精确曝气系统在临平净水厂的应用

谢华林/北京市市政工程设计研究总院有限公司广东分院

精确曝气系统在临平净水厂的应用

谢华林/北京市市政工程设计研究总院有限公司广东分院

精确曝气系统是一种以精确生化反应数学模型为依托的智能控制系统，它包含鼓风机控制、电动气体流量调节阀门的开度调节、以及鼓风机与阀门的联合调节等能够对污水厂曝气池内的溶解氧进行精细化控制，在处理工艺出水稳定达标排放的基础上，实现曝气系统的节能优化[1]，在主流工艺市政污水厂有着很好的应用。本文介绍了精确曝气流量控制系统，及其技术方案在杭州市临平净水厂的应用，并对本系统的应用效益做了分析。

精确曝气系统；优化控制；MBR工艺控制

概述

精确曝气流量控制系统Aeration Volume control System（以下简称：AVS)是一个集成的控制系统，旨在为生物处理过程提供精确曝气。AVS以气体流量作为控制信号，溶解氧信号作为辅助控制信号，根据污水厂进水水量和水质实时计算需气量，实现按需曝气和溶解氧的精细化控制[1]。

1.AVS系统介绍

AVS由系统硬件和控制软件组成，其中，AVS控制软件包含生化需气量计算、气量分配、鼓风机控制、数据处理和数据云平台等核心功能模块，其底层核心算法基于国际水协（IWA）的活性污泥系列模型ASMs（Activated Sludge Model）。

AVS能够对鼓风机和受控曝气单元的气量分配进行自动调节，根据实际水质水量数据智能分配每个溶解氧控制区的供气量，自动调整气体流量设定值，按需曝气。实际需气量由现场每个受控曝气单元根据DO、MLSS、水温、液位等和进水流量、COD、NH4-N（可选）、NO3-N（可选）等信号通过模型进行计算。总曝气量由AVS系统控制柜向鼓风机主控柜MCP发出指令，通过鼓风机导叶或变频器的频率进行气量调节；AVS系统通过同时调节多个电动线性调节阀的开度，使受控曝气单元支管内的实际气量达到所需气量，在实现精确曝气的同时，节省了鼓风机的曝气能耗。

AVS根据当前需要的曝气量，控制鼓风机的启停、进出口导叶的开度或变频器的频率等进行风量调节，并与电动调节阀进行联动，降低鼓风机喘振等异常情况发生的频次，实现鼓风机的安全运行。

污水处理系统具有大扰动、大时滞及非线性的特点，对于生物处理工艺，AVS内置冗余的控制策略组合，基于“前馈+模型+反馈”的多参数控制模式，能够实时精确计算所需曝气量，实现溶解氧的精确控制，并通过控制鼓风机的出口风量降低曝气能耗。

2.AVS控制原理

生物处理是污水处理过程中最重要的工艺环节，即通过人为地维持好/缺/厌氧环境，使曝气池中的微生物维持在特定的生化过程中，以去除或降低污水中的目标物质（BOD5、CODcr、总磷TP、总氮TN），从而满足工艺出水水质达标排放的要求[2]。

为了对曝气池内溶解氧（DO）浓度进行精确控制，有必要对DO的动态平衡过程进行充分的认识，其包含两个过程：一是氧扩散过程，在鼓风曝气系统中主要体现为空气从曝气池底部的曝气头释放后，氧气从气相向液相中转移；二是氧消耗过程，该过程综合了好氧处理过程的各种环节，包括有机碳去除过程、生物脱氮、生物除磷等。DO的消耗是由上述两个过程综合作用的结果。由于污水厂进水水质和水量具有时变性，在特定的时间段内微生物的耗氧量也是时刻变化的，因此，只有使该时段内的供氧量和耗氧量相均衡，才能保证微生物生化环境的稳定，保证出水水质。

