污水处理厂精准曝气改造实例
导 读 Abstract
针对再生水厂鼓风曝气系统升级改造难的问题，构建定制了精准曝气系统，包括定时模式、安全模式、恒DO模式、前馈模式、前馈-DO反馈模式及前馈-NH3-N反馈模式，该系统根据现有鼓风机系统的自动化调节程度，可以实现定制化精准曝气运行。运行结果表明，相较于系统未改造前，该精准曝气系统实现了较大的节能降耗，其中鼓风机单位电耗降低15%以上，2019年去除氮污染物和去除COD单位电耗明显低于2018年，去除TN单位电耗降低10.7%，去除NH3-N单位电耗降低15.3%，去除COD单位电耗降低7%，且保证出水水质实时达标。
引用本文：袁星，王佳伟，李群，等. 大型再生水厂定制化精准曝气系统设计及运行分析［J］. 给水排水，2023，49（1）：36-40，46.
本文立足于某大型再生水厂，结合该厂实际硬件情况建立调控机制，建立了一套定制化精准曝气系统，且节能效果显著。
1项目概况
某再生水厂位于北京市朝阳区，一期和二期分别于1993年和1999年正式运行，设计处理规模为100万m³/d，每期设计处理规模为50万m³/d。该厂于2017年6月开始进行再生水厂污水区工艺改造，于2018年完成改造，改造后污水区工艺见图1。
图1 再生水厂工艺流程
该再生水厂生物池好氧段分为3个廊道。在日常的运行中，生物池内溶解氧会出现大幅波动的情况，这给再生水厂的日常工艺控制带来困难。如果不依靠在线监测，很难通过人工测定来精确判断曝气池的供氧状况。AAO工艺需要曝气池末端溶解氧维持在稳定的低值，否则既会增加能耗，还会影响脱氮除磷的效果，增加运行成本。图2为该厂一天的进水水量变化情况，可以发现上午的水量明显低于下午水量，三系列水量峰值为3 954L/s，谷值为1 762L/s，相差1.24倍，四系列水量峰值为3 600L/s，谷值为1 494L/s，相差1.4倍。表明该大型再生水厂进水水量波动明显。
图2 进水水量24 h变化曲线
为了了解生物池出水水质随水量变化情况，分别监测了上午及下午时段二、三廊道的氨氮及DO情况，结果见图3。从图中可以看出，在曝气管阀门全开时，高水量情况下（下午），二廊道末端，氨氮均值为0.39mg/L，DO均值为2.11mg/L，三廊道末
图3 典型日各池二三廊道氨氮及DO值
端，氨氮均值为0.26mg/L，DO均值为5.40mg/L；低水量情况下（上午），二廊道末端，氨氮均值为0.52mg/L，DO均值为5.70mg/L，三廊道末端，氨氮均值为0.24mg/L，DO均值为4.8mg/L。说明在常规曝气充足情况下二廊道氨氮消减会受抽升水量的影响，但基本能达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。过量的曝气导致污染物主要在曝气区上游得到消减，三廊道未能发挥合理的污染物消减的功能，同时导致三廊道溶解氧更难控制，高溶解氧浓度回流液对反硝化也会造成一定的影响。
因此针对该厂曝气池，需要分段进行溶解氧控制，在曝气区中后段分别进行溶解氧控制，从而在满足生物池溶解氧需求的情况下，降低生物池末端溶解氧浓度，降低整体生物池曝气能耗。
2定制化精准曝气系统
针对水厂实际运行情况，定制开发了一套完整的精准曝气系统，其含有多种模式，包括定时模式、安全模式、恒DO模式、前馈模式、前馈-DO反馈模式及前馈-NH3-N反馈模式。其中前馈模式根据进水水量、水质等数据，通过内嵌的模型计算各生物池所需曝气量，将实际曝气池进气量与计算所需曝气量对比，自动调节进气调节阀，使气量差恒定在一定范围内。本精准曝气系统要求每个溶解氧控制区至少配置1台电动空气调节阀、1台热式气体流量计和1台在线溶解氧仪。另外，由于本精准曝气系统需要MLSS、压力、在线氨氮等反馈信号来补偿曝气量计算，因此，需增加MLSS仪、压力变送器和在线氨氮等仪表。该系统从2018年开始建设，2018年底完成设备安装及项目施工，2019年开始进行项目调试，2019年6月完成调试，开始稳定运行。
针对该厂缺乏每组生物池进水流量计量且每组生物池配水不均匀的情况，实际运行中采用恒DO控制模式(见图4)。该厂分别设定二廊道和三廊道的DO控制值，采用串级PID控制算法，首先分别对比在线DO仪所测数据和相应DO控制值，通过PID算法获得所需曝气量，然后，对比所需曝气量与现场气体流量计实测值的差异，通过PID算法，获取电动调节阀所需开度，并利用执行器控制相应廊道电动调节阀开度，从而实现该廊道溶解氧稳定控制。
图4 精准曝气系统
3鼓风机节能调控
通过以上控制系统，可以实现生物池现场阀门自动控制，从而达到生物池溶解氧稳定，但想要保持长期稳定，需要鼓风机的联动运行，否则当在线DO数值很低时，若鼓风机不进行导叶开度增加等操作，空气调节阀阀门开至最大也无法提供足够的曝气量，生物池在线DO则无法升至设定值。因此，鼓风机的操作至关重要，不仅影响生物池的溶解氧浓度，也是节能降耗的关键。
