胡田力，邱叶林，韩宝平

(北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

近年来，随着北京某镇建设的快速发展，水环境问题日益突出，市民反映强烈。现有的污水处理厂无法满足北京某地区发展的要求，亟需重新进行污水处理或再生水厂的建设。根据执行的最新该地区规划，新建1座日处理污水量约7～8万t/d的北京某镇再生水厂。北京某镇再生水厂建成后，将大大地加快该地区污水资源化进程，有效节约水资源，缓解地区水资源紧缺状况，促进当地循环经济快速发展。智能曝气系统对于合理控制曝气量，精确控制生物池DO值，实现污水厂的节能降耗具有重要意义。

1 工艺设计

北京某再生水厂一期工程，一期工程占地面积约为0.069 km2，设计规模为7万m3/d。为满足节能减排要求，一期工程出水水质需要达到《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB 11/890—2012)规定的新(改、扩)建城镇污水处理设施基本控制项目排放限值B标准(表1)。其整体工艺流程如图1所示。

污水经新建污水总干管进入粗格栅、细格栅、沉砂池及进水泵房，经提升后进入生物池，去除污水中的有机物、脱氮除磷，生物处理后的污水进入二沉池及膜池进行深度处理，处理达标后的水排放。

图1 工艺流程图Fig.1 Process Flow Chart

表1 设计进出水水质Tab.1 Design Water Quality of Influent and Effluent

北京某再生水厂一期工程的采用AAO处理工艺，为确保CODCr、BOD5、SS、TP、TN的去除率，保证出水水质，设计1套智能曝气控制系统(intelligent aeration control system，IACS)实现生物池精准曝气。

2 IACS

生物池IACS是一个使用高级算法的在线监控系统，通过采用“前馈+模型+反馈”控制策略[1]为活性污泥工艺优化曝气控制[2]。IACS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。利用先进的控制策略能对给定的溶解氧(DO)设定值提供精确DO的控制。

2.1 IACS基本原理

IACS通过数学模型实时计算生物池耗氧速率(OUR)，并精确地算出每一个曝气段的需气量以维持其设定的DO值，迅速而精确地调整阀门开度以完成所需气量的分配，达到了精准的DO控制[2]。采用生物池曝气控制系统将溶解氧稳定控制在设定值，使工艺运行稳定可靠，节省曝气能耗，IACS原理结构如图2所示。曝气电耗往往占活性污泥工艺的污水处理厂全厂用电50%以上，智能曝气控制对节省曝气能耗有较好的效果。

图2 IACS原理图Fig.2 Schematic Diagram of IACS

2.2 IACS设计

根据污水处理厂生物池气管布置特点，划分DO控制分区并确定仪表的安装位置。每组生物池的池型、DO控制区的划分、空气管路的布置、在线分析仪表的位置以及阀门、流量计位置等设备的信息[3]如图3所示。

注：此图为北池仪表配置图，南池配置与此图呈镜像对称图3 IACS设备配置图Fig.3 IACS Equipment Configuration Diagram

2.2.1 仪表的配置依据

(1)在每个好氧区内安装在线DO分析仪，作为控制信号及反馈信号，并用于气量的计算。采用双通道DO及SS分析仪来监测污水中活性污泥浓度。

(2)于空气支管安装热式气体流量计，用于气量的检测，同时作为阀门开度计算的反馈信号。

(3)于空气支管安装电动阀门，用于将所需气量精确的分配至各个控制单元。

2.2.2 溶解氧控制思路

当鼓风机MCP系统接收并追踪到IACS所给定的总风量设定值后，依靠所安装的8组电动阀门及流量计做气量的精确分配，进行DO的精确追踪控制。

IACS所需要的测量参数及功能描述，如表2所示。

表2 IACS主要设备清单Tab.2 Main Equipment of IACS

2.2.3 鼓风机及电动调节阀选型

曝气鼓风机经技术经济比选，选择操作简单、噪音低、投资小的多级离心鼓风机，配备变频电机，根据IACS的反馈信号，自动调节鼓风机开度，实现节能降耗。曝气调节的电动阀门采用电动菱形调节阀，阀腔为菱形设计，阀门开启度与曝气量近似线性关系，可配合IACS实现曝气量的精确控制。

3 IACS功能运行与调试

当现场的所有受控设备完成单机调试，并将信号传至中控系统后，IACS与中控系统进行数据通讯，确保IACS能够准确地获取现场仪表信号，并可以将系统计算的设定值通过中控系统发送至受控设备，完成设备的远程控制，对控制系统各个功能模块的实现进行如下描述。

3.1 鼓风机总风量追踪测试

鼓风机控制逻辑简介：由IACS根据各个生物池不同廊道DO设定值计算所需风量设定值，并将所有气量设定值合成至总风量设定值，发送至鼓风机系统MCP，由MCP统一进行鼓风机开启台数，每台开度大小的调配，最终使得各个支管管流量计之和趋近于发送的设定值，即完成鼓风机系统的控制。

