城市污水處理廠生物反應(yīng)池控制優(yōu)化運行的

城市污水處理廠生物反應(yīng)池控制優(yōu)化運行的探討

摘要：本文針對我國城市污水處理廠生化反應(yīng)過程，從工藝技術(shù)機理與運行控制的結(jié)合點，闡述了生物反應(yīng)池的運行控制，提出了應(yīng)的控制方案。

關(guān)鍵字：污水處理生物反應(yīng)池運行控制溶解氧在污水處理工藝中，生物反應(yīng)單元是其核心，這一部分運行控制的好壞直接關(guān)系到整個污水處理廠的運行狀況。因此，本文從工藝技術(shù)機理、影響因素等方面入手，尋求最佳運行控制的參數(shù)與方式。

在污水生物處理過程中，影響微生物活性的因素可分為基質(zhì)類和環(huán)境類兩大類。

基質(zhì)類包括營養(yǎng)物質(zhì)，如以碳元素為主的有機化合物即碳源物質(zhì)、氮源、磷源等營養(yǎng)物質(zhì)、以及鐵、鋅、錳等微量元素；另外，還包括一些有毒有害化學(xué)物質(zhì)如酚類、苯類等化合物、也包括一些重金屬離子如銅、鎘、鉛離子等。

環(huán)境類影響因素主要有：

（1）溫度。溫度對微生物的影響是很廣泛的，盡管在高溫環(huán)境（50℃～70℃）和低溫環(huán)境（-5～0℃）中也活躍著某些類的細菌，但污水處理中絕大部分微生物最適宜生長的溫度范圍是20-30℃。在適宜的溫度范圍內(nèi)，微生物的生理活動旺盛，其活性隨溫度的增高而增強，處理效果也越好。超出此范圍，微生物的活性變差，生物反應(yīng)過程就會受影響。一般的，控制反應(yīng)進程的最高和最低限值分別為35℃和10℃。

（2）PH值?；钚晕勰嘞到y(tǒng)微生物最適宜的PH值范圍是6.5-8.5，酸性或堿性過強的環(huán)境均不利于微生物的生存和生長，嚴重時會使污泥絮體遭到破壞，菌膠團解體，處理效果急劇惡化。

（3）溶解氧。對好氧生物反應(yīng)來說，保持混合液中一定濃度的溶解氧至關(guān)重要。當環(huán)境中的溶解氧高于0.3mg/l時，兼性菌和好氧菌都進行好氧呼吸；當溶解氧低于0.2-0.3mg/l接近于零時，兼性菌則轉(zhuǎn)入?yún)捬鹾粑?，絕大部分好氧菌基本停止呼吸，而有部分好氧菌（多數(shù)為絲狀菌）還可能生長良好，在系統(tǒng)中占據(jù)優(yōu)勢后常導(dǎo)致污泥膨脹。一般的，曝氣池出口處的溶解氧以保持2mg/l左右為宜，過高則增加能耗，經(jīng)濟上不合算。

在所有影響因素中，基質(zhì)類因素和PH值決定于進水水質(zhì)，對這些因素的控制，主要靠日常的監(jiān)測和有關(guān)條例、法規(guī)的嚴格執(zhí)行。對一般城市污水而言，這些因素大都不會構(gòu)成太大的影響，各參數(shù)基本能維持在適當范圍內(nèi)。溫度的變化與氣候有關(guān)，對于萬噸級的城市污水處理廠，特別是采用活性污泥工藝時，對溫度的控制難以實施，在經(jīng)濟上和工程上都不是十分可行的。因此，一般是通過設(shè)計參數(shù)的適當選取來滿足不同溫度變化的處理要求，以達到處理目標。因此，工藝控制的主要目標就落在活性污泥本身以及可通過調(diào)控手段來改變的環(huán)境因素上，控制的主要任務(wù)就是采取合適的措施，克服外界因素對活性污泥系統(tǒng)的影響，使其能持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)揮作用。

實現(xiàn)對生物反應(yīng)系統(tǒng)的過程控制關(guān)鍵在于控制對象或控制參數(shù)的選取，而這又與處理工藝或處理目標密切相關(guān)。

前已述及溶解氧是生物反應(yīng)類型和過程中一個非常重要的指示參數(shù)，它能直觀且比較迅速地反映出整個系統(tǒng)的運行狀況，運行管理方便，儀器、儀表的安裝及維護也較簡單，這也是近十年我國新建的污水處理廠基本都實現(xiàn)了溶解氧現(xiàn)場和在線監(jiān)測的原因。