该厂鼓风机为HV-TURBO KA44SV，于1995年购置，于1999年开始使用，至今为止已使用超过20年。为了保障设备稳定运行，无法进行鼓风机系统远程自动运行，因此无法实现鼓风机系统与精准曝气系统的自动联动运行。
在已有系统运行的基础上，通过在线分析每日每时的水量水质数据，制定了鼓风机调控方案。结合进水水量实时变化，同时分析三廊道所有在线DO仪的平均值，设定DO平均值，通过判断实际DO平均值和设定DO平均值的差异，调整鼓风机开启状态（改变导叶开度或者鼓风机运行台数）。表1为精准曝气系统运行后，某典型日鼓风机每2 h的调整和运行状态。
表1 鼓风机操作记录
4结果分析
4.1 水质结果分析
经过半年的调试，二廊道实现恒DO调控，二廊道设定DO值为1mg/L，图5为二廊道1 d的DO值变化情况，可以发现二廊道DO稳定在1mg/L。其误差在20%以内。
图5 二廊道DO值
对2019至2020年出水氨氮进行分析，可以发现从2019年开始调试起，其出水氨氮一直稳定达标，且在2020年出水氨氮更为平稳，一年中氨氮在0.4mg/L以下的概率为98.9%。
图6 2019至2020年总退水氨氮浓度变化
4.2 鼓风机单位水量电耗分析
对比了2018年、2019年、2020年月份二期鼓风机月均单位电耗，其结果见图7。鼓风机单位电耗计算方式：鼓风机房各台鼓风机电量加和值/进水流量，各鼓风机电量表数据为累计数值，计算月均值则采用月末月初的差值。
图7 二期鼓风机单位电耗近3年对比
从图7中可以看出，2020年鼓风机月均单位电耗比2018年有显著降低。且相比2019年也有明显的降低。2020年鼓风机年均单位电耗为0.0967 kW·h/m³，相比2018年全年鼓风机年均单位电耗0.1319 kW·h/m³下降26.7%，相比2019年全年鼓风机年均单位电耗0.1145 kW·h/m³下降15.5%。从二期鼓风机单位电耗可以看出，该定制化精准曝气系统的建立，实现了大幅节能降耗。
4.3 去除氮污染物和去除COD单位电耗分析
分析了2018年、2019年与2020年去除氮污染物及去除COD的单位电耗情况，结果见图8、图9。去除氮污染物及COD的单位电耗计算方法如下：
各年二期鼓风机单位电耗/（各年进水TN均值-各年再生水出水TN均值）×1 000；各年二期鼓风机单位电耗/（各年进水NH3-N均值-各年再生水出水NH3-N均值）×1 000；各年二期鼓风机单位电耗/（各年进水COD均值-各年再生水出水COD均值）×1 000。计算所得的去除氮污染单位电耗单位为kW·h/kgN，去除COD单位电耗单位为kW·h/kgCOD。
图8 去除氮污染物单位电耗近3年对比
图9 去除COD单位电耗近3年对比
可以发现2020年的去除氮污染物单位电耗高于2019年，去除TN污染物单位电耗和去除NH3-N污染物单位电耗升高5%和0.3%。对比分析2018年、2019年与2020年3年的进出水TN及NH3-N，可以发现，2020年进水水质明显偏低，这是因为2020年正值新冠疫情期间，进水TN年均值为40.2mg/L，进水NH3-N年均值为30.4mg/L，相比于2019年分别下降15.5%和15.6%。对比2019年和2018年，2019年去除TN污染物单位电耗和去除NH3-N污染物单位电耗明显低于2018年，其中TN降低10.7%，NH3-N降低15.3%。
分析去除COD单位电耗，同样发现2020年去除COD单位电耗为0.32 kW·h/kgCOD，相比2019年升高23%。分析2020年进出水COD值，可以发现新冠疫情期间，进水COD值明显偏低，相比于2019年降低31.89%。对比2019年和2018年的去除COD单位电耗，可以发现，2019去除COD单位电耗相比2018年降低7%。
由于目前鼓风机控制方式为人工手动经验控制，针对2020年进水水质明显降低的情况，相应的控制方式及频率未得到改善，造成2020年去除氮污染物和去除COD单位电耗较高，后续需提高鼓风机控制方式及频率，在有条件的情况下进行鼓风机自动控制改造，从根本上缓解因水质波动引起的调节不及时问题。2018年至2020年进出水水质情况如表2所示。
表2 2018至2020年进出水水质
5小 结
结合某大型再生水厂实际情况，通过现场阀门、仪表安装实现现场DO实时调控，结合鼓风机调控方案，构建了定制化精准曝气系统，解决了再生水厂大型设备自动运行困难的难题，为大型再生水厂的精准曝气改造项目实施指明了方向。
通过该定制化精准曝气系统，实现鼓风机单位电耗降低15%以上，去除TN污染物单位电耗和去除NH3-N污染物单位电耗分别降低10.7%和15.3%，去除COD单位电耗降低7%。
