精確曝氣在CASS工藝運(yùn)行和節(jié)能中的應(yīng)用

1、精確曝氣在CASS工藝運(yùn)行和節(jié)能中的應(yīng)用 上海昊滄系統(tǒng)控制技術(shù)有限責(zé)任公司摘要：曝氣環(huán)節(jié)是污水處理廠節(jié)省能耗和降低運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)鍵，曝氣效果和出水水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)密切相關(guān)，如何既能保證出水達(dá)標(biāo)運(yùn)行，又能盡可能降低曝氣環(huán)節(jié)的消耗和費(fèi)用，達(dá)成兩者的平衡，就成為考量污水廠精細(xì)化控制水平的標(biāo)桿。對(duì)污水處理廠曝氣系統(tǒng)的精細(xì)化控制非常重要，而為了達(dá)到優(yōu)化曝氣的目的，需要建立基于活性污泥數(shù)學(xué)模型的先進(jìn)控制技術(shù)。精確曝氣是基于活性污泥數(shù)學(xué)模型和鼓風(fēng)機(jī)-閥門聯(lián)合控制的先進(jìn)控制技術(shù)，本文以四川省內(nèi)江市污水處理廠二期新建污水處理工程為例，剖析精確曝氣在CASS工藝運(yùn)行和節(jié)能中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：精確曝氣，內(nèi)江市污水處理廠，曝

2、氣方式城市污水處理屬于高能耗行業(yè)，污水廠的直接成本中，所占比例最大的是動(dòng)力費(fèi)，而動(dòng)力費(fèi)中曝氣環(huán)節(jié)又占據(jù)了50%以上的份額，可見(jiàn)曝氣環(huán)節(jié)是污水廠節(jié)省能耗和降低運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)鍵。曝氣效果和出水水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)密切相關(guān)，如何既能保證出水達(dá)標(biāo)運(yùn)行，又能盡可能降低曝氣環(huán)節(jié)的消耗和費(fèi)用，達(dá)成兩者的平衡，就成為考量污水廠精細(xì)化控制水平的標(biāo)桿。溶解氧濃度也就成為影響整個(gè)污水生化處理過(guò)程的重要影響因素，其控制水平的好壞影響到污水廠的出水水質(zhì)和運(yùn)行效果。在傳統(tǒng)的曝氣控制模式下（人工調(diào)節(jié)、PID等）， 由于污水處理系統(tǒng)的時(shí)變性、時(shí)滯性、擾動(dòng)性和非線性等特性會(huì)造成各種擾動(dòng)，很難做到曝氣系統(tǒng)按需供、配氣，實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常發(fā)生供

3、氣不足或者過(guò)量供氣，導(dǎo)致出水水質(zhì)不穩(wěn)定和能耗過(guò)高的弊端。因此，對(duì)污水處理廠曝氣系統(tǒng)的精細(xì)化控制非常重要，而為了達(dá)到優(yōu)化曝氣的目的，需要建立基于活性污泥數(shù)學(xué)模型的先進(jìn)控制技術(shù)。 精確曝氣是基于活性污泥數(shù)學(xué)模型和鼓風(fēng)機(jī)-閥門聯(lián)合控制的先進(jìn)控制技術(shù)， 模型的核心是國(guó)際水協(xié)于上世紀(jì)80年代以來(lái)提出的一系列用于描述活性污泥工藝處理污水的生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型ASM系列模型（ASM1、ASM2、ASM2d、ASM3）。該系列模型以定量化的方式描述了污水生化處理過(guò)程中溶解氧濃度的變遷、有機(jī)污染物的降解、不同種群微生物的生長(zhǎng)-衰亡規(guī)律和脫氮除磷的過(guò)程。基于ASM模型，精確曝氣控制系統(tǒng)能根據(jù)曝氣池中設(shè)定的

