污水处理厂的曝气优化

1、污水处理厂的曝气优化卢玮1,黄伟明2,武云志2,张元元1(1济南市市政工程设计研究院集团有限责任公司,山东济南250101;2美国哈希公司北京代表处,北京100004摘要:由于污水处理厂的进水水质和流量时刻都在变化,工艺过程中的最优参数也在变化,因此根据进水负荷优化工艺过程参数,对污水处理厂来说是很重要的。由于好氧池的曝气能耗占整个污水处理厂能耗的1/2以上,所以曝气优化具有很大的节能潜力。目前大部分污水处理厂没有进行曝气优化,导致出水水质随着进水负荷的变化而波动。介绍了利用在线水质分析仪表监测进水负荷实现优化曝气控制的精确曝气优化方案,从而实现在出水稳定达标排放的情况下节省能量。关键词:优化

2、曝气;在线水质分析仪器;节能降耗;污水处理;优化运行中图分类号:X703文献标识码:B文章编号:10004602(201222002704Aeration Optimization in Sewage Treatment PlantLU Wei1,HUANG Wei-ming2,WU Yun-zhi2,ZHANG Yuan-yuan1(1Jinan Municipal Engineering Design and Research Institute Group CoLtd,Jinan 250101,China;2Beijing Representative Office of Hach Co

3、mpany,Beijing100004,ChinaAbstract:As the flow rate and water quality of the influent of sewage treatment plants are variable from time to time,the optimum process parameters of sewage treatment plants change tooTherefore,it is important to optimize the process parameters according to the influent lo

4、ad of sewage treatment plantsAl-so,the aeration optimization has a large energy saving potential because the aeration in the aerobic tank takes up more than half of the whole energy consumption of the plantAt present,most sewage treatment plants do not optimize the aeration control,and the water qua

5、lity of the effluent fluctuates when the influ-ent load changesA precise aeration optimization plan to carry out the optimum aeration control by using online water quality analyzer to monitor the influent load was introduced to achieve the energy saving, while ensuring that the effluent quality met

6、the discharge standardKey words:optimized aeration;online water quality analyzer;energy saving and consumption reduction;wastewater treatment;optimized operation1背景介绍随着工业和城市化的发展,生活污水的排放量不断增加,环境要求更加严格,需要建设越来越多的污水处理厂。截至2011年底,全国建有城市污水处理厂共3135座,处理能力为136108m3/d。“十二五”期间,国家进一步加大对城镇污水处理的支持力度,我国污水处理的发展也将向提高

7、污水处理厂的运行效率转变。1.1进水负荷的变化造成出水水质波动污水处理厂的进水水质具有一定的变化规律1 3,进水流量、COD和NH3N都是不断变化的。工艺过程参数如果没有根据进水负荷进行实时调整,出水水质就会产生波动,当出现峰值负荷时可能会造成出水水质超标的现象。第28卷第22期2012年11月中国给水排水CHINA WATERWASTEWATERVol28No22Nov2012目前,在污水处理厂的进水和处理过程中,没有安装足够的在线水质分析仪表去监测关键参数。因此,工作人员不能了解进水负荷的变化和工艺运行过程的状况,导致只能根据出水水质调整工艺参数。这种调整不够及时,出水水质波动还是比较大。

8、1.2运行优化特别是曝气优化能够获得收益如果想避免出水水质波动,需要安装在线水质分析仪表,监测进水负荷和工艺过程的关键参数,并对运行参数进行优化使之与进水负荷相适应。进行优化之后,可以看到:出水水质稳定达标;节能降耗。对于采用活性污泥工艺的污水处理厂,曝气是污水处理厂的核心,其消耗的能量占了污水处理厂所有能量消耗的1/2以上。所以,对曝气进行优化控制具有巨大的节能潜力。微生物需要足够的氧来完成污染物的降解,所以氧越多越好。但提供越多的氧,就消耗越多的能量。所以,考虑到污染物的降解和能量的消耗,曝气池的溶解氧浓度不能太高也不能太低。一个完整的脱氮过程包含硝化和反硝化过程。硝化过程是在好氧环境下把

