精確氣流量控制在污水生物處理工藝中的應(yīng)用
一 污水生物處理工藝及曝氣控制
周一軍先生，上海工業(yè)自動化儀表研究所副總工程師、上海西派埃自動化技術(shù)工程有限公司總經(jīng)理；范岳峰先生，上海昊滄系統(tǒng)控制技術(shù)有限責任公司總經(jīng)理；王建華先生，上海桃浦工業(yè)區(qū)污水處理廠廠長。生物處理過程是個復雜的生物化學反應(yīng)過程，通過曝氣維持好氧環(huán)境是其中一個非常重要的環(huán)節(jié)。不同的工藝，曝氣的方式也有所不同，但是在幾乎所有的采用活性污泥生物處理工藝的污水處理廠中，鼓風曝氣是能耗最大的環(huán)節(jié)。從一些國內(nèi)的污水處理廠耗電量來看，曝氣環(huán)節(jié)占據(jù)了總耗電量的50～70%，所以曝氣系統(tǒng)的精細化控制改造對整個污水處理廠的節(jié)能運行意義重大。
1. 污水生物處理工藝
從工藝處理流程整體來分析，城市污水處理過程控制由于進水流量、進水水質(zhì)在時間上的不固定性，加上生化反應(yīng)過程還受到季節(jié)、溫度和天氣的影響，污水處理系統(tǒng)具有參數(shù)維數(shù)高和高度非線性的特點；而且，污水處理工藝中存在大時滯，系統(tǒng)平衡難以在短時間內(nèi)達到；輸入量有隨機特性，建立污水處理系統(tǒng)的精確數(shù)學模型較為困難。因此，精確曝氣流量控制對污水處理行業(yè)來說是一項復雜的研究和實踐課題。為了達到按生物處理過程需要供氣、減少生物反應(yīng)池中DO值的波動波幅、使生物處理過程處于最佳狀態(tài)，即：污水處理既達到既定的排放標準，又能節(jié)約曝氣能耗，就有必要研究基于模型的精確控制技術(shù)。
2. 大多數(shù)污水處理廠曝氣系統(tǒng)現(xiàn)狀
國內(nèi)大多數(shù)污水處理廠的曝氣系統(tǒng)采用了兩類簡單的控制回路來自動或人工控制曝氣。一是采用溶解氧(DO)檢測儀和電動調(diào)節(jié)閥作為簡單的控制回路，當生化反應(yīng)池內(nèi)的DO值大于某一個設(shè)定值時，關(guān)閉電動蝶閥；當DO值小于某一個設(shè)定值時則打開電動蝶閥。二是采用PID進行定值調(diào)節(jié)，根據(jù)池中溶氧儀的DO反饋信號與DO設(shè)定值進行比較，將偏差通過PID運算后傳給閥門的行程控制器調(diào)節(jié)閥門的開度，進而控制池內(nèi)的DO值。
傳統(tǒng)控制方法的缺點在于：一是由于時間延遲，即從開始曝氣到池內(nèi)DO變化需要一段時間，造成溶解氧的控制波動很大；二是傳統(tǒng)方法能耗高，為了保證安全運行，系統(tǒng)的DO設(shè)定值只能保持在較高的數(shù)值上，保持了過大的余度而造成浪費；三是過大的波動會使得池內(nèi)的生物環(huán)境不穩(wěn)定，干擾生物系統(tǒng)的工作。
AVS精確曝氣流量控制系統(tǒng)以解決上述問題為目標，以下將對其進行詳細說明。
二 AVS精確曝氣流量控制系統(tǒng)控制原理
目前，城市污水生物處理工藝較多采用的是厭氧—好氧(A1—O除磷)和缺氧—好氧(A2—O脫氮)組合工藝流程的活性污泥法，底部曝氣和立式曝氣是好氧流程的主要兩種充氧手段，而且大部分采用鼓風機組底部曝氣。
1. 性能配置
AVS精確曝氣流量控制系統(tǒng)是一個集成的曝氣控制系統(tǒng)，它由系統(tǒng)控制單元、帶執(zhí)行機構(gòu)的曝氣流量調(diào)節(jié)閥、熱值氣體流量計、壓力變送器和液位計等組成。系統(tǒng)功能上由生物處理過程建模模塊、曝氣流量配氣建模模塊和曝氣流量控制回路3個部分組成。
