曝气系统是污水生化处理的核心,合理的溶解氧对微生物污染物降解至关重要,其能耗占整个污水处理过程的大部分。因此,曝气系统运行效果对污水处理厂的运营有着重大影响^[1,2,3] 。当前,不少污水处理厂在设计阶段存在边界条件不清的情况,导致设计时为保证出水达标而设定一个较大的安全系数,这使得其在设备选型方面会与实际情况有一个较大的偏离;除此之外,因为进水水质、水量的波动,污水处理厂在运营过程中也会将溶解氧控制在一个较高水平以保证出水达标。即使如此,在面对进水水质、水量的较大波动时,污水处理厂人工控制曝气量亦可能出现溶解氧不足而影响生物处理的情况。因此,如能根据水质、水量的变化对曝气系统进行优化控制,在保证生化处理溶解氧要求的前提下兼顾曝气量的经济性将对污水处理厂的处理效果及处理成本控制起到积极作用。

　　 当前的曝气控制基本思路是根据生化池中溶解氧值反馈控制鼓风机的曝气量。控制策略一般采用PID(比例-积分-微分)调节控制,即通过溶解氧测定值与溶解氧设定值进行比较,两者的偏差通过PID运算后调节鼓风机或电动阀门开度,进而对溶解氧进行控制。但该方法存如下问题:1开始曝气到池内溶解氧变化有时间延迟,而且缺少中间变量,控制回路没有区分快速的充氧过程和慢速的耗氧过程,这会导致系统超调和震荡,溶解氧控制波动较大,不利于生化系统的稳定运行;2能耗较高,为了保证出水安全,一般设置的溶解氧值较高。除此之外,还有一些采用比较简单的串级反馈控制,缺少前馈补偿,难以应付进水负荷、水量的大幅波动,同样无法保证溶解氧及曝气控制的有效性。因此,为有效控制溶解氧为生化系统提供适宜的运行条件且节约能耗,在南方某污水处理厂进行前馈补偿-多参数串级控制精确曝气改造,并对其应用效果进行分析、研究。

　　 污水处理厂位于广东省,污水处理能力10万m³/d,采用改良A²/O工艺,工艺路线如图1所示。排放标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准与《广东省水污染物排放限值》(DB 44/26-2001)第二时段一级标准较严者。出水指标如表1所示。

　　 污水处理厂进水污染物浓度随降雨量波动较大,全年超过一半的月份进水污染物浓度低于设计值,存在较大的节能降耗空间。

　　 污水处理厂分2个系列,每个系列规模5万m³/d。污水处理生化池分厌氧区、缺氧区和好氧区。好氧区共8廊道,由4根曝气支管供气,每根曝气支管给相邻的2个廊道供气。

　　 污水处理厂曝气采用空气悬浮鼓风机,配置3台风量8 000m³/h、1台风量为4 000m³/h的鼓风机,改造前风机控制方式为手动调节,根据生化池出水口溶解氧调整鼓风机运行数量及变频器频率。

　　 2014年污水处理厂全年平均单位水量能耗为0.151kW·h/m³,低于本地区能耗的平均水平^[4] 。污水处理厂各处理单元能耗最大的是鼓风机,为0.071kW·h/m³,占总能耗的45.73%。

　　 曝气控制过程的基础是建立对应的生化需氧模型。首先通过对特定污水处理厂的历史运行数据和在线运行数据进行分析处理,确定该污水处理厂生物处理过程的一些特征参数和补偿参数。再通过仿真,检验这些特征参数的有效性。其次考虑在线控制过程,即通过建模过程中获得的特征参数和补偿参数,经模型计算得出当前需要的曝气量,按照该气量进行精确控制。在线数据又分为前馈数据以及后馈数据,前馈数据考虑生化池前端的输入因素,比如进水量变化、进水水质变化,当系统获得明显异常的前馈在线数据后会提前进行反操作,而不是等到DO发生变化后再进行调节;后馈数据考虑生化池在线仪表数据,如DO、MLSS、液位、池内温度、曝气流量等,系统会对后馈进行跟踪以确定控制结果。

　　 前馈补偿-多参数串级控制精确曝气系统包含前馈补偿模块、反馈补偿模块、串级反馈控制模块及PID控制模块等4个模块。前馈补偿模块根据进水负荷及进水水量向串级反馈模块输出溶解氧前馈补充调节量或调整串级反馈模块的需气量;串级反馈模块综合分析各溶解氧控制区在线溶解氧仪读数、流量计读数及目标值,计算出需气量及阀门、鼓风机的调节度并输出到PID模块,对鼓风机的启闭及开度、阀门的开度进行控制。反馈补偿模块将采集到的水质信息与出水标准进行比对,根据分析结果对串级反馈模块中溶解氧设定值或需气量设定值进行补偿。

　　 控制原理示意见图2。

　　 根据曝气管路现有设计及该厂的实际情况,精确曝气改造将单座生化池的好氧区分成4个溶解氧控制区,每根曝气支管作为一个溶解氧控制区,单独控制该分区内曝气量。每个溶解氧控制区配置1台可调节电动球阀、1台空气流量计和1台在线溶解氧仪表,各仪表安装位置如图3所示。

