污水處理曝氣量的控制難點

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

　　進行氣量控制是曝氣系統(tǒng)效果最顯著的節(jié)能方法，據(jù)美國環(huán)境保護署對美國12個處理設(shè)施的調(diào)查結(jié)果顯示，以溶解氧（DO）為指標控制風量時可節(jié)電33%。根據(jù)風機風量與能耗的關(guān)系可知，電耗隨氣量變化很大，因此進行氣量控制節(jié)能效果顯著，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(tǒng)必須進行控制，因為曝氣系統(tǒng)如果操作不當，曝氣量過小，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。當曝氣時間長或曝氣量過大時，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，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(wěn)定也是影響處理效果和能耗的一個重要原因。在曝氣系統(tǒng)運行時，由于種種干擾，曝氣量的分布會發(fā)生變化，比如，一個地方曝氣頭堵塞，氣體流量會減少，同時，也會造成其它地方流量增大，相反，曝氣頭破損，氣體流量會大增，同時會造成其它地方流量銳減。

　　這些都會使生物反應(yīng)不平衡，處理質(zhì)量下降。為達到處理效果，不得不調(diào)整曝氣量，而此時某一點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(wěn)定，能耗增加。

　　一、行業(yè)現(xiàn)狀的不足

　　總結(jié)國內(nèi)現(xiàn)有污水處理廠的運行后發(fā)現(xiàn)，自動化設(shè)備投入較低，能耗高，而且系統(tǒng)大多在投產(chǎn)時沒能達到設(shè)計運行要求，或在運行一段時間后改為部分自動、部分手動的運行狀態(tài)，特別是曝氣系統(tǒng)。分析原因主要有以下幾個方面：

　　1、自動化技術(shù)與工藝技術(shù)未能有機結(jié)合。我國污水處理廠起步時，自動化系統(tǒng)成套引進國外產(chǎn)品和技術(shù)，以后雖然硬件系統(tǒng)在國內(nèi)采購，控制技術(shù)并沒有被系統(tǒng)的吸收。國內(nèi)污水處理行業(yè)的自動化專業(yè)力量較低，很多興建的污水處理工程的自動化系統(tǒng)是由冶金、化工、輕工等領(lǐng)域工程師設(shè)計、編程和調(diào)試的，對污水處理工藝了解較少，不能結(jié)合具體工藝進行控制策略設(shè)計，一般采用套用本行業(yè)現(xiàn)有技術(shù)的作法，如本行業(yè)PID調(diào)節(jié)及其整定參數(shù)等，因此，運行效果并不理想。

　　2、自控系統(tǒng)培訓不到位。很多污水處理廠運行人員沒有得到控制系統(tǒng)供應(yīng)商系統(tǒng)的培訓，除了基本操作以外，沒有從理論上對諸如曝氣系統(tǒng)調(diào)節(jié)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。污水處理廠很重要的一點，是在長期運行之后，可以總結(jié)日常規(guī)律，而且相對穩(wěn)定，對于管理者，這些規(guī)律往往比昂貴的自控設(shè)備有用，但是在污水廠建設(shè)中，很多設(shè)計并沒有給管理者留有充分的調(diào)整空間，而且這些有用的經(jīng)驗也缺乏應(yīng)用到其他污水設(shè)施建設(shè)的途徑。

　　二、控制策略的不足

　　1、溶解氧控制的難點

　　污水水質(zhì)的多變和生物處理系統(tǒng)中生化反應(yīng)的復(fù)雜性，決定了污水處理的溶解氧（DO）檢測控制是一個大滯后系統(tǒng)，檢測出結(jié)果再進行參數(shù)處理和調(diào)整，往往已滯后幾個小時甚至幾天，造成大量不合格水的排出。這種系統(tǒng)的特點是污水生物處理系統(tǒng)的運行管理具有相當?shù)募夹g(shù)難度，要求管理者具有較好的環(huán)境工程知識基礎(chǔ)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(yīng)的氧氣需求量，它只是反映了反應(yīng)池中氧氣的剩余程度，無法根據(jù)它的數(shù)值和變化直接計算氣量。

　　傳統(tǒng)的PID控制雖然在工程上廣泛采用，但只能解決線性系統(tǒng)的調(diào)節(jié)問題。曝氣系統(tǒng)中PID能夠?qū)崿F(xiàn)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，PID參數(shù)的整定需要根據(jù)季節(jié)、水質(zhì)的變化等實際情況不斷調(diào)整。從控制理論的角度來看，污水的生物處理過程具有大滯后、非線性、隨機性和多變量的特點，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足溶解氧（DO）調(diào)節(jié)的需要，造成鼓風機和閥門調(diào)節(jié)頻繁、超調(diào)量大，使得設(shè)備壽命降低、能耗過高。

　　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(yīng)池往往需要許多組曝氣設(shè)備，包括空氣管路、曝氣頭或曝氣器等，實際運行中，這些設(shè)備能否穩(wěn)定的工作、能否及時地發(fā)現(xiàn)和抑制故障，會影響到曝氣過程的穩(wěn)定和均衡，影響到生物反應(yīng)效果和電耗。不穩(wěn)定的流量分布會擾亂溶解氧檢測參數(shù)的真實意義，使得本來就容易產(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水池，空氣管路通過總管和支管將壓縮空氣輸送到池底的曝氣設(shè)備，比如空氣由A分別輸送到B、C、D、E、F。在曝氣系統(tǒng)設(shè)計中，曝氣量應(yīng)按照需要均勻的分布，實際上，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(diào)整時，B位置和F位置的壓差和流量差也會發(fā)生改變，這會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(tǒng)進行時，如果某位置（如D）的曝氣設(shè)施堵塞或破漏，會造成該位置壓力和流量的改變，同時會引起整個空氣管路的壓力和流量重新分布，其他各點（B、C、E、F）的空氣流量也會相應(yīng)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(xiàn)。

　　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（通常是曝氣池出口），不能反映出氧量的分布，溶解氧控制的一個條件是溶解氧值真實地反映曝氣池生物反應(yīng)的環(huán)境狀態(tài)，當曝氣分布不均時，這一條件不真實，控制效果也不會理想。

　　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(shè)備和調(diào)節(jié)閥門，并建立控制環(huán)節(jié)，流量偏差就會在運行中被糾正，溶解氧的控制也會更加有效。

　　三、分析結(jié)論

　　曝氣系統(tǒng)的特點如下：

　　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(tǒng)的精確數(shù)學模型；

　　2）曝氣系統(tǒng)的參數(shù)維數(shù)高、強耦合，高度非線性；

　　3）溶解氧存在大時滯，系統(tǒng)平衡難以在較短時間內(nèi)達到；

　　4）污水處理工藝中需要大量熟練操作人員的實踐經(jīng)驗和知識；

　　5）曝氣流量分布的穩(wěn)定和均勻是控制處理效果和節(jié)能的基礎(chǔ)。

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

　　來源:環(huán)保工程師