對于有特殊處理要求或某項指標成為處理過程的限制因素時，也可將出水的某項指標作為控制參數(shù)。例如，對出水中氨氮或硝酸鹽氮有嚴格限制時，限制的指標可以被選取作為控制參數(shù)。這需要在反應(yīng)池內(nèi)設(shè)置氨氮和硝酸鹽氮以及亞硝酸鹽氮的監(jiān)測儀表，將現(xiàn)場監(jiān)測到的數(shù)據(jù)反饋到控制系統(tǒng)，通過改變供氣量的多少來增強或減弱某一生物反應(yīng)（硝化或反硝化），從而達到所希望的出水指標。這一控制方式在國外有應(yīng)用，如美國奧蘭多（Orlando）的一個WaterReclamationFacility，該廠在1986年擴建時并無對出水中硝酸鹽氮控制的要求，但在1992年，佛羅里達州環(huán)境保護部對所有處理設(shè)施增加了出水硝酸鹽氮需在10mg/l以下的限制要求。在不改動處理構(gòu)筑物的條件下，該廠通過增設(shè)現(xiàn)場儀表，采取自動控制供氣量的方式達到了處理要求。但在我國，以采集這類水質(zhì)指標為控制參數(shù)的控制方式尚未見有應(yīng)用實例，其原因可能是此類參數(shù)的在線監(jiān)測儀表十分昂貴，特別是如硝酸鹽氮等在線監(jiān)測儀表基本上得依賴于國外進口。因此，現(xiàn)階段這種控制方式在我國還難以實施。1、解氧控制生物池溶氧值的運行控制是污水處理廠中至為重要的環(huán)節(jié)，該運行控制品質(zhì)的好壞，直接關(guān)系到出水質(zhì)量和污水廠的能耗的高低。溶解氧控制的主要目標是：確保供氧量滿足有機物氧化分解過程動態(tài)變化的需要并且維持一個期望的混合液DO濃度；有效的控制氧氣的傳輸以最大限度的減小曝氣能耗；最大限度地減少實現(xiàn)這一目標所需的人力。

污水處理廠實行曝氣運行控制的益處在于降低運行成本。曝氣池中DO濃度持續(xù)不足可抑制生物活性，會在處理過程中產(chǎn)生一些問題，如污泥膨脹，絮凝效果差，抑制硝化作用。相反，過度曝氣會造成能量過度消耗。提高過程的可靠性、除氮效率、污泥可沉淀性及出水水質(zhì)等都歸功于DO的控制。曝氣能量的消耗一般約占普通活性污泥法污水處理廠能源總需求的50%以上，曝氣過程有效的運行控制能大大節(jié)省能耗。

需氧量的變化使得操作人員很難手動控制空氣流速和空氣分配量，從而在整個處理過程中難以維持期望的混合液DO濃度值，即使對于設(shè)計得很好且有靈活曝氣系統(tǒng)的污水處理廠也是如此。因此，手動調(diào)節(jié)曝氣系統(tǒng)一般在空氣流量分配固定的情況下使用，通常是每周或每月調(diào)一兩次。手動調(diào)節(jié)空氣流量使其固定在一個足夠高的值上，以滿足峰值負荷期間的需氧量，但這樣卻導(dǎo)致了負荷降低期間不必要的昂貴的過量曝氣。

自動DO控制是曝氣系統(tǒng)運行控制的最佳方式，它可以最大限度地減小與曝氣不足或過量有關(guān)的運行問題，最大限度地減少曝氣能量消耗。一般來說，采用自動控制曝氣的方式節(jié)能可達25%～40%。

