在線水質(zhì)儀表在城市污水廠精確曝氣中的應(yīng)用
來源： 閱讀：4105 更新時(shí)間：2012-05-29 16:11城市化的發(fā)展，使得城市污水的排放量不斷增加。目前，城市生活污水的排放量約為每年400億噸。2010年底，全國(guó)建有城市污水處理廠共2832座，日處理能力1.25億立方米，城市污水處理率達(dá)到77.4%。“十二五”期間，國(guó)家進(jìn)一步加大對(duì)城鎮(zhèn)污水處理的支持力度，總氮、總磷的控制都將提上議事日程。我國(guó)污水處理的發(fā)展也將向提高污水處理廠的運(yùn)行效率轉(zhuǎn)變。
一、背景介紹
目前，我國(guó)污水處理廠出水口一般設(shè)有在線水質(zhì)分析儀器，而對(duì)于進(jìn)水水質(zhì)的檢測(cè)，則依***實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，在線水質(zhì)分析儀器比較少，檢測(cè)頻率低。然而，對(duì)于污水處理廠，進(jìn)水流量和COD濃度是不斷變化的，如圖1所示為污水處理廠典型的每日進(jìn)水負(fù)荷曲線。如果不了解進(jìn)水水質(zhì)，污水處理廠的工藝參數(shù)將得不到及時(shí)調(diào)整，最終導(dǎo)致出水水質(zhì)波動(dòng)較大。為保證出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，一般會(huì)按照最大的進(jìn)水負(fù)荷設(shè)置工藝參數(shù)。這種保守的運(yùn)行方式具有很大的富余量，效率低，浪費(fèi)大。出現(xiàn)沖擊負(fù)荷時(shí)，又不能及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，出現(xiàn)出水水質(zhì)超標(biāo)的現(xiàn)象。
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圖1、每日進(jìn)水負(fù)荷曲線
對(duì)于采用活性污泥工藝的污水處理廠，曝氣消耗的能量占了污水處理廠所有能量消耗的一半以上，如圖2所示。所以，對(duì)曝氣的精確控制具有巨大的節(jié)能潛力。
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圖2、污水處理廠能量消耗分布圖
一個(gè)完整的脫氮過程包含硝化和反硝化過程。硝化過程是在好氧環(huán)境下把氨氮轉(zhuǎn)化為硝氮，需要曝氣；反硝化過程是在缺氧環(huán)境下把硝氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)，不需要曝氣。污水處理廠要想讓出水的氨氮和總氮都達(dá)標(biāo)，且具有較高的處理效率，就需要對(duì)曝氣進(jìn)行精確控制。
二、精確曝氣控制
污水處理廠典型的曝氣控制類型主要有兩大類：
第一類是直接控制風(fēng)機(jī)，如圖3所示。系統(tǒng)采集安裝在好氧池中的溶解氧分析儀測(cè)得的溶解氧值，與系統(tǒng)的設(shè)定值（此設(shè)定值可以由用戶設(shè)定）進(jìn)行比較。如果實(shí)際溶解氧值比設(shè)定值大，則減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而減少曝氣量，逐漸使好氧池的溶解氧下降，最終與設(shè)定值一致。如果實(shí)際解氧值比設(shè)定值小，則增大風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而增大曝氣量，逐漸使好氧池的溶解氧上升，最終與設(shè)定值一致。對(duì)于這種控制方式，曝氣管道的空氣壓力會(huì)有一定波動(dòng)，不利于曝氣的控制，一般用于小型污水處理廠的曝氣控制。
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圖3、小型污水處理廠的曝氣控制
