污水處理廠(chǎng)曝氣量的調節控制

鼓風(fēng)曝氣系統電耗一般占全廠(chǎng)電耗的60%左右，是全廠(chǎng)節能的關(guān)鍵。最根本的節能措施是提高曝氣控制效率，降低氧的浪費，從而減小風(fēng)量。

進(jìn)行氣量控制是曝氣系統效果最顯著(zhù)的節能方法，以溶解氧（DO）為指標控制風(fēng)量時(shí)可節電33%。根據風(fēng)機風(fēng)量與能耗的關(guān)系可知，電耗隨氣量變化很大，因此進(jìn)行氣量控制節能效果顯著(zhù)，而且功率越大效果越明顯，當然氣量并不是可以任意減小，它將受到許多因素的影響。

從處理工藝的角度看，曝氣系統必須進(jìn)行控制，因為曝氣系統如果操作不當，曝氣量過(guò)小，二次沉淀池可能由于缺氧而發(fā)生污泥腐化，即池底污泥厭氧分解，產(chǎn)生大量氣體，促使污泥上浮。當曝氣時(shí)間長(cháng)或曝氣量過(guò)大時(shí)，在曝氣池中將發(fā)生高度硝化作用，使混合液中硝酸鹽濃度較高。這時(shí)，在沉淀池中可能由于反硝化而產(chǎn)生大量N2，而使污泥上浮。

另外，曝氣量的分布是否均衡和穩定也是影響處理效果和能耗的一個(gè)重要原因。在曝氣系統運行時(shí)，由于種種干擾，曝氣量的分布會(huì )發(fā)生變化，比如，一個(gè)地方曝氣頭堵塞，氣體流量會(huì )減少，同時(shí)，也會(huì )造成其它地方流量增大，相反，曝氣頭破損，氣體流量會(huì )大增，同時(shí)會(huì )造成其它地方流量銳減。這些都會(huì )使生物反應不平衡，處理質(zhì)量下降。為達到處理效果，不得不調整曝氣量，而此時(shí)某一點(diǎn)的溶解氧的變化亦不能準確反映生物池的處理狀態(tài)，使得以溶解氧為指標的控制變得不穩定，能耗增加。

一、行業(yè)現狀的不足

總結國內現有污水處理廠(chǎng)的運行后發(fā)現，自動(dòng)化設備投入較低，能耗高，而且系統大多在投產(chǎn)時(shí)沒(méi)能達到設計運行要求，或在運行一段時(shí)間后改為部分自動(dòng)、部分手動(dòng)的運行狀態(tài)，特別是曝氣系統。分析原因主要有以下幾個(gè)方面：

1、自動(dòng)化技術(shù)與工藝技術(shù)未能有機結合。我國污水處理廠(chǎng)起步時(shí)，自動(dòng)化系統成套引進(jìn)國外產(chǎn)品和技術(shù)，以后雖然硬件系統在國內采購，控制技術(shù)并沒(méi)有被系統的吸收。國內污水處理行業(yè)的自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)力量較低，很多興建的污水處理工程的自動(dòng)化系統是由冶金、化工、輕工等領(lǐng)域工程師設計、編程和調試的，對污水處理工藝了解較少，不能結合具體工藝進(jìn)行控制策略設計，一般采用套用本行業(yè)現有技術(shù)的作法，如本行業(yè)PID調節及其整定參數等，因此，運行效果并不理想。

2、自控系統培訓不到位。很多污水處理廠(chǎng)運行人員沒(méi)有得到控制系統供應商系統的培訓，除了基本操作以外，沒(méi)有從理論上對諸如曝氣系統調節技術(shù)的講述，使得管理人員只能在工作中重新摸索。

3、運行經(jīng)驗未得到利用。污水處理廠(chǎng)很重要的一點(diǎn)，是在長(cháng)期運行之后，可以總結日常規律，而且相對穩定，對于管理者，這些規律往往比昂貴的自控設備有用，但是在污水廠(chǎng)建設中，很多設計并沒(méi)有給管理者留有充分的調整空間，而且這些有用的經(jīng)驗也缺乏應用到其他污水設施建設的途徑。

二、控制策略的不足

1、溶解氧控制的難點(diǎn)

污水水質(zhì)的多變和生物處理系統中生化反應的復雜性，決定了污水處理的溶解氧（DO）檢測控制是一個(gè)大滯后系統，檢測出結果再進(jìn)行參數處理和調整，往往已滯后幾個(gè)小時(shí)甚至幾天，造成大量不合格水的排出。這種系統的特點(diǎn)是污水生物處理系統的運行管理具有相當的技術(shù)難度，要求管理者具有較好的環(huán)境工程知識基礎和相當豐富的運行管理經(jīng)驗。