在生物反應(yīng)過程中，溶解氧的變化率可用下式表示：

dc/dt=αKla（βCs-C）-γ

式中：dc/dt--溶解氧的變化率（mg/(Loh)）

Kla--氧在清水中的總轉(zhuǎn)移系數(shù)（h-1）

αKla--氧在污水中的總轉(zhuǎn)移系數(shù)（h-1）

Cs--氧在清水中的溶解度（mg/L）

βCs--氧在污水中的溶解度（mg/L）

C--氧在污水中的實際濃度（mg/L）

γ--生物池中氧的消耗速率（mg/(Loh)）

生化反應(yīng)需氧量決定生物池中氧的消耗速率，如不考慮硝化作用，則碳化需氧量O2表示為：

O2=aQ(So-Se)+bVX

式中：Q(So-Se)--基質(zhì)去除量（kg/d）

VX--微生物量（kg）

a--常數(shù)（kgO2/kg基質(zhì)）

b--常數(shù)（微生物內(nèi)呼吸需氧率d-1）

當氧傳遞速率αKla（βCs-C）與耗氧速率γ相等，即傳氧與耗氧達到平衡時，dc/dt=0，溶解氧濃度保持相對穩(wěn)定。當耗氧速率上升時，dc/dt<0，導(dǎo)致C下降，但C的下降使傳氧動力（βCs-C）增加，氧傳遞速率相應(yīng)增加，直至氧傳遞速率與耗氧速率達到新的平衡，C停止下降。溶解氧又在一個較低水平上保持相對穩(wěn)定。反之，當耗氧速率下降時，dc/dt>0，C和氧傳遞速率朝與上述相反的方向變化，直至氧傳遞速率與耗氧速率在較高的溶解氧水平上達到新的平衡。對于耗氧速率，由于生物反應(yīng)池中微生物量相對穩(wěn)定，因而進水流量和進水BOD5是導(dǎo)致耗氧速率變化的直接因素，BOD5目前尚不易實現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測，故不能得到Q(So-Se)的實時數(shù)據(jù)。因此，溶解氧濃度成為生化反應(yīng)過程中氧傳遞速率和耗氧速率平衡狀況的關(guān)鍵指示值，也是曝氣控制的重要被調(diào)參數(shù)?；谏鲜鲅鮽鬟f原理，為最大程度的節(jié)約能源，對于推流式生物反應(yīng)池，延其流向溶解氧可按梯度設(shè)定，即進入口附近溶解氧可以控制在最低水平，出水口附近溶解氧控制在2mg/l左右，以保證污泥良好的沉降特性，使出水水質(zhì)穩(wěn)定達標。而對于完全混合式生物反應(yīng)池，也可分區(qū)域控制溶解氧的濃度，如奧貝爾氧化溝采用外、中、內(nèi)溝溶解氧分別控制在0-1-2的范圍內(nèi)。

對于溶解氧濃度的控制，由于其動態(tài)過程是非線性的、時變的、滯后的，因此在確定控制方案時應(yīng)選擇理想控制和維持控制器的穩(wěn)定性兩者之間的折中方案，即控制器在某種程度上不可調(diào)或斷續(xù)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)溶解氧變化的動態(tài)過程。

大中型城市污水處理廠多有數(shù)個生物池，根據(jù)工藝有兩種運行方式:

1）生物池的曝氣量分配不同，有不同的溶氧控制目標值，如采用AB法的海泊河污水處理廠，由于鼓風機輸出氣量不能平均分配，需要在輸氣管道出口安裝電動閥來調(diào)節(jié)氣量的分配。運行控制采用2個獨立的調(diào)節(jié)回路，1個調(diào)節(jié)回路是根據(jù)DO的變化調(diào)節(jié)相應(yīng)管路的風量閥門，另1個調(diào)節(jié)回路是根據(jù)管道壓力變化來調(diào)節(jié)鼓風機進口導(dǎo)葉片或出口擴壓器葉片。其控制系統(tǒng)簡圖如下所示。實地測量海泊河污水處理廠生物池在各種不同控制條件下的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，只有在調(diào)節(jié)閥門之后根據(jù)總管壓力調(diào)節(jié)擴壓器葉片，鼓風機能耗才能保持最小，所以最經(jīng)濟的方法是盡量開大閥門以減少管道的損耗，以調(diào)節(jié)擴壓器葉片調(diào)節(jié)風量為主，閥門開度調(diào)節(jié)為輔。

2）生物池的運行條件完全一樣，也有同樣的溶解氧控制目標值，如李村河污水處理廠。這種情況從原理上講應(yīng)平均分配氣量，雖然在實際運行中，各個生物池的運行狀態(tài)不可能完全一樣，各個池子的溶氧值有一些差異，但是由于差異比較小，而且變化和擾動情況相似，可以采用手動閥門，在污水處理廠運行初期人工調(diào)節(jié)氣量的分配，以獲得調(diào)節(jié)經(jīng)驗，穩(wěn)定運行后，閥門開度基本可以固定下來，這樣可以降低成本減少運行控制的復(fù)雜程度。其控制系統(tǒng)簡圖如下所示。如前面對鼓風機的分析中所述，出口節(jié)流是經(jīng)濟性最差的方案，但是在第一種請況下，為了滿足氣量分配的要求又必須采用出口節(jié)流。設(shè)計適合這種工藝條件的控制系統(tǒng)時，要盡量減少閥門阻力，盡量保持閥門閥門開度量大，以減小鼓風機的功率損耗。此外，為防止發(fā)生喘振，也應(yīng)控制閥門的開度，防止閥門開度過小，流量減小，會使鼓風機性能工況點移到喘振區(qū)?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)考慮下面三種情況：

