污水處理廠精準(zhǔn)曝氣改造實例

針對再生水廠鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)升級改造難的問題，構(gòu)建定制了精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)，包括定時模式、安全模式、恒DO模式、前饋模式、前饋-DO反饋模式及前饋-NH3-N反饋模式，該系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)有鼓風(fēng)機系統(tǒng)的自動化調(diào)節(jié)程度，可以實現(xiàn)定制化精準(zhǔn)曝氣運行。運行結(jié)果表明，相較于系統(tǒng)未改造前，該精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)實現(xiàn)了較大的節(jié)能降耗，其中鼓風(fēng)機單位電耗降低15%以上，2019年去除氮污染物和去除COD單位電耗明顯低于2018年，去除TN單位電耗降低10.7%，去除NH3-N單位電耗降低15.3%，去除COD單位電耗降低7%，且保證出水水質(zhì)實時達標(biāo)。

本文立足于某大型再生水廠，結(jié)合該廠實際硬件情況建立調(diào)控機制，建立了一套定制化精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)，且節(jié)能效果顯著。

1 項目概況

某再生水廠位于北京市朝陽區(qū)，一期和二期分別于1993年和1999年正式運行，設(shè)計處理規(guī)模為100萬m3/d，每期設(shè)計處理規(guī)模為50萬m3/d。該廠于2017年6月開始進行再生水廠污水區(qū)工藝改造，于2018年完成改造，改造后污水區(qū)工藝見圖1。

該再生水廠生物池好氧段分為3個廊道。在日常的運行中，生物池內(nèi)溶解氧會出現(xiàn)大幅波動的情況，這給再生水廠的日常工藝控制帶來困難。如果不依靠在線監(jiān)測，很難通過人工測定來精確判斷曝氣池的供氧狀況。AAO工藝需要曝氣池末端溶解氧維持在穩(wěn)定的低值，否則既會增加能耗，還會影響脫氮除磷的效果，增加運行成本。圖2為該廠一天的進水水量變化情況，可以發(fā)現(xiàn)上午的水量明顯低于下午水量，三系列水量峰值為3 954L/s，谷值為1 762L/s，相差1.24倍，四系列水量峰值為3 600L/s，谷值為1 494L/s，相差1.4倍。表明該大型再生水廠進水水量波動明顯。

為了了解生物池出水水質(zhì)隨水量變化情況，分別監(jiān)測了上午及下午時段二、三廊道的氨氮及DO情況，結(jié)果見圖3。從圖中可以看出，在曝氣管閥門全開時，高水量情況下（下午），二廊道末端，氨氮均值為0.39mg/L，DO均值為2.11mg/L，三廊道末端，氨氮均值為0.26mg/L，DO均值為5.40mg/L；低水量情況下（上午），二廊道末端，氨氮均值為0.52mg/L，DO均值為5.70mg/L，三廊道末端，氨氮均值為0.24mg/L，DO均值為4.8mg/L。說明在常規(guī)曝氣充足情況下二廊道氨氮消減會受抽升水量的影響，但基本能達到二廊道末氨氮小于1mg/L水平，三廊道出水氨氮小于0.5mg/L。過量的曝氣導(dǎo)致污染物主要在曝氣區(qū)上游得到消減，三廊道未能發(fā)揮合理的污染物消減的功能，同時導(dǎo)致三廊道溶解氧更難控制，高溶解氧濃度回流液對反硝化也會造成一定的影響。

因此針對該廠曝氣池，需要分段進行溶解氧控制，在曝氣區(qū)中后段分別進行溶解氧控制，從而在滿足生物池溶解氧需求的情況下，降低生物池末端溶解氧濃度，降低整體生物池曝氣能耗。

2 定制化精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)