　　 鼓风机PLC子站增加精确曝气控制柜,柜内含1台工控机,鼓风机、在线仪表及电动阀门各参数信号均与该控制柜联通,通过安装于工控机内的前馈补偿-多参数串级控制程序综合分析、计算,调配各鼓风机的启闭及开度、各电动球阀的开度,维持曝气池各分区溶解氧处于合适范围。

　　 精确曝气改造于2014年12月调试完成,2015年全年稳定运行。效果分析分别选取2014、2015全年运行数据作为改造前后效果的对比,减少季节变化对效果分析的影响。

　　 实施精确曝气改造后,生化池溶解氧根据需要自动进行调整,基本保持了生化池溶解氧的稳定。生化池出水口溶解氧以30min为周期,一周的变化趋势如图4所示,生化池出水溶解氧基本维持在(2.0±0.5)mg/L范围内波动,基本实现了溶解氧的稳定控制。

　　 2015年每月处理水量均高于2014年同期,全年处理总水量比2014年增加19.93%。

　　 2014年和2015年月平均进水BOD₅和氨氮浓度变化见图5。2015年进水BOD₅浓度除1月和3月外,其余月份均高于2014年;进水氨氮浓度除10月和12月外,其余月份均高于2014年。进水BOD₅、氨氮月均值较2014年分别提高24.83%和7.73%。

　　 2014年和2015年月平均出水BOD₅和氨氮浓度变化见图6。2015年出水BOD₅、氨氮低于2014年且更稳定。出水月均值分别降低16.15%、52.32%。综合月处理水量,2015年较2014年BOD₅去除总量上升65.02%,氨氮去除总量上升36.16%。

　　 2015年月度鼓风机总电耗除5月和12月稍高于2014年同期外,其余月份均降低,全年鼓风机电耗比2014年减少4.76%。

　　 2014年和2015年单位水量月平均电耗和月平均鼓风机电耗对比见图7,2015年的数值均低于2014年同期,且更平稳。2015年全年平均单位水量电耗为0.130 kW·h/m³,较2014年的0.151kW·h/m³,降低了13.91%。2015年单位水量全年平均单位水量鼓风机能耗0.073kW·h/m³,较2014年的0.057kW·h/m³,降低了21.92%。

　　 根据《城镇污水处理厂运营质量评价标准》(CJJ/T 288-2014)规定,年均单位耗氧污染物削减量电耗是指年度内处理单位耗氧污染物削减量电耗的平均值,计算公式见式(1)^[5] :

　　 2014年和2015年月平均单位耗氧污染物能耗及单位污染物鼓风机能耗见图8。2015年单位耗氧污染物电耗为0.82 kW·h/kg,相比2014年的1.20kW·h/kg下降31.7%;2015年单位耗氧污染物鼓风机电耗为0.35kW·h/kg,相比2014年的0.56kW·h/kg下降37.5%。可见2015年单位耗氧污染物鼓风机能耗均低于2014年同期,且变化更平稳。

　　 在对应用精确曝气技术后进出水水质及能耗分析的过程中发现,生化池污泥浓度相比改造前有了较大幅度下降(见表2)。2012~2015年历年污泥浓度数据见表2,每年污泥浓度都有一定幅度的变化,但2015年下降幅度最大,在污水处理厂整体运行未出现其他显著变化的条件下,可以判断精确曝气技术的应用是污泥浓度下降的重要原因。而且从表2可见,2015年较2014年年均MLSS下降了1 019mg/L,但MLVSS仅下降了122mg/L,也就是污泥浓度的下降并未造成有效活性污泥大幅下降,大部分都是无机颗粒组分的下降,有效活性污泥组分的稳定保证了生化系统对污染物的去除,而无机颗粒组分的下降有利于曝气能耗的节省(鼓风机的供气压力减小了),因此从节能角度来看,精确曝气的应用导致了污泥浓度下降是有利的。虽然污泥浓度下降可能会导致污泥沉积,进而加快曝气盘的堵塞,但该结论是否成立需要根据未来长期运行数据再进行深入研究。

　　 通过污水处理厂精准曝气改造前后一年的运行数据分析,前馈补偿-多参数串级控制精确曝气系统可达到如下效果:

　　 (1)基本实现了溶解氧的稳定控制。

　　 (2)在进水水质有较大幅度上升的条件下,出水水质更优且更稳定,在进水日均BOD₅浓度上升24.83%、进水日均氨氮浓度上升7.73%的情况下,出水日均BOD₅浓度下降16.15%、出水日均氨氮浓度下降52.32%。

　　 (3)节能效果显著,改造后BOD₅去除总量上升65.02%,氨氮去除总量上升36.16%,但鼓风机电耗却下降了4.76%,单位水量电耗从0.151kW·h降低至0.13kW·h,降低13.91%,单位水量鼓风机电耗从0.071kW·h降低至0.056kW·h,降低20.59%,单位耗氧污染物鼓风机电耗从0.56kW·h降低至0.35kW·h,降低37.5%。