污水處理廠精準(zhǔn)曝氣改造實(shí)例

針對(duì)再生水廠鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)升級(jí)改造難的問題，構(gòu)建定制了精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)，包括定時(shí)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(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)化調(diào)節(jié)程度，可以實(shí)現(xiàn)定制化精準(zhǔn)曝氣運(yùn)行。運(yùn)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(shí)現(xiàn)了較大的節(jié)能降耗，其中鼓風(fēng)機(jī)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(shí)時(shí)達(dá)標(biāo)。

本文立足于某大型再生水廠，結(jié)合該廠實(shí)際硬件情況建立調(diào)控機(jī)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(xiàng)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(yùn)行，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為100萬m3/d，每期設(shè)計(jì)處理規(guī)模為50萬m3/d。該廠于2017年6月開始進(jìn)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(gè)廊道。在日常的運(yùn)行中，生物池內(nèi)溶解氧會(huì)出現(xiàn)大幅波動(dòng)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(huì)增加能耗，還會(huì)影響脫氮除磷的效果，增加運(yùn)行成本。圖2為該廠一天的進(jìn)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(jìn)水水量波動(dòng)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(shí)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(shí)，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(huì)受抽升水量的影響，但基本能達(dá)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(shí)導(dǎo)致三廊道溶解氧更難控制，高溶解氧濃度回流液對(duì)反硝化也會(huì)造成一定的影響。

因此針對(duì)該廠曝氣池，需要分段進(jìn)行溶解氧控制，在曝氣區(qū)中后段分別進(jìn)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(duì)水廠實(shí)際運(yùn)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(shí)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(jìn)水水量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)，通過內(nèi)嵌的模型計(jì)算各生物池所需曝氣量，將實(shí)際曝氣池進(jìn)氣量與計(jì)算所需曝氣量對(duì)比，自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)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(gè)溶解氧控制區(qū)至少配置1臺(tái)電動(dòng)空氣調(diào)節(jié)閥、1臺(tái)熱式氣體流量計(jì)和1臺(tái)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(hào)來補(bǔ)償曝氣量計(jì)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(xiàng)目施工，2019年開始進(jìn)行項(xiàng)目調(diào)試，2019年6月完成調(diào)試，開始穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)該廠缺乏每組生物池進(jìn)水流量計(jì)量且每組生物池配水不均勻的情況，實(shí)際運(yùn)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(jí)PID控制算法，首先分別對(duì)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(duì)比所需曝氣量與現(xiàn)場氣體流量計(jì)實(shí)測值的差異，通過PID算法，獲取電動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)閥開度，從而實(shí)現(xiàn)該廊道溶解氧穩(wěn)定控制。

3 鼓風(fēng)機(jī)節(jié)能調(diào)控

通過以上控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)生物池現(xiàn)場閥門自動(dòng)控制，從而達(dá)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(jī)的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，否則當(dāng)在線DO數(shù)值很低時(shí)，若鼓風(fēng)機(jī)不進(jìn)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(jī)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(jī)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(yùn)行，無法進(jìn)行鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動(dòng)運(yùn)行，因此無法實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)與精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。

在已有系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，通過在線分析每日每時(shí)的水量水質(zhì)數(shù)據(jù)，制定了鼓風(fēng)機(jī)調(diào)控方案。結(jié)合進(jìn)水水量實(shí)時(shí)變化，同時(shí)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(shí)際DO平均值和設(shè)定DO平均值的差異，調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)開啟狀態(tài)（改變導(dǎo)葉開度或者鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)）。表1為精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)運(yùn)行后，某典型日鼓風(fēng)機(jī)每2 h的調(diào)整和運(yùn)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(shí)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(duì)2019至2020年出水氨氮進(jìn)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(dá)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(jī)單位水量電耗分析

對(duì)比了2018年、2019年、2020年月份二期鼓風(fēng)機(jī)月均單位電耗，其結(jié)果見圖7。鼓風(fēng)機(jī)單位電耗計(jì)算方式：鼓風(fēng)機(jī)房各臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)電量加和值/進(jìn)水流量，各鼓風(fēng)機(jī)電量表數(shù)據(jù)為累計(jì)數(shù)值，計(jì)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(jī)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(jī)年均單位電耗為0.0967 kW·h/m3，相比2018年全年鼓風(fēng)機(jī)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(jī)年均單位電耗0.1145 kW·h/m3下降15.5%。從二期鼓風(fēng)機(jī)單位電耗可以看出，該定制化精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)的建立，實(shí)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(jì)算方法如下：

各年二期鼓風(fēng)機(jī)單位電耗/（各年進(jìn)水TN均值-各年再生水出水TN均值）×1 000；各年二期鼓風(fēng)機(jī)單位電耗/（各年進(jìn)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(jī)單位電耗/（各年進(jìn)水COD均值-各年再生水出水COD均值）×1 000。計(jì)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(duì)比分析2018年、2019年與2020年3年的進(jìn)出水TN及NH3-N，可以發(fā)現(xiàn)，2020年進(jìn)水水質(zhì)明顯偏低，這是因?yàn)?020年正值新冠疫情期間，進(jìn)水TN年均值為40.2mg/L，進(jìn)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(duì)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(jìn)出水COD值，可以發(fā)現(xiàn)新冠疫情期間，進(jìn)水COD值明顯偏低，相比于2019年降低31.89%。對(duì)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(jī)控制方式為人工手動(dòng)經(jīng)驗(yàn)控制，針對(duì)2020年進(jìn)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(jī)控制方式及頻率，在有條件的情況下進(jìn)行鼓風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制改造，從根本上緩解因水質(zhì)波動(dòng)引起的調(diào)節(jié)不及時(shí)問題。2018年至2020年進(jìn)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(shí)際情況，通過現(xiàn)場閥門、儀表安裝實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場DO實(shí)時(shí)調(diào)控，結(jié)合鼓風(fēng)機(jī)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(dòng)運(yùn)行困難的難題，為大型再生水廠的精準(zhǔn)曝氣改造項(xiàng)目實(shí)施指明了方向。

通過該定制化精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)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%。