fēng)-曝氣環(huán)節(jié)的自動閉環(huán)控制，如鼓風(fēng)機的啟停、導(dǎo)葉調(diào)節(jié)和閥門開度調(diào)節(jié)。AVS基于活性污泥數(shù)學(xué)模型和鼓風(fēng)機-閥門聯(lián)合控制， 能根據(jù)曝氣池的需氣量合適地供給、分配氣量，使曝氣池的溶氧盡可能接近預(yù)設(shè)的目標值，確保出水穩(wěn)定，以較小的能耗和運行成本來實現(xiàn)出水達標。AVS采用“前饋+后饋+模型”組成多參數(shù)控制方式，結(jié)合其內(nèi)嵌的控制邏輯能使曝氣系統(tǒng)在部分儀表已經(jīng)損壞的前提下仍實行閉環(huán)控制，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在內(nèi)江廠對CASS池進行精確曝氣改造的過程中，以每組生化池作為一個溶解氧控制區(qū)，設(shè)計一套就地控制系統(tǒng)，包括一個溶氧儀、一個電動調(diào)節(jié)活塞閥和一個熱式空氣流量計。AVS按照總需氣量控制鼓風(fēng)機，通過

9、就地電動空氣調(diào)節(jié)活塞閥實現(xiàn)曝氣量在不同溶解氧控制區(qū)間的分配，控制結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖2 AVS溶解氧控制區(qū)的劃分和儀表設(shè)備安裝示意圖 曝氣總管上不再通過截止閥的啟閉來實現(xiàn)向不同生化池供氣，而是徹底打通；在分別通向A 、B池和C、D池的曝氣總管上則安裝有熱式空氣流量計和壓力變送器。在通向四組生化池的曝氣支管上各自裝有熱式空氣流量計和電動活塞閥。每組生化池都安裝了液位計和污泥濃度計。四套就地控制系統(tǒng)對應(yīng)四個溶解氧控制區(qū)，按照AVS給定的流量信號調(diào)節(jié)每一臺調(diào)節(jié)閥的開度，使實際氣量與設(shè)定氣量相一致，以滿足每個溶解氧控制區(qū)的氣量需求，從而實現(xiàn)按需配氣。AVS就地控制系統(tǒng)的氣量調(diào)節(jié)示意圖如下所示：圖3 AV

10、S就地控制系統(tǒng)氣量調(diào)節(jié)示意圖內(nèi)江廠一期、二期工程的鼓風(fēng)機組分別由三臺Siemens-Turbo 高速離心鼓風(fēng)機構(gòu)成，兩用一備。每臺風(fēng)機配置一個單元控制器（LCP），設(shè)置一臺主控柜（MCP）來負責(zé)鼓風(fēng)機投入啟動或關(guān)閉臺數(shù)，導(dǎo)葉開度大小，并能依據(jù)相關(guān)的信號做完整的控制動作。將3臺鼓風(fēng)機作為一組，采用總流量的調(diào)節(jié)控制方式，根據(jù)AVS系統(tǒng)動態(tài)計算出來的總風(fēng)量，通過鼓風(fēng)機主控柜MCP自動控制所有鼓風(fēng)機的啟停、導(dǎo)葉開度調(diào)大或調(diào)小以使風(fēng)量及壓力滿足需求，避免了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(xiàn)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。圖4 AVS鼓風(fēng)機控制原理示意圖3、

