曝氣精確分配與控制系統(tǒng)在臨平地埋式污水廠的應(yīng)用案例分析

徐 敏，白小平，姜 喬，邊 靖

(1. 杭州余杭水務(wù)控股集團(tuán)有限公司 浙江杭州311100；2.杭州余杭城東凈水有限公司 浙江杭州311100；3.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 天津300074)

隨著城市生活質(zhì)量的逐步提高，人們對(duì)環(huán)保的關(guān)注度越來(lái)越高。城市生活污水排放是城市生活的一個(gè)重要組成部分，加強(qiáng)對(duì)城市污水的處理、減少城市污水帶來(lái)的污染，也是當(dāng)前我國(guó)急需解決的問(wèn)題，而對(duì)城市污水中的氮、磷元素的處理又是整個(gè)污水處理過(guò)程中最為重要的一環(huán)[1]。

當(dāng)前我國(guó)約有一半的污水處理廠采用氧化溝和A/A/O工藝來(lái)進(jìn)行氮磷的處理，而且 A/A/O變形工藝的應(yīng)用呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在A/A/O工藝中，曝氣量的多少對(duì)出水氮磷是否達(dá)標(biāo)起到?jīng)Q定性作用。經(jīng)權(quán)威調(diào)查顯示，生物池鼓風(fēng)曝氣的能耗占污水處理廠總能耗的約 51%。因此，實(shí)現(xiàn)污水廠出水水質(zhì)穩(wěn)定及節(jié)能運(yùn)行是目前污水處理廠實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效這一目標(biāo)的關(guān)鍵。

精確曝氣的首要目標(biāo)是保障生化處理工藝的穩(wěn)定運(yùn)行以及出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，進(jìn)而達(dá)到鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)的節(jié)能降耗和污水處理廠的運(yùn)行成本降低。

1 項(xiàng)目背景

余杭臨平凈水廠位于杭州市余杭區(qū)望梅路東湖南路，是浙江省規(guī)模最大的全地埋式凈水廠。凈水廠設(shè)計(jì)處理水量20萬(wàn)t/d，生化段采用A/A/O+MBR處理工藝。

2019年，浙江省提出污水處理提質(zhì)增效 3年行動(dòng)計(jì)劃，杭州計(jì)劃完成 14座城鎮(zhèn)污水處理廠的技術(shù)改造，使出水部分污染物指標(biāo)優(yōu)于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。余杭臨平凈水廠主要負(fù)責(zé)臨平副城區(qū)域的污水處理，尾水直接排放至錢塘江，對(duì)出水水質(zhì)有極高的要求。

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)污水處理的曝氣系統(tǒng)基本上采用經(jīng)驗(yàn)恒量控制、溶解氧儀-閥門 PID 控制或人工經(jīng)驗(yàn)控制，這 3種控制方式具有共同的缺點(diǎn)：不能對(duì)具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合、大滯后等特點(diǎn)的曝氣系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定控制；不能使曝氣池各廊道閥門開度隨水量和水質(zhì)的變化而變化，從而導(dǎo)致曝氣量與實(shí)際需氣量相比冗余過(guò)大，造成工藝不穩(wěn)定且能耗升高[2]。因此，如何利用一款自動(dòng)化控制系統(tǒng)使生物池的曝氣實(shí)現(xiàn)精確分配與實(shí)時(shí)控制顯得極為重要。

2 曝氣精確分配與控制系統(tǒng)的布置

臨平凈水廠設(shè)東西兩座共4組生物池，單組設(shè)計(jì)處理水量為5萬(wàn)t/d。生物池采用底部微孔方式曝氣，各配置3臺(tái)離心風(fēng)機(jī)(2用1備)，曝氣控制則采用德國(guó)冰得公司的 VACOMASS?曝氣精確分配與控制系統(tǒng)。根據(jù)控制需求，該凈水廠 4組生物池被劃分為8個(gè)曝氣控制區(qū)進(jìn)行獨(dú)立控制。每組生物池分為進(jìn)水和出水兩個(gè)控制區(qū)，每個(gè)控制區(qū)分別設(shè)置一根曝氣支干管，均安裝相應(yīng)的 Jet流線型空氣調(diào)節(jié)閥并配套氣體流量計(jì)，同時(shí)每個(gè)曝氣控制區(qū)分別配置一臺(tái)在線溶解氧測(cè)定儀。

