污水處理精確曝氣十問(wèn)十答
來(lái)源 ：環(huán)保水處理知識(shí)
環(huán)保水處理
污水處理中曝氣流量控制的目標(biāo)就是在生物反應(yīng)器中形成穩(wěn)定的溶解氧條件，為微生物生長(zhǎng)與污染物降解建立一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡和可靠的生存環(huán)境。這一動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程的實(shí)質(zhì)，就是使總氧轉(zhuǎn)移速率近似等于總耗氧速率。由于污水廠的進(jìn)水水質(zhì)和水量是變化的，在特定的時(shí)間段內(nèi)其耗氧量也是變化的，只有使該時(shí)段內(nèi)的供氧量和耗氧量相均衡，才能保證處理環(huán)境的穩(wěn)定。
精確曝氣研發(fā)的目的是為了保障供氧和節(jié)能，通過(guò)控制溶解氧使生化系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，可以提高出水COD和氨氮的達(dá)標(biāo)率，也可以間接促進(jìn)出水TN、TP 的達(dá)標(biāo)率，進(jìn)一步顯著提高了污水廠出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率。
從技術(shù)應(yīng)用的情況上來(lái)看，精確曝氣帶來(lái)的效果首先是顯著提高了出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率，其次是節(jié)能。
02
目前精確曝氣控制的理論基礎(chǔ)模型是國(guó)際水協(xié)的ASMs模型，針對(duì)的是傳統(tǒng)AAO工藝、AAO改良工藝如多級(jí)AO、AAO-MBR工藝等（如下圖）。
MBR和MBBR兩種工藝的曝氣強(qiáng)度控制更多的目的是為了抖動(dòng)膜絲、懸浮填料等，因此精確曝氣控制系統(tǒng)目前不適合這兩種工藝。精確曝氣控制的策略可以用于MBR、MBBR工藝節(jié)能。
03
精確曝氣系統(tǒng)的控制策略可采用前饋+串級(jí)反饋（如下圖）。
該系統(tǒng)共包括三級(jí)串聯(lián)的控制結(jié)構(gòu)：第一級(jí)前饋開(kāi)環(huán)控制，通過(guò)進(jìn)水負(fù)荷設(shè)定計(jì)算最優(yōu)溶解氧；第二級(jí)溶解氧反饋閉環(huán)控制，通過(guò)好氧區(qū)溶解氧儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)整每個(gè)支管曝氣量及閥門開(kāi)度；第三級(jí)鼓風(fēng)機(jī)閉環(huán)反饋控制，通過(guò)溶解氧和支管曝氣量調(diào)整風(fēng)機(jī)總氣量。
基于DO或氨氮控制兩種策略使用的底層模型都是活性污泥微生物與污染物的生化反應(yīng)模型，使用的參數(shù)，包括工程應(yīng)用的簡(jiǎn)化手段有差異。而這種差異也是精確曝氣不同供應(yīng)商之間的技術(shù)區(qū)別。
04
精確曝氣控制的核心是控制策略（算法），每一個(gè)污水廠的工藝都會(huì)有所不同，管路布局和施工也不同，每一個(gè)污水廠優(yōu)化控制的策略要在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)專業(yè)的分析，提供不同的定制化服務(wù)。
05
精確曝氣需要水質(zhì)儀表提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因此就需要對(duì)儀表提供很好的維護(hù)。在控制中對(duì)儀表數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確有專門的數(shù)據(jù)置信區(qū)間策略。
國(guó)家規(guī)定COD的監(jiān)測(cè)頻率為兩個(gè)小時(shí)，儀表本身可以45分鐘讀取一次數(shù)據(jù)。如果有工業(yè)廢水進(jìn)入生活污水處理廠，或者生活污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大的情況，建議將常規(guī)COD讀數(shù)周期縮短，或者增加全光譜法COD儀表、高光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀表等。
06
一般采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，分為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門兩部分。