該系統(tǒng)以曝氣流量信號作為控制信號，溶解氧、進水CODcr、BOD5和氨氮信號作為輔助控制信號，經(jīng)過生物處理過程模型和歷史數(shù)據(jù)綜合處理，得出系統(tǒng)需要的曝氣量；系統(tǒng)同時根據(jù)實際的曝氣輸送管道分布等負載大小，經(jīng)曝氣流量配氣模塊處理，提供給鼓風機組控制系統(tǒng)，使鼓風機組處于所要求的工況狀態(tài)來提供空氣供給量，系統(tǒng)可根據(jù)實際負載狀況自行調(diào)整設(shè)定值的大；曝氣流量控制回路為基本就地控制回路，由電動流量調(diào)節(jié)閥、熱值氣體流量計和模型給定的瞬時設(shè)定流量組成回路，可快速、準確地根據(jù)實際的負荷波動調(diào)節(jié)空氣供給量，使生物池的每一部分都能達到高效。從而減少生物反應(yīng)池中DO值波動，達到精確曝氣的控制目標。
系統(tǒng)中曝氣流量配氣模塊對流量調(diào)節(jié)性能和空氣壓力損失的關(guān)系進行了平衡。電動流量調(diào)節(jié)閥在全開情況下壓力損失比較小，但隨著開度的減小壓力損失會逐步上升。出于優(yōu)化運行和節(jié)能的考慮，需盡量使電動流量調(diào)節(jié)閥在大開度工況條件下工作，減少因壓力損失造成的能源損耗，尋找最優(yōu)閥門開度組合(最小的壓力損失)，并在此條件下給出鼓風機允許的最小輸出壓力。曝氣控制系統(tǒng)的整體流量控制精確度達5%，振蕩小。生物反應(yīng)池的空氣總管處安裝壓力變送器，為檢測管道漏損、閥門泄漏、曝氣頭堵塞等異，F(xiàn)象提供了分析工具。
AVS精確曝氣控制系統(tǒng)提供3種運行模式，即本地自動控制、人工強制控制和安全模式，并提供通信接口，支持數(shù)據(jù)遠傳。本地自動控制是推薦控制方式，用于污水廠污水處理工藝正常運行、精確曝氣控制系統(tǒng)的熱值氣體流量計、DO溶氧儀、壓力傳感器工作正常情況下，具有最大的節(jié)氣效能；人工強制控制是在污水廠污水處理工藝處于非正常運行條件下，例如污水負荷突然大幅度改變、污水含有有毒物質(zhì)、生化反應(yīng)池處于異常狀態(tài)等情況下，直接允許人工操縱的控制方式；安全模式是一種大余度的自動控制方式，用于污水廠污水處理工藝經(jīng)常處于大擾動條件下，比如進水的污水負荷較大范圍的經(jīng)常性變動、進入生化反應(yīng)池的水量有較大的變化情況下，大余度控制的本質(zhì)是提高系統(tǒng)抵抗大擾動的能力，提高安全運行系數(shù)。
2. 精確曝氣流量控制原理
生物處理是污水處理過程中最重要的工藝處理環(huán)節(jié)，即通過人為地維持好氧環(huán)境(好氧氧化法)，使曝氣池(好氧流程)內(nèi)氧含量處于可接受的范圍。在這個范圍內(nèi)，曝氣池中的微生物將維持一系列的生化過程，使污水中的目標物質(zhì)(BOD5、CODcr、總磷TP、總氮TN)含量降低，從而達到排放要求。
為了對曝氣池溶解氧(DO)環(huán)境進行精確的控制，要對DO的動態(tài)平衡有充分的認識，其包含兩個過程：一是氧擴散過程，在鼓風曝氣系統(tǒng)中主要體現(xiàn)為空氣從曝氣池底部的曝氣頭釋放后，空氣中的氧氣從氣相向液相中轉(zhuǎn)移。二是氧消耗過程，這個過程綜合了好氧處理過程的各種環(huán)節(jié)，包括有機碳去除過程、生物脫氮、生物除磷等，DO的消耗是由上述過程綜合作用的結(jié)果。由于污水廠的進水水質(zhì)和水量是變化的，在特定的時間段內(nèi)其耗氧量也是變化的，只有使該時段內(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，保證出水水質(zhì)。
