污水處理廠精確曝氣節(jié)能系統(tǒng)的開發(fā)及應用研究

1、李鑫瑋，等：污水她理廠精確曝氣節(jié)能系統(tǒng)的開發(fā)及應用研究污水處理廠精確曝氣節(jié)能系統(tǒng)的開發(fā)及應用研究李鑫瑋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任公霹，北京100124；2。土海芙滄系統(tǒng)控涮技術 有限責任公司，上海200030)摘要：精確曝氣系統(tǒng)可節(jié)約鼓風機電耗，幫助污水處理廠實現(xiàn)工藝的精細調節(jié)。本文對 精確曝氣的原理和方法進行了闡述，針對某污水處理廠進行了精確曝氣節(jié)能系統(tǒng)的開發(fā)，并 進行了現(xiàn)場改造應臻，實際運行效果表瞬，該系統(tǒng)可以同時實現(xiàn)節(jié)能爭達標的要求。 關鍵詞：精確曝氣污水處理帶能截至2012年底，全國設市城市、縣累計建成城鎮(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)，通過對采用上述工藝的污水處理廠的能耗調查表明，二級生物處理 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)能降耗的關鍵途徑口。】。對曝氣系統(tǒng)進行 精細化控制從焉降低污水處理系統(tǒng)毹耗，成為近年來污水處理工藝優(yōu)化研究的熱點之一。本文對精確曝氣的原理秘方法進行了闡述，針對北京審某污水處理廠進行了精確曝氣節(jié)能系統(tǒng) 的開發(fā)和應麗示范，實際運行效暴表明，該系統(tǒng)可以使城市污水處理廠同時實現(xiàn)節(jié)能和達標的要求。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設定固定的溶解

3、氧舀標值，結合進水水量、水質的變化情況，即時計算瀣維持這 一囂標溶解氧所需的曝氣量，并將這一信息傳遞給鼓風機和閥門以獲取適當?shù)墓饬?，從兩實現(xiàn)水質 達標和節(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，就是如何通過鼓風機(氣源)的 輸出和閥門的調整這兩大關鍵環(huán)節(jié)的配合，采使實際的曝氣量和配氣盡量逼近設定值，從雨讓實際溶 解氧維持在設定酗標上。精確曝氣系統(tǒng)可以使各種復雜的供氣方案季譬以實現(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現(xiàn)工藝的精細調節(jié)，適應各種工藝，并能夠隨著工藝變化而調整；還 可以根據當前需要的曝氣量，通知鼓風機主控進行風量調節(jié)，防止發(fā)生喘震

4、等異常情況，節(jié)約鼓風橇 電耗。1。2模型設計精確曝氣模型的建立主要涉及翻污水生他處理過程反應動力學模型、需氣量模型、配氣系統(tǒng)模型 以及鼓風枧調控模型的設計與開發(fā)。12。1污水生化處理過程反應動力學模型的數(shù)值求解 污水的生化處理是一個復雜的連續(xù)、非線性、時變的過程，受弼諸多外界因素的干擾。衙通過溶解氧、水量、水蕨來計算需氣量這一關鍵過程，正是基于污水處理生化反應裁力學模型的仿囊所起的·219·全國攆水委員會2013霉年會論文集作蒲?；钚晕勰嗄Ｐ?ASMs)被廣泛地使用在設計和過程仿真中，其特征是用物料平衡方程來描述活性 污泥工藝流程中各個連續(xù)流反應器中各種物質的變化，表現(xiàn)為一

5、系列相關聯(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。通過本研究的大量數(shù)值模擬表明，無論從穩(wěn)定 性還是計算效率考慮，變步長的RungeKuttaFehlberg法適用于活性污泥模型的數(shù)值求解H1。 12。2氣量分配模燮的設計與開發(fā)(1)單個閥門的氣量調節(jié)模型的設計與開發(fā) 為了向控截單元供應其所需的氣量，需要精確地調節(jié)閥門。本研究中，首先考慮單個閥門的配氣模型，主要采用粗調加微調的方式對閥門加以調節(jié)。粗調，即根據選用的閥l'-J的開度一氣量睦線，根 據所需氣量，設定閥門的開度；微調，即在粗涮的基礎上，根據流量的設定值(即需氣量)，以PID的方 式，對閥門進行精細

6、的調節(jié)。在實際運行中，發(fā)現(xiàn)通過閥門的電動執(zhí)行機構對閥門開度進行粗調，流量計給出的氣量實際值與 設定流量之聞還是存在15左右的偏差，達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確的因素；在通過迭代法求解設定氣量對應的閥門開度的過程中，假定 管道的壓力不變，這給數(shù)值求解帶來了誤差；閥門電動執(zhí)行機構的執(zhí)行動作也存在著偏差。為了進 一步降低氣量的偏差，采用基于PID調節(jié)的微調措施來對閥門的開度進行進一步精細地調節(jié)。為了 簡化調節(jié)難度，采用了比例環(huán)節(jié)進行微調。試驗表明，通過這樣的配氣方式，可將流量的談差控制在 5以內。(2)閥門系統(tǒng)的調控原則 污永處理廠往往包括多個并行熬

