多段AAO 污水處理廠精確曝氣系統設計與調試

應基光，林莉峰，汪蕓蕓

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

污水處理是城市建設的重要組成部分。近年來，我國污水處理行業發展迅速，污水處理廠深度參與協同減排是建設低碳社會、發展低碳經濟、實現城市可持續發展的重要支撐。在“雙碳”目標下，低碳污水處理廠的理念受到了業界的關注。為了契合低碳污水處理廠的發展戰略，需要對污水處理廠節能減排關鍵的因素進行分析研究。

國內的污水處理大部分采用活性污泥處理工藝，該處理工藝中關鍵的因素是需要給生化池中的微生物提供適量的氧氣進行氧化反應，因此對于曝氣量的控制至關重要[1]。傳統的曝氣控制是通過手動開關實現的，主要取決于現場操作人員的經驗，存在著很大程度的不確定性和浪費。為了實現對精確曝氣系統的自動控制，減少人員的干預，研究人員對曝氣控制方法作了大量研究，包括模糊控制、神經網絡、模糊神經網絡、遺傳算法、支持向量機等。本文主要以深圳某污水處理廠多段AAO 處理工藝為研究對象，對精確曝氣系統的設計、調試過程進行分析和總結，以期為同類項目提供借鑒。

1 系統概述

1.1 精確曝氣系統原理

生物處理是污水處理過程中最重要的一個環節，通常通過維持生物持續有效的生長，促進生物的生化過程，從而達到去除或者降低污水中需要除去的物質之目的，滿足污水排放的標準要求。傳統的控制策略無法及時準確地應對現狀污水處理參數的變化。一般試運行初期僅對鼓風機進行調節，或者只對末端曝氣管道進行調節，而無法根據實際運行條件的改變對反應池的曝氣量進行實時、按需調節，同時做到節省能耗[2]。

溶解氧是影響生物處理過程的主要因素，溶解氧控制的好壞直接影響著污水處理效果。精確曝氣系統引入“前饋+ 反饋+ 模型”組成的多參數控制方式，能有效應對污水處理廠大時滯、非線性等特性，綜合考慮鼓風機、曝氣管路的調節閥，以及溶解氧、水量負荷等，對生物反應過程實施精確控制，實現按需曝氣，從而提高運行系統的穩定性，節約能源。

在污水處理廠中，前饋信號主要包括進水水量和水質等信號；反饋信號主要包括溶解氧、污泥濃度、生化池的液位等信號。

精確曝氣系統的溶解氧控制策略通常有將控制目標設為恒定值和動態值這2 種。

通常，在溶解氧控制目標設為恒定值的控制策略下，精確曝氣系統將根據進水水質、進水水量、溶解氧設定值、生化池污泥濃度等信號，計算出各個生化池區域的需求氣量和總的需求氣量，從而調節鼓風機主控系統和曝氣管上的電動閥，使供氣量和需求氣量相匹配，從而實現溶解氧目標值的控制。

采用精確曝氣系統，污水處理廠可以更好地實現以下目標：

（1）降低單位污水處理的能耗，節約成本。

（2）提高污水處理運行整體穩定性和可靠性[3]。

（3）根據處理的水量負荷、污染負荷進行曝氣的自動調節，真正做到按需曝氣、自動控制。

（4）改善出水水質，提高出水水質達標率。

1.2 精確曝氣系統總體設計

該污水處理廠的設計處理規模為5 萬m3/d，采用多段AAO 工藝，設有2 座生化池，出水水質主要指標達到地表Ⅳ類水標準。污水處理工藝流程見圖1。

圖1 污水處理工藝流程

該項目共有2 個生化池，每個生化池劃分為6個溶解氧控制區，全廠生化池共劃分為12 個溶解氧控制區。其精確曝氣系統設計圖見圖2。

圖2 精確曝氣系統設計圖

為了能夠實現精確曝氣，需要配套完整的精確曝氣系統控制網絡。精確曝氣系統自動化通訊拓撲圖見圖3。

圖3 精確曝氣系統自動化通訊拓撲圖

圖4 精確曝氣系統需氣量計算模型

精確曝氣系統控制主站通過通訊直接獲取曝氣鼓風機的相關參數，采集現場在線監測儀表的信號，并將控制調節指令給到設備閥門和鼓風機系統，從而實現曝氣環節的全自動控制以及流量調節閥與鼓風機的聯合調節。

