污水处理曝气量的控制难点

发布日期：2022/3/24 14:33:52

鼓风曝气系统电耗一般占全厂电耗的60%左右，是全厂节能的关键。最根本的节能措施是提高曝气控制效率，降低氧的浪费，从而减小风量。

进行气量控制是曝气系统效果最显著的节能方法，据美国环境保护署对美国12个处理设施的调查结果显示，以溶解氧（DO）为指标控制风量时可节电33%。根据风机风量与能耗的关系可知，电耗随气量变化很大，因此进行气量控制节能效果显著，而且功率越大效果越明显，当然气量并不是可以任意减小，它将受到许多因素的影响。
从处理工艺的角度看，曝气系统必须进行控制，因为曝气系统如果操作不当，曝气量过小，二次沉淀池可能由于缺氧而发生污泥腐化，即池底污泥厌氧分解，产生大量气体，促使污泥上浮。当曝气时间长或曝气量过大时，在曝气池中将发生高度硝化作用，使混合液中硝酸盐浓度较高。这时，在沉淀池中可能由于反硝化而产生大量N2，而使污泥上浮。
另外，曝气量的分布是否均衡和稳定也是影响处理效果和能耗的一个重要原因。在曝气系统运行时，由于种种干扰，曝气量的分布会发生变化，比如，一个地方曝气头堵塞，气体流量会减少，同时，也会造成其它地方流量增大，相反，曝气头破损，气体流量会大增，同时会造成其它地方流量锐减。这些都会使生物反应不平衡，处理质量下降。为达到处理效果，不得不调整曝气量，而此时某一点的溶解氧的变化亦不能准确反映生物池的处理状态，使得以溶解氧为指标的控制变得不稳定，能耗增加。

一、行业现状的不足

总结国内现有污水处理厂的运行后发现，自动化设备投入较低，能耗高，而且系统大多在投产时没能达到设计运行要求，或在运行一段时间后改为部分自动、部分手动的运行状态，特别是曝气系统。分析原因主要有以下几个方面：
1、自动化技术与工艺技术未能有机结合。我国污水处理厂起步时，自动化系统成套引进国外产品和技术，以后虽然硬件系统在国内采购，控制技术并没有被系统的吸收。国内污水处理行业的自动化专业力量较低，很多兴建的污水处理工程的自动化系统是由冶金、化工、轻工等领域工程师设计、编程和调试的，对污水处理工艺了解较少，不能结合具体工艺进行控制策略设计，一般采用套用本行业现有技术的作法，如本行业PID调节及其整定参数等，因此，运行效果并不理想。
2、自控系统培训不到位。很多污水处理厂运行人员没有得到控制系统供应商系统的培训，除了基本操作以外，没有从理论上对诸如曝气系统调节技术的讲述，使得管理人员只能在工作中重新摸索。
3、运行经验未得到利用。污水处理厂很重要的一点，是在长期运行之后，可以总结日常规律，而且相对稳定，对于管理者，这些规律往往比昂贵的自控设备有用，但是在污水厂建设中，很多设计并没有给管理者留有充分的调整空间，而且这些有用的经验也缺乏应用到其他污水设施建设的途径。

二、控制策略的不足

1、溶解氧控制的难点
污水水质的多变和生物处理系统中生化反应的复杂性，决定了污水处理的溶解氧（DO）检测控制是一个大滞后系统，检测出结果再进行参数处理和调整，往往已滞后几个小时甚至几天，造成大量不合格水的排出。这种系统的特点是污水生物处理系统的运行管理具有相当的技术难度，要求管理者具有较好的环境工程知识基础和相当丰富的运行管理经验。
另外，溶解氧指标并不能直接反映生物反应的氧气需求量，它只是反映了反应池中氧气的剩余程度，无法根据它的数值和变化直接计算气量。
传统的PID控制虽然在工程上广泛采用，但只能解决线性系统的调节问题。曝气系统中PID能够实现对流量的控制，但对水质处理效果的控制能力有限。溶解氧（DO）控制时，PID参数的整定需要根据季节、水质的变化等实际情况不断调整。从控制理论的角度来看，污水的生物处理过程具有大滞后、非线性、随机性和多变量的特点，建立的模型也是经验的、有条件的，因此，单纯依靠理论模型建立的经典控制方法并不能很好地满足溶解氧（DO）调节的需要，造成鼓风机和阀门调节频繁、超调量大，使得设备寿命降低、能耗过高。
2、流量控制的重要性
空气质量流量是直接影响曝气处理效果的指标，从工程的角度看，诺大的反应池往往需要许多组曝气设备，包括空气管路、曝气头或曝气器等，实际运行中，这些设备能否稳定的工作、能否及时地发现和抑制故障，会影响到曝气过程的稳定和均衡，影响到生物反应效果和电耗。不稳定的流量分布会扰乱溶解氧检测参数的真实意义，使得本来就容易产生振荡的溶解氧控制变得更加难以驾御。
曝气池通常是几百或几千平米的流动水池，空气管路通过总管和支管将压缩空气输送到池底的曝气设备，比如空气由A分别输送到B、C、D、E、F。在曝气系统设计中，曝气量应按照需要均匀的分布，实际上，由于管道压力损失，B位置和F位置的空气压力和流量存在差异，当总气量由于水质或水量变化而调整时，B位置和F位置的压差和流量差也会发生改变，这会造成曝气分布的偏差，而且这种偏差也是变化的；另外，在系统进行时，如果某位置（如D）的曝气设施堵塞或破漏，会造成该位置压力和流量的改变，同时会引起整个空气管路的压力和流量重新分布，其他各点（B、C、E、F）的空气流量也会相应改变，引起曝气分布的偏差。上述运行中的曝气分布不均往往是隐藏性的，水面上很难发现。
曝气分布不均使得溶解氧更加困难。因为在工程中，溶解氧只能检测某点（通常是曝气池出口），不能反映出氧量的分布，溶解氧控制的一个条件是溶解氧值真实地反映曝气池生物反应的环境状态，当曝气分布不均时，这一条件不真实，控制效果也不会理想。
因此，空气流量的控制是曝气控制中十分重要的一环，如果在B、C、D、E、F位置安装流量检测设备和调节阀门，并建立控制环节，流量偏差就会在运行中被纠正，溶解氧的控制也会更加有效。

三、分析结论

曝气系统的特点如下：
1）污水输入量为随机变量，其外部环境具有许多不确定因素，因此难以建立曝气生物系统的精确数学模型；
2）曝气系统的参数维数高、强耦合，高度非线性；
3）溶解氧存在大时滞，系统平衡难以在较短时间内达到；
4）污水处理工艺中需要大量熟练操作人员的实践经验和知识；
5）曝气流量分布的稳定和均匀是控制处理效果和节能的基础。
因此，解决好曝气系统控制应从两方面加以改善，一是解决曝气池空气流量的平衡和稳定问题，二是寻求适合溶解氧控制空气流量的控制策略。

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