鱼化污水处理厂精确曝气技术应用与优化.pdf

2023 年第 3 期 49 CITY AND TOWN WATER SUPPLY城镇排水鱼化污水处理厂精确曝气技术应用与优化赵猛1 陈雨佳1 张洋1 王玉胜2 陈敏芳2 任鹏举2（1.西安净水处理有限责任公司，陕西西安 710077；2.美尚生化环境技术（上海）有限公司，上海 201107）摘要：在以活性污泥法为主要工艺的生活污水处理过程中，生物池曝气能耗约占污水处理厂总能耗的 50%60%左右。曝气量是活性污泥法工艺重要控制参数之一，对曝气量的精确控制是污水处理节能降耗的有效手段之一1。污水处理过程中要想实现按需曝气，需要克服污水处理运行过程中非线性、滞后性、复杂性等诸多不利因素，才能实现对曝气系统的精确控制。本文介绍了鱼化污水处理厂精确曝气控制系统的实际应用及效果，为计划使用或已在运行的精确曝气控制系统的污水处理厂提供一定的参考。关键词：污水处理；精确曝气；节能；溶解氧；风量控制；阀门控制1.工程概况西安净水处理有限责任公司鱼化污水处理厂属于西安市第二污水处理厂污水处理系统，位于西三环以西、二府庄村以东、北岳路以北、新家庄以南区域。一、二期建设规模为 20.0 万 m/d，生物池设计为多模式+MBBR 运 行，目 前 以 传 统 AAO 模 式+MBBR 运行。污水处理后总氮达到西安市城镇污水处理厂再生水化提标改造和加盖除臭工程三年行动方案（2018 年-2020 年）（市政办发 2018100 号）文件中地表水准四类水质要求，其余指标达到陕西省黄河流域污水综合排放标准（DB61/224-2018）表1 中的 A 标准。鱼化污水处理厂生物池曝气量控制是采用美尚生化环境技术（上海）有限公司提供的精确曝气控制系统（以下简称 BACS系 统），于 2019 年 5 月 建 设 完 毕，一 期BACS 系统于 2020 年 5 月份调试投入运行，一、二期于 2022 年 5 月 1 日全部投入正常稳定运行。2.工艺参数2.1 设计进出水标准鱼化污水处理厂的设计进出水标准如表 1 所示，市政管网来水可生化性好，且不缺乏碳源，因此控制生物池溶解氧稳定对于生物系统的稳定运行及节能降耗显得尤为重要。2023 年第 3 期 50 CITY AND TOWN WATER SUPPLY城镇排水表 1主要进出水水质指标监测点COD（mg/L）BOD5（mg/L）TN/（mg/L）NH3-N（mg/L）SS（mg/L）pH进水56026056483806-9出水306151.5102.2 工艺流程下图为生物池工艺流程图：下表为生物池设计结构参数：表 2生物池构筑物参数（单组池）项目有效容积（m）有效水深（m）设计 HRT（H）厌氧区414082缺氧区1275686.12好氧区2011489.653.BACS 系统简介3.1 系统概述BACS 系统是一个使用高级算法的在线监控系统，用为活性污泥工艺优化曝气控制。该系统可根据污水厂实际进水量、负荷的变化及各控制单元溶解氧运行水平的需求，通过采用前馈和反馈控制逻辑，BACS 系统提供总曝气量和各曝气段曝气量的设定值，以及阀门的控制，来优化控制整个曝气系统，这些先进的控制策略能对给定的 DO 设定值提供精确的溶解氧（DO）控制。3.2 BACS 系统设计依据生物池工艺施工图纸及工艺参数，将每组（共计 4 组）生物池好氧区分为两个控制区，每个控制区曝气管设置调节阀门和空气流量计，在池内配置 DO 测量仪及MLSS 测量仪，根据以上工艺参数及相关资料进行系统模型搭建。下图为 2 组池的系统配置图：图 2生物池系统配置图图 1 生物池工艺流程图2023 年第 3 期 51 CITY AND TOWN WATER SUPPLY城镇排水3.3 BACS 系统原理简介系统采用前馈+模型+反馈的控制逻辑，通过采集进水负荷数据（流量、COD、氨氮等）及生物池好氧区溶解氧反馈值（DO）、MLSS测量值，进行好氧区曝气风量精确计算，该计算结合独特的耗氧速率 OUR 计算方法，精确预测更新下个周期耗氧速率 OUR，在线实时计算得到好氧区实际需要的气量设定值，并计算总气量设定值，将气量设定值发送至鼓风机的 MCP 总协调柜，由 MCP 柜控制鼓风机曝气风量（调节进口导叶开度及风机启停），再通过调节阀门开度计算及控制，来保证气量（FM1）均衡分配，以此达到稳定追踪 DO 目标值的目的，实现鼓风机能耗的节约。