张难

摘  要：提出精确曝气控制系统在污水处理厂应用的必要性;通过介绍精确曝气系统在徐州开发区污水处理厂的应用情况，阐明精确曝气系统的原理和特点;分析该系统在工作过程中需要控制的关键点，例如对鼓风机变频器的调节，优化溶解氧目标值的设定等;对该系统进行了综合评价，分析系统使用前后碳源投加和电耗的变化，提出精确曝气系统不仅可以节省人力，节能降耗关键可以稳定生产，保证出水达标，是未来曝气系统的发展趋势。

關键词：生物脱氮  溶解氧控制  精确曝气  节能降耗

随着城市建设的高速发展，城市规模的不断扩大和人口的增加，水环境污染成了一大难题。水污染对生态环境的破坏日益严重的同时也造成水资源的缺乏，制约了社会经济的可持续发展。国家每年用于污水处理的费用要达数亿元。因此，这就要求已建或拟在建的污水处理厂能最大程度的提高污水处理效率，保证出水水质，同时最大程度的降低能耗，减少运行处理成本。

精确曝气控制所带来的节能经济性效果对污水处理向精细化、节能化运行的转变是一种共识和趋势，也是节约能源的需要。

在污水处理过程中，生物处理曝气环节是一个非常关键的环节，它直接影响处理效率和出水达标率，能耗也在整个污水处理过程中占相当大的比重。在此环节上，也遇到了相同的函待解决的难题。

一、项目背景

徐州开发区污水处理厂（下称该污水处理厂）自2008年运行以来主要处理开发区内企业排放的工业废水，光伏企业废水占总水量的50%左右，该类型废水的特征污染物表现为：COD低、TN高、SS高、氯离子超高。受纳污区域内企业偷排的影响，进水水质波动大，尤其在出水总氮指标控制方面，波动更大。为解决进水水质C/N比严重不足问题，需要外投碳源，导致污水处理成本大幅上升，溶解氧的精确控制是减少碳源使用量，保证出水总氮达标的关键。

根据污水脱氮的机理，即：通过硝化和反硝化菌的作用，将氨氮通过硝化转化为亚硝态氮、硝态氮，再通过反硝化作用将硝态氮转化为氮气从水中移除。

在反硝化的过程中，反硝化菌利用硝酸盐及亚硝酸盐作为电子受体，进行无氧呼吸氧化有机物，氧的存在会与硝酸盐竞争电子供体，对反硝化速率有非常大的影响，另外反硝化菌必须在厌氧和有硝酸盐的条件下才能诱导合成硝酸盐还原酶，所以反硝化区溶解氧的高低直接影响生物脱氮功能的进行。

在污水处理工艺中，缺氧段的溶解氧是通过内、外回流带入，为了降低缺氧段溶解氧值，应在硝化功能完成的前提下，尽可能降低生化系统好氧段末端的溶解氧，以减少回流混合液中氧的携带量，从而保证反硝化功能的正常运行。工艺流程图：

该污水处理厂因进水水质波动，导致生化系统工艺控制参数变化较大，人工手动调节精确度较低，主要表现为：

1.溶解氧与风量调节存在滞后

应对进水水质的突变，根据经验值手动调节风机变频，风量调整的不及时且DO变化的滞后性，系统难以在短时间内达到平衡，过大的波动会干扰生化系统造成生物环境不稳定。

2.调节过程中的人为因素

该污水厂均采用溶解氧反馈控制的方法来调节生化池中溶解氧的浓度，由于进水水质的不确定性，曝气量需要不断调整，人工调整存在操作人员技术水平及工作责任心不同的人为因素，对污水处理系统的运行影响较大，导致溶解氧波动大，出水水质不稳定。目前该污水处理厂的运行采用四班两运转的运行方式，晚班人员上班时间达到15小时，由于工作时间过长，操作人员很难做到及时调整风机的风量，为确保出水氨氮达标，避免人为控制误差因素对出水的影响，DO值的控制不得不高于实际需要值，给处理系统控制参数留有一定的余地。

为解决以上问题，使生物处理反应池中溶解氧（DO值）的控制处于最佳状态，引入了一套以溶解氧（DO）的精确控制为核心的智能变频风机控制系统。

二、溶解氧（DO）精确曝气系统的方案设计

1.溶解氧（DO）精确曝气系统的设计目标

溶解氧（DO）精确控制系统的核心理念是通过对风机的智能实时变频调节，精准控制风机的曝气量，以实现精确、稳定的控制溶解氧（DO）的浓度，在污水厂的在线监测系统中溶解氧曲线应显示为一条近似直线。

