污水处理厂精准曝气改造实例

针对再生水厂鼓风曝气系统升级改造难的问题，建立了定制的精密曝气系统，包括定时模式、安全模式、恒定DO模式、前馈模式、前馈-DO反馈模式和前馈-NH3-N反馈模式。该系统可以根据现有鼓风机系统的自动调节程度实现定制的精确曝气操作。运行结果表明，与系统改造前相比，精密曝气系统节能降耗大，其中鼓风机单位功耗降低15%以上，2019年氮污染物去除和COD单位功耗明显低于2018年，TN单位功耗降低10.7%，NH3-N单位功耗降低15.3%，COD单位功耗降低7%，出水水质实时达标。

本文以大型再生水厂为基础，结合工厂实际硬件情况，建立了定制的精密曝气系统，具有显著的节能效果。

1 项目概况

一家再生水厂位于北京市朝阳区，分别于1993年和1999年正式运行，设计处理规模为100万mm³/d，每期设计处理规模50万m³/d。该厂于2017年6月开始对再生水厂污水区进行工艺改造，2018年完成改造，改造后污水区工艺见图1。

再生水厂生物池的好氧段分为三条走廊。在日常运行中，生物池中的溶解氧波动较大，给再生水厂的日常工艺控制带来了困难。如果不依靠在线监控，很难通过人工测量准确判断曝气池的供氧状况。曝气池末端的溶解氧需要保持在稳定的低值，否则不仅会增加能耗，还会影响脱氮除磷的效果，增加运行成本。图2显示了工厂进水量的变化。可以发现上午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3 600L/s，谷值为1 494L/s，相差1.4倍。表明大型再生水厂进水量波动明显。

为了了解生物池出水水质随水量的变化，对上午和下午二、三廊道的氨氮和DO进行了监测。结果如图3所示。从图中可以看出，当曝气管阀门完全打开时，在高水量（下午）和二廊末端，氨氮平均值为0.39mg/L，DO平均值为2.11mg/L，三廊道末端氨氮均值为0.26mg/L，DO平均值为5.40mg/L；低水量(上午)，二廊末端氨氮均值0.52mg/L，DO平均值为5.70mg/L，三廊道末端，氨氮均值为0.24mg/L，均值为4.8的DOmg/L。说明二廊道氨氮在常规曝气充足的情况下会受到抽水量的影响，但基本上可以达到二廊道末氨氮小于1mg/L的水平，三廊道出水氨氮小于0.5mg/L。说明二廊道氨氮在常规曝气充足的情况下会受到抽水量的影响，但基本上可以达到二廊道末氨氮小于1mg/L的水平，三廊道出水氨氮小于0.5mg/L。曝气过多导致曝气区上游污染物减少，三条走廊未能发挥合理的污染物减少功能，三条走廊溶解氧难以控制，高溶解氧浓度回流液也会对反硝化产生一定的影响。

因此，对于工厂曝气池，需要分段控制溶解氧，在曝气区中后段控制溶解氧，降低生物池末端溶解氧浓度，降低生物池整体曝气能耗，满足生物池溶解氧需求。

2 定制精密曝气系统

根据水厂的实际运行，定制开发了一套完整的精密曝气系统，包括定时模式、安全模式、恒定DO模式、前馈模式、前馈-DO反馈模式和前馈-NH3-N反馈模式。其中，前馈模式根据进水量、水质等数据，通过嵌入式模型计算生物池所需的曝气量，将实际曝气池的进气量与计算所需的曝气量进行比较，自动调节进气调节阀，使气体差异保持在一定范围内。本精密曝气系统要求每个溶解氧控制区至少配备一个电动空气调节阀、一个热气流量计和一个在线溶解氧仪。此外，由于本精确曝气系统需要MLSS、因此，需要增加MLSS仪器、压力变送器和在线氨氮等仪器来补偿曝气量计算。该系统于2018年开始建设，2018年底完成设备安装和工程建设，2019年开始调试，2019年6月开始稳定运行。

恒DO控制模式(见图4)在实际运行中采用，针对每组生物池进水流量计量不足，每组生物池配水不均匀的情况。工厂分别设置了两个走廊和三个走廊的DO控制值，采用串级PID控制算法，首先比较在线DO仪测量数据和相应的DO控制值，通过PID算法获得所需的曝气量，然后通过PID算法比较所需曝气量与现场气体流量计测量值的差异，获得电动调节阀所需的开度，并使用执行器控制相应的走廊电动调节阀的开度，从而实现廊道溶解氧的稳定控制。