1）所有生物池的溶氧值均偏高。這時應(yīng)調(diào)節(jié)鼓風機的導(dǎo)葉片，降低風量。如果此時有多臺鼓風機在運行，應(yīng)調(diào)節(jié)累計運行時間長的兩臺鼓風機的導(dǎo)葉片，使其流量降低，當這兩臺鼓風機流量之和再加上一預(yù)先設(shè)定值后小于單臺鼓風機氣量時，關(guān)閉運行時間最長的鼓風機。設(shè)定值的作用是設(shè)置了一個緩沖區(qū)，以避免鼓風機的頻繁啟停。

2）生物池的溶氧值有的偏高，有的偏低。這時應(yīng)先根據(jù)溶氧值調(diào)節(jié)出口閥門，進行氣量的重新分配，鼓風機則根據(jù)空氣總管的壓力調(diào)節(jié)導(dǎo)葉片，以維持總管壓力的穩(wěn)定，如果閥門開度均已達到最大，而溶氧值還未達到目標，則應(yīng)調(diào)節(jié)鼓風機導(dǎo)葉片增加鼓風機的流量。

3）所有生物池的溶氧值均偏低。這時應(yīng)逐步增加閥門的開度，減小管網(wǎng)阻力，當閥門開度達到最大時，溶氧值還未達標，則應(yīng)調(diào)節(jié)鼓風機的導(dǎo)葉片增加流量。如果在設(shè)定時間內(nèi)，溶氧值還未達標，應(yīng)增加開啟一臺鼓風機。此設(shè)定時間為溶解氧測量系統(tǒng)的時間常數(shù)，一般約為10分鐘到半小時。

由于溶氧值測量存在滯后，溶氧值的控制目標值不應(yīng)設(shè)定為一固定值，而應(yīng)設(shè)定一個控制死區(qū)，例如，當期望的溶氧值是1.5mg/l時，可以設(shè)定溶氧值的控制區(qū)間為1.0mg/l-2.0mg/l，這樣可以使得鼓風機的啟停間隔時間延長，保護風機，節(jié)約電耗，但是控制效果會有一些下降。由于曝氣池的主要目的是保證生物的活性而且儀表測量本身有一定的不穩(wěn)定性，只要死區(qū)設(shè)置得當，這種控制對曝氣效果的影響甚微。為了達到需要的溶氧值，測量溶氧值的溶氧儀的安裝位置應(yīng)根據(jù)工藝選定，自控系統(tǒng)獲得的溶氧值最好是幾臺溶氧儀的平均值，以減少測量誤差。

導(dǎo)葉片和擴壓器的調(diào)節(jié)一般采用PID閉環(huán)控制。在確定的運行條件下，應(yīng)該能夠找到一組最佳的控制參數(shù)。但是對于DO濃度控制，由于其動態(tài)過程是非線性的，隨時間、溫度、水質(zhì)等參數(shù)變化，實現(xiàn)理想的控制需要隨時調(diào)節(jié)PID參數(shù)，參數(shù)不斷變化會和控制器的穩(wěn)定性之間產(chǎn)生矛盾，所以固定PID參數(shù)，以便在較大的范圍內(nèi)實現(xiàn)充分控制是比較好的方案。如果條件允許，可以根據(jù)運行情況的變化，在不同的時間，設(shè)置不同的控制參數(shù)，例如，為適應(yīng)季節(jié)性DO濃度變化，可以在不同的季節(jié)設(shè)置不同的控制參數(shù)。

空氣管道出口閥門的調(diào)節(jié)如果采用PID調(diào)節(jié)，會使閥門的開度產(chǎn)生震蕩，從而影響到對鼓風機的調(diào)節(jié)。所以，閥門的調(diào)節(jié)以步進調(diào)節(jié)為好，步進的幅度宜小不宜大，宜慢不宜快，以配合溶解氧測定的速度。