1.3 精確曝氣系統硬件組成

在每個溶解氧控制區配置1 臺在線溶解氧儀表，每個溶解氧控制區對應的曝氣支管上各配置1臺熱式氣體流量計和1 臺電動調節閥。在鼓風機房出口總管上分別安裝1 臺熱式氣體流量計和1 臺壓力變送器。

精確曝氣系統設備及儀表配置表見表1。

表1 精確曝氣系統設備及儀表配置表

1.4 精確曝氣系統軟件組成

精確曝氣系統軟件安裝運行在精確曝氣系統工作站上，是系統的核心處理單元。該單元基于采集到的現場信號，通過模型計算生化池的生物需氣量，同時向現場控制設備發出調節指令，功能上包括曝氣量計算模塊、配氣模塊、鼓風機優化給定模塊等核心模塊。

精確曝氣系統軟件主要基于以下兩方面進行設計：

（1）精確曝氣系統將好氧段分為數個獨立的溶解氧控制區，能夠適應工藝控制流程的要求，自動調整曝氣的流量，滿足處理單元所需要的溶解氧分布工藝工況。

（2）精確曝氣系統允許用戶自主設定目標溶解氧含量，而且支持DO 動態設定?？紤]方便性和可操作性，相關數據可在中控室進行查看和配置。

精確曝氣的控制機制為現場優先，其次是中控上位機，主要包括閥門控制和鼓風機控制。

閥門控制有就地控制模式和遠程控制模式這2種模式。在中控上位機上有手動和精確曝氣模式2種選擇。

鼓風機的壓力控制包括：

（1）當主控柜進入就地模式時，壓力設定可就地手動設置。

（2）當主控柜進入遠程自動模式時，壓力設置分為手動和精確曝氣模式2 種，并切換至中控室控制。

由于具有全自動控制、局部自動控制和手動強制控制這3 種控制模式，且能夠在現場或主控室內進行模式切換，精確曝氣系統可以充分應對污水處理廠運行中遇到的各種情況。

1.5 精確曝氣系統功能

1.5.1 需氣量計算

精確曝氣系統能夠根據生化池中各因素的變化動態地計算出實際需氣量，使曝氣系統隨需而變地進行供氣。精確曝氣系統需氣量計算模型見圖5。

在實際的污水處理廠精確曝氣控制應用中，精確曝氣系統可以隨進水水量和水質負荷的變化而實時計算實際用氣需求，保證合理曝氣，既滿足生化要求又可節省不必要的曝氣能耗。

1.5.2 曝氣量分配

精確曝氣系統涉及多個曝氣控制單元。精確曝氣系統內置多氣閥解耦控制策略，以抑制單閥調節對其他閥的干擾影響。精確曝氣系統具有多閥最優開度控制策略，可實現快速、最優的閥門開度調節，實現不同曝氣控制單元曝氣量的快速、準確傳輸和分配。

1.5.3 風機優化控制

曝氣環節的能耗節省是通過對鼓風機運行進行優化來實現的，曝氣系統的核心是根據運行參數來調節鼓風機的運行。一方面風機的調節需要結合實際的運行參數，另一方面對風機的調節還需考慮對設備的保護?？偟脑瓌t就是讓風機運行在最經濟的工況下，同時防止風機的異常工況（比如喘振）。

精確曝氣系統根據當前的工藝運行參數計算出所需氣量，然后將信號給到風機控制柜。通過空氣總量設定值對各鼓風機進行啟停、開度調節操作，以滿足生化系統對曝氣量的需求，同時通過喘振保護壓力對鼓風機進行喘振保護。鼓風機是污水處理廠的核心工藝設備，精確曝氣系統應在防止鼓風機喘振的前提下來調節鼓風機運行，滿足生化池的曝氣需求[4]。