11、運行效果評價內(nèi)江廠二期在2013年8月投運的同時實施了AVS， 二期在2013年10月開始實施AVS改造。經(jīng)過數(shù)月的調(diào)試，運行效果趨于穩(wěn)定，實現(xiàn)了曝氣系統(tǒng)的閉環(huán)控制，即從鼓風(fēng)機到各個支管配氣的全自動控制，對溶解氧的精細化控制和對曝氣時段的按需供配氣，使得出水水質(zhì)更加穩(wěn)定，有效降低了處理單方水的鼓風(fēng)機能耗（相較未實施AVS的歷史數(shù)據(jù)而言），實現(xiàn)了工藝運行的優(yōu)化和節(jié)能降耗。3.1 溶解氧控制效果評價為了對比兩種不同的曝氣模式對溶解氧的影響，分別取實施了AVS的二期生物池溶解氧濃度和同期未實施AVS的一期生物池溶解氧濃度作為對照組：未實施AVS的一期一號池溶解氧，DO未受控實施AVS的二期五號池溶解

12、氧，DO受控圖5 實施AVS與否的DO控制效果對比經(jīng)過比對可知，實施AVS的E池溶解氧濃度DO105的控制精度要遠好于同時期采取傳統(tǒng)人工控制模式的A池溶解氧濃度DO101（二期的E池在工藝運行條件上接近一期的A池，適合作為平行對照組），而且濃度數(shù)值也大為下降。在不予曝氣的工藝階段（沉淀和排水），實施了AVS之后也極少有DO殘留。這就表明，采用AVS有助于溶解氧的精細化控制，而且能節(jié)省氣量。3.3 出水水質(zhì)效果評價進水水量、水質(zhì)的時變性和波動性對于如何調(diào)節(jié)好氧區(qū)的曝氣量以滿足活性污泥對溶解氧的需求提出了很高的要求，傳統(tǒng)的曝氣控制方式（人工調(diào)節(jié)或PID）存在滯后性，往往導(dǎo)致好氧區(qū)的溶解氧濃度波動過

13、大，帶來出水質(zhì)的不穩(wěn)定性和能耗的浪費。在內(nèi)江污水廠經(jīng)過對AVS系統(tǒng)的調(diào)試，至2014年初，總體的出水水質(zhì)已基本趨于穩(wěn)定。通過將2011年2013年的年均主要污染物去除率（其中2013年僅統(tǒng)計到7月，即AVS投運之前的歷史數(shù)據(jù)）同AVS投運之后的月均主要污染物去除率加以比較，COD、氨氮的去除率均和歷年持平，而總氮、總磷的去除率則有所改善：表1 AVS投運前后主要污染物去除率比較時間段COD去除率氨氮去除率總氮去除率總磷去除率2011年85.98 88.90 2012年90.13 88.91 61.78 71.89 2013年89.56 86.06 60.63 64.91 AVS投運后87.79

14、 88.32 66.81 84.33 注： AVS投運后的數(shù)據(jù)是2013年8月2014年2月的月均水質(zhì)數(shù)據(jù)，而且是二期出水和一期出水的混合； 2011年2013年的數(shù)據(jù)是當年的年均水質(zhì)數(shù)據(jù)，其中2013年度的只統(tǒng)計到7月，全部來自一期。AVS投運后，出水總氮去除率相較2012年度和2013年（截止7月）分別提高了8.14%和10.19%，出水總磷去除率相較這兩個時間段分別提高了17.3%和29.92%，有明顯的改善。出水COD和氨氮的去除率和歷史數(shù)據(jù)持平。 3.4 節(jié)能降耗效果評價內(nèi)江廠實施AVS后，能實現(xiàn)按需供氣，避免了能源的浪費，有助于降低運行成本。將2011年2013年的一期歷史數(shù)據(jù)分別

15、同投運AVS以后的二期、一期進行處理單方水鼓風(fēng)機電耗的對比：表2 AVS投運前后能耗指標的比較（1）能耗指標2011年2012年2013年*AVS投運后鼓風(fēng)機電耗（kWh）4766 5036 3920 3753 處理水量（m3）39735 421503216034527 處理單方水鼓風(fēng)機電耗（kWh/m3）0.11990.11950.12190.1087注：表2是將二期投運后（2013.82014.2）的能耗結(jié)果分析和一期的歷史數(shù)據(jù)進行對比。其中一期2013年的結(jié)果只統(tǒng)計到7月，即二期AVS投運之前。表3 AVS投運前后能耗指標的比較（2）能耗指標2011年2012年2013年*AVS投運后鼓