下图为 BACS 系统原理图：图 3BACS 系统原理图3.4 关于气量计算逻辑基于氧传递速率 OTR 与耗氧速率 OUR的气量计算逻辑，生物池好氧反应过程中，溶解氧 DO 浓度是供氧（鼓风曝气）与耗氧（活性污泥微生物耗氧降解污染物）两者的平衡。其中我们采用氧传递速率（OTR）用于测量从气态氧传递到液态氧的速率，即供氧量；采用耗氧速率（OUR）用于测量细菌消耗的溶氧量。为了维持 DO 设定点（DO 设定值实现），OUR 与 OTR 需相等，即溶解氧的供给（鼓风曝气）与消耗相当。.1,HBHOCODHHHXD OKD OCODKCODYYOUR?ABAONHAAAXDOKDONHKNHYY,4457.4?耗氧速率与基物、营养负荷、溶氧浓度、温度和 MLSS 浓度相关的非线性函数。在污水厂实际运行中，短时间周期内溶解氧消耗主要受到进水负荷（水质、水量）影响，长时间周期内除进水外还有水温，MLSS 浓度等影响。备注：ZONE1、2、3、4 为好氧区 4 个控制分区；图 4OUR 随水力沿程变化图活性污泥微生物好氧降解不同阶段对于OUR 的贡献依次为（从大到小）：碳类污染物降解（异养菌），氨氮硝化变成硝酸盐（自养菌），微生物内源呼吸（如图 4 所示）。在同一个生物池中，由于污染物浓度沿程呈递减变化，OUR 也呈递减趋势。所以从设计到分区控制运行，好氧生物处理一般都要考虑递减曝气（如图 5 所示）。图 5活性污泥模型图2023 年第 3 期 52 CITY AND TOWN WATER SUPPLY城镇排水3.5 关于传统生物池需氧量和空气量计算传统需氧量计算公式如下2：)1000/()(24eiwwNFLLQV?（1）)(242bNVaLLQOwei?（2）其中2O为曝气池污水需氧量，dkgO/2；Q为 曝 气 池 的 设 计 流 量，hm/3；iL为曝 气 池 进 水5BOD浓 度，Lmg/；eL为曝 气 池 出 水5BOD浓 度，Lmg/；V为曝气池容积，3m；wN为曝气池MLSS浓度；wF为污泥负荷；a为5BOD降解需氧量，范 围 为 0.42-0.5352/kgBODkgO；b为活性污泥内源呼吸耗氧量，范围为 0.11-0.188)/(2dkgMLSSkgO。空气量计算公式3需设定一些参数。传氧系数是曝气头将空气扩散到水体的能力，直接决定设计空气量和管径的大小，a值表征水体内污染物对转移系数的影响，不同进水负荷工况下，a取值不一样，污染物浓度越高，a值越低，因此高、平均、低负荷条件下a值分别取 0.6、0.7、0.8；为 0.96；水深为 7m；设计水温为C?14。不同工况下生物池采用不同参数。3.6 气量设定值与阀门设定值关系逻辑对曝气池各段分支供气管道上的阀门开度进行快速调节，保持溶解氧浓度的稳定，对工艺的过程控制和降低曝气能耗具有重大的现实意义4。各廊道的气量设定值通过调整相应阀门的开度来实现，BACS 系统通过对各廊道阀门位置的计算并给出阀门开度设定值，使得实时风量始终趋近于所计算出的需气量。阀门开度设定值根据气量设定值进行调整，阀门开度实时值围绕设定值不断调整，最终使各廊道的实时气量值接近设定值。3.7 BACS 系统初始参数BACS 系统操作简便，控制模式有自动控制和手动控制，可灵活切换。系统可调整的工艺参数有：好氧区的目标溶解氧、支管气量计算周期、总管气量计算周期、气量平衡周期、阀门控制周期、阀门计算周期及预测值与历史值占比、各曝气支管气量上下限、各曝气支管调节阀门上下限等。气量设定值、阀门开度设定值模式有手动设置和自动计算两种模式，正常运行期间为自动模式，特殊情况及调试期间可以将单个或全部控制区调整为手动控制模式，通过手动控制给定总风量值运行，由阀门自动控制分配各支管需气量，由于手动控制为出现特殊情况下使用，在此不做详细描述。鱼化污水处理厂 BACS 系统，初始设定风量计算系数，其中历史值占比初始值为 0.2，其他参数如表 3 所示。表 3BACS 系统初始设置参数位置目标溶解氧mg/L气量上下限m/h阀门上下限%气量计算周期Min气量平衡周期s阀门计算周期s阀门控制周期Min中段1.51000-800020-901550458末端2.2800-300020-904.系统优化运行本次调整优化系统参数有：气量计算周期、阀门控制周期、气量上下限和目标溶解氧等。