3 鼓风机节能调节

通过上述控制系统，可以实现生物池现场阀门的自动控制，实现生物池溶解氧的稳定性，但为了保持长期稳定，需要鼓风机的联动运行，否则当在线DO值很低时，如果鼓风机不增加叶片开度，空气调节阀不能提供足够的曝气，生物池在线DO不能上升到设定值。因此，鼓风机的操作非常重要，不仅影响生物池的溶解氧浓度，而且是节能降耗的关键。

工厂的鼓风机是HV-TURBO KA44SV于1995年购买，于1999年开始使用，至今已使用20多年。为保证设备的稳定运行，鼓风机系统无法远程自动运行，因此鼓风机系统无法与精密曝气系统自动联动运行。

鼓风机调节方案是在现有系统运行的基础上，通过在线分析每日每小时的水质数据，制定出来的。结合进水量的实时变化，分析三个走廊所有在线DO仪器的平均值，设置DO平均值，调整鼓风机的开启状态（改变导叶开度或鼓风机运行台数量），通过判断实际DO平均值与设置DO平均值的差异。表1为精确曝气系统运行后，每2个典型的日鼓风机 h的调整和运行状态。

4 结果分析

4.1 水质结果分析

经过半年的调试，二廊实现了恒DO调控，二廊设定DO值为1mg/L，图5为二廊道1 DO值的变化可以发现二廊DO稳定在1mg/L。误差在20%以内。

通过对2019年至2020年出水氨氮的分析，可以发现自2019年调试以来，其出水氨氮一直稳定达标，2020年出水氨氮更加稳定，一年中氨氮为0.4mg/L以下概率为98.9%。

4.2 鼓风机单位水电耗分析分析

对比2018年、2019年、2020年二期鼓风机月平均功耗，结果见图7。鼓风机单位电耗计算方法:鼓风机房各鼓风机电量加和值/进水流量，各鼓风机电量表数据为累计值，月平均值采用月末月初的差值计算。

从图7可以看出，2020年鼓风机月平均功耗明显低于2018年。与2019年相比，也有明显的下降。2020年，鼓风机年平均功耗为0.0967 kW·h/m³，与2018年鼓风机年平均功耗0.1319相比， kW·h/m³与2019年鼓风机年平均功耗相比，下降了26.7% kW·h/m³下降15.5%。从二期鼓风机单位的功耗可以看出，该定制精密曝气系统的建立实现了大大的节能降耗。

4.3 去除氮污染物和去除COD单位电耗分析

分析了2018年、2019年和2020年去除氮污染物和COD的单位电耗，见图8、图9。去除氮污染物和COD的单位电耗计算方法如下：

每年二期鼓风机单位电耗/(每年进水TN均值-每年再生水TN均值)×1 000；每年二期鼓风机单位电耗/(每年进水NH3-N均值-每年再生水NH3-N均值)×1 000；每年二期鼓风机单位电耗/(每年进水COD平均值-每年再生水COD平均值)×1 000。去除氮污染单位的电耗单位为kW·h/kgN，去除COD单位的电耗单位kW·h/kgCOD。

可以发现，2020年氮污染物去除单位电耗高于2019年，TN污染物去除单位电耗和NH3-N污染物去除单位电耗增加5%和0.3%。对2018年、2019年和2020年3年进出水TN和NH3进行对比分析-N，可以发现，2020年进水水质明显较低，因为2020年新冠肺炎疫情期间，进水TN年均为40.22mg/L，NH3-N年均值为30.4mg/L，与2019年相比，分别下降15.5%和15.6%。与2019年和2018年相比，2019年去除TN污染物和去除NH3-N污染物的电耗明显低于2018年，其中TN降低10.7%，NH3-N降低15.3%。

去除COD单位电耗的分析也发现，2020年去除COD单位电耗为0.32 kW·h/kgCOD，比2019年增长23%。通过对2020年进出水COD值的分析，可以发现新冠肺炎疫情期间进出水COD值明显较低，较2019年下降31.89%。与2019年和2018年去除COD单位电耗相比，可以发现2019年去除COD单位电耗比2018年降低了7%。

由于目前的鼓风机控制模式是手动经验控制，2020年进水水质显著降低，相应的控制模式和频率没有改善，导致2020年氮污染物去除和COD单位功耗高，后续需要提高鼓风机控制模式和频率，鼓风机自动控制改造，从根本上缓解水质波动引起的调节不及时。2018年至2020年进出水水质如表2所示。

5 小 结

结合大型再生水厂的实际情况，通过现场阀门、仪器安装实现现场DO实时控制，结合鼓风机控制方案，建立定制的精密曝气系统，解决大型再生水厂设备自动运行困难，指出大型再生水厂精密曝气改造项目的实施方向。

通过定制的精密曝气系统，鼓风机单位功耗降低15%以上，去除TN污染物单位功耗和去除NH3-N污染物单位功耗分别降低10.7%和15.3%，去除COD单位功耗降低7%。

来源：给水排水

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