AVS精確流量控制過程包括兩個主要部分內(nèi)容：
(1)生物處理模型的設(shè)計建模過程，即通過對某一特定污水處理廠的歷史運行數(shù)據(jù)(如：進水、BOD5，CODcr， SS、TP，TN(NH3-N)等)或在線運行數(shù)據(jù)進行匯總統(tǒng)計和分析處理，確定該污水廠生物處理過程的一些特征參數(shù)和補償參數(shù)。再通過仿真，檢驗這些特征參數(shù)的有效性。通過這個過程，基本可以獲得該污水處理廠的水平衡(包含污水負荷)、泥(底物)平衡、氣(曝氣)平衡過程的穩(wěn)態(tài)值及其擾動特征，同時需要考慮一些額外的環(huán)境影響因素，如：溫度、pH值、固體懸浮物MLSS組分等。
(2)在線實時控制過程，即通過建模過程中獲得的特征參數(shù)和補償參數(shù)，經(jīng)模型計算得出當前需要的曝氣量，按該氣量進行精確控制。在控制中需要3種類型的數(shù)據(jù)：經(jīng)過對歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后獲得的特征參數(shù)，由各種擾動帶來的補償參數(shù)，在線數(shù)據(jù)。比如冬天和夏天溫度不同造成氧消耗特征明顯不同，池底沉淀物濃度變化也會對氧消耗帶來很大影響。在線數(shù)據(jù)又分為前置數(shù)據(jù)以及目標數(shù)據(jù)，前置數(shù)據(jù)是對一些可能會造成擾動的輸入進行提前測量，比如水量變化、pH值等水質(zhì)變化，當AVS獲得這些在線數(shù)據(jù)后會提前進行抑制操作，而不是等到DO值發(fā)生變化后再進行調(diào)節(jié)；目標數(shù)據(jù)是DO值，系統(tǒng)會對DO值進行跟蹤以確定控制結(jié)果。需要指出的是，AVS并非嚴格依賴DO值進行控制，即使在溶氧儀不準確或損壞的情況下，按照模型中的歷史數(shù)據(jù)及某些前置參數(shù)，仍然可以確保曝氣池安全運行，只不過加大抵抗擾動的安全控制余度，表現(xiàn)為DO的真實平均值上升。
三 AVS是基于模型的精確控制
污水處理廠生物處理工藝全過程的建模包括：氧擴散過程、微生物呼吸過程、有機碳的吸附過程、氨氮反硝化過程、污泥的回流過程、水力學過程、處理過程中的擾動處理過程(比如pH值變化、進水的有機物濃度變化、水力擴散過程、溫度變化、測量誤差等干擾)。
1. 動力學模型
為了進行有效和精確的控制，我們有必要對污水處理的全過程進行分析，但是通常DO是快時標變量，其動力學特性是非線性和時變的，依賴簡單控制回路的傳統(tǒng)控制方法無法解決精確控制的問題。必須建立可靠的動力學模型，該模型應(yīng)包含歷史經(jīng)驗，其控制參數(shù)將會隨著對擾動的測量進行增益調(diào)節(jié)，本質(zhì)上形成曝氣流量和生化反應(yīng)池內(nèi)DO值和分布的可靠關(guān)系，但該關(guān)系是非線性和時變的。典型的生物處理有機碳去除工藝可簡化為如圖2所示的處理流程圖。其中假設(shè)，沉淀池為理想沉淀狀態(tài)。
建立的模型中假設(shè)了出水中沒有微生物，出水、剩余污泥和回流污泥中沒有溶解氧，而且空氣流量和氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)為指數(shù)關(guān)系(即Monod模型)。數(shù)值試驗表明該系統(tǒng)是一剛性(stiff)問題，在數(shù)值求解中應(yīng)特別小心。進水流量隨時間的變化假設(shè)如圖3所示。相應(yīng)地，生物反應(yīng)池中溶解氧濃度也呈現(xiàn)出周期性地變化趨勢，見圖4中的虛線所示。可以看到，溶解氧濃度波動范圍很大。下面要闡述的優(yōu)化控制，就是要在不增加總的曝氣量的條件下，通過對曝氣量的控制來抑制生物反應(yīng)池中溶解氧濃度的波動，使其達到一個較為穩(wěn)定的狀態(tài)。