溶氧控制系統(tǒng)需要設(shè)置的儀表：氣體流量計，壓力計，溫度計，溶氧儀。2、風機的運行控制修索藍曝卻氣夫系清統(tǒng)撕中社最災(zāi)為裙重拐要穗的錢是坐鼓蒜風臥機泰的蓋控耍制尿和墨空左氣師分召配罪系嗓統(tǒng)填的俯控皂制關(guān)，漫鼓讀風逼機盼是挑污凝水碼處小理詠廠震中鹿的性能其耗恰大犬戶需，憲其聾電妹耗掩占蘿到根全雕廠像電殼耗嫩的蠶3觀0材%受梳-描累5射0爸%斬，縫如嗎何毅提燦高天鼓利風招機拾的興運妄行之效蛇率現(xiàn)、奶降你低退其改能餐耗鋤是拖一亡個梅重倦要澤的皂研釣究你課據(jù)題廢。蜘鼓較風廁機男在碼工切況鑄點吵的猜效流率順并疊不覆完桐全謠取果決道于栽鼓重風可機叢本罷身陳，摩而臟是萄和賽整震個壩曝義氣絹系窯統(tǒng)更密幫切煮相支關(guān)刮。

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我鳳陽1藍）均出碰口盡節(jié)課流毒：乏通脖過族調(diào)磁節(jié)驕出莫口鋤閥價門根開漫度程，闖改威變南管饒網(wǎng)墊特扎性街曲通線耳，嬌使閣鼓住風色機團的滑工侮況旱點悟移努動迎，僚從妄而扣達草到艇調(diào)雨節(jié)肆氣材量腔的賺工木藝拍要滾求歡。

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正預(yù)旋調(diào)節(jié)與進口節(jié)流調(diào)節(jié)相比有明顯的節(jié)能效果，經(jīng)驗證明，進口氣流導(dǎo)葉片調(diào)節(jié)和進口節(jié)流調(diào)節(jié)相比，當流量減少60%時比功率節(jié)省達16%到20%。使用正預(yù)旋調(diào)節(jié)時能在相當大的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)使鼓風機的效率無明顯的下降，并且能使鼓風機的喘振工況區(qū)流量變小，可以使壓縮機在較小的氣量下正常工作，而不會發(fā)生喘振。

4）擴壓器葉片調(diào)節(jié)：可調(diào)式出口擴壓器控制裝置安裝在鼓風機葉輪出氣口上，呈輻射狀分布。調(diào)節(jié)帶有擴壓器葉片的鼓風機的葉片的角度，可以改變擴壓器的進口沖角氣流從而改變鼓風機的性能。

帶有葉片擴壓器的鼓風機與沒有葉片擴壓器的鼓風機相比，在設(shè)計工況點有較高的效率。由于擴壓器葉片對氣體的流動有較大影響，當氣流沖角小于擴壓器葉片的角度時，氣流與擴壓器葉片發(fā)生脫離，擴壓器內(nèi)的壓力不能達到應(yīng)有的提高。由于氣流沖角會隨氣體流量的減小而減小，容易造成喘振現(xiàn)象的過早發(fā)生。此時，減小擴壓器葉片的角度，可以使鼓風機的喘振點向小流量方向移動，避免喘振。如圖3-6所示，當改變鼓風機擴壓器葉片角度時，相應(yīng)的改變了葉片擴壓器的進口沖角從而使鼓風機的性能曲線左右移動，可以適應(yīng)管網(wǎng)特性曲線的變化。從圖中可以看出當葉片擴壓器的角度減小時，鼓風機的性能曲線明顯的向小流量的方向移動，能量頭和效率值略有降低，附加的功率消耗很少，性能曲線類似于平移。因此，改變擴壓器葉片的角度，適應(yīng)了鼓風機對流量變化的要求，并且由于氣體沖角變化不大，從而使氣體進入葉片擴壓器后基本上不產(chǎn)生氣體的脫離，可以擴大離心鼓風機的穩(wěn)定工況范圍，而且效率的變化較小。這種控制方法適用于流量變化范圍大、壓力要求穩(wěn)定的系統(tǒng)的調(diào)。

當需要單獨或同時調(diào)節(jié)鼓風機出口壓力時，擴壓器葉片調(diào)節(jié)就很有局限性了。而在需要穩(wěn)定壓力，調(diào)節(jié)流量的污水處理廠的工況條件下，這種方式是比較適合的。由于技術(shù)水平的限制，我國目前還不能生產(chǎn)這種鼓風機。

海泊河測試數(shù)據(jù)表明，隨著擴壓器葉片開度的增加，鼓風機的電流和功率與