圖 1為一座 2組生物池的平面布置圖，其中M2、M3分別為進(jìn)水端的第一曝氣控制區(qū)，M1、M4分別為出水端的第二曝氣控制區(qū)。

圖1 臨平凈水廠生物池VACOMASS?曝氣精確分配與控制系統(tǒng)平面布置圖Fig.1 Proposal of VACOMASS? system for Linping WWTP

3 系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

3.1 鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行

該項(xiàng)目2019年4月中旬完成曝氣精確分配與控制系統(tǒng)的整體系統(tǒng)調(diào)試，開啟全自動(dòng)運(yùn)行。圖 2是污水處理廠的中控室 SCADA截圖，從圖中可以看到，整個(gè)污水處理廠的空氣調(diào)節(jié)閥及鼓風(fēng)機(jī)均處于全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。而且在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，不同曝氣控制區(qū)的閥位、DO、曝氣量均明顯不同。

之所以會(huì)出現(xiàn)以上差異，是因?yàn)椴煌锍氐囊何弧⑽勰酀舛鹊炔町愐约巴簧锍夭煌貧鈪^(qū)域曝氣效率差異等多方面的因素共同造成的。曝氣精確分配與控制系統(tǒng)的作用就在于平衡這些人眼看不見的差異，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)合理的實(shí)時(shí)分配曝氣量。

圖2 中控室SCADA曝氣精確分配與控制系統(tǒng)控制界面Fig.2 Interface of VACOMASS? system

3.2 氣量實(shí)時(shí)按需分配

圖 3為西池 M3進(jìn)水端控制區(qū)的一張控制曲線圖，時(shí)間為2019年6月11日至2019年6月17日?？梢钥吹?，為了使 DO保持在設(shè)定值附近，該控制區(qū)的曝氣量以及閥位均在實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

①當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到 A區(qū)域的時(shí)候，檢測(cè)到 DO有較大幅度的下降，于是迅速將風(fēng)量由 1800Nm3/h調(diào)整至 6500Nm3/h，從而使得 DO值迅速恢復(fù)到設(shè)定值合理范圍。

圖3 M3曝氣控制區(qū)一周DO控制曲線Fig.3 One week DO curves of M3 control zone

②當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到B區(qū)域時(shí)，DO值出現(xiàn)了周期約為 3.5h的連續(xù)波動(dòng)。為了抑制 DO的連續(xù)性波動(dòng)，VACOMASS?系統(tǒng)緊緊跟隨DO的波動(dòng)周期，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)量，從而有效抑制了DO波動(dòng)的連續(xù)與發(fā)散。

③當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到 C區(qū)域的時(shí)候，操作人員根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的需要，將 DO設(shè)定值由 1.0mg/L調(diào)整為0.7mg/L。系統(tǒng)及時(shí)捕捉到 DO設(shè)定值的信號(hào)變化后，將風(fēng)量由7000Nm3/h調(diào)整為3500Nm3/h。

3.3 DO穩(wěn)定控制

圖4是東區(qū)生物池M5—M8控制區(qū)在6月11日至 6月 17日共計(jì) 8d的 DO-閥位數(shù)據(jù)曲線，其中藍(lán)色的是DO測(cè)量值，黃色為 DO設(shè)定值，上部紅色是閥門開度。從圖中可以看出，系統(tǒng)可以自動(dòng)控制空氣調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)時(shí)調(diào)整空氣流量，保持 DO維持在設(shè)定值附近。在 85%以上的時(shí)間內(nèi)，DO測(cè)量值始終維持在DO設(shè)定值±0.5mg/L范圍內(nèi)。