2 精確曝氣系統的調試

為了保證精確曝氣系統的正常投運，首先需要對系統內的單體設備逐一進行調試；其次需要對生化池曝氣閥門和鼓風機進行聯動調試，設置鼓風機氣量并調節管道的壓力監控。調試期間，所有的操作和調試均保證不影響生產。特別地，要強調一下鼓風機緊急操作時的注意事項：

（1）風機開度短時大幅波動時。該系統采用的是磁懸離心鼓風機，可實時接收精確曝氣系統所發送的給定值，鼓風機根據差值調整開度和動作時間。精確曝氣系統對風機波動設有安全保護機制，防止風機波動所導致的喘振[5]。風機開度短時大幅波動的可能原因是進水水質突然變化、系統調節參數不匹配、管道壓力突變、生化池儀表故障等因素，為了設備使用安全，防止管道壓力波動大和風機喘振風險，此時可人工切除精確曝氣系統，轉換為手動模式。

（2）鼓風機喘振時。調試初期，風機喘振在所難免，可能原因是閥門和鼓風機的配合度不夠完善，導致管道壓力升高，出現喘振；或者因為鼓風機本身的參數不合理，開度調整得太快，致使鼓風機本身喘振。發生此故障時可人工切除精確曝氣系統，轉換為手動模式進行操作。

3 精確曝氣系統溶解氧控制效果與節能效果

3.1 精確曝氣系統溶解氧控制效果

針對該工程精確曝氣系統的效果驗證，主要通過精確曝氣系統的介入與否來進行比對。傳統控制方式無法及時準確地應對各種擾動的影響，當在線控制中的溶解氧值呈現大范圍波動時，未采用精確曝氣的生化池內某位置的溶解氧（DO）隨時間的變化如圖5 所示。

相對傳統的生化池控制方式，精確曝氣控制方式可以更精確地控制生化池內的溶解氧，適應性更強，從而可以更好地實現曝氣和節能。采用精確曝氣的生化池內某位置的溶解氧（DO）趨勢圖見圖6。

圖6 精確曝氣控制方式下生化池內溶解氧（DO）變化趨勢圖

根據本工程精確控制系統試運行結果，溶解氧DO 值分布在目標設定值±0.5 mg/L 以內的概率為90%；溶解氧DO 值分布在目標設定值±0.3 mg/L 以內的概率為30%；分布在DO 目標設定值±0.2 mg/L以內的概率為20%，滿足設計要求和實際運行需要。

3.2 精確曝氣系統溶解氧控制的節能效果

多段AAO 污水處理廠精確曝氣系統在對鼓風機的控制過程中，根據當前進水流量、進水負荷實時計算出所需空氣總量，然后將空氣總需求設定值傳輸至鼓風機主控制柜，主控制柜再按照設定目標對所屬鼓風機進行調節，以確保高低負荷工況下，曝氣量都能滿足實際需求，同時又能降低不必要的曝氣能耗。而在傳統方式控制下，鼓風機會一直以某個較大功率運行。通過精確曝氣系統對鼓風機的控制，實現了運行功率的實時調節，達到了節省能耗的目的。

多段AAO 污水處理廠采用精確曝氣系統后，有助于其處理設備正常運行、儀表數據準確、進水水量和水質穩定（不超過設計值±20%）、鼓風機運行壓力足夠、風量連續可調、主控制柜自動恒壓運行。

4 結語

精確曝氣系統在多段AAO 污水處理廠的應用，旨在為污水處理過程的曝氣環節提供精細化運行解決方案。精確曝氣系統方案能夠完全匹配該廠的運行工況，實現精確曝氣控制。在此基礎上，微生物生化環境保持穩定，從而幫助污水處理廠實現了曝氣系統精細化、節能化、自動化運行，進而提高了出水水質的穩定性。