精確曝氣控制系統(tǒng)對(duì)閥門沒(méi)有特殊要求，控制精確度從高到低依次是菱形閥、球閥、蝶閥，價(jià)格上從低到高依次是蝶閥、球閥、菱形閥。由于蝶閥開(kāi)度30%和全開(kāi)，其風(fēng)量變化區(qū)別不大，因此一般不用于精確曝氣控制系統(tǒng)。
電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般采用profibus或modbus協(xié)議，外國(guó)品牌有霍尼韋爾、羅托克、奧瑪、弗雷西等，國(guó)內(nèi)品牌有恒春、天津二通、揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠、重慶川儀調(diào)節(jié)閥等。
研究發(fā)現(xiàn)水深較大的情況下(大于6米)，閥門的調(diào)節(jié)性能將發(fā)生畸變，建議電動(dòng)閥安裝時(shí)兩側(cè)增加變徑，以改善閥門的調(diào)節(jié)性能，電動(dòng)閥安裝尺寸為管道尺寸的60-80%為宜。
07
目前污水處理曝氣使用的風(fēng)機(jī)一般為：?jiǎn)渭?jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)、多級(jí)低速離心鼓風(fēng)機(jī)、羅茨鼓風(fēng)機(jī)、螺桿鼓風(fēng)機(jī)等。
單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)：因驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)形式不同分為齒輪增速型單級(jí)高速離心風(fēng)機(jī)、空氣懸浮式高速離心鼓風(fēng)機(jī)、磁懸浮式高速離心鼓風(fēng)機(jī)等。
多級(jí)低速離心鼓風(fēng)機(jī)：采用傳統(tǒng)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分級(jí)加壓，提供壓縮空氣。
羅茨鼓風(fēng)機(jī)：容積式鼓風(fēng)機(jī)。
螺桿鼓風(fēng)機(jī)：容積式鼓風(fēng)機(jī)。噪音小、價(jià)格便宜。
精確曝氣控制系統(tǒng)都可以對(duì)上述風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)和控制。
1.從風(fēng)量調(diào)節(jié)方式上講，單級(jí)齒輪增速高速離心風(fēng)機(jī)通過(guò)調(diào)整進(jìn)、出口導(dǎo)葉的方式調(diào)節(jié)風(fēng)量。空氣和磁懸浮風(fēng)機(jī)、多級(jí)鼓風(fēng)機(jī)、羅茨鼓風(fēng)機(jī)、螺桿鼓風(fēng)機(jī)均采用變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速方式，調(diào)整風(fēng)量。根據(jù)風(fēng)量需求控制風(fēng)機(jī)，單臺(tái)不滿足時(shí)加開(kāi)或減開(kāi)風(fēng)機(jī)，啟停時(shí)有保護(hù)，避免頻繁啟停。
2.從風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍上講，單級(jí)齒輪增速高速離心風(fēng)機(jī)一般能做到45%-100%的調(diào)節(jié)范圍，而且不易發(fā)生喘震現(xiàn)象。磁懸浮和空氣懸浮風(fēng)機(jī)本身無(wú)法調(diào)節(jié)風(fēng)量，需要增加變頻器，變頻器調(diào)節(jié)范圍一般為50%—100%。考慮到節(jié)能效率和管理水平，不建議用精確曝氣控制羅茨風(fēng)機(jī)和多級(jí)風(fēng)機(jī)。
從目前項(xiàng)目執(zhí)行情況來(lái)看，精確曝氣對(duì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的背壓相比于人工控制是比較大的，所以在做精確曝氣時(shí)需要考慮鼓風(fēng)機(jī)的背壓上限與可調(diào)空間，避免損壞風(fēng)機(jī)。
3.從頻繁啟動(dòng)的限制上講，磁懸浮風(fēng)機(jī)不受啟停次數(shù)的限制，空氣懸浮風(fēng)機(jī)影響較大。
4.從效率上講，磁懸浮風(fēng)機(jī)、空氣懸浮風(fēng)機(jī)、單級(jí)齒輪增速高速離心風(fēng)機(jī)均在75%以上。