9、氨氮转化为硝氮,需要曝气;反硝化过程是在缺氧环境下把硝氮转化为氮气,不需要曝气。如果仅考虑硝化,氮不能从水里脱除,依然存在富营养化。所以,要使硝化和反硝化过程都能很好地运行,需要合适的DO浓度。因此,污水处理厂要想让出水的氨氮和总氮都达标,且具有较高的处理效率,就需要对曝气进行优化控制。李军等1研究了在线检测的DO、ORP和pH值变化与城市污水脱氮除磷的生物反应具有相关性,利用DO、ORP和pH值变化的特征点可以判断和控制SBR中污水处理过程的各个步骤,从而适应原水水质变化和避免其他控制参数滞后的问题,使系统处理效果更稳定。Pires OC等4研究了模糊控制系统,根据进水氨氮的变化,改变回流、

10、HRT等参数,可以提高对氮和碳的去除效率。Uwe Karg等介绍了一些成功案例,表明通过氮磷在线测量仪,可以提升污水处理厂脱氮除磷工艺的整体运行与管理的水平,降低生产运行成本。2曝气控制曝气池的曝气具有如下功能2:提供合适的氧给微生物;使污水产生混合和循环流;维持足够的水流速使微生物污泥悬浮在液体中。由于微生物需求和氧传递效率,一般控制曝气池的DO约为2mg/L,而实际所需的DO浓度不一定总是2mg/L,是根据实际情况而变化的。所以,需要控制曝气,使DO浓度维持在期望值附近。2.1典型的曝气控制污水处理厂典型的曝气控制能够使曝气池实际的DO浓度保持在用户设定值附近。一般来说,有两大类典型的曝气

11、控制类型。2.1.1直接控制风机第一类是直接控制风机(见图1。系统采集安装在好氧池中的溶解氧分析仪测得的DO浓度值,与用户设定的期望值进行比较。如果实际DO浓度值比期望值大,则减小风机转速,从而减少曝气量,逐渐使好氧池的DO下降,最终稳定在期望值附近。如果实际DO浓度比期望值小,则增大风机转速,从而增大曝气量,逐渐使好氧池的DO上升,最终稳定在期望值附近 。图1直接控制风机Fig1Direct control of blower对于这种自动控制方式,曝气管道的空气压力会随着风机转速的改变产生一定的波动,使得曝气量与阀门开度的关系发生变化,不利于曝气的控制,容易造成超调。一般来说,这种自动控制方

12、式适用于小型污水处理厂的曝气控制。2.1.2间接控制风机第二类是间接控制风机(见图2。系统采集实际的DO值,并与用户设定的期望值进行比较,根据实际DO值和期望值的差值,控制阀门开度。当阀门开度变化时,空气管道的压力也相应变化。因此,增加压力闭环控制来稳定空气管道的压力。系统采集曝气管道的压力,并与压力设定值比较。如果实际压力比设定值大,则减小风机转速;如果实际压力比设定值小,则增大风机转速;最终使曝气管道的压力保持恒定。这种控制方式包含了两个闭环控制,第28卷第22期中国给水排水wwwwatergasheatcom压力闭环控制和氧浓度的闭环控制。压力闭环控制使得曝气管道的空气压力稳定在期望值,

13、保证了曝气量与阀门开度具有稳定的相关性,能够较好地控制曝气量。由于曝气管道有了稳定的空气压力,DO 值闭环控制获得了较好的动态性能。这种自动控制模式能够很好地控制曝气量,一般用于大、中型污水处理厂的曝气控制 。图2间接控制风机Fig2Indirect control of blower2.2优化曝气控制典型的曝气控制能够控制好曝气,实现稳定的DO 浓度,但出水水质仍不稳定。典型的曝气控制只考虑了供气系统的性能,没有考虑生物处理系统的综合影响,能够在一定程度上根据进水负荷调整曝气量,但效果不是很好,且滞后性比较大。因此有必要采用优化曝气控制方式。优化曝气控制采用自动控制理论,根据进水负荷和出水水