4、目標(biāo)溶解氧濃度，結(jié)合進(jìn)水的水量、水質(zhì)等工藝參數(shù)，計(jì)算出維持當(dāng)前目標(biāo)溶解氧濃度所需的曝氣量，即需氣量，并向曝氣池提供足以維持設(shè)定目標(biāo)溶解氧的氣量，而這一過(guò)程將由鼓風(fēng)機(jī)-閥門的聯(lián)合精細(xì)化控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。鼓風(fēng)機(jī)是整個(gè)曝氣系統(tǒng)的動(dòng)力源泉，通過(guò)啟?；蛘哒{(diào)節(jié)進(jìn)、出口導(dǎo)葉開(kāi)度提供曝氣池所需的總曝氣量；閥門通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)度，負(fù)責(zé)曝氣量在各個(gè)生化池或不同工藝控制單元內(nèi)的二次分配，以保證每個(gè)控制單元都能“分配”到合適的氣量。通過(guò)精確曝氣系統(tǒng)的精確控制，曝氣池的溶氧能維持在設(shè)定目標(biāo)值附近波動(dòng)，避免了傳統(tǒng)曝氣方式下可能為了一味追求水質(zhì)達(dá)標(biāo)帶來(lái)的過(guò)量供氣的弊端。 四川省內(nèi)江市污水處理廠二期新建污水處理工程于2013年8月開(kāi)始實(shí)

5、施精確曝氣，而原有的一期污水處理工程從2013年10月開(kāi)始實(shí)施精確曝氣，至2014年3月均已基本實(shí)現(xiàn)溶解氧的精細(xì)化控制，削減單位污染物、處理單方水的鼓風(fēng)機(jī)電耗也有明顯的降低。1、內(nèi)江市污水處理廠實(shí)施精確曝氣前的概況內(nèi)江市污水廠分為一期和二期工程，均采用CASS工藝，分別由四組生化反應(yīng)池構(gòu)成，設(shè)計(jì)處理能力分別為5萬(wàn)m3/日，工藝運(yùn)行周期包括進(jìn)水、曝氣、沉淀和出水等階段，單個(gè)運(yùn)行周期為4小時(shí)，出水水質(zhì)執(zhí)行城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002）一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。一期、二期工程分別設(shè)有3臺(tái)Siemens-Turbo鼓風(fēng)機(jī)，各自為4組生化池進(jìn)行供氣。在實(shí)施精確曝氣改造之前，3臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)之間設(shè)有管路

6、截止閥門。運(yùn)行中通過(guò)截止Valve-1打開(kāi)Valve-2或打開(kāi)Valve-1截止Valve-2實(shí)現(xiàn)1#、2#或3#鼓風(fēng)機(jī)為不同生化池供氣：圖1 鼓風(fēng)機(jī)曝氣管道系統(tǒng)圖（實(shí)施精確曝氣之前）鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)原有的供氣模式是傳統(tǒng)的、基于人工調(diào)節(jié)的方式。根據(jù)CASS工藝周期性運(yùn)行的工藝特性，通過(guò)啟閉安裝在鼓風(fēng)機(jī)曝氣總管上的截止閥Vavle-1、Vavle-2來(lái)實(shí)現(xiàn)向不同的生化池組供氣：截止Vavle-2、打通Vavle-1來(lái)向A、B池組供氣；截止Vavle-1、打通Vavle-2來(lái)向C、D池組供氣。安裝在四根曝氣支管（分別通向A、B、C、D四座生化池）上的電動(dòng)閥，在曝氣階段打開(kāi)，在沉淀、排水等不需曝氣的階段關(guān)

7、閉。整個(gè)曝氣管道系統(tǒng)通過(guò)上述閥門的啟閉來(lái)切換向各池的供氣。 在日常運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常會(huì)開(kāi)啟2臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，池內(nèi)DO儀表的讀數(shù)較高，但存在只用一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行曝氣即可取得理想出水水質(zhì)的可能性，有較大的節(jié)氣、節(jié)能空間；而且出水氨氮值偏低，氨氮削減量也較高，往往超過(guò)總氮的削減量，證明生化池的硝化比較徹底，但反硝化不足，尚有上升空間。而這和較高的供氣量抑制了反硝化有關(guān)，會(huì)造成出水總氮偏高。如果能通過(guò)精確曝氣減少一部分曝氣量，不僅可以節(jié)能，還有助于出水總氮的降低。2、內(nèi)江市污水廠精確曝氣工程的實(shí)施精確曝氣系統(tǒng)（Aeration Volume control System，簡(jiǎn)稱AVS）是一個(gè)集成的控制系統(tǒng)，可