7、生化處理單元，鼓風梳通過總管向每個生化單元供氣。在精確曝氣控制系統(tǒng)中，僅僅考慮單個閥門的配氣性能還不足以使得整個曝氣系統(tǒng)進行穩(wěn)定可靠的運行，整 個曝氣系統(tǒng)中一個元件(如電動調節(jié)閥門)的動作往往會弓l越整個配氣效果的波動。為了盡量降低其 中一個閥門的動作對其他配氣單元配氣效果的影響，通過多次試驗提出了控制多個閥門系統(tǒng)的原則：需要避免悶門系統(tǒng)中所有閥門的開度同時減小(或增大)，這一原則對避免鼓風機發(fā)生喘振具有重 要的意義；為了降低系統(tǒng)的總壓損，在所有時刻至少有一個閥門處予容許的最大開度下，這一原則 要求必須實時地根據總的需氣量對鼓風機的供氣量進行精準調節(jié)；為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，各個閥 門開度酶和需

8、要保持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)下。123鼓風機配氣模型設計 鼓風祝是提供污水廠歪翁空氣的主要來源，污水廠迸水受荷的時變性要求實時調節(jié)鼓風視的總輸出氣量和壓力以滿足曝氣池內的微生物對溶解氧的動態(tài)需求量。系統(tǒng)曝氣分配與控制系統(tǒng)根據本 系統(tǒng)模型計算如來各好氧段的實際需氣量，通過鼓風機系統(tǒng)主控柜MCP(Master Control Panel)實現(xiàn)全 自動控制鼓風機的啟停和進、出口導葉開度來調節(jié)氣量，并通過閥門單元模型實現(xiàn)按需供氣，從麗避 免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)工藝的精細化、穩(wěn)定化控制，節(jié)約 曝氣能耗。124動態(tài)溶解氧氣量模型設計 控剿單元動態(tài)溶解氧氣量設計主要是根據生

9、億池控麓單元根據生訖模型計算出溶勰氧的設定值，然后根據溶解氧值及模型參數(shù)來決定各控制單元的真正需氣量來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)及應用研究動態(tài)設定值通過控制單元水質儀表參數(shù)(如：溶解氧、污泥濃度、氨氮儀等)，動態(tài)水力模型以及出水要 求動態(tài)計算而得出。本系統(tǒng)主要考慮了以下幾點：溶解氧實時值帶來的滯后響應，需自適應修正部 分模型系數(shù)，使匹配度達到最佳；氣量與溶解氧值的復雜周期關系，需通過周期補償系數(shù)來解決； 各個閥門的動作頻率和開度變化必須充分考慮對其余控制單元的影響；鼓風機系統(tǒng)響應節(jié)拍對整 個系統(tǒng)聯(lián)動調節(jié)至關重要，需綜合各控制單元的

10、硬件和環(huán)境屬性、水質、水量的沖擊變化，對鼓風機系 統(tǒng)設定值和實際值做出針對性的周期變化，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上，實現(xiàn)改善出水水質、確保氨氮穩(wěn)定達標的要求，本系統(tǒng)以氨氮為控制目標，根據時刻變化的進水流量、COD和氨氮等，即時計算出降解這些氨氮所需的氣量(轉化 成DO量)，以使出水COD和氨氮能夠穩(wěn)定達標。目前，針對溶解氧的精確曝氣控制在工程實踐中得到了較為廣泛的應用。在針對溶解氧的精確 曝氣控制中，通過鼓風機一閥門系統(tǒng)的調節(jié)將生化反應池控制單元中的溶解氧控制在目標值上，以維 持穩(wěn)定的生化環(huán)境，提高出水水質達標率。但是，這樣的控制方式和控制目標只

11、是間接影響或控制出 水水質的手段。出水水質標準不涉及到溶解氧，而直接針對的是COD、氨氮等。為了達到直接控制生 化池出水氨氮的目的，本系統(tǒng)采用更為復雜的級聯(lián)控制方式。盾圈嘈一鄉(xiāng)廠-丘應，也詹誓弘一一_斗o斗一-,'ta一4-N嘲(籬)壓圃廠!、圖1級聯(lián)控制原理圖該級聯(lián)控制邏輯的內回路是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 設定值控制回路，兩個回路通過溶解氧設定值關聯(lián)在一起。在該控制邏輯中，首先借助于數(shù)學模型求 解將控制單元的實際氨氮值穩(wěn)定在其目標值所需要的溶解氧，將該溶解氧值設定為控制單元的溶解 氧設定值；然后，通過DO控制器調節(jié)鼓風機和曝氣量，使得控制單元的溶

12、解氧穩(wěn)定在設定值附近。2精確曝氣系統(tǒng)在污水處理廠的應用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m3。構筑物參數(shù)如下：曝氣池4組，每組5廊道，每廊道113×95×6 m，厭氧、缺氧、好氧段水力停留時間(HRT)分別為：15 h、32 h、108 h。212能耗分布 該污水處理廠運行成本分布見圖3，電耗費用、絮凝劑費用占運行成本構成的前兩位，其中電耗占運行成本的比例為5642?？梢?，節(jié)能降耗對降低城市污水處理廠總運行成本具有重要意義。 通過分析該廠污水處理系統(tǒng)預處理、二級處理、污泥處理等單元中主要處理設備的電耗情況，發(fā)221·全國