2. 曝氣量優(yōu)化控制
如前所述，生物反應(yīng)池中溶解氧濃度的控制是污水處理工藝中非常關(guān)鍵而且非常困難的一個環(huán)節(jié)。
我們考慮用分段常值(Piecewise Constant)的函數(shù)來逼近控制變量qA。把一個周期等分為M個階段，在階段i(0<i≤M)中，空氣流量取為定值qAi，這樣就沒有必要對曝氣量進行實時控制，減少了系統(tǒng)的控制成本。通過引入對偶變量、求解狀態(tài)參數(shù)滿足的ODE方程組，達到最優(yōu)控制。圖4是優(yōu)化過程中溶解氧濃度的變化曲線圖。
圖中虛線所示為優(yōu)化前溶解氧濃度的初始曲線，其波動超過了±1mg/L？梢钥吹，隨著優(yōu)化過程的進行，溶解氧濃度的波動程度逐漸減小，最終減至±0.2mg/L，即(2.8±0.2)mg/L。圖4中右縱座標所示是曝氣量，總的曝氣量比優(yōu)化前減小了5.36%。可以看到，曝氣量隨時間的變化趨勢基本與進水量的變化趨勢相一致。這里需要指出，以上僅以水量的變化以及如何抑制水量變化對DO的影響作為示例？膳c此類似地計算其它相關(guān)各量。
3. 控制模型的適用性考慮
AVS系統(tǒng)建模采用了國際水協(xié)會(IWA)的活性污泥數(shù)學模型，在眾多的活性污泥數(shù)學模型中，由國際水協(xié)會(IWA)推出的活性污泥數(shù)學模型(ASM1～3)代表當今最新活性污泥模型研究的最高水平。國際水協(xié)于1987年推出活性污泥1號模型(ASM1)，引起了強烈的反響。隨著對活性污泥法機理研究的深入、分析測試水平及計算能力的提高，該模型不斷地發(fā)展隨后又推出了活性污泥2號模型(ASM2)、3號模型(ASM3)，又把2號模型ASM2拓展為ASM2d，這些都極大地推動了活性污泥法數(shù)學模型的研究。這些模型可方便地用于新建、改建污水處理廠的方案設(shè)計，也可用于已有污水處理廠的靜態(tài)、動態(tài)模擬和運行狀況預測、以及運行工藝改進。
ASM2包含ASM1的所有工藝過程，但還是不能完全準確地反映活性污泥系統(tǒng)中的生物除磷過程。國際水協(xié)數(shù)學模型課題組對ASM2進行了補充，成為ASM2d。它加入了聚磷菌的缺氧條件下的生長過程，使其含19種組分、21種反應(yīng)、22個化學計量系數(shù)及45個動力學參數(shù)。
ASM系列模型已經(jīng)廣泛地用于污水處理廠的設(shè)計、過程模擬，為工藝設(shè)計師和研究人員提供了極為方便的研究工具。但ASM系列模型在污水處理廠的在線控制領(lǐng)域仍然有很多的困難，主要原因如下：
(1)ASM模型的構(gòu)造在理論上相當完美，但要把其直接使用在污水廠在線控制中，面臨的主要困難是：污水廠的在線分析儀表非常有限(沒有實驗室那樣有完善的實驗條件)，通常無法滿足ASM模型的輸入要求，只能以估計值作為輸入，無形之中降低了ASM模型的高度解析的模型要求；
(2)ASM2d模型中雖然包含了生物脫氮、除磷的解析模型，然而其推出時間是在1999年，就其應(yīng)用而言，主要還是在設(shè)計研究的范圍之內(nèi)，雖然在實驗環(huán)境中有大量驗證性文章，但直接用于污水處理廠的在線脫氮、除磷控制，尚未檢索到完整的在線控制實施案例；
(3)利用ASM模型用于在線控制，必須考慮到在線儀表會經(jīng)常出現(xiàn)各種故障，如果完全依賴儀表進行自動控制，則有不可預知的風險。