5.從功率上講，鼓風(fēng)機(jī)功率在350kw以上，目前單級(jí)齒輪增速高速離心風(fēng)機(jī)用得較多；磁懸浮風(fēng)機(jī)、空氣懸浮風(fēng)機(jī)在350kw以下選用情況較多。
6.從價(jià)格上講，單級(jí)齒輪增速高速離心風(fēng)機(jī)最貴，磁懸浮風(fēng)機(jī)次之，空氣懸浮風(fēng)機(jī)最便宜。
7.從后期維護(hù)費(fèi)用上講，磁懸浮、空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)只需要定期更換空氣過(guò)濾棉，運(yùn)行維護(hù)成本較低；單級(jí)齒輪增速高速離心風(fēng)機(jī)附屬設(shè)備較多，涉及滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑、降溫冷卻、潤(rùn)滑油更換等附屬設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)。
8.從運(yùn)行噪音上來(lái)講，空氣懸浮和磁懸浮風(fēng)機(jī)優(yōu)勢(shì)很大。
9.從占地面積上講，單級(jí)齒輪增速高速離心風(fēng)機(jī)設(shè)備尺寸大一些。
國(guó)外磁懸浮風(fēng)機(jī)品牌有阿特拉斯▪科普柯、蘇爾壽（原ABS）、琵樂(lè)、安德里茨等，國(guó)內(nèi)磁懸浮風(fēng)機(jī)的品牌有億昇、亞之捷、格尼斯、磁谷、天瑞重工等。
國(guó)外空氣懸浮風(fēng)機(jī)的品牌有鈕若思、托普邁斯、南元、世亞、思科博（k-turbo）等，國(guó)內(nèi)空氣懸浮風(fēng)機(jī)的品牌有金士頓、航天海鷹、鑫磊等。
單級(jí)齒輪增速高速離心風(fēng)機(jī)國(guó)外品牌有西門子、豪頓、飛馬、杰爾、耐斯特、畢森等，國(guó)產(chǎn)品牌有金通靈、重通、江增、大通寶富、沈鼓、陜鼓等，其中杰爾屬于進(jìn)口組裝品牌。目前來(lái)看，國(guó)產(chǎn)品牌多數(shù)是單導(dǎo)葉或沒(méi)有導(dǎo)葉，進(jìn)口品牌多數(shù)是雙導(dǎo)葉聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，可以簡(jiǎn)單地用導(dǎo)葉技術(shù)來(lái)區(qū)分技術(shù)實(shí)力和品牌定位。
羅茨風(fēng)機(jī)、多級(jí)低速鼓風(fēng)機(jī)、螺桿鼓風(fēng)機(jī)因整機(jī)效率較低，在污水廠曝氣環(huán)節(jié)使用得越來(lái)越少。
08
1.曝氣過(guò)程自身不容易控制
充氧過(guò)程和傳質(zhì)系數(shù)、流量不成線性，與液位和溫度等有關(guān)；耗氧過(guò)程是復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)程；條件幾乎時(shí)刻在改變，很難實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。過(guò)程擾動(dòng)因素多，參數(shù)不穩(wěn)定，如溫度對(duì)傳質(zhì)系數(shù)、飽和溶解氧、微生物活性影響明顯；進(jìn)水負(fù)荷對(duì)耗氧速率影響明顯，且程度難以準(zhǔn)確計(jì)算。管道供氣過(guò)程進(jìn)行較快，而氧平衡過(guò)程較慢，必須對(duì)供氣過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確和快速控制才能實(shí)現(xiàn)過(guò)程的穩(wěn)態(tài)平衡。
對(duì)溶解氧的控制，不僅表現(xiàn)為溶解氧實(shí)時(shí)值的穩(wěn)定性，還體現(xiàn)在選擇合適的溶解氧濃度設(shè)定值。由于AAO工藝存在分區(qū)差異，相互之間有所影響，比如末端溶解氧會(huì)影響反硝化區(qū)的脫氮效果、二沉池回流污泥溶解氧會(huì)影響厭氧區(qū)釋磷效果等，這就要求對(duì)好氧區(qū)不同位置進(jìn)行區(qū)別對(duì)待，更為合理設(shè)置溶解氧濃度，以便促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)的脫氮除磷效果。