8、以實(shí)現(xiàn)整個(gè)鼓風(fēng)-曝氣環(huán)節(jié)的自動(dòng)閉環(huán)控制，如鼓風(fēng)機(jī)的啟停、導(dǎo)葉調(diào)節(jié)和閥門開(kāi)度調(diào)節(jié)。AVS基于活性污泥數(shù)學(xué)模型和鼓風(fēng)機(jī)-閥門聯(lián)合控制， 能根據(jù)曝氣池的需氣量合適地供給、分配氣量，使曝氣池的溶氧盡可能接近預(yù)設(shè)的目標(biāo)值，確保出水穩(wěn)定，以較小的能耗和運(yùn)行成本來(lái)實(shí)現(xiàn)出水達(dá)標(biāo)。AVS采用“前饋+后饋+模型”組成多參數(shù)控制方式，結(jié)合其內(nèi)嵌的控制邏輯能使曝氣系統(tǒng)在部分儀表已經(jīng)損壞的前提下仍實(shí)行閉環(huán)控制，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在內(nèi)江廠對(duì)CASS池進(jìn)行精確曝氣改造的過(guò)程中，以每組生化池作為一個(gè)溶解氧控制區(qū)，設(shè)計(jì)一套就地控制系統(tǒng)，包括一個(gè)溶氧儀、一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)活塞閥和一個(gè)熱式空氣流量計(jì)。AVS按照總需氣量控制鼓風(fēng)機(jī)，通過(guò)

9、就地電動(dòng)空氣調(diào)節(jié)活塞閥實(shí)現(xiàn)曝氣量在不同溶解氧控制區(qū)間的分配，控制結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖2 AVS溶解氧控制區(qū)的劃分和儀表設(shè)備安裝示意圖 曝氣總管上不再通過(guò)截止閥的啟閉來(lái)實(shí)現(xiàn)向不同生化池供氣，而是徹底打通；在分別通向A 、B池和C、D池的曝氣總管上則安裝有熱式空氣流量計(jì)和壓力變送器。在通向四組生化池的曝氣支管上各自裝有熱式空氣流量計(jì)和電動(dòng)活塞閥。每組生化池都安裝了液位計(jì)和污泥濃度計(jì)。四套就地控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)四個(gè)溶解氧控制區(qū)，按照AVS給定的流量信號(hào)調(diào)節(jié)每一臺(tái)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使實(shí)際氣量與設(shè)定氣量相一致，以滿足每個(gè)溶解氧控制區(qū)的氣量需求，從而實(shí)現(xiàn)按需配氣。AVS就地控制系統(tǒng)的氣量調(diào)節(jié)示意圖如下所示：圖3 AV

10、S就地控制系統(tǒng)氣量調(diào)節(jié)示意圖內(nèi)江廠一期、二期工程的鼓風(fēng)機(jī)組分別由三臺(tái)Siemens-Turbo 高速離心鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)成，兩用一備。每臺(tái)風(fēng)機(jī)配置一個(gè)單元控制器（LCP），設(shè)置一臺(tái)主控柜（MCP）來(lái)負(fù)責(zé)鼓風(fēng)機(jī)投入啟動(dòng)或關(guān)閉臺(tái)數(shù)，導(dǎo)葉開(kāi)度大小，并能依據(jù)相關(guān)的信號(hào)做完整的控制動(dòng)作。將3臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)作為一組，采用總流量的調(diào)節(jié)控制方式，根據(jù)AVS系統(tǒng)動(dòng)態(tài)計(jì)算出來(lái)的總風(fēng)量，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)主控柜MCP自動(dòng)控制所有鼓風(fēng)機(jī)的啟停、導(dǎo)葉開(kāi)度調(diào)大或調(diào)小以使風(fēng)量及壓力滿足需求，避免了進(jìn)水負(fù)荷高峰時(shí)的曝氣不足和進(jìn)水負(fù)荷低谷時(shí)的曝氣過(guò)量，實(shí)現(xiàn)了曝氣過(guò)程的精細(xì)化、穩(wěn)定化控制，按需曝氣節(jié)約了曝氣能耗。圖4 AVS鼓風(fēng)機(jī)控制原理示意圖3、

11、運(yùn)行效果評(píng)價(jià)內(nèi)江廠二期在2013年8月投運(yùn)的同時(shí)實(shí)施了AVS， 二期在2013年10月開(kāi)始實(shí)施AVS改造。經(jīng)過(guò)數(shù)月的調(diào)試，運(yùn)行效果趨于穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了曝氣系統(tǒng)的閉環(huán)控制，即從鼓風(fēng)機(jī)到各個(gè)支管配氣的全自動(dòng)控制，對(duì)溶解氧的精細(xì)化控制和對(duì)曝氣時(shí)段的按需供配氣，使得出水水質(zhì)更加穩(wěn)定，有效降低了處理單方水的鼓風(fēng)機(jī)能耗（相較未實(shí)施AVS的歷史數(shù)據(jù)而言），實(shí)現(xiàn)了工藝運(yùn)行的優(yōu)化和節(jié)能降耗。3.1 溶解氧控制效果評(píng)價(jià)為了對(duì)比兩種不同的曝氣模式對(duì)溶解氧的影響，分別取實(shí)施了AVS的二期生物池溶解氧濃度和同期未實(shí)施AVS的一期生物池溶解氧濃度作為對(duì)照組：未實(shí)施AVS的一期一號(hào)池溶解氧，DO未受控實(shí)施AVS的二期五號(hào)池溶解