因此，基于上述原因的綜合考慮，需要在完美的理論模型和現(xiàn)實控制之間找到契合點，需在原模型的基礎(chǔ)上進行適應(yīng)性改造，以適合各類污水處理廠的實際條件。每一座污水處理廠具有一個獨特的內(nèi)在活性污泥處理模型，而且隨著鼓風曝氣系統(tǒng)效率、配氣輸送系統(tǒng)損耗、活性生物量、進水負荷(進水水量、組分)的長時間運行變化，該模型會逐漸變化。因此需通過定期校準和檢驗?zāi)Ｐ，使系統(tǒng)具備對模型漸變的持續(xù)跟蹤能力，從而適應(yīng)每座長久運行的污水處理廠生物處理工藝過程的漸變需要。
四 AVS系統(tǒng)的實踐應(yīng)用
日處理能力為6萬m3的上海桃浦工業(yè)區(qū)污水處理廠采用序批式活性污泥法(SBR)處理工藝，處理的污水主要是桃浦工業(yè)區(qū)的工業(yè)廢水和部分城市污水。結(jié)合桃浦工業(yè)區(qū)污水處理廠的改造工程，AVS系統(tǒng)設(shè)備于2005年9月10日開始在現(xiàn)場安裝，經(jīng)過各設(shè)備單體安裝調(diào)試完成后，生物處理工藝調(diào)試于11月29日進行，試運行自2006年1月份開始。
1. AVS應(yīng)用試驗方法和調(diào)試
桃浦工業(yè)區(qū)污水處理廠共有3組SBR生物處理單元，每組處理單元分為4個池，其中2、3號中間兩池為常曝氣區(qū)，1、4號兩側(cè)池為交替曝氣和沉淀。本次應(yīng)用試驗確定了以第二組單元采用AVS精確曝氣系統(tǒng)進行控制，稱作試驗池，日處理量為2萬噸；第三組單元沿用以前的控制模式，稱作對比池，日處理量同樣為2萬噸；兩組池子均獨立計量常曝氣區(qū)的曝氣流量。
在試驗池常曝氣總管上安裝一只DN600的流量調(diào)節(jié)閥，同時安裝熱值氣體流量計和壓力變送器。在對比池常曝氣總管上安裝熱值氣體流量計。
試驗分為3個階段，第一階段是建立模型，確定桃浦污水處理廠生物處理的特征參數(shù)；第二階段是根據(jù)第一步確定的模型進行調(diào)試，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)對模型進行修正；第三階段為試運行，用以驗證精確控制的效果。
首先對桃浦污水處理廠歷年的運行數(shù)據(jù)進行分析，包括環(huán)境數(shù)據(jù)(季節(jié)因素、溫度、大氣壓、水溫、pH值、曝氣SBR池體積等)、動力學數(shù)據(jù)(歷史曝氣量、歷史進出水流量、出水DO濃度、池中DO濃度及其分布特征、MLSS、進出水BOD5、CODcr、SS、TN、TP等)，結(jié)合運行中的工藝參數(shù)，在完成對上述數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計性分析后，可獲得桃浦污水廠的模型的基本構(gòu)型及特征參數(shù)的取值范圍。歷史數(shù)據(jù)沿用了桃浦污水處理廠歷年的運行數(shù)據(jù)、化驗室數(shù)據(jù)。
在線數(shù)據(jù)采集包括：分析儀信號、工藝信號等投運需要的30個在線數(shù)據(jù)，以每5秒記錄一次的方式，將所有數(shù)據(jù)計入數(shù)據(jù)庫，每日記錄的數(shù)據(jù)量約為15M。在線控制的數(shù)據(jù)采樣率為每秒10次，以PLC的采樣周期為準。
本次應(yīng)用試驗?zāi)康氖牵?1)在同等工況條件下，確定試驗池所需的真實曝氣量，與對比池進行比較；(2)通過對曝氣量的調(diào)節(jié)，驗證精確調(diào)節(jié)曝氣池內(nèi)DO值的方法，降低DO波動，穩(wěn)定生化環(huán)境；(3)確定采用AVS系統(tǒng)后的節(jié)氣量，為將來節(jié)能改造提供技術(shù)保證和依據(jù)；(4)檢驗采用AVS系統(tǒng)控制后的總出水情況，確保出水達到排放標準。
