污水处理厂精确曝气节能系统的开发及应用研究

1、李鑫玮，等：污水她理厂精确曝气节能系统的开发及应用研究污水处理厂精确曝气节能系统的开发及应用研究李鑫玮1，高永青1，杨岸明1，常江1，甘一萍1，谢磊2(1北京城市排水集躁有限责任公霹，北京100124；2。土海芙沧系统控涮技术 有限责任公司，上海200030)摘要：精确曝气系统可节约鼓风机电耗，帮助污水处理厂实现工艺的精细调节。本文对 精确曝气的原理和方法进行了阐述，针对某污水处理厂进行了精确曝气节能系统的开发，并 进行了现场改造应臻，实际运行效果表瞬，该系统可以同时实现节能争达标的要求。 关键词：精确曝气污水处理带能截至2012年底，全国设市城市、县累计建成城镇污水处理厂3340座，其中A2

2、O工艺座数占 20，污水处理援占305；传统活性污泥法座数占14，处理量占1l。曝气单元是传统活性污混 法和A2O工艺昀重要工艺环节，通过对采用上述工艺的污水处理厂的能耗调查表明，二级生物处理 单元是全厂最大的耗能单元，而曝气系统的节能是全厂节能降耗的关键途径口。】。对曝气系统进行 精细化控制从焉降低污水处理系统毹耗，成为近年来污水处理工艺优化研究的热点之一。本文对精确曝气的原理秘方法进行了阐述，针对北京审某污水处理厂进行了精确曝气节能系统 的开发和应丽示范，实际运行效暴表明，该系统可以使城市污水处理厂同时实现节能和达标的要求。l精确曝气节麓系统的开发11原理和方法精确曝气是通过设定固定的溶解

3、氧舀标值，结合进水水量、水质的变化情况，即时计算瀣维持这 一嚣标溶解氧所需的曝气量，并将这一信息传递给鼓风机和阀门以获取适当的供气量，从两实现水质 达标和节能降耗的平鹜，以优化工艺。丽精确曝气控制系统所要做的，就是如何通过鼓风机(气源)的 输出和阀门的调整这两大关键环节的配合，采使实际的曝气量和配气尽量逼近设定值，从雨让实际溶 解氧维持在设定酗标上。精确曝气系统可以使各种复杂的供气方案季譬以实现，如闻歇曝气、微量曝气、正鬻曝气、溶鹪氧分 布控制等；可以帮助污水处理厂实现工艺的精细调节，适应各种工艺，并能够随着工艺变化而调整；还 可以根据当前需要的曝气量，通知鼓风机主控进行风量调节，防止发生喘震

4、等异常情况，节约鼓风橇 电耗。1。2模型设计精确曝气模型的建立主要涉及翻污水生他处理过程反应动力学模型、需气量模型、配气系统模型 以及鼓风枧调控模型的设计与开发。12。1污水生化处理过程反应动力学模型的数值求解 污水的生化处理是一个复杂的连续、非线性、时变的过程，受弼诸多外界因素的干扰。衙通过溶解氧、水量、水蕨来计算需气量这一关键过程，正是基于污水处理生化反应裁力学模型的仿囊所起的·219·全国撵水委员会2013霉年会论文集作蒲。活性污泥模型(ASMs)被广泛地使用在设计和过程仿真中，其特征是用物料平衡方程来描述活性 污泥工艺流程中各个连续流反应器中各种物质的变化，表现为一

5、系列相关联的常微分方程组。出于 这些常微分方程组没有解析鳃，只熊用数值方法求解。通过本研究的大量数值模拟表明，无论从稳定 性还是计算效率考虑，变步长的RungeKuttaFehlberg法适用于活性污泥模型的数值求解H1。 12。2气量分配模燮的设计与开发(1)单个阀门的气量调节模型的设计与开发 为了向控截单元供应其所需的气量，需要精确地调节阀门。本研究中，首先考虑单个阀门的配气模型，主要采用粗调加微调的方式对阀门加以调节。粗调，即根据选用的阀l'-J的开度一气量睦线，根 据所需气量，设定阀门的开度；微调，即在粗涮的基础上，根据流量的设定值(即需气量)，以PID的方 式，对阀门进行精细

6、的调节。在实际运行中，发现通过阀门的电动执行机构对阀门开度进行粗调，流量计给出的气量实际值与 设定流量之闻还是存在15左右的偏差，达不到精确控制气量的番的。查其原因主要在予：阕门的 气量一开度曲线存在着不准确的因素；在通过迭代法求解设定气量对应的阀门开度的过程中，假定 管道的压力不变，这给数值求解带来了误差；阀门电动执行机构的执行动作也存在着偏差。为了进 一步降低气量的偏差，采用基于PID调节的微调措施来对阀门的开度进行进一步精细地调节。为了 简化调节难度，采用了比例环节进行微调。试验表明，通过这样的配气方式，可将流量的谈差控制在 5以内。(2)阀门系统的调控原则 污永处理厂往往包括多个并行熬