第二類是直接控制閥門，如圖4所示。系統(tǒng)采集實(shí)際的溶解氧值，并與系統(tǒng)的設(shè)定值進(jìn)行比較，按照第一類的控制方式去控制閥門開度。同時(shí)，系統(tǒng)采集曝氣管道的壓力，并與壓力設(shè)定值比較。如果實(shí)際壓力比設(shè)定值大，則減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；如果實(shí)際壓力比設(shè)定值小，則增大風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；最終使曝氣管道的壓力保持恒定。對(duì)于這種控制方式，在曝氣管道壓力恒定的情況下，閥門開度與曝氣量的線性關(guān)系比較好，能夠較好的控制曝氣量，一般用于大、中型污水處理廠的曝氣控制。
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圖4：大、中型污水處理廠的曝氣控制
以上的曝氣控制能夠控制好氧池的溶解氧濃度，由于進(jìn)水負(fù)荷不斷變化，這樣的曝氣控制還不能很好的根據(jù)進(jìn)水負(fù)荷來調(diào)整曝氣量，但卻是精確曝氣控制的一部分，也是精確曝氣控制的前提條件。
精確曝氣控制是采用自動(dòng)控制理論，根據(jù)進(jìn)水負(fù)荷的變化以及出水水質(zhì)情況精確調(diào)整曝氣量，使曝氣量正好滿足污水處理的需要，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的出水，同時(shí)能夠節(jié)能降耗，增強(qiáng)污水處理廠的穩(wěn)定性。
精確曝氣控制分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和復(fù)合控制。由于影響曝氣池硝化功能的因素比較復(fù)雜，一般不采用開環(huán)控制，這里不做介紹。
如圖5所示，為精確曝氣閉環(huán)控制系統(tǒng)，是建立在典型的曝氣控制基礎(chǔ)上的。系統(tǒng)需要的儀表為安裝曝氣池的在線溶解氧分析儀和安裝在曝氣池末端的在線氨氮分析儀。系統(tǒng)采集曝氣池末端的氨氮濃度值，與設(shè)定值進(jìn)行比較。如果實(shí)際氨氮濃度值比設(shè)定值高，說明曝氣池的硝化能力不足以把進(jìn)水的氨氮負(fù)荷轉(zhuǎn)化為硝氮，要么硝化能力不足，要么進(jìn)水氨氮偏高，可以增加曝氣池的溶解氧設(shè)定值來提高曝氣池的硝化能力。如果實(shí)際氨氮濃度值比設(shè)定值低，說明曝氣池的硝化能力相對(duì)于進(jìn)水的氨氮負(fù)荷有所富余，可以減少曝氣池的溶解氧設(shè)定值來減少曝氣池的硝化能力，以節(jié)約能量消耗。由于該閉環(huán)控制系統(tǒng)，是在曝氣池后測(cè)量氨氮，屬于后反饋控制，能夠保證出水符合排放標(biāo)準(zhǔn)，但不能及時(shí)響應(yīng)負(fù)荷的變化，具有一定的滯后性。
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圖5、精確曝氣閉環(huán)控制
如圖6所示，為精確曝氣復(fù)合控制系統(tǒng)，是建立在精確曝氣閉環(huán)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加前反饋控制，能夠提前得知進(jìn)水負(fù)荷的變化，解決后反饋控制的滯后問題。系統(tǒng)采集厭氧池前在線氨氮分析儀測(cè)得的氨氮濃度值，并利用活性污泥模型，以及自動(dòng)控制理論，同時(shí)考慮厭氧池到曝氣池的遲滯效應(yīng)，計(jì)算曝氣池的溶解氧設(shè)定值。生物反應(yīng)池進(jìn)水氨氮值升高，曝氣池溶解氧設(shè)定值相應(yīng)增大；氨氮值降低，曝氣池溶解氧設(shè)定值也相應(yīng)減少。當(dāng)然，如前所述的精確曝氣閉環(huán)控制，在復(fù)合控制系統(tǒng)中還是起主導(dǎo)作用的。當(dāng)前饋控制要求溶解氧設(shè)定值減少，而閉環(huán)控制要求溶解氧設(shè)定值增大時(shí)，要以閉環(huán)控制為主，讓溶解氧設(shè)定值增大；反之，當(dāng)前饋控制要求溶解氧設(shè)定值增大，而閉環(huán)控制要求溶解氧設(shè)定值減少時(shí)，要以閉環(huán)控制為主，讓溶解氧設(shè)定值減少。復(fù)合控制系統(tǒng)具有一定的提前量，又能夠保證出水氨氮符合排放標(biāo)準(zhǔn)，是比較理想精確曝氣控制方式。
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圖6、精確曝氣復(fù)合控制