下图为AVS的控制原理图：

图1 AVS控制原理图

AVS精确曝气系统由数据处理模块、生物需气量计算模块、鼓风机控制模块和气量分配模块组成。对于鼓风曝气系统，AVS系统首先接收从其它PLC站点采集的进水流量、COD、氨氮（可选）、硝酸盐氮（可选）等前馈信号，以及从现场每个受控曝气单元采集到的DO、水温、MLSS、液位等反馈信号，经数据处理模块对这些采集到的数据进行预处理后，生物需气量计算模块即可根据处理后前馈、反馈信号，计算出各个溶解氧控制区的需气量及总需气量。并将总气量信号发送至鼓风机主控柜MCP，利用鼓风机控制模块，自动控制鼓风机的启停、导叶的开度或变频器的频率，从而调节鼓风机的输出气量；同时，对于各个溶解氧控制区而言，AVS系统包含的气量分配模块，可通过电动阀门的调节，将气量分配至各个溶解氧控制区，从而实现按需供气。

3.AVS精确曝气控制系统应用方案

3.1 项目概况

杭州市临平净水厂，厂址位于余杭区东湖路以西，沪杭高速以南地块。总处理规模20万m3/d，采取地埋式污水处理厂，将主体构筑物置于地下，组团布置，选择膜生物反应器（membrane bioreactor，简称MBR）污水处理技术。临平净水厂设计选用6台鼓风机，4用2备，分为两组系统，分别对应两座生物反应池。

3.2 AVS技术方案

在对临平净水厂工程的设计工艺、设备仪表以及控制策略进行充分调研的基础上制定适合的AVS系统方案，使AVS系统方案能够完全匹配该厂的运行工况，实现精确曝气控制。并在此基础上，实现微生物生化环境的稳定，进而促进处理工艺的稳定运行，提高出水水质的达标率。

3.2.1 AVS溶解氧控制策略。

AVS的溶解氧控制策略有两种：（1）溶解氧控制目标设定值为恒定值；（2）溶解氧控制目标设定值为动态值。控制策略可根据临平净水厂程的仪表配置等实际情况，由工作人员自主选择。

①溶解氧控制目标设定值为恒定值

在溶解氧控制目标设定值为恒定值的控制策略下，工作人员可根据经验或出水水质等情况人工自主设定溶解氧控制目标值，一旦该设定值确定，AVS将根据进水水质、进水水量、生化池污泥浓度、生化池液位、该溶解氧设定值等信号，实时动态计算出各溶解氧控制区的需气量及总需气量，并通过调整鼓风机的启停、进出口导叶开度及各曝气支管的电动空气调节阀的开度，使需气量与供气量相吻合，从而实现生化池各控制区的实际溶解氧在该溶解氧控制目标设定值上下波动，直至该溶解氧设定值被修改。

②溶解氧控制目标设定值为动态值

溶解氧控制目标设定值为动态值的控制方式，其内回路是溶解氧控制器，即溶解氧-曝气量控制回路；其外回路是氨氮-溶解氧设定值控制回路，两个回路通过溶解氧设定值关联在一起。在该控制逻辑中，首先借助于数学模型求解将控制单元的实际氨氮值稳定在其目标值所需要的溶解氧，将该溶解氧值设定为控制单元的溶解氧设定值；然后，通过溶解氧控制器调节鼓风机和曝气量，使得控制单元的溶解氧稳定在设定值附近。其控制原理如下图所示：

图2 溶解氧控制目标设定值为动态值的控制原理图

污水生化处理系统中影响氨氮降解的因素主要有温度、溶解氧、停留时间、污泥龄或污泥浓度等，在这些因素中，对于开放性的系统，只有溶解氧能够被控制。因此，氨氮控制系统的原理是根据时刻变化的进水流量、进水COD和进水氨氮等，时刻计算出降解这些氨氮所需的曝气量，以使出水COD和氨氮能够稳定达标，故在该控制策略与溶解氧控制目标设定值为恒定值的控制方式相比，需要在生化池配置在线氨氮测定仪。

3.2.2 AVS数据信号要求。

AVS采集多种设备仪表的信号，通过内置的精确曝气流量数学模型实时计算各溶解氧控制区的实际需要曝气量，并对鼓风机进行调节设定。

表2 AVS所需接受信号一览表

进水区共1组鼓风机房●进水流量信号●进水COD●进水氨氮、总氮（二选一）●鼓风机总管压力信号●鼓风机房总管总流量信号 共1组

3.2.3 AVS鼓风机控制。

临平净水厂工程设计选用6台鼓风机，4用2备，安装在鼓风机房内，采用进出口导叶的开度控制方式调节气量。每台鼓风机配置一个单元控制器（LCP），设置一台主控柜（MCP）来负责鼓风机投入启动或关闭台数及导叶的开度调节等，并能依据相关的信号做完整的控制动作。