針對水廠實際運行情況，定制開發(fā)了一套完整的精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)，其含有多種模式，包括定時模式、安全模式、恒DO模式、前饋模式、前饋-DO反饋模式及前饋-NH3-N反饋模式。其中前饋模式根據(jù)進水水量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)，通過內(nèi)嵌的模型計算各生物池所需曝氣量，將實際曝氣池進氣量與計算所需曝氣量對比，自動調(diào)節(jié)進氣調(diào)節(jié)閥，使氣量差恒定在一定范圍內(nèi)。本精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)要求每個溶解氧控制區(qū)至少配置1臺電動空氣調(diào)節(jié)閥、1臺熱式氣體流量計和1臺在線溶解氧儀。另外，由于本精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)需要MLSS、壓力、在線氨氮等反饋信號來補償曝氣量計算，因此，需增加MLSS儀、壓力變送器和在線氨氮等儀表。該系統(tǒng)從2018年開始建設(shè)，2018年底完成設(shè)備安裝及項目施工，2019年開始進行項目調(diào)試，2019年6月完成調(diào)試，開始穩(wěn)定運行。

針對該廠缺乏每組生物池進水流量計量且每組生物池配水不均勻的情況，實際運行中采用恒DO控制模式(見圖4)。該廠分別設(shè)定二廊道和三廊道的DO控制值，采用串級PID控制算法，首先分別對比在線DO儀所測數(shù)據(jù)和相應(yīng)DO控制值，通過PID算法獲得所需曝氣量，然后，對比所需曝氣量與現(xiàn)場氣體流量計實測值的差異，通過PID算法，獲取電動調(diào)節(jié)閥所需開度，并利用執(zhí)行器控制相應(yīng)廊道電動調(diào)節(jié)閥開度，從而實現(xiàn)該廊道溶解氧穩(wěn)定控制。

3 鼓風(fēng)機節(jié)能調(diào)控

通過以上控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)生物池現(xiàn)場閥門自動控制，從而達到生物池溶解氧穩(wěn)定，但想要保持長期穩(wěn)定，需要鼓風(fēng)機的聯(lián)動運行，否則當(dāng)在線DO數(shù)值很低時，若鼓風(fēng)機不進行導(dǎo)葉開度增加等操作，空氣調(diào)節(jié)閥閥門開至最大也無法提供足夠的曝氣量，生物池在線DO則無法升至設(shè)定值。因此，鼓風(fēng)機的操作至關(guān)重要，不僅影響生物池的溶解氧濃度，也是節(jié)能降耗的關(guān)鍵。

該廠鼓風(fēng)機為HV-TURBO KA44SV，于1995年購置，于1999年開始使用，至今為止已使用超過20年。為了保障設(shè)備穩(wěn)定運行，無法進行鼓風(fēng)機系統(tǒng)遠程自動運行，因此無法實現(xiàn)鼓風(fēng)機系統(tǒng)與精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)的自動聯(lián)動運行。

在已有系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)上，通過在線分析每日每時的水量水質(zhì)數(shù)據(jù)，制定了鼓風(fēng)機調(diào)控方案。結(jié)合進水水量實時變化，同時分析三廊道所有在線DO儀的平均值，設(shè)定DO平均值，通過判斷實際DO平均值和設(shè)定DO平均值的差異，調(diào)整鼓風(fēng)機開啟狀態(tài)（改變導(dǎo)葉開度或者鼓風(fēng)機運行臺數(shù)）。表1為精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)運行后，某典型日鼓風(fēng)機每2 h的調(diào)整和運行狀態(tài)。

4 結(jié)果分析

4.1 水質(zhì)結(jié)果分析

經(jīng)過半年的調(diào)試，二廊道實現(xiàn)恒DO調(diào)控，二廊道設(shè)定DO值為1mg/L，圖5為二廊道1 d的DO值變化情況，可以發(fā)現(xiàn)二廊道DO穩(wěn)定在1mg/L。其誤差在20%以內(nèi)。

對2019至2020年出水氨氮進行分析，可以發(fā)現(xiàn)從2019年開始調(diào)試起，其出水氨氮一直穩(wěn)定達標(biāo)，且在2020年出水氨氮更為平穩(wěn)，一年中氨氮在0.4mg/L以下的概率為98.9%。