13、排水委員會2013年年會論文集現(xiàn)二級生物處理單元是整個城市污水處理廠的最大耗能單元，占到整個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處理單元。F而習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污水處理廠運行成本分布比例二級處理單元的能耗主要集中在鼓風機、攪拌器和內外回流泵，鼓風機占二級處理單元電耗的 7996，占全廠能耗的4775，是最大的耗能單元，因此對于二級處理單元及全廠的節(jié)能重點應該 在鼓風機的節(jié)能降耗上。22精確曝氣節(jié)能系統(tǒng)實施方案221控制策略 精確曝氣系統(tǒng)對曝氣的

14、精細控制分為時間與空間兩個維度，在空間上對生化池進行溶解氧分區(qū)控制，滿足不同工藝段的曝氣需求；在時間上隨進水負荷變化動態(tài)設定曝氣量，滿足不同進水趨勢下 的曝氣需求。精確曝氣系統(tǒng)對曝氣系統(tǒng)在控制上分為就地控制和鼓風機控制，基于曝氣計算模型和 曝氣分配模型，精確曝氣系統(tǒng)優(yōu)化調節(jié)各就地控制閥門，實現(xiàn)生化系統(tǒng)曝氣的按需分配；基于總曝氣 流量和安全壓力設定，精確曝氣系統(tǒng)對鼓風機系統(tǒng)進行調節(jié)，總曝氣流量滿足生化系統(tǒng)曝氣量需求， 安全壓力設定滿足鼓風機安全運行需求。222儀表布置 由于好氧段沿推流方向的污染負荷不同，對溶解氧的需求也不同。因此，為了適應好氧區(qū)不同區(qū)段對溶解氧需求量的差異，實現(xiàn)對溶解氧的精確控

15、制，要對好氧區(qū)進行劃分。將生化池單個池子的好 氧區(qū)分為前后兩個溶解氧控制區(qū)，分別設置不同的溶解氧控制目標，實現(xiàn)對溶解氧的精細化控制。不 同的溶解氧控制區(qū)都可以單獨設定目標控制值。每個溶解氧控制區(qū)由一臺溶氧儀、一臺電動調節(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)及應用研究門、一臺熱式空氣流量計和氨氮在線儀構成。除閥門等關鍵執(zhí)行設備以外所有信號均通過總線形式 接入精確曝氣系統(tǒng)。下圖為生化池單個池子溶解氧分區(qū)控制圖，以及溶氧儀、氨氮儀電動調節(jié)閥門和熱式空氣流量計 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，M為污泥濃度計， L為液位計，P為壓力變送器，V為閥門。圖

16、4單池設備儀表布局223鼓風機控制方案 在精確曝氣系統(tǒng)的實施中，對該廠高速離心鼓風機控制方式進行改造，把4臺鼓風機作為一個整體系統(tǒng)，設置一臺主控柜(MCP)，在自動方式下由MCP實現(xiàn)鼓風機的啟停與調節(jié)功能。精確曝氣系 統(tǒng)根據當前進水流量、進水負荷實時計算出所需空氣總量，進而將所需氣量設定信號及壓力信號傳遞 給鼓風機MCP，MCP對某一臺或者幾臺鼓風機實施啟停、進出口導葉的調節(jié)等，使鼓風機不再以某個 固定功率持續(xù)運行，調節(jié)時間間隔也不再以小時為單位，而是根據實時計算出的實際需氣量以分鐘為 單位進行調節(jié)，以達到風量及系統(tǒng)壓力動態(tài)設定的目的，同時給出當前工況下的喘振壓力保護值，用 于保護鼓風機的運行

17、。通過系統(tǒng)對鼓風機的控制，避免了進水負荷高峰時的曝氣量不足和進水負荷 較低時曝氣量過大，實現(xiàn)了工藝的精細化、穩(wěn)定化控制，同時節(jié)約了曝氣能耗。圖5精確曝氣系統(tǒng)對鼓風機的控制方式23現(xiàn)場應用效果231 BOD·223·全國排水委員會2013年年會論文集如圖6所示，2012年611月BOD月均出水值相比2009年同期有所減小，達到城鎮(zhèn)污水處理 廠污染物排放標準(GBl8918-2002)一級B標準，低于10。0 mgL。喜鑫。q月份翻6 20119年與2012年6-11月份出水BOD綾果對比2。3。2NH4+一N如圖7所示，精確曝氣系統(tǒng)運行后月均出水氨氮值能夠達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)運行后，舀水NH4一N月均一級A達標率的穩(wěn)定性得到了大幅提 高，一級A達標率提高到了90以上。數(shù)據表明，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，能夠實現(xiàn)氨氮的快速降解，保障出水NH4+一N一級A達標率穩(wěn)定在90以上，對于 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結果對比23。3箋耗統(tǒng)計2012年，通過應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)運營能耗降低了106。3結論將研究