7、生化处理单元，鼓风梳通过总管向每个生化单元供气。在精确曝气控制系统中，仅仅考虑单个阀门的配气性能还不足以使得整个曝气系统进行稳定可靠的运行，整 个曝气系统中一个元件(如电动调节阀门)的动作往往会弓l越整个配气效果的波动。为了尽量降低其 中一个阀门的动作对其他配气单元配气效果的影响，通过多次试验提出了控制多个阀门系统的原则：需要避免闷门系统中所有阀门的开度同时减小(或增大)，这一原则对避免鼓风机发生喘振具有重 要的意义；为了降低系统的总压损，在所有时刻至少有一个阀门处予容许的最大开度下，这一原则 要求必须实时地根据总的需气量对鼓风机的供气量进行精准调节；为了提高系统的稳定性，各个阀 门开度酶和需

8、要保持在一个相对稳定的状态下。123鼓风机配气模型设计 鼓风祝是提供污水厂歪翁空气的主要来源，污水厂迸水受荷的时变性要求实时调节鼓风视的总输出气量和压力以满足曝气池内的微生物对溶解氧的动态需求量。系统曝气分配与控制系统根据本 系统模型计算如来各好氧段的实际需气量，通过鼓风机系统主控柜MCP(Master Control Panel)实现全 自动控制鼓风机的启停和进、出口导叶开度来调节气量，并通过阀门单元模型实现按需供气，从丽避 免进水负荷高峰时的曝气不足和进水负荷低谷时的曝气过量，实现工艺的精细化、稳定化控制，节约 曝气能耗。124动态溶解氧气量模型设计 控剿单元动态溶解氧气量设计主要是根据生

9、亿池控麓单元根据生讫模型计算出溶勰氧的设定值，然后根据溶解氧值及模型参数来决定各控制单元的真正需气量来满足生化池气量需求。溶解氯·220-李鑫玮，等：污水处理厂精确曝气节能系统的开发及应用研究动态设定值通过控制单元水质仪表参数(如：溶解氧、污泥浓度、氨氮仪等)，动态水力模型以及出水要 求动态计算而得出。本系统主要考虑了以下几点：溶解氧实时值带来的滞后响应，需自适应修正部 分模型系数，使匹配度达到最佳；气量与溶解氧值的复杂周期关系，需通过周期补偿系数来解决； 各个阀门的动作频率和开度变化必须充分考虑对其余控制单元的影响；鼓风机系统响应节拍对整 个系统联动调节至关重要，需综合各控制单元的

10、硬件和环境属性、水质、水量的冲击变化，对鼓风机系 统设定值和实际值做出针对性的周期变化，避免系统出现规律性震荡。13控制系统的开发 为了在降低污水处理能耗的基础上，实现改善出水水质、确保氨氮稳定达标的要求，本系统以氨氮为控制目标，根据时刻变化的进水流量、COD和氨氮等，即时计算出降解这些氨氮所需的气量(转化 成DO量)，以使出水COD和氨氮能够稳定达标。目前，针对溶解氧的精确曝气控制在工程实践中得到了较为广泛的应用。在针对溶解氧的精确 曝气控制中，通过鼓风机一阀门系统的调节将生化反应池控制单元中的溶解氧控制在目标值上，以维 持稳定的生化环境，提高出水水质达标率。但是，这样的控制方式和控制目标只

11、是间接影响或控制出 水水质的手段。出水水质标准不涉及到溶解氧，而直接针对的是COD、氨氮等。为了达到直接控制生 化池出水氨氮的目的，本系统采用更为复杂的级联控制方式。盾圈嘈一乡厂-丘应，也詹誓弘一一_斗o斗一-,'ta一4-N嘲(篱)压圃厂!、图1级联控制原理图该级联控制逻辑的内回路是DO控制器，即溶解氧一曝气量控制回路；其外回路是氨氮一溶解氧 设定值控制回路，两个回路通过溶解氧设定值关联在一起。在该控制逻辑中，首先借助于数学模型求 解将控制单元的实际氨氮值稳定在其目标值所需要的溶解氧，将该溶解氧值设定为控制单元的溶解 氧设定值；然后，通过DO控制器调节鼓风机和曝气量，使得控制单元的溶

12、解氧稳定在设定值附近。2精确曝气系统在污水处理厂的应用21污水处理厂概况2I1工艺流程 某污水处理厂采用A2O工艺，日处理污水20万m3。构筑物参数如下：曝气池4组，每组5廊道，每廊道113×95×6 m，厌氧、缺氧、好氧段水力停留时间(HRT)分别为：15 h、32 h、108 h。212能耗分布 该污水处理厂运行成本分布见图3，电耗费用、絮凝剂费用占运行成本构成的前两位，其中电耗占运行成本的比例为5642。可见，节能降耗对降低城市污水处理厂总运行成本具有重要意义。 通过分析该厂污水处理系统预处理、二级处理、污泥处理等单元中主要处理设备的电耗情况，发221·全国

