精确曝气流量控制在污水生物处理工艺中的应用研究

1精确曝气流量控制在污水生物处理工艺中的应用研究摘要:本文对在污水生物处理工艺系统中采用精确曝气流量控制进行了阐述、并提出了实现方法。用分段常值的函数来模拟控制变量(即空气流量或曝气量)，在进水水质、水量等干扰情况下，通过优化控制达到了抑制生物反应池中溶解氧浓度变化幅度(±0.2mg/L)的目的；数值优化过程中，采用最速下降法来求解目标函数的最小值。基于此方法的AVS（AverationVolumecontrolSystem）精确曝气流量控制系统经过在上海桃浦工业区污水处理厂的调试和试运行，基本达到了精确曝气和降低能耗的目标。Abstract:Amethodologyforaccurateaerationvolumecontrolisproposedforwastewaterbiologictreatment.Thepiecewiseconstantfunctionisutilizedtoapproximatethetimedependentcontrolvariable,i.e.,theaerationvolume.TheoptimalcontrolisperformedtoconstraintheDOconcentrationwithinthetoleranceof0.2mg/L.Innumericaloptimizationprocess,thesteepestdescendmethodisemployedwiththefirstorderderivativesofthecostfunctionalcalculatedfromtheadjointmethod.TheAVSsystembasedontheproposedmethodologyhasbeenappliedinShanghaiTaopuWastewaterTreatmentPlanttotestifyitsvalidity,andexperimentresultsdemonstrateitssignificantadvantageinaccurateaerationvolumecontrolanditspromisingcharacteristicsofcostreduction.关键词：污水处理，精确曝气，优化控制，节能，溶解氧Keywords：Wastewatertreatment，Accurateaerationvolumecontrol，Optimalcontrol，Economizeenergy，DO1.污水生物处理工艺及曝气控制目前城市污水处理较多采用活性污泥生物处理工艺，即利用微生物的代谢作用，使污水中呈溶解、胶体状态的有机污染物转化为稳定的无害物质。生物处理过程是个复杂的生物化学反应过程，通过曝气维持好氧环境是其中一个非常重要的环节。不同的工艺，曝气的方式也有所不同，但是在几乎所有的采用活性污泥生物处理工艺的污水处理厂中，鼓风曝气是能耗最大的环节。从一些国内的污水处理厂耗电量来，曝气环节占据了总耗电量的50-70%，所以曝气系统的精细化控制改造对整个污水处理厂的节能运行意义重大。1.1污水生物处理工艺一座典型的污水处理厂中，经过曝气，原水中50-60%的有机物转化为二氧化碳和水，出水中仍然含有10%的有机物，而30-40%的有机物转移到污泥中(参见【1】)。我们通常希望更多的有机物转移到污泥中，因为污泥的处理成本相对较低。如果DO（溶解氧浓度）值过高，其结果是更多的有机物转化为二氧化碳和水，即经由污泥的呼吸作用而消耗，但这个过程要消耗大量的氧，造成曝气的浪费，而且污泥容易老化。如果DO值过低，则影响到了微生物的呼吸和吸附有2机物的过程，造成出水有机物含量过高。因此，综合这两个方面的考虑，期望将DO控制在稳定的水平上。