在調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)進出水工藝交替時，由于污泥流向發(fā)生變化，對溶解氧帶來很大的沖擊，如圖5中對比池DO呈周期性的波動，符合桃浦污水處理廠運行中工藝輪換周期。出于這種情況，對模型進行了進一步的修正，使其能夠提前抵御工藝交替帶來的影響。
2. AVS系統(tǒng)實際應(yīng)用效果
采用了AVS精確曝氣控制，經(jīng)過近5個月的調(diào)試和試運行后，基本達到了應(yīng)用試驗的預期效果，具體如下：
(1)在試運行期間，經(jīng)模型調(diào)節(jié)后試驗池的曝氣量明顯低于對比池的曝氣量，連續(xù)記錄了1個月的曝氣流量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)試驗池相對對比池節(jié)約曝氣量30.51%；檢測同期出水結(jié)果無明顯變化。
(2)基本實現(xiàn)了溶解氧的穩(wěn)定控制。在任意給定的DO設(shè)定值(試驗中取2.2，2.5，2.8，3.0)下，52%的時間內(nèi)實現(xiàn)了±0.2范圍內(nèi)的波動，在91%的時間內(nèi)實現(xiàn)了在±0.5范圍內(nèi)的波動。DO設(shè)定值的取值范圍參考了有關(guān)資料。發(fā)生超出控制范圍的情況幾乎全都出現(xiàn)在SBR池的工藝輪換后6～8min，特別是沉淀池變?yōu)檫M水池時，由于底部污泥迅速攪拌，DO下降迅速；
(3)實現(xiàn)了節(jié)能曝氣，以較低曝氣量滿足工藝要求。在實際試運行過程中，由于發(fā)現(xiàn)曝氣量過大，建議少開1臺鼓風機。自2006年2月份起，試行只開1臺鼓風機，而歷年都是開2臺鼓風機(日平均氣量72萬標準立方米)。以3月份的運行數(shù)據(jù)為例，節(jié)能效果明顯，如表所示；
(4)由AVS系統(tǒng)進行精確控制的第2組生物處理單元在整個試運行期間表現(xiàn)出良好的運行狀態(tài)，經(jīng)實驗室采樣分析，與另兩組單元相對比，出水水質(zhì)情況明顯穩(wěn)定。
五 總結(jié)和展望
本文針對在污水生物處理工藝系統(tǒng)中運用精確曝氣流量控制進行了研究，提出了運用最優(yōu)化控制手段、選擇分段常值的曝氣量實現(xiàn)方法，理論控制目標使得生物反應(yīng)池中溶解氧濃度在較多的時間內(nèi)波動范圍為±0.2mg/L。以此方法和模擬結(jié)果指導用于實際案例，經(jīng)過實踐應(yīng)用調(diào)試和試運行，基本達到了精確曝氣和節(jié)省能耗的目標。
因桃浦污水處理廠進水中大部分為工業(yè)廢水，而且組分日變化率較大，為了出水達標，原系統(tǒng)中留有較大余度。因此，采用精確曝氣流量控制后，前后對比能耗降低相當明顯；盡管這并不意味著所有污水處理廠都能達到這樣的效果，但精確曝氣流量控制的節(jié)能經(jīng)濟性效果是必然的、肯定的。污水處理向精細化、節(jié)能化運行的轉(zhuǎn)變是一種共識和趨勢，也是節(jié)約能源的需要。
周一軍先生，上海工業(yè)自動化儀表研究所副總工程師、上海西派埃自動化技術(shù)工程有限公司總經(jīng)理；范岳峰先生，上海昊滄系統(tǒng)控制技術(shù)有限責任公司總經(jīng)理；王建華先生，上海桃浦工業(yè)區(qū)污水處理廠廠長。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
