污水處理廠精準曝氣改造實例
針對再生水廠鼓風曝氣系統升級改造難的問題，構建定制了精準曝氣系統，包括定時模式、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，該系統根據現有鼓風機系統的自動化調節程度，可以實現定制化精準曝氣運行。運行結果表明，相較于系統未改造前，該精準曝氣系統實現了較大的節能降耗，其中鼓風機單位電耗降低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%，且保證出水水質實時達標。
本文立足于某大型再生水廠，結合該廠實際硬件情況建立調控機制，建立了一套定制化精準曝氣系統，且節能效果顯著。
1 項目概況
某再生水廠位于北京市朝陽區，一期和二期分別于1993年和1999年正式運行，設計處理規模為100萬m3/d，每期設計處理規模為50萬m3/d。該廠于2017年6月開始進行再生水廠污水區工藝改造，于2018年完成改造，改造后污水區工藝見圖1。
該再生水廠生物池好氧段分為3個廊道。在日常的運行中，生物池內溶解氧會出現大幅波動的情況，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定的低值，否則既會增加能耗，還會影響脫氮除磷的效果，增加運行成本。圖2為該廠一天的進水水量變化情況，可以發現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水水量波動明顯。
為了了解生物池出水水質隨水量變化情況，分別監測了上午及下午時段二、三廊道的氨氮及DO情況，結果見圖3。從圖中可以看出，在曝氣管閥門全開時，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。說明在常規曝氣充足情況下二廊道氨氮消減會受抽升水量的影響，但基本能達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。過量的曝氣導致污染物主要在曝氣區上游得到消減，三廊道未能發揮合理的污染物消減的功能，同時導致三廊道溶解氧更難控制，高溶解氧濃度回流液對反硝化也會造成一定的影響。
因此針對該廠曝氣池，需要分段進行溶解氧控制，在曝氣區中后段分別進行溶解氧控制，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 定制化精準曝氣系統
針對水廠實際運行情況，定制開發了一套完整的精準曝氣系統，其含有多種模式，包括定時模式、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。其中前饋模式根據進水水量、水質等數據，通過內嵌的模型計算各生物池所需曝氣量，將實際曝氣池進氣量與計算所需曝氣量對比，自動調節進氣調節閥，使氣量差恒定在一定范圍內。本精準曝氣系統要求每個溶解氧控制區至少配置1臺電動空氣調節閥、1臺熱式氣體流量計和1臺在線溶解氧儀。另外，由于本精準曝氣系統需要MLSS、壓力、在線氨氮等反饋信號來補償曝氣量計算，因此，需增加MLSS儀、壓力變送器和在線氨氮等儀表。該系統從2018年開始建設，2018年底完成設備安裝及項目施工，2019年開始進行項目調試，2019年6月完成調試，開始穩定運行。
針對該廠缺乏每組生物池進水流量計量且每組生物池配水不均勻的情況，實際運行中采用恒DO控制模式(見圖4)。該廠分別設定二廊道和三廊道的DO控制值，采用串級PID控制算法，首先分別對比在線DO儀所測數據和相應DO控制值，通過PID算法獲得所需曝氣量，然后，對比所需曝氣量與現場氣體流量計實測值的差異，通過PID算法，獲取電動調節閥所需開度，并利用執行器控制相應廊道電動調節閥開度，從而實現該廊道溶解氧穩定控制。
3 鼓風機節能調控
通過以上控制系統，可以實現生物池現場閥門自動控制，從而達到生物池溶解氧穩定，但想要保持長期穩定，需要鼓風機的聯動運行，否則當在線DO數值很低時，若鼓風機不進行導葉開度增加等操作，空氣調節閥閥門開至最大也無法提供足夠的曝氣量，生物池在線DO則無法升至設定值。因此，鼓風機的操作至關重要，不僅影響生物池的溶解氧濃度，也是節能降耗的關鍵。
該廠鼓風機為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。為了保障設備穩定運行，無法進行鼓風機系統遠程自動運行，因此無法實現鼓風機系統與精準曝氣系統的自動聯動運行。
在已有系統運行的基礎上，通過在線分析每日每時的水量水質數據，制定了鼓風機調控方案。結合進水水量實時變化，同時分析三廊道所有在線DO儀的平均值，設定DO平均值，通過判斷實際DO平均值和設定DO平均值的差異，調整鼓風機開啟狀態（改變導葉開度或者鼓風機運行臺數）。表1為精準曝氣系統運行后，某典型日鼓風機每2 h的調整和運行狀態。
4 結果分析
4.1 水質結果分析
經過半年的調試，二廊道實現恒DO調控，二廊道設定DO值為1mg/L，圖5為二廊道1 d的DO值變化情況，可以發現二廊道DO穩定在1mg/L。其誤差在20%以內。
對2019至2020年出水氨氮進行分析，可以發現從2019年開始調試起，其出水氨氮一直穩定達標，且在2020年出水氨氮更為平穩，一年中氨氮在0.4mg/L以下的概率為98.9%。
4.2 鼓風機單位水量電耗分析
對比了2018年、2019年、2020年月份二期鼓風機月均單位電耗，其結果見圖7。鼓風機單位電耗計算方式：鼓風機房各臺鼓風機電量加和值/進水流量，各鼓風機電量表數據為累計數值，計算月均值則采用月末月初的差值。
從圖7中可以看出，2020年鼓風機月均單位電耗比2018年有顯著降低。且相比2019年也有明顯的降低。2020年鼓風機年均單位電耗為0.0967 kW·h/m3，相比2018年全年鼓風機年均單位電耗0.1319 kW·h/m3下降26.7%，相比2019年全年鼓風機年均單位電耗0.1145 kW·h/m3下降15.5%。從二期鼓風機單位電耗可以看出，該定制化精準曝氣系統的建立，實現了大幅節能降耗。
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，結果見圖8、圖9。去除氮污染物及COD的單位電耗計算方法如下：
各年二期鼓風機單位電耗/（各年進水TN均值-各年再生水出水TN均值）×1 000；各年二期鼓風機單位電耗/（各年進水NH3-N均值-各年再生水出水NH3-N均值）×1 000；各年二期鼓風機單位電耗/（各年進水COD均值-各年再生水出水COD均值）×1 000。計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。
可以發現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%。對比分析2018年、2019年與2020年3年的進出水TN及NH3-N，可以發現，2020年進水水質明顯偏低，這是因為2020年正值新冠疫情期間，進水TN年均值為40.2mg/L，進水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，同樣發現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年進出水COD值，可以發現新冠疫情期間，進水COD值明顯偏低，相比于2019年降低31.89%。對比2019年和2018年的去除COD單位電耗，可以發現，2019去除COD單位電耗相比2018年降低7%。
由于目前鼓風機控制方式為人工手動經驗控制，針對2020年進水水質明顯降低的情況，相應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，后續需提高鼓風機控制方式及頻率，在有條件的情況下進行鼓風機自動控制改造，從根本上緩解因水質波動引起的調節不及時問題。2018年至2020年進出水水質情況如表2所示。
5 小 結
結合某大型再生水廠實際情況，通過現場閥門、儀表安裝實現現場DO實時調控，結合鼓風機調控方案，構建了定制化精準曝氣系統，解決了再生水廠大型設備自動運行困難的難題，為大型再生水廠的精準曝氣改造項目實施指明了方向。
通過該定制化精準曝氣系統，實現鼓風機單位電耗降低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%。
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