16、風(fēng)機電耗（kWh）4766 5036 3920 3781 處理水量（m3）39735 421503216035421 處理單方水鼓風(fēng)機電耗（kWh/m3）0.11990.11950.12190.1067注：表3是將一期實施AVS后（2013.102014.2）的能耗結(jié)果分析和一期的歷史數(shù)據(jù)進行對比。其中一期2013年的結(jié)果只統(tǒng)計到9月，即一期實施AVS之前。綜上，在二期和一期先后實施AVS以后，處理單方水的鼓風(fēng)機電耗較2011年開始的歷史數(shù)據(jù)，都有所下降，取得了一定的節(jié)能降耗效果。其中，二期在實施AVS期間的單方水電耗，相較2011年、2012年和2013年（截止7月）的一期單方水電耗，分別下

17、降了9.38%、9.02%和10.82%；一期在實施AVS期間的單方水電耗，相較2011年、2012年 和2013年（截止9月）的一期單方水電耗，分別下降了11%、10.71%和12.47%。4、精確曝氣在CASS工藝中應(yīng)用的難點有別于A2O、氧化溝等工藝，由于CASS工藝的特殊性，AVS系統(tǒng)的應(yīng)用會有一些技術(shù)難點，也會和A2O工藝中應(yīng)用的AVS系統(tǒng)有所差別。 CASS工藝的特征之一是按照設(shè)定的反應(yīng)時序進行進水、曝氣、沉淀、排水等操作，因此對反應(yīng)池的供氣不是連續(xù)進行的（一般在每個反應(yīng)池的進水和曝氣階段供氣，而在沉淀和排水階段停止供氣，呈現(xiàn)非常明顯的周期性），這是它和連續(xù)向反應(yīng)池供氣的A2O、氧

18、化溝等工藝存在的最大差別。對于AVS系統(tǒng)來說，這就對鼓風(fēng)機-閥門的聯(lián)合控制系統(tǒng)提出了更高的控制要求。在工藝運行中的任何時刻，至少有一組反應(yīng)池在曝氣，而其它反應(yīng)池則處于停止供氣狀態(tài)，直到該反應(yīng)池曝氣階段結(jié)束停止供氣，轉(zhuǎn)而向另一反應(yīng)池供氣。在這一切換過程中，由于氣量需求的劇烈變化，可能會給鼓風(fēng)-曝氣系統(tǒng)帶來沖擊，導(dǎo)致鼓風(fēng)機喘振等一系列問題。AVS系統(tǒng)通過工藝氣量模型、鼓風(fēng)機、閥門的聯(lián)合控制算法解決了這個隱患，即不影響工藝需氣，又保護設(shè)備。首先，對鼓風(fēng)機通過實時調(diào)節(jié)進行配氣供給，避免由于工藝對氣量需求帶來的劇烈變化和沖擊，使鼓風(fēng)機系統(tǒng)的過渡更平滑；其次，通過閥門有效合理分配調(diào)節(jié)氣量，響應(yīng)鼓風(fēng)機設(shè)備調(diào)節(jié)變化，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性和合理過渡。CASS工藝的另一個運行特征是反應(yīng)池進水過程中水位的周期性變化，這也對鼓風(fēng)-曝氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)，也是傳統(tǒng)的A2O等工藝所未曾面臨的問題（其水位大致上維持穩(wěn)定，不會在短時間內(nèi)有大的波動）。鼓風(fēng)機需克服進水曝氣階段水位升高帶來的曝氣管管壓的上升，對工藝運行和節(jié)能不利。AVS系統(tǒng)對于水位的變化帶來曝氣系統(tǒng)的不利影響，通過建立預(yù)期模型，即時調(diào)節(jié)管道壓力及需氣量，解決即滿