结合BACS系统历史数据库，根据季节性、进水负荷波动变化等因数，对气量计算周期、阀门开度及控制计算周期、气量平衡周期、预测值占比进行定期调整测试，将阀门上下限调整至 10 90%作为固定变量，气量也分别设2023 年第 3 期 53 CITY AND TOWN WATER SUPPLY城镇排水置上限限值（安全限值），对以上数据进行运行优化分析。5.优化过程及效果5.1 气量计算周期气量计算均为系统运用公式采集参数在线实时计算5，气量计算周期指系统给出气量设定值的时间间隔周期，针对水量水质变化较大的情况下，适当缩短调整周期时间，理论上可以降低溶解氧振荡幅度，更趋于接进溶解氧设定的目标值。实际运行控制中，通过图 6 可以观察到，气量计算周期从 15 分钟降低至 10 分钟，可以显著降低溶解氧振荡幅度，同时减少总风量较大波动，使鼓风机在多数时间内保持稳定运行，考虑到空气从鼓风机房传递至生物池水体中需要一定时间，气量计算周期最低降低到 10 分钟。图 6 A1 溶解氧与风量设定值曲线5.2 阀门控制周期图 7 为阀门开度计算值与实际反馈值曲线，经过观察可以发现实际控制匹配程度较高。通过图 8 可以观察到，同一天阀门控制周期从 8 分钟降低到 7 分钟对溶解氧（DO实时值）的控制稳定性影响不大，其每个周期间隔 1 分钟动作一次，控制周期从 8 分钟调整为 7 分钟时，每个周期就会减少动作一次，故阀门控制周期建议设置为 7 分钟（或更小时）可以减少阀门动作次数，提高设备使用寿命。图 7A1 区阀门开度设定值及实际曲线（调节阀门控制效果）图 8A1 区溶解氧与阀门开度曲线5.3 支管气量上下限设置在生产运行过程中通过定期查看溶解氧曲线，通过曲线观察溶解氧控制偏差，发现正偏差较多时，合理降低支管风量上限，发现负偏差较多时，合理提高支管风量下限，通过支管分量上下限控制溶解氧震荡幅度，使风量控制更加精确稳定。5.4 目标溶解氧控制通过调整生物池好氧区前端溶解氧设定值观察溶解氧控制情况，在将前端 DO目标值相对降低，由 1.5 2.0mg/L 降至1.0mg/L，使整个好氧区处理负荷合理分配到末端控制区，既可以维持末端 DO 目标值稳定追踪控制，又有利于缺氧区反硝化反2023 年第 3 期 54 CITY AND TOWN WATER SUPPLY城镇排水应，提高脱氮效率。由图 9 可以看出实际控制过程中分别设定了 2.2mg/L、2.5mg/L、2.8mg/L 的目标溶解氧浓度，通过观察发现在 2 3mg/L 的范围内，设定末端溶解氧浓度 2.8mg/L 时，出水水质稳定达标，此时的 DO 值更优，系统控制也越稳定。在实际使用过程中，应根据生物池运行参数观察结果，设定溶解氧控制目标，通过对前端和末端的 DO 目标值合理设置，既可以保证工艺稳定运行需要，又可以减少 DO值波动、节约鼓风机曝气能耗。图 9A1 溶解氧设定值及实际曲线5.5 总风量计算值与进水负荷关联性精确曝气控制系统根据进水流量、COD、NH4-N 等实时数据，计算各控制支管需气量，综合各支管气量设定值与实际值来计算总需气量设定值，给到鼓风机 MCP 柜控制风量输出，实现风量的实时自动调节，通过下图 10可以看出随进水量（进水负荷）降低，总气量设定值也明显降低，实现曝气能耗节约。图 10进水量及总气量数据曲线6.结论6.1 运行效果通过运行观察不难发现，控制溶解氧的主要因素为气量的计算与控制，精确的气量计算结果通过相关辅助措施更容易得到稳定的控制结果；阶段性的调整风量计算周期时间（在线实时计算），有利于溶解氧控制稳定，因此风量计算周期在一定范围内与控制效果具有关联性；阀门控制周期在本次实验中与溶解氧的相关性不显著，在满足支管设定气量值追踪情况下，阀门动作次数是可以减少的；支管气量上下限设置为辅助稳定溶解氧的手段之一；通过分析溶解氧和气量历史曲线，对 BACS 系统参数进行调整，可以得到非常稳定的 DO 控制结果，正负偏差值在：0.5mg/L（90%范围内）；随着进水负荷波动，系统可在线实时计算合适的总气量，保证工艺稳定运行，其中，2022 年 5 9 月份的实际出水 TN 均值维持在 8mg/L 的范围内，同时实现能耗节约。6.2 经济效益分析1）电耗节约如下页表3所示，系统经过2022年5月9月的使用调整，在出水稳定达标基础上同比去年人工控制风量（系统暂停使用）时的电耗平均降低 0.114 度/m。