4.2 鼓風(fēng)機單位水量電耗分析

對比了2018年、2019年、2020年月份二期鼓風(fēng)機月均單位電耗，其結(jié)果見圖7。鼓風(fēng)機單位電耗計算方式：鼓風(fēng)機房各臺鼓風(fēng)機電量加和值/進水流量，各鼓風(fēng)機電量表數(shù)據(jù)為累計數(shù)值，計算月均值則采用月末月初的差值。

從圖7中可以看出，2020年鼓風(fēng)機月均單位電耗比2018年有顯著降低。且相比2019年也有明顯的降低。2020年鼓風(fēng)機年均單位電耗為0.0967 kW·h/m3，相比2018年全年鼓風(fēng)機年均單位電耗0.1319 kW·h/m3下降26.7%，相比2019年全年鼓風(fēng)機年均單位電耗0.1145 kW·h/m3下降15.5%。從二期鼓風(fēng)機單位電耗可以看出，該定制化精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)的建立，實現(xiàn)了大幅節(jié)能降耗。

4.3 去除氮污染物和去除COD單位電耗分析

分析了2018年、2019年與2020年去除氮污染物及去除COD的單位電耗情況，結(jié)果見圖8、圖9。去除氮污染物及COD的單位電耗計算方法如下：

各年二期鼓風(fēng)機單位電耗/（各年進水TN均值-各年再生水出水TN均值）×1 000；各年二期鼓風(fēng)機單位電耗/（各年進水NH3-N均值-各年再生水出水NH3-N均值）×1 000；各年二期鼓風(fēng)機單位電耗/（各年進水COD均值-各年再生水出水COD均值）×1 000。計算所得的去除氮污染單位電耗單位為kW·h/kgN，去除COD單位電耗單位為kW·h/kgCOD。

可以發(fā)現(xiàn)2020年的去除氮污染物單位電耗高于2019年，去除TN污染物單位電耗和去除NH3-N污染物單位電耗升高5%和0.3%。對比分析2018年、2019年與2020年3年的進出水TN及NH3-N，可以發(fā)現(xiàn)，2020年進水水質(zhì)明顯偏低，這是因為2020年正值新冠疫情期間，進水TN年均值為40.2mg/L，進水NH3-N年均值為30.4mg/L，相比于2019年分別下降15.5%和15.6%。對比2019年和2018年，2019年去除TN污染物單位電耗和去除NH3-N污染物單位電耗明顯低于2018年，其中TN降低10.7%，NH3-N降低15.3%。

分析去除COD單位電耗，同樣發(fā)現(xiàn)2020年去除COD單位電耗為0.32 kW·h/kgCOD，相比2019年升高23%。分析2020年進出水COD值，可以發(fā)現(xiàn)新冠疫情期間，進水COD值明顯偏低，相比于2019年降低31.89%。對比2019年和2018年的去除COD單位電耗，可以發(fā)現(xiàn)，2019去除COD單位電耗相比2018年降低7%。

由于目前鼓風(fēng)機控制方式為人工手動經(jīng)驗控制，針對2020年進水水質(zhì)明顯降低的情況，相應(yīng)的控制方式及頻率未得到改善，造成2020年去除氮污染物和去除COD單位電耗較高，后續(xù)需提高鼓風(fēng)機控制方式及頻率，在有條件的情況下進行鼓風(fēng)機自動控制改造，從根本上緩解因水質(zhì)波動引起的調(diào)節(jié)不及時問題。2018年至2020年進出水水質(zhì)情況如表2所示。

5 小 結(jié)

結(jié)合某大型再生水廠實際情況，通過現(xiàn)場閥門、儀表安裝實現(xiàn)現(xiàn)場DO實時調(diào)控，結(jié)合鼓風(fēng)機調(diào)控方案，構(gòu)建了定制化精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)，解決了再生水廠大型設(shè)備自動運行困難的難題，為大型再生水廠的精準(zhǔn)曝氣改造項目實施指明了方向。

通過該定制化精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)，實現(xiàn)鼓風(fēng)機單位電耗降低15%以上，去除TN污染物單位電耗和去除NH3-N污染物單位電耗分別降低10.7%和15.3%，去除COD單位電耗降低7%。