關(guān)于溶解氧設(shè)定值選擇的技術(shù)，一般采用離線優(yōu)化運(yùn)行方法，主要工具是污水處理工藝的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)學(xué)模擬。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，可以掌握系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，并確定關(guān)鍵的ASMs模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)成功的數(shù)學(xué)模擬。通過(guò)情景模擬和分析，可以對(duì)多種工況進(jìn)行分析和總結(jié)，得到適用于現(xiàn)場(chǎng)操作的方法和方案，從而在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化運(yùn)行。在這一方面，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院施漢昌教授研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究工作，并且通過(guò)大量的工程項(xiàng)目積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，使得這套系統(tǒng)得到了豐富和完善。
曝氣調(diào)整的時(shí)機(jī)和尺度也難以確定。從控制的角度來(lái)講，什么時(shí)間調(diào)整，一次調(diào)整多少合適非常關(guān)鍵，如果這兩個(gè)參數(shù)確定不好，控制系統(tǒng)基本是紊亂的。除了對(duì)進(jìn)水水質(zhì)、水量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控之外，對(duì)于超過(guò)一定限度的進(jìn)水負(fù)荷變化時(shí)，還需要預(yù)測(cè)這波水到生化反應(yīng)池大概需要的時(shí)間，然后再做出相應(yīng)的調(diào)整。根據(jù)負(fù)荷變動(dòng)的程度，氣體調(diào)整的數(shù)量，甚至調(diào)整方式也會(huì)有所不同。
2.曝氣支管氣量分配不容易控制
曝氣管道布置、曝氣盤布置對(duì)曝氣控制的影響很大。
單純的風(fēng)機(jī)控制只能實(shí)現(xiàn)總風(fēng)量的調(diào)節(jié)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)分配到每個(gè)區(qū)域的風(fēng)量都合適，而且風(fēng)管氣量分布問(wèn)題很復(fù)雜，光靠風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)即使再準(zhǔn)確也不能保證氣量的分配。
不同分區(qū)為了達(dá)到相同的DO，支管閥門開(kāi)度相比差別很大，有的甚至全開(kāi)DO也不及其他區(qū)域30%開(kāi)度所帶來(lái)的DO。
09
1.設(shè)備維護(hù)情況
包括儀表、風(fēng)機(jī)、通信等，數(shù)據(jù)不正�；蛲ㄐ殴收�、設(shè)備不能正確動(dòng)作都是影響很大的問(wèn)題。而且隨著時(shí)間增長(zhǎng)，設(shè)備的一些參數(shù)可能會(huì)發(fā)生變化，這可能是維護(hù)不到位或老化造成的。
運(yùn)行階段，追求控制系統(tǒng)與硬件設(shè)備以及工藝的完美結(jié)合，但有時(shí)候控制策略往往受限于硬件設(shè)備。
2.一些無(wú)法預(yù)知的干擾操作
比如放冷凝水或者生物池之外的某處需要曝氣，如果這時(shí)不迅速調(diào)整風(fēng)機(jī)的輸出，會(huì)導(dǎo)致DO大幅度下降，嚴(yán)重影響DO的穩(wěn)定性，而且如果天天如此，那就很難控制平穩(wěn)。
3.技術(shù)供應(yīng)商和使用單位脫節(jié)
精確曝氣控制系統(tǒng)不是標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，根據(jù)不同污水處理廠的情況需要作出不同的控制策略，在調(diào)試階段需要投入大量的人力和時(shí)間。污水廠作為使用單位不僅需要不怕麻煩，維護(hù)好相關(guān)硬件，還需要大概了解控制邏輯，正確使用這套系統(tǒng)。項(xiàng)目驗(yàn)收完成之后，技術(shù)供應(yīng)商和使用單位還需要保持長(zhǎng)期的密切聯(lián)系，針對(duì)使用過(guò)程中的軟件、硬件，甚至整個(gè)污水廠的工藝問(wèn)題開(kāi)展合作和交流。
10
1.更多地和TN、TP排放指標(biāo)的控制相結(jié)合。
2.精確曝氣更多地和碳源控制、加藥控制相結(jié)合。
3.精確曝氣控制邏輯從AAO應(yīng)用到其它工藝。