13、排水委员会2013年年会论文集现二级生物处理单元是整个城市污水处理厂的最大耗能单元，占到整个城市污水处理厂能耗的60， 因此确定节能的重要处理单元是二级处理单元。F而习r丽【J_uu-。uuJir1。1。一i一一一一一一，悃出?黑：一率些臣母一一1|兰图2污水处理厂工艺流程图缓豳兰豳1141囫g71囫767图3污水处理厂运行成本分布比例二级处理单元的能耗主要集中在鼓风机、搅拌器和内外回流泵，鼓风机占二级处理单元电耗的 7996，占全厂能耗的4775，是最大的耗能单元，因此对于二级处理单元及全厂的节能重点应该 在鼓风机的节能降耗上。22精确曝气节能系统实施方案221控制策略 精确曝气系统对曝气的

14、精细控制分为时间与空间两个维度，在空间上对生化池进行溶解氧分区控制，满足不同工艺段的曝气需求；在时间上随进水负荷变化动态设定曝气量，满足不同进水趋势下 的曝气需求。精确曝气系统对曝气系统在控制上分为就地控制和鼓风机控制，基于曝气计算模型和 曝气分配模型，精确曝气系统优化调节各就地控制阀门，实现生化系统曝气的按需分配；基于总曝气 流量和安全压力设定，精确曝气系统对鼓风机系统进行调节，总曝气流量满足生化系统曝气量需求， 安全压力设定满足鼓风机安全运行需求。222仪表布置 由于好氧段沿推流方向的污染负荷不同，对溶解氧的需求也不同。因此，为了适应好氧区不同区段对溶解氧需求量的差异，实现对溶解氧的精确控

15、制，要对好氧区进行划分。将生化池单个池子的好 氧区分为前后两个溶解氧控制区，分别设置不同的溶解氧控制目标，实现对溶解氧的精细化控制。不 同的溶解氧控制区都可以单独设定目标控制值。每个溶解氧控制区由一台溶氧仪、一台电动调节阀222李鑫玮，等：污水处理厂精确曝气节能系统的开发及应用研究门、一台热式空气流量计和氨氮在线仪构成。除阀门等关键执行设备以外所有信号均通过总线形式 接入精确曝气系统。下图为生化池单个池子溶解氧分区控制图，以及溶氧仪、氨氮仪电动调节阀门和热式空气流量计 的安装位置图：注：AN为氨氮仪，DO为溶解氧仪，F为热式空气流量计，M为污泥浓度计， L为液位计，P为压力变送器，V为阀门。图

16、4单池设备仪表布局223鼓风机控制方案 在精确曝气系统的实施中，对该厂高速离心鼓风机控制方式进行改造，把4台鼓风机作为一个整体系统，设置一台主控柜(MCP)，在自动方式下由MCP实现鼓风机的启停与调节功能。精确曝气系 统根据当前进水流量、进水负荷实时计算出所需空气总量，进而将所需气量设定信号及压力信号传递 给鼓风机MCP，MCP对某一台或者几台鼓风机实施启停、进出口导叶的调节等，使鼓风机不再以某个 固定功率持续运行，调节时间间隔也不再以小时为单位，而是根据实时计算出的实际需气量以分钟为 单位进行调节，以达到风量及系统压力动态设定的目的，同时给出当前工况下的喘振压力保护值，用 于保护鼓风机的运行

17、。通过系统对鼓风机的控制，避免了进水负荷高峰时的曝气量不足和进水负荷 较低时曝气量过大，实现了工艺的精细化、稳定化控制，同时节约了曝气能耗。图5精确曝气系统对鼓风机的控制方式23现场应用效果231 BOD·223·全国排水委员会2013年年会论文集如图6所示，2012年611月BOD月均出水值相比2009年同期有所减小，达到城镇污水处理 厂污染物排放标准(GBl8918-2002)一级B标准，低于10。0 mgL。喜鑫。q月份翻6 20119年与2012年6-11月份出水BOD绫果对比2。3。2NH4+一N如图7所示，精确曝气系统运行后月均出水氨氮值能够达1 mgL左右，出

18、水氨氮值较2009年出 水平均值下降了约l mgL。这是由予该系统将出水氨氮作为反馈信号篮参与控簇曝气漉中的曝气 量，并且溶解氧分为前段和后段两个控制区域，使曝气池中氨氮分梯度分阶段降解，有利于硝化菌提 高硝化降解麓力。精确曝气系统运行后，舀水NH4一N月均一级A达标率的稳定性得到了大幅提 高，一级A达标率提高到了90以上。数据表明，采取溶解氯耦合氨氮的精确曝气控制模式，在较小 气水比的情况下，能够实现氨氮的快速降解，保障出水NH4+一N一级A达标率稳定在90以上，对于 曝气能耗的节省具有积极意义。圈7 2009筇与2012年6一11月出永NHfN结果对比23。3笺耗统计2012年，通过应用溶解氧耦合氨氮的双重因素精确曝气控制模式的节能措施后，该厂处理水单耗为0219 kWht，与2009年桷跑，污水处理系统运营能耗降低了106。3结论将研究