14、质情况调整曝气量,使曝气量刚好满足污水处理的需要,能够在保证出水水质稳定达标的情况下,实现节能降耗,增强污水处理厂的运行稳定性。由于影响曝气池硝化功能的因素比较复杂,实际上单独采用开环控制很难实现曝气的优化控制。具有实际意义的优化曝气控制分为两大类:闭环控制和复合控制。2.2.1闭环控制优化曝气闭环控制系统(见图3是在典型曝气控制的基础上,增加反馈控制模块。在曝气池末端增加一台在线氨氮分析仪。系统采集曝气池末端的氨氮浓度,与设定的期望值进行比较。如果实际氨氮浓度比期望值高,表明曝气池还有需要转换的氨氮。有可能是由于温度、pH 值、DO 或SRT 等原因造成硝化能力不足,也有可能是进水氨氮值偏高

15、。无论哪种原因,系统都可以通过增加曝气量来提高曝气池的硝化能力,从而使出水氨氮降低到期望值。如果实际氨氮浓度比期望值低,说明曝气池的硝化能力相对于进水的氨氮负荷有所富余,可能是由于温度、pH 值、DO 、SRT 或进水氨氮负荷降低,无论哪种原因,系统在保证出水氨氮不超标的情况下,减少曝气池的曝气量以降低曝气池的硝化能力,达到节约能耗的目的 。图3优化曝气闭环控制Fig3Optimized aeration with closed loop control由于该闭环控制系统是在曝气池后测量氨氮,属于反馈控制,能够保证出水水质稳定达标,但不能及时响应进水负荷的变化,具有一定的滞后性。2.2.2复合

16、控制优化曝气复合控制系统(见图4,是建立在闭环控制系统基础上,增加前馈控制模块。该前馈系统在厌氧池前端增加在线氨氮分析仪,能够提前掌握进水负荷的变化,解决反馈控制的滞后问题。通过采集厌氧池前端在线氨氮分析仪测得的氨氮浓度值,以及TSS 、COD 和进水流量,系统可以得知进水负荷,并利用活性污泥模型以及自动控制理论,同时考虑厌氧池到曝气池的迟滞效应,计算曝气池的DO 期望值 。图4优化曝气复合控制Fig4Optimized aeration with combined control当生物反应池进水氨氮负荷升高时,前馈控制模块计算的DO 期望值就相应增大,从而曝气量也随着进水氨氮负荷的升高而增加

17、,使得更多的氨氮wwwwatergasheatcom 卢玮,等:污水处理厂的曝气优化第28卷第22期被转换,从而使曝气池出水氨氮浓度保持稳定;反之,氨氮负荷降低,前馈控制模块能够通过减少曝气池的曝气量,使曝气池出水氨氮浓度保持稳定。当然,基于活性污泥模型的前馈控制,在实际运行中会有一些不确定性。闭环控制模块能够对前馈控制进行修正,以消除模型的不确定性。复合控制具有一定的提前量,又能保证出水氨氮符合排放标准,是较理想的优化曝气控制方式。3工程应用英国南部某污水处理厂采用4级Bardenpho 工艺,处理水量约为6104m 3/d ,服务人口约为24万人,进水BOD 5负荷约14000kg /d

18、,氨氮负荷约2200kg /d 。该污水处理厂有8个曝气廊道,选择两个廊道用于典型曝气控制,两个廊道用于优化曝气控制。优化曝气控制采用WTOS 系统实现的复合控制,并在生物反应池中安装关键参数(氨氮、溶解氧、SS 等的在线水质分析仪表。经过几个月的运行,发现:采用典型曝气控制的两个廊道,出水氨氮浓度波动较大;采用优化曝气复合控制的两个廊道,出水氨氮浓度稳定在1mg /L 左右。采用优化曝气复合控制的两个廊道消耗的曝气量,比采用典型曝气控制的两个廊道减少了约20%。优化曝气效果见图5 。图5优化曝气效果Fig5Result of optimized aeration该污水处理厂的氨氮排放标准为:氨氮3mg /L ,或者氨氮去除率90%。应用WTOS 系统后,将出水氨氮从之前的平均02mg /L 提高到1mg /L 而不超标,这自然就节省了曝气的能耗。应用案例表明,优化曝气控制能够使曝气量与进水负荷相适应,从而确保出水氨氮浓度稳定达标,同时实现节能降耗。而且,由于曝气池的DO 浓度刚好与负荷适应,没有多余的氧随着内回流进入到缺氧池,从而确保了缺氧池的缺氧环境,保证了反硝化能力,能够较好地去除硝氮,降低出水的总氮浓度。4结语