圖4 M5—M8曝氣控制區(qū)一周DO控制曲線Fig.4 One week DO curves of M5-M8 control zones

3.4 工藝運(yùn)行穩(wěn)定

余杭臨平凈水廠采用一級(jí) A的水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)，在 VACOMASS?系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，污水處理廠工藝穩(wěn)定運(yùn)行，出水穩(wěn)定達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

此污水處理廠設(shè)計(jì)COD進(jìn)水為450mg/L，氨氮進(jìn)水為35mg/L，總氮進(jìn)水為45mg/L。從圖5中可以看到，在進(jìn)水參數(shù)波動(dòng)甚至超過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)的時(shí)候，系統(tǒng)通過(guò)及時(shí)調(diào)整氧氣供給量，保證出水水質(zhì)始終達(dá)到一級(jí) A標(biāo)準(zhǔn)(COD＜50mg/L，N-N＜5mg/L，TN＜15mg/L)。

圖5 4月1日至6月23日進(jìn)出水水質(zhì)曲線Fig.5 Influent and effluent quality curves from April 1 to June 23

3.5 鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)節(jié)能降耗

系統(tǒng)內(nèi)置的 E-control功能模塊能夠監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)的壓力值，避免過(guò)度曝氣以及曝氣不足，使整個(gè)鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)始終處于效率最高的狀態(tài)。

如圖 6所示，隨著 E-control壓力建議值的不斷更新，鼓風(fēng)機(jī)通過(guò)調(diào)整導(dǎo)葉開度，可以不斷調(diào)整系統(tǒng)壓力及供氣量。在進(jìn)水負(fù)荷下降時(shí)段A，E-Control輸出壓力建議值降低，鼓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉關(guān)小、工作電流下降，能耗降低，從而避免系統(tǒng)過(guò)度曝氣；在進(jìn)水負(fù)荷上升時(shí)段 B，E-Control輸出壓力建議值升高，鼓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉增大，工作電流上升，能耗增加，從而避免系統(tǒng)曝氣不足。

圖6 E-control壓力建議值曲線Fig.6 E-control pressure recommended value curve

在人工手動(dòng)控制模式下，系統(tǒng)壓力值為630mbar。此時(shí)，E-control帶來(lái)的節(jié)能空間為：

如果考慮到選用了 Jet流線型空氣調(diào)節(jié)閥還能額外給系統(tǒng)減少30～50mbr的壓力損失(圖7)，則系統(tǒng)實(shí)際能為客戶帶來(lái)的節(jié)能空間是＞(S節(jié)能區(qū)間/660)×t。

本研究統(tǒng)計(jì)了污水處理廠在2019年6月10日至7月17日及8月12日至9月12日共計(jì)68d的鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，運(yùn)行結(jié)果如表1所示。

圖7 E-control壓力建議值曲線Fig.7 E-control pressure recommended value curve

表1 電耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Power consumption statistics

由表 1可知，在兩段不同的時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)均處于全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，生物池平均噸水電耗分別為0.056kWh/t和 0.063kWh/t。

4 效果總結(jié)

①曝氣精確分配與控制系統(tǒng)能控制鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)各個(gè)生物池每個(gè)好氧區(qū)的氣量按需分配，精確控制每個(gè)好氧區(qū)的DO測(cè)量值在DO設(shè)定值的±0.5mg/L以內(nèi)，有力保障了污水處理廠的工藝穩(wěn)定運(yùn)行，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到所需的排放標(biāo)準(zhǔn)。

②曝氣精確分配與控制系統(tǒng)可根據(jù)污水處理廠進(jìn)水負(fù)荷的變化實(shí)時(shí)調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量，并適時(shí)優(yōu)化鼓風(fēng)機(jī)壓力，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

③曝氣精確分配與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了曝氣系統(tǒng)的全自動(dòng)運(yùn)行，和以往常見的手動(dòng)調(diào)節(jié)總管閥和鼓風(fēng)機(jī)相比，明顯降低了設(shè)備的運(yùn)維強(qiáng)度，提高了運(yùn)行管理人員的工作效率。