本次工程生化池共有8台鼓风机，其中南池4台、北池4台风机，分别负责向南、北池好氧区独立供气，并由独立的MCP总控柜负责风机组的控制，每组3用1备。其拓扑关系如图4所示，以北池为例。

图4 生物池鼓风机系统拓扑图Fig.4 Topology of Blower System in Biological Pool

IACS将实际的风量需求发送至MCP，将各总管、分管流量计数据作为反馈信号发送至鼓风机MCP，鼓风机MCP则会根据其内部控制逻辑自动调整风机的开启台数及每台风机开度，用以追踪总风量设定值(图5)。鼓风机总风量追踪曲线分析如表3所示。

图5 鼓风机总风量追踪效果曲线Fig.5 Tracking Effect Curve of Total Air Volume of Blower

表3 鼓风机总风量追踪曲线Tab.3 Tracking Curve of Total Air Volume of Blower

通过测试，鼓风机总风量设定值追踪效果优秀，MCP能够自动调整总曝气量以追踪IACS所给定的总风量设定值。经统计，在整个系统的追踪过程中，风量控制精度在1.5%内，控制死区为100 m3/h。

3.2 气量设定值追踪精度

IACS经过2个步骤完成气量的追踪：(1)气量计算逻辑，根据各个廊道的DO设定值计算得到气量设定值；(2)空气阀门控制逻辑，根据各个廊道的气量设定值计算空气阀门开度设定值，以百分比形式发送至各个阀门执行机构，并负责将阀门开度调整至设定值，即完成阀门的控制。

本次工程中，共计安装8套电动阀门和8套热式气体流量计，以精确调控曝气量。阀门的控制精度会直接影响到DO的控制效果。

图6为南池第二控制区通过阀门开度的调整，所达成的气量追踪效果。由图6可知，IACS会根据气量设定值，通过不断调整阀门开度，以追踪气量设定值。

图6 气量设定值追踪效果图Fig.6 Effect Chart of Air Setting Value Tracking

图7为南组生物池全部4个控制区域的风量追踪曲线。由图7可知，IACS可以根据气量设定值，精准计算并调控阀门开度，使其满足气量精确分配的要求。联调成功后，对数据进行分析统计，各个控制区气量的追踪精度如表4所示。

图7 生物池气量追踪整体效果图Fig.8 Overall Effect of Bio-Tank Air Tracking

表4 各控制区气量追踪精度Tab.4 Air Tracking Accuracy of Each Control Zone

3.3 阀门设定逻辑测定

考虑到电动阀门的频繁动作会减少其使用寿命，IACS对于阀门开度的计算进行了一系列的内部逻辑优化，图8为实际运行过程中1 h内，共计4个控制周期阀门开度变化与此时的风量追踪效果曲线。

图8 阀门控制逻辑图Fig.8 Logic Diagram of Valve Control

由图8可知，阀门在每个周期开始阶段经过3～8次的调整，维持气量在设定值附近，IACS完备的阀门开度算法，可以最大限度地减少阀门的动作频次，实现气量设定值的精确追踪。

在本工程中，阀门的设定如表5所示。

表5 阀门的设定参照表Tab.5 Reference of Valve Setting

3.4 IACS对于DO的追踪效果测试

在生物池处于手动控制状态下，鼓风机系统与阀门系统均处于人工操作状态。因此，当进水负荷发生变化时，无法第一时间进行总风量/阀门的调整，结果就是生物池中DO的读数会产生较大的波动，直接反映进水水量的变化。使用生物池曝气控制系统IACS接管整个生物池的曝气控制后，会自动根据好氧速率等指标直接计算维持DO设定值所需的风量，继而控制鼓风机系统与各个空气调节阀，最后使得DO能够稳定在设定值较小范围内，如图9所示。

图9 溶解氧追踪效果Fig.9 DO Tracking Effect

图9为南组生物池第1、4控制单元DO的控制效果。由图9可知，IACS界入控制之前，末端DO最高可达6.2 mg/L，一方面造成了能源的浪费；另一方面使回流至缺氧区的内回流液DO偏高，好氧微生物与反硝化菌竞争碳源，影响工艺的脱氮效果。IACS界入之后，在每隔15 min的控制周期，根据给定的DO设定值计算每个控制单元的需气量，并通过调整阀门将所需气量精准分配至各个控制区，使DO实际值稳定在设定值附近，经过4～5个周期的调整之后，整个生物池工艺运行便趋于稳定。

4 IACS运行效果与结论

DO是IACS的主要控制目标。对DO的精确控制，一方面为微生物创造一个稳定的生化环境，提高其代谢营养物的效率；另一方面，对工艺好氧段不同区域实施按需曝气，满足生化系统对曝气量的需求，从而降低了不必要的曝气能耗，实现了对鼓风机曝气的节能控制[4]。在实际应用中，IACS根据工艺需求计算出全厂总需气量，将总需求设定值传输至鼓风机主控制柜，主控制柜按照设定目标对所属鼓风机进行调节，确保高低负荷工况下，曝气量都能达到实际需求，同时又能降低不必要的曝气能耗[5]。