本方案采用总流量或总压力的调节控制方式，根据AVS系统动态计算出来的总风量，通过鼓风机主控柜MCP自动控制所有鼓风机的启停、频率，使鼓风机出口风量及压力满足需求，避免进水负荷高峰时的曝气不足和进水负荷低谷时的曝气过量，实现了曝气过程的精细化、稳定化控制，按需曝气节约了曝气能耗。

鼓风机的控制示意图如下所示：

图3 AVS系统鼓风机控制原理示意图

为了鼓风机防止出现喘振，在流量调节时充分考虑调节过程、液位变化对管路压力的冲击影响，优化设置流量调节步长，在达到流量调节的同时避免由压力冲击过大造成鼓风机喘振。

3.2.4 AVS溶解氧控制区的划分。

AVS对曝气的精细控制分为时间与空间两个维度，在空间上对生化池进行溶解氧分区控制，满足不同工艺段对不同曝气量的需求；在时间上随进水负荷变化动态设定曝气量，满足不同进水趋势下的曝气需求。

根据临平净水厂工程的工艺设计，曝气管路为树状分布。根据该设计，本精确曝气系统将单座生物反应池划分成4个溶解氧控制区，实现对溶解氧的精确控制。单座池溶解氧控制区如下图所示：

图4 生化池AVS系统所需设备、仪表布置示意图

3.2.5 AVS系统阀门、仪表系统配置。

针对临平净水厂的工艺流程，此AVS设计方案在每个溶解氧控制区配置1台在线溶解氧仪表，在DN600和DN500的曝气支管上配置1台热式气体流量计和1台电动线性调节阀。另外，由于AVS需要MLSS、压力和液位等反馈信号来补偿曝气量计算及调节，因此，还需增加MLSS仪、压力变送器等仪表。单座生化池的仪表安装位置如图4所示。AVS系统设备及仪表配置如下：

表3 临平净水厂工程AVS系统配置清单

4.结语

AVS系统可以为污水厂带来以下效益：

4.1 更稳定的溶解氧控制

由于好氧段水流方向上有机负荷不同，对溶解氧的需求量也不同，因此，实现好氧池中对不同区域内不同DO浓度的控制能力是衡量控制系统性能的重要指标之一。AVS能把曝气池内DO控制在0.5～5.0 mg/L之间的任一设定值，控制精度在设定值的±0.5 mg/L范围内。

4.2 更佳的出水水质

AVS运行后，DO控制的稳定度大大提高，使微生物生化环境的稳定性随之提高，进而促进生化处理工艺的稳定运行，提高出水水质的达标率及稳定性。

采用AVS后，污水厂出水氨氮及总氮的达标率及稳定性均有所提高，而出水总氮的控制效果尤为明显。这主要是由于：（1）AVS将生化池溶解氧进行分区控制，一般情况下，后段的DO浓度相对较低，此时内回流至缺氧段的混合液含氧量就大大降低，从而对反硝化过程的抑制得到缓解；（2）生化池后段较低的溶解氧浓度，使同步硝化反硝化反应在此区域得以发生，从而有利于出水总氮浓度的降低。

4.3 实现污水厂节能运行

AVS按需曝气，极大地节省了曝气量。考虑到鼓风机效率、季节等影响因素，鼓风机的节气量并不等于节能率。相对于依靠人工控制鼓风曝气而言，采用AVS通常可以实现25～40%的节气率，在鼓风机风量可调节的情况下，对应地可以实现鼓风机8～15%的节电率。

[1]杨志，梅小艳.污水处理中基于仿人智能的DO参数控制系统.可编程控制器与工厂自动化.2006 (2).

[2]朱军辉.AVS精确曝气控制系统.中国土木工程学会全国排水委员会2010年年会论文集.2010.