从工艺处理流程整体来分析，城市污水处理过程控制由于进水流量、进水水质在时间上的不固定性，加上生化反应过程还受到季节、温度和天气的影响，污水处理系统具有参数维数高和高度非线性的特点；而且，污水处理工艺中存在大时滞，系统平衡难以在短时间内达到；输入量有随机特性，建立污水处理系统的精确数学模型较为困难。因此，精确曝气流量控制对污水处理行业来说是一项复杂研究和实践课题。为了达到按生物处理过程需要供气、减少生物反应池中DO值的波动波幅、使生物处理过程处于最佳状态，即：污水处理既达到既定的排放标准、又能节约曝气能耗，就有必要研究基于模型的精确控制技术。1.2大多数污水处理厂曝气系统现状国内大多数污水处理厂的曝气系统采用了两类简单的控制回路来自动或人工控制曝气。一是采用溶解氧（DO）检测仪和电动调节阀作为简单的控制回路，如图一所示，当生化反应池内的DO值大于某一个设定值时，关闭电动蝶阀；当DO值小于某一个设定值时则打开电动蝶阀。二是采用了PID进行定值调节，根据池中溶氧仪的DO反馈信号与DO设定值进行比较，将偏差通过PID运算后传给阀门的行程控制器调节阀门的开度，进而控制池内的DO值。图1：传统的溶解氧反馈控制图Fig.1:TraditionalfeedbackcontrolofDO传统控制方法的缺点在于：一是由于时间延迟，即从开始曝气到池内DO变化需要一段时间，造成溶解氧的控制波动很大；二是传统方法能耗高，为了保证安全运行，系统的DO设定值只能保持在较高的数值上，保持了过大的余度而造成浪费；三是过大的波动会使得池内的生物环境不稳定，干扰生物系统的工作。AVS精确曝气流量控制系统以解决上述问题为目标，以下将对其进行详细说明。2.AVS精确曝气流量控制系统控制原理目前，城市污水生物处理工艺较多采用的是厌氧-好氧(A1-O除磷)和缺氧-好氧(A2-O脱氮)组合工艺流程的活性污泥法，底部曝气和立式表曝是好氧流程的主要两种充氧手段，而且大部分的采用鼓风机组底部曝气。O2DO溶氧仪阀门开关曝气池曝气管道32.1AVS精确曝气流量控制系统性能配置AVS精确曝气流量控制系统是一个集成的曝气控制系统，它由系统控制单元、带执行机构的曝气流量调节阀、热值气体流量计、压力变送器和液位计等组成。系统功能上由生物处理过程建模模块、曝气流量配气建模模块和曝气流量控制回路三个部分组成。该系统以曝气流量信号作为控制信号，溶解氧、进水CODcr、BOD5和氨氮信号作为辅助控制信号，经过生物处理过程模型和历史数据综合处理，得出系统需要的曝气量；系统同时根据实际的曝气输送管道分布等负载大小，经曝气流量配气模块处理，提供给鼓风机组控制系统，使鼓风机组处于所要求的工况状态来提供空气供给量，系统可根据实际负载状况自行调整设定值的大小；曝气流量控制回路为基本就地控制回路，由电动流量调节阀、热值气体流量计和模型给定的瞬时设定流量组成回路，可快速、准确地根据实际的负荷波动调节空气供给量，使生物池的每一部分都能达到高效。从而减少生物反应池中DO值波动，达到精确曝气的控制目标。系统中曝气流量配气模块对流量调节性能和空气压力损失的关系进行了平衡。电动流量调节阀在全开的情况下压力损失比较小，但随着开度的减小压力损失会逐步上升。出于优化运行和节能的考虑，需要尽量使电动流量调节阀在大开度工况条件下工作，减少因压力损失造成的能源损耗，寻找最优阀门开度组合（最小的压力损失），并在此条件下给出鼓风机允许的最小输出压力。曝气控制系统的整体流量控制精度达5%，振荡小。生物反应池的空气总管处安装压力变送器，为检测管道漏损、阀门泄漏、曝气头堵塞等异常现象提供了分析工具。AVS精确曝气控制系统提供三种运行模式，即本地自动控制、人工强制控制、和安全模式三种控制方式。并提供通讯接口，支持数据远传。本地自动控制是推荐控制方式，用于污水厂污水处理工艺正常运行、精确曝气控制系统的热值气体流量计、DO溶氧仪、压力传感器工作正常情况下，具有最大的节气效能；人工强制控制是在污水厂污水处理工艺处于非正常运行条件下，例如污水负荷突然大幅度改变、污水含有有毒物质、生化反应池处于异常状态等情况下，直接允许人工操纵的控制方式；安全模式是一种大余度的自动控制方式，用于污水厂污水处理工艺经常处于大扰动条件下，比如进水的污水负荷较大范围的经常性变动、进入生化反应池的水量有较大的变化情况下，大余度控制的本质是提高系统抵抗大扰动的能力，提高安全运行系数。