2）项目投资回报以鱼化污水处理厂全年处理量 16 万 m/日为例，该精确曝气控制系统投资成本约 500万元（包含 BACS 系统及控制柜、调节型蝶阀、热式流量计、DO/MLSS 仪表等），系统设备维护费用约5万元/年，电费单价为0.5502元/度，节约比例为 20%，工况条件因数 0.8，全年节约鼓风机电耗费用：约为 286 万元；经核算，系统投资回报周期约为 23 年，经济和社会效益效果显著。2023 年第 3 期 55 CITY AND TOWN WATER SUPPLY城镇排水参考文献：1 George Lee，Jim Goodley，尚爱安，等。工艺优化诊断技术用于污水厂的改造 J.中国排水，2006，22（2）：26-30.George Lee，Jim Goodley，Shang Aian，et al.Application of process optimization and diagnosis technology in the renovation of wastewater treatment plant J.China Drainage，2006，22（2）：26-30.（in Chinese）2 CECS 97：97，鼓风曝气系统设计规程S.北京：中国工程建设标准化协会，1977.CECS 97：97，Design Code of Air blast aeration system S.Beijing：China Engineering Construction Standardization Association，1977.3 崔玉川，刘振江，张绍怡。城市污水厂处理设施设计计算（第 2 版）M.化学工业出版社，2012.Cui Yuchuan，Liu Zhenjiang，Zhang Shaoyi.Design and Calculation of Municipal Wastewater Treatment Facilities（2nd Edition）M.Chemical Industry Press，2012.4 张禹卿。活性污泥系统溶解氧控制的计算机模型研究 J.中国给水排水，1988，4（4）：4-10.Zhang Y Q.Study on computer model of dissolved oxygen control in activated sludge system J.China Water Supply and Drainage，1988，4（4）：4-10.（in Chinese）5 崔玉川，孙林忠，史维忻，等苏州福星污水厂生物池工艺控制系统设计及分析 J.中国给水排水，2012，28（1）：104-108.Cui Yuchuan，Sun Linzhong，Shi Weixin，et al.Design and analysis of biological tank process control system in Suzhou Fuxing Wastewater Treatment Plant J.China Water and Drainage，2012，28（1）：104-108.（in Chinese）作者通联：表 3鱼化污水处理厂精确曝气能耗节约性能测试对比表序号月份2022 年2021 年对比节约电耗进水量（m）出水量（m）用电量（度）电耗（度/m）进水量（m）出水量（m）用电量（度）电耗（度/m）差值（度）占比（%）15 月4624128451555819883000.4404109062381257920818000.5500.110 19.9%26 月4280792418097421941000.5253806944351186720214000.5800.055 9.5%37 月3989116387838119179000.4953908660356787921128000.5900.095 16.2%48 月3699448358550616801540.4693875348352041719885000.5600.091 16.3%59 月5358084522659917290560.3313786758344318517616000.5100.179 35.1%合计21951568213870189509510-19486772178559279966100-平均-0.445-0.5580.114 20.3%