4.1 DO的控制效果

将IACS与人工控制下的运行效果作对比，以验证控制系统的运行效果。

图10 IACS控制下DO整体控制曲线Fig.10 Overall Control Curve of Dissolved Oxygen under IACS Control

图11 手动条件下DO运行曲线Fig.11 Dissolved Oxygen Operation Curve under Manual Conditions

图10为调试期间，南组生物池4个控制单元在精确曝气控制系统下，实时DO与DO设定值曲线。图11反映了手动条件下的DO运行曲线。在人工控制条件下，实时DO的变化曲线明显受进水负荷的影响，从控制曲线看，实时DO曲线变化波动达6.8 mg/L，最小为0.5 mg/L，最大可达7.3 mg/L。但在精确曝气系统的控制下，对于所获取的数据，去除噪声干扰后统计DO实际值在设定值±0.5 mg/L内出现的概率，表示最终的DO控制效果，计算如式(1)。

(1)

其中:n——测试期间所采集的DO数据点;

DK5——溶解氧在0～0.5 mg/L范围内的概率，百分率形式表示，DK5=P/N；

P——设定值与实际值的绝对值在0.5 mg/L范围内的个数，个；

DOi——某一时点的溶解氧值，mg/L；

DOSET——溶解氧设定值，mg/L。

测试期间共获取不间断数据4 977个，并统计实时DO在DO设定值±0.5 mg/L的时间，第1控制区为98.0%，第2控制区为82.3%，第3控制区为79.0%，第4控制区为85.3%，如图12所示。

图12 各控制区溶解氧控制精度图 (a)第一控制区；(b)第二控制区；(c)第三控制区；(d)第四控制区Fig.12 Dissolved Oxygen Control Accuracy Diagram of Each Control Area (a)1st Control Area;(b)2nd Control Area;(c)3rd Control Area;(d)4th Control Area

4.2 控制系统的节能效果分析

手动生物池控制状态下，鼓风机的总风量依靠手动在各台风机上进行百分比调节，具有较大的延时性以及非精确性。同时，也无法实时进行调节，因此，当遇到进水低谷的时，无法对风量进行及时降低，造成能耗的浪费；利用曝气控制系统自动对DO进行控制，在进水负荷降低的时，能够有效降低整个系统中的鼓风机总风量，继而降低能耗。

图13 测试期间进水总量变化曲线Fig.13 Variation Curve of Total Inflow During Test Period

通过与SCADA通讯，获取测试期2018年5月20日—5月24日共计5 d的进水流量实时数据，如图13所示。经统计，最大处理流量为145 183 m3/d，最小处理量为54 040 m3/d，平均日处理量为84 589 m3，变化系数为11%。

由图14可知，在手动运行条件下，采取固定风量的模式进行控制，测试期间北池平均总风量为16 903 m3/d，南池平均总风量为19 424 m3/d。当切入IACS自动控制后，总风量设定值会随进水负荷进行相应变化。其中，北池风量变化为4 964～10 961 m3/d，平均为9 068 m3/d；南池风量变化为6 762～16 310 m3/d，平均为13 266 m3/d。与手动控制模式相比，在IACS自动控制条件下，南、北池节省平均风量分别为31.7%和46.4%。(注：本数据分析源于将南、北池作为单独的控制单元，并对不同时间段手动/自动条件下日平均风量进行对比，数据分析时未考虑进水污染负荷浓度及进水量等影响因素，同时，受鼓风机效率及总管压力的影响，实际的鼓风能耗节省空间有待进一步论证)

图14 手动/自动条件下总风量运行曲线Fig.14 Total Air Volume Operation Curve under Manual/Automatic Conditions

为评估IACS自动控制条件下每吨水能耗的节省空间，现将南、北池作为一个整体进行考虑，同时需满足以下3个条件：

(1)南北池全手动条件下，平均污水处理量为82 060 m3/d，气水比为10.6∶1；

(2)南池自动、北池手动条件下，污水日均处理量为91 813 m3/d，气水比为9.0∶1；

(3)北池自动、南池手动条件下，污水日均处理量为79 425 m3/d，气水比为7.4∶1。

在满足上述3个设定条件下进行对比分析，南、北池处理每吨污水的风量节省空间分别为15.0%和30.0%。若2组同时在自动条件下运行，理论上会有更大的节能空间。

5 结论

(1)结合北京某再生水厂IACS主要功能模块的测试，对系统参数进行调整并实测验证，对控制逻辑进行优化。从控制效果看，其风量追踪精度在90%以上，DO控制稳定。在IACS自动控制条件下，再生水厂南、北池较手动控制分别节省平均风量分别为31.7%和46.4%。证明IACS的控制逻辑，能够完全满足AAO工艺长期运行的要求，具备系统验收的条件。

(2)在日后系统运行的过程中，可能需持续地对系统的控制效果进行关注，并定期对历史数据进行分析，随时对系统在长期运行过程中可能产生的问题进行跟踪与故障排查，确保系统长期、稳定运行。