2.溶解氧（DO）精确曝气系统的控制原理

（1）控制框图说明

溶解氧（DO）精确控制系统主要包括溶解氧（DO）传感器、智能变频控制器、风机变频器三部分组成。

控制原理如图2，在精确曝气系统投入运行后，控制中心能自动检测风机变频器的实际频率和溶解氧的实际值，之后进行智能运算，判断变频器调频的方向和调频的速度，在溶解氧实际值与目标值偏差过大时，会自动加快调速过程，在溶解氧实际值与目标值偏差较小时，会自动减慢调速过程，以充分保证系统的响应速度和稳定性。在系统设计中，默认为溶解氧实际值低于目标值，风机频率应上调，即风机转速应加快;溶解氧实际值高于目标值，风机频率应下调，

即风机转速应降低。

（2）系统控制数学模型

该控制中心采用“智能多通道寻优+模糊逻辑控制”为主体算法，通过建立以溶解氧为第一控制主变量（XDO），时间（t）为第二控制参变量为基础的二维复合函数模型，其函数逻辑如下：

ΔXDO=XDOm-XDOs;

ΔF= d[f（XDOm）- f（XDOs）]/d（Δt）;

F=F0+ΔF

XDOm：溶解氧目标值     XDOs：溶解氧实际值  ΔXDO：溶解氧偏差值

Δt：设定控制系统的调整周期时间（脉冲时间） ΔF：最小调整频率*倍率

三、溶解氧（DO）精确曝气系统的方案的优化

1.风机并联的优化配置

（1）现有鼓风曝气系统现状

该污水处理厂设计处理量为4.5万吨/日，目前实际处理水量3.5万吨/日左右，双沟运行，设置2台鼓风机为生物反应池供气，日常运行1用1备，均为章丘大成机械有限公司风机，型号C80-1.8（160KW，变频器众辰Z2400-160G），C100-1.8（185KW，众辰Z2400-185P）

（2）风机校正频率的设定

合理的设定多台风机的校正频率有利于避免由于曝气管路（开发区厂输送管路为U型管并弯头多）或多台风机并联运行（风压和风量差异大）引起的共振。

风机共振会造成风机异响，严重情况下会造成风机电机过热，触发停机甚至损坏电机。

在控制中心通过人为改变不同编号风机的校正频率来规避风机设备及管路系统的共振。在开发区污水处理厂的应用实践中，通过将两台共振的风机进行校正频率设定，使两台风机在整个变频调节过程中避免了在共振点运行，使整体系统对溶解氧的控制连续、稳定，风机运行安全平稳，保证控制效果且延长了风机的使用寿命

2.优化溶解氧目标设定值

为满足该污水处理厂对出水氨氮排放的要求，应根据进出水各项化验指标需要谨慎设置溶解氧目标值。

3.系统控制参数优化设置

（1）DO允许偏差的设置

ΔXDO > DO允许偏差，控制中心将调整风机变频器的运行频率，调整曝气量，以使DO回归目标值。

合理设置溶解氧偏差值范围更有利于保持系统的精确度和稳定性。偏差值选择过大，控制的精度会降低;偏差值选择过小，控制中心将对风机的调节过于频繁，系统的稳定性差。

经过在该污水处理厂运行实践，偏差值设为0.02mg/L最为合适，系统运行精度在0.1mg/L之内，稳定性也非常好。

（2）Δt/n（脉冲时间，单位：ms）的设定

Δt代表控制中心从传感器读取数据、处理数据及发送指令的时间周期。合理设置脉冲时间既有利于保证控制系统的响应速度也能保证系统的稳定性提升抗干扰能力。

脉冲时间过短，系统的响应速度过快，控制中心对风机的调节过于频繁，系统的稳定性就变差;如果脉冲时间设置过长，响应速度慢，对外界条件（如进水水质、水量变化、暴雨等）引起的干扰迟迟不能自动调整到位，抗干扰能力变差。在实践过程中，受风机管路的长短、曝气管道内气流速度、溶解氧DO传感器的安装位置，水流的速度等因素的影响，风机的曝气量的变化反映在溶解氧值的变化上是有一定的时间滞后性，一般为几分钟。脉冲设置时应有所考虑。

在该污水处理厂的应用实践中发现，系统调整周期时间（脉冲时间）设定为300～600ms之间比较合理，因不同污水厂具体情况不同，需在实践中多次调试后完成设定。

（3）ΔF（=最小调整频率*倍率）的设置

最小调整频率指控制中心每次脉冲指令发出后变频器变化的频率绝对值，设定值越低，对风机的频率调整就越微小，运转就越平稳。一般默认值为最小值0.01Hz。倍率指在溶解氧实际值远离目标值时，系统可以根据实际值与目标值的实际差距计算最小调整频率的倍数，一般无需人工干预。