12、氧，DO受控圖5 實(shí)施AVS與否的DO控制效果對(duì)比經(jīng)過(guò)比對(duì)可知，實(shí)施AVS的E池溶解氧濃度DO105的控制精度要遠(yuǎn)好于同時(shí)期采取傳統(tǒng)人工控制模式的A池溶解氧濃度DO101（二期的E池在工藝運(yùn)行條件上接近一期的A池，適合作為平行對(duì)照組），而且濃度數(shù)值也大為下降。在不予曝氣的工藝階段（沉淀和排水），實(shí)施了AVS之后也極少有DO殘留。這就表明，采用AVS有助于溶解氧的精細(xì)化控制，而且能節(jié)省氣量。3.3 出水水質(zhì)效果評(píng)價(jià)進(jìn)水水量、水質(zhì)的時(shí)變性和波動(dòng)性對(duì)于如何調(diào)節(jié)好氧區(qū)的曝氣量以滿足活性污泥對(duì)溶解氧的需求提出了很高的要求，傳統(tǒng)的曝氣控制方式（人工調(diào)節(jié)或PID）存在滯后性，往往導(dǎo)致好氧區(qū)的溶解氧濃度波動(dòng)過(guò)

13、大，帶來(lái)出水質(zhì)的不穩(wěn)定性和能耗的浪費(fèi)。在內(nèi)江污水廠經(jīng)過(guò)對(duì)AVS系統(tǒng)的調(diào)試，至2014年初，總體的出水水質(zhì)已基本趨于穩(wěn)定。通過(guò)將2011年2013年的年均主要污染物去除率（其中2013年僅統(tǒng)計(jì)到7月，即AVS投運(yùn)之前的歷史數(shù)據(jù)）同AVS投運(yùn)之后的月均主要污染物去除率加以比較，COD、氨氮的去除率均和歷年持平，而總氮、總磷的去除率則有所改善：表1 AVS投運(yùn)前后主要污染物去除率比較時(shí)間段COD去除率氨氮去除率總氮去除率總磷去除率2011年85.98 88.90 2012年90.13 88.91 61.78 71.89 2013年89.56 86.06 60.63 64.91 AVS投運(yùn)后87.79

14、 88.32 66.81 84.33 注： AVS投運(yùn)后的數(shù)據(jù)是2013年8月2014年2月的月均水質(zhì)數(shù)據(jù)，而且是二期出水和一期出水的混合； 2011年2013年的數(shù)據(jù)是當(dāng)年的年均水質(zhì)數(shù)據(jù)，其中2013年度的只統(tǒng)計(jì)到7月，全部來(lái)自一期。AVS投運(yùn)后，出水總氮去除率相較2012年度和2013年（截止7月）分別提高了8.14%和10.19%，出水總磷去除率相較這兩個(gè)時(shí)間段分別提高了17.3%和29.92%，有明顯的改善。出水COD和氨氮的去除率和歷史數(shù)據(jù)持平。 3.4 節(jié)能降耗效果評(píng)價(jià)內(nèi)江廠實(shí)施AVS后，能實(shí)現(xiàn)按需供氣，避免了能源的浪費(fèi)，有助于降低運(yùn)行成本。將2011年2013年的一期歷史數(shù)據(jù)分別

15、同投運(yùn)AVS以后的二期、一期進(jìn)行處理單方水鼓風(fēng)機(jī)電耗的對(duì)比：表2 AVS投運(yùn)前后能耗指標(biāo)的比較（1）能耗指標(biāo)2011年2012年2013年*AVS投運(yùn)后鼓風(fēng)機(jī)電耗（kWh）4766 5036 3920 3753 處理水量（m3）39735 421503216034527 處理單方水鼓風(fēng)機(jī)電耗（kWh/m3）0.11990.11950.12190.1087注：表2是將二期投運(yùn)后（2013.82014.2）的能耗結(jié)果分析和一期的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。其中一期2013年的結(jié)果只統(tǒng)計(jì)到7月，即二期AVS投運(yùn)之前。表3 AVS投運(yùn)前后能耗指標(biāo)的比較（2）能耗指標(biāo)2011年2012年2013年*AVS投運(yùn)后鼓