AVS精确曝气流量控制系统达到的控制目标是：以节能为目标，实现精确控制，按照需求供气，降低污水厂单位处理成本；稳定活性污泥生物处理环境，提高活性污泥处理效率；稳定出水指标，抵御瞬时进水负荷冲击带来的排放压力；精确化和智能化，降低现场工作人员劳动强度。2.2精确曝气流量控制原理精确曝气流量控制原理图如图2所示。4图2：精确曝气量控制原理图Fig.2:Diagramofaccurateaerationvolumecontrolsystem生物处理是污水处理过程中最重要的工艺处理环节，即通过人为地维持好氧环境（好氧氧化法），使曝气池（好氧流程）内氧含量处于可接受的范围。在这个范围内，曝气池中的微生物将维持一系列的生化过程，使污水中的目标物质（BOD5、CODcr、总磷TP、总氮TN）含量降低，从而达到排放要求。为了对曝气池溶解氧（DO）环境进行精确的控制，要对DO的动态平衡有充分的认识，其包含两个过程：一是氧扩散过程，在鼓风曝气系统中主要体现为空气从曝气池底部的曝气头释放后，空气中的氧气从气相向液相中转移。二是氧消耗过程，这个过程综合了好氧处理过程的各种环节，包括机碳去除过程、生物脱氮、生物除磷等，DO的消耗是由上述过程综合作用的结果。由于污水厂的进水水质和水量是变化的，在特定的时间段内其耗氧量也是变化的，只有使该时段内的供氧量和耗氧量相均衡，才能保证处理环境的稳定，保证出水水质。AVS精确流量控制过程包括两个主要部分内容：其一是生物处理模型的设计建模过程，即通过对某一特定污水处理厂的历史运行数据（如：进水、BOD5，CODcr，SS、TP，TN（NH3-N）等）或在线运行数据进行汇总统计和分析处理，参见【2】，确定该污水厂生物处理过程的一些特征参数和补偿参数。再通过仿真，检验这些特征参数的有效性。通过这个过程，基本可以获得该污水处理厂的水平衡（包含污水负荷）、泥（底物）平衡、气（曝气）平衡过程的稳态值及其扰动特征，同时需要考虑一些额外的环境影响因素，如：温度、PH值、固体悬浮物MLSS组份等。其二是在线实时控制过程，即通过建模过程中获得的特征参数和补偿参数，经模型计算得出当前需要的曝气量，按照该气量进行精确控制。在控制中需要三曝气流量控制回路MDODOF曝气流量配气模型生物处理过程模型溶氧仪曝气池P鼓风机目标出口压力前置数据进水量、生化池温度液位液位计曝气头历史数据:进出水BOD5，CODcr，SSTP，TN（NH3-N），压力传感器流量计流量调节阀5种类型的数据：经过对历史数据统计分析后获得的特征参数、由各种扰动带来的补偿参数、在线数据，比如冬天和夏天温度的不同造成氧消耗特征明显不同，池底沉淀物浓度的变化也会对氧消耗带来很大影响。在线数据又分为前置数据以及目标数据，前置数据是对一些可能会造成扰动的输入进行提前测量，比如水量变化、PH值等水质变化，当AVS获得这些在线数据后会提前进行抑制操作，而不是等到DO值发生变化后再进行调节；目标数据是DO值，系统会对DO值进行跟踪以确定控制结果。需要指出的是，AVS并非严格依赖DO值进行控制，即使在溶氧仪不准确或损坏的情况下，按照模型中的历史数据及某些前置参数，仍然可以确保曝气池安全运行，只不过加大抵抗扰动的安全控制余度，表现为DO的真实平均值上升。3.AVS是基于模型的精确控制污水处理厂生物处理工艺全过程的建模包括：氧扩散过程、微生物呼吸过程、有机碳的吸附过程、氨氮反硝化过程、污泥的回流过程、水力学过程、处理过程中的扰动处理过程（比如PH值变化、进水的有机物浓度变化、水力扩散过程、温度变化、测量误差等干扰）。3.1动力学模型为了进行有效和精确的控制，我们有必要对污水处理的全过程进行分析，但是通常DO是快时标变量，其动力学特性是非线性和时变的，依赖简单控制