三、總結(jié)
應(yīng)用上述精確曝氣控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)進(jìn)水負(fù)荷調(diào)整曝氣量，使曝氣量與進(jìn)水負(fù)荷相適應(yīng)，在保證穩(wěn)定出水水質(zhì)的基礎(chǔ)上節(jié)省曝氣，達(dá)到節(jié)能降耗。
同時(shí)，由于曝氣池的曝氣量剛好夠用，不會(huì)有多余的氧隨著內(nèi)回流流到缺氧池，也就不會(huì)破壞缺氧池的反硝化功能。所以，精確曝氣控制在優(yōu)化硝化功能的同時(shí)，保障了反硝化功能，能夠用最小的能量消耗實(shí)現(xiàn)氨氮和總氮排放穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
我們知道，污水處理廠的一級(jí)A出水標(biāo)準(zhǔn)是氨氮出水濃度<5mg/L，總氮15mg/L。據(jù)調(diào)查，很多污水處理廠的出水氨氮小于1mg/L，甚至達(dá)到0.1mg/L。這說明曝氣有較大的富余量，具有巨大的節(jié)能潛力。應(yīng)用精確曝氣控制系統(tǒng)，可以把出水氨氮提高到4mg/L左右而不超標(biāo)，這自然就節(jié)省了曝氣的能耗。理論上，利用精確曝氣控制系統(tǒng)，可以節(jié)約10-30%的曝氣量。
英國(guó)南部的PeelCommon污水處理廠，是英國(guó)早期建立的污水處理廠之一，采用4級(jí)Bardenpho工藝，即在傳統(tǒng)A2O工藝的好氧區(qū)末段增加停曝氣缺氧區(qū)，加強(qiáng)反硝化。處理水量約6萬(wàn)m3/d，服務(wù)人口25萬(wàn)人。2008年安裝了污水處理實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，即RTCsystem，其中包含精確曝氣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了Hach公司的水質(zhì)在線分析儀器(氨氮、硝氮、溶解氧、污泥濃度等)和WTOS控制系統(tǒng)，節(jié)約了20%的曝氣量。
任何儀器都會(huì)出現(xiàn)故障，在線水質(zhì)分析儀器由于長(zhǎng)時(shí)間在污水中浸泡運(yùn)行，更加容易出現(xiàn)故障。我們知道在線分析儀器在控制中屬于傳感器，相當(dāng)于整個(gè)控制系統(tǒng)的眼睛，出現(xiàn)故障時(shí)，將無法正常工作。WTOS控制系統(tǒng)對(duì)此做好了充分準(zhǔn)備，設(shè)計(jì)了PROGNOSYS模塊，能夠判斷在線分析儀器的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)在線分析儀器需要維護(hù)、出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)給出報(bào)警。當(dāng)檢測(cè)到異常狀況時(shí)，WTOS控制系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)故障運(yùn)行方式，從而實(shí)現(xiàn)控制的可***性，避免在異常狀況時(shí)無法控制。
在線水質(zhì)分析儀器應(yīng)用于污水處理廠，能夠?qū)崿F(xiàn)了水質(zhì)的連續(xù)檢測(cè)，為精確曝氣等各種優(yōu)化控制提供有效可***的測(cè)量值，從而提高處理效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。隨著污水處理技術(shù)的數(shù)學(xué)模型不斷完善，過程控制理論在污水處理廠的不斷應(yīng)用，以及在線檢測(cè)儀器技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們能夠在污水處理廠應(yīng)用更多的優(yōu)化控制策略，最終提高污水處理廠的運(yùn)行管理水平，滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。
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