16、風(fēng)機(jī)電耗（kWh）4766 5036 3920 3781 處理水量（m3）39735 421503216035421 處理單方水鼓風(fēng)機(jī)電耗（kWh/m3）0.11990.11950.12190.1067注：表3是將一期實(shí)施AVS后（2013.102014.2）的能耗結(jié)果分析和一期的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。其中一期2013年的結(jié)果只統(tǒng)計(jì)到9月，即一期實(shí)施AVS之前。綜上，在二期和一期先后實(shí)施AVS以后，處理單方水的鼓風(fēng)機(jī)電耗較2011年開(kāi)始的歷史數(shù)據(jù)，都有所下降，取得了一定的節(jié)能降耗效果。其中，二期在實(shí)施AVS期間的單方水電耗，相較2011年、2012年和2013年（截止7月）的一期單方水電耗，分別下

17、降了9.38%、9.02%和10.82%；一期在實(shí)施AVS期間的單方水電耗，相較2011年、2012年 和2013年（截止9月）的一期單方水電耗，分別下降了11%、10.71%和12.47%。4、精確曝氣在CASS工藝中應(yīng)用的難點(diǎn)有別于A2O、氧化溝等工藝，由于CASS工藝的特殊性，AVS系統(tǒng)的應(yīng)用會(huì)有一些技術(shù)難點(diǎn)，也會(huì)和A2O工藝中應(yīng)用的AVS系統(tǒng)有所差別。 CASS工藝的特征之一是按照設(shè)定的反應(yīng)時(shí)序進(jìn)行進(jìn)水、曝氣、沉淀、排水等操作，因此對(duì)反應(yīng)池的供氣不是連續(xù)進(jìn)行的（一般在每個(gè)反應(yīng)池的進(jìn)水和曝氣階段供氣，而在沉淀和排水階段停止供氣，呈現(xiàn)非常明顯的周期性），這是它和連續(xù)向反應(yīng)池供氣的A2O、氧

18、化溝等工藝存在的最大差別。對(duì)于AVS系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這就對(duì)鼓風(fēng)機(jī)-閥門的聯(lián)合控制系統(tǒng)提出了更高的控制要求。在工藝運(yùn)行中的任何時(shí)刻，至少有一組反應(yīng)池在曝氣，而其它反應(yīng)池則處于停止供氣狀態(tài)，直到該反應(yīng)池曝氣階段結(jié)束停止供氣，轉(zhuǎn)而向另一反應(yīng)池供氣。在這一切換過(guò)程中，由于氣量需求的劇烈變化，可能會(huì)給鼓風(fēng)-曝氣系統(tǒng)帶來(lái)沖擊，導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)喘振等一系列問(wèn)題。AVS系統(tǒng)通過(guò)工藝氣量模型、鼓風(fēng)機(jī)、閥門的聯(lián)合控制算法解決了這個(gè)隱患，即不影響工藝需氣，又保護(hù)設(shè)備。首先，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)行配氣供給，避免由于工藝對(duì)氣量需求帶來(lái)的劇烈變化和沖擊，使鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的過(guò)渡更平滑；其次，通過(guò)閥門有效合理分配調(diào)節(jié)氣量，響應(yīng)鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備調(diào)節(jié)變化，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和合理過(guò)渡。CASS工藝的另一個(gè)運(yùn)行特征是反應(yīng)池進(jìn)水過(guò)程中水位的周期性變化，這也對(duì)鼓風(fēng)-曝氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)，也是傳統(tǒng)的A2O等工藝所未曾面臨的問(wèn)題（其水位大致上維持穩(wěn)定，不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)有大的波動(dòng)）。鼓風(fēng)機(jī)需克服進(jìn)水曝氣階段水位升高帶來(lái)的曝氣管管壓的上升，對(duì)工藝運(yùn)行和節(jié)能不利。AVS系統(tǒng)對(duì)于水位的變化帶來(lái)曝氣系統(tǒng)的不利影響，通過(guò)建立預(yù)期模型，即時(shí)調(diào)節(jié)管道壓力及需氣量，解決即滿