另外，溶解氧指標并不能直接反映生物反應的氧氣需求量，它只是反映了反應池中氧氣的剩余程度，無(wú)法根據它的數值和變化直接計算氣量。

傳統的PID控制雖然在工程上廣泛采用，但只能解決線(xiàn)性系統的調節問(wèn)題。曝氣系統中PID能夠實(shí)現對流量的控制，但對水質(zhì)處理效果的控制能力有限。溶解氧（DO）控制時(shí)，PID參數的整定需要根據季節、水質(zhì)的變化等實(shí)際情況不斷調整。從控制理論的角度來(lái)看，污水的生物處理過(guò)程具有大滯后、非線(xiàn)性、隨機性和多變量的特點(diǎn)，建立的模型也是經(jīng)驗的、有條件的，因此，單純依靠理論模型建立的經(jīng)典控制方法并不能很好地滿(mǎn)足溶解氧（DO）調節的需要，造成鼓風(fēng)機和閥門(mén)調節頻繁、超調量大，使得設備壽命降低、能耗過(guò)高。

2、流量控制的重要性

空氣質(zhì)量流量是直接影響曝氣處理效果的指標，從工程的角度看，諾大的反應池往往需要許多組曝氣設備，包括空氣管路、曝氣頭或曝氣器等，實(shí)際運行中，這些設備能否穩定的工作、能否及時(shí)地發(fā)現和抑制故障，會(huì )影響到曝氣過(guò)程的穩定和均衡，影響到生物反應效果和電耗。不穩定的流量分布會(huì )擾亂溶解氧檢測參數的真實(shí)意義，使得本來(lái)就容易產(chǎn)生振蕩的溶解氧控制變得更加難以駕御。

曝氣池通常是幾百或幾千平米的流動(dòng)水池，空氣管路通過(guò)總管和支管將壓縮空氣輸送到池底的曝氣設備，比如空氣由A分別輸送到B、C、D、E、F。在曝氣系統設計中，曝氣量應按照需要均勻的分布，實(shí)際上，由于管道壓力損失，B位置和F位置的空氣壓力和流量存在差異，當總氣量由于水質(zhì)或水量變化而調整時(shí)，B位置和F位置的壓差和流量差也會(huì )發(fā)生改變，這會(huì )造成曝氣分布的偏差，而且這種偏差也是變化的；另外，在系統進(jìn)行時(shí)，如果某位置（如D）的曝氣設施堵塞或破漏，會(huì )造成該位置壓力和流量的改變，同時(shí)會(huì )引起整個(gè)空氣管路的壓力和流量重新分布，其他各點(diǎn)（B、C、E、F）的空氣流量也會(huì )相應改變，引起曝氣分布的偏差。上述運行中的曝氣分布不均往往是隱藏性的，水面上很難發(fā)現。

曝氣分布不均使得溶解氧更加困難。因為在工程中，溶解氧只能檢測某點(diǎn)（通常是曝氣池出口），不能反映出氧量的分布，溶解氧控制的一個(gè)條件是溶解氧值真實(shí)地反映曝氣池生物反應的環(huán)境狀態(tài)，當曝氣分布不均時(shí)，這一條件不真實(shí)，控制效果也不會(huì )理想。

因此，空氣流量的控制是曝氣控制中十分重要的一環(huán)，如果在B、C、D、E、F位置安裝流量檢測設備和調節閥門(mén)，并建立控制環(huán)節，流量偏差就會(huì )在運行中被糾正，溶解氧的控制也會(huì )更加有效。

三、分析結論

曝氣系統的特點(diǎn)如下：

1）污水輸入量為隨機變量，其外部環(huán)境具有許多不確定因素，因此難以建立曝氣生物系統的精確數學(xué)模型；

2）曝氣系統的參數維數高、強耦合，高度非線(xiàn)性；

3）溶解氧存在大時(shí)滯，系統平衡難以在較短時(shí)間內達到；

4）污水處理工藝中需要大量熟練操作人員的實(shí)踐經(jīng)驗和知識；

5）曝氣流量分布的穩定和均勻是控制處理效果和節能的基礎。

因此，解決好曝氣系統控制應從兩方面加以改善，一是解決曝氣池空氣流量的平衡和穩定問(wèn)題，二是尋求適合溶解氧控制空氣流量的控制策略。