合理的设定控制系统的最小调整频率及倍率有利于保证设备的安全平稳运转，延长曝气风机的使用寿命。

四、溶解氧（DO）精确曝气系统的特点

1.精确度

溶解氧DO实际值应≤目标值±0.1mg/L为合格点，在产品稳定运行时间区间内，4月23日到4月29日，每天0：00-4：00 和8：00-12：00各取40个点计算合格率，在线检测系统采样点合格率>98%。

2.稳定性

（1）运行效果

稳定运行时间区间内应保证溶解氧DO平稳，溶解氧DO检测曲线应近似为直线。如图3和4所示，2021年4月1日至6日未使用精确曝气DO的历史曲线和4月26至30日使用精确曝气控制DO的历史曲线对比，后者对DO的控制更平稳。

（2）稳定性的拓展应用

通过对溶解氧DO的控制曲线进行分析，当受外界条件的剧烈干扰时，因为控制系统具有自适应性的抗干扰调整能力，溶解氧控制曲线会有一段时间（一般为几分钟到十几分钟）的陡坡状或断崖状突变调整过程。例如暴雨天气会出现陡坡状或半陡坡状上升（之后几分钟至十几分钟内会下降逐渐调整至目标值附近），来水水质突变（上游企业偷排）会出现断崖状下降（之后几分钟至十几分钟内会有上升调整趋势，如在风机曝气调整能力之内会上升逐渐至目标值附近）。例如开发区污水处理厂根据曲线明显的周期性变化规律推测出了企业偷拍的具体时间，采取了有效的针对性措施，变被动为主动。

3.抗干扰性

对外界引起的干扰，应在较短时间内自适应调整至稳定运行状态（水质干扰调整周期应≤20min，水量干扰调整周期应≤15min，温度、雨量干扰调整周期应≤2min，人工等其他干扰调整周期应≤10min）

4.安全性

运行期间内正常情况下不会引发被控风机跳闸、过流、过热、喘振、异响或其他被控设备问题。

5.可靠性

对异常情况造成的外界超温、超压、断电、传感器信号丢失等应能在0.5s内自动切换到原有控制模式

6.经济性

① 精确曝气使用前后吨水电耗的对比

鼓风曝气占总耗电量的50%-70%，实现风机节能，降低处理单位污水的耗电量（单位kWh/t）有重要的意義，经现场7次24小时中试检验与未使用精确曝气同比时间对比，节能率检测数据如表2所示：

徐州开发区污水厂2019年全年电量3679755度，电费231.509元;2020年全年电量3619305度，电费210.935万元，保守估计按照节电5%计算，两年共计节约电费约22万元。

② 精确曝气量前后碳源投加量对比

使用精确曝气后保证出水总氮不变的情况下，碳源的投加量有明显减少的，且出水总氮的数值基本趋于稳定。

2019年全年碳源投加量617.72吨，总费用188.417万元;2020年全年碳源投加量603.99吨，总费用152.2509万元，碳源成本占污水处理处理成本30%左右，实现出水总氮达标的情况下，减少碳源的投加量可以很好的节约水处理成本。

五、结论

1、精确曝气控制使得工艺控制更加稳定

精确曝气系统可实现在污水处理过程中定需供气，减少生物反应池溶解氧浓度波动幅度，污水在多次交替的缺氧与好氧中，可实现有机物的降解、为处理系统脱氮除磷提供良好的外部条件，从而使得脱氮除磷功能的效率最大化，出水水質的稳定达标也更有保障，这也是我们引进精确曝气系统的根本出发点。

2、节能降耗

电耗和药剂（碳源）费用是整个污水处理的直接成本的主要来源，与传统的曝气方式相比，精确曝气系统的使用在稳定生产的前提下，有节能降耗的作用。

3、降低操作人员劳动强度

溶解氧是污水处理厂生产运行最重要的控制参数，也是值班人员最关注的控制点，精确曝气项目实施前，值班人员需要密切关注生化系统溶解氧的变化，及时调整供风量，占用了操作人员大部分的精力。精确曝气实施后，根据工艺要求设定溶解氧理想目标值，不但降低了操作人员的劳动强度，同时曝气系统的控制更加智能灵活。

六、对未来的展望

在国家对环保事业要求越来越高的情况下，污水处理过程控制将朝着严格、精细方面发展，精确曝气使污水处理过程向精细化、节能化转变，污水处理过程的精细控制具有较大的拓展空间和推广价值。

此项目在2017年5月获得了国家知识产权局的实用新型专利证书

参考文献

[1]李升，胡晓东 马头岗污水厂精确曝气系统的实施及应用效果.中国给水排水 第32卷 第15期

[2]王雯 仓炜玮  精确曝气工艺在无锡太湖新城污水处理厂中的应用.能源与环境 2011.NO.5

[3]王洪臣 周军 王佳伟等著     5F-A2/O-脱氮除磷工艺的实践和探索 中国建筑工业出版社

[4]《工业自动化仪表工程施工及验收规范》GBJ93-86;