城市污水处理AAO工艺节能降耗控制技术施汉昌

20特别关注TheSpecialFocus特别heS特Th“水专项”成果一、城市污水处理厂的发展改革开放以来，我国城市化进程加快，城市人口逐年增，生活污水的排放量不断增加。近年为了应对城市化进程加快带来的污水处理需求，减轻水环境压力，我国的城市污水处理厂取得了迅速发展。根据住房和城乡建设部的统计，截至2010年底，全国已建成2157座污水处理厂，在建污水处理厂有1949座。在保证城市污水处理“量”的基础上，城市污水处理的“质”也面临新的挑战。随着城市人口的集中和工农业的发展，水体的富营养化问题日益严重，人们对污水处理提出了更高的要求。怎样更经济有效地从污水中去除造成水体富营养化的两种主要元素氮和磷，成为污水处理研究的热点。许多污水处理厂为了满足新的排放标准，将面临着现有处理工艺的改造、运行方式的改变和出水水质的改善等问题。如何提高污水处理厂的脱氮除磷效果已经成为城市污水处理厂运行和控制的关键。Anaerobic-Anoxic-Oxic(AAO)工艺是我国城市污水处理工艺城市污水处理AAO工艺节能降耗控制技术□清华大学环境学院施汉昌蒲丽梅沈童刚本文提出了建立AAO工艺离散化前馈控制策略的方法，进行了生物反应过程应对进水负荷和控制条件变化的缓冲特性分析。在此基础上，在前馈控制策略中综合考虑了进水负荷的影响，计算了进水负荷动态变化条件下的控制条件，提高了前馈控制的准确性，最终在AAO工艺上实现了出水达标排放和运行能耗降低的研究目标。水专项“城市水环境污染控制与治理”课题研究——（课题编号2009ZX07313-003）DOI:10.16116/j.cnki.jskj.2011.21.00221城市篇中昀为常见的一种污水脱氮除磷工艺，其处理出水的达标排放和运行过程的节能降耗对于保护我国地表水环境具有重要意义。由于受到进水负荷波动等因素的影响，AAO工艺通常较难保持稳定高效的污染物去除能力。目前已建的污水处理厂一般都是通过稳态设计方法确定构筑物尺寸和运行参数，设计中使用较大的安全系数来克服进水的动态变化，保证系统运行过程的安全。这一方面增加了处理系统的建造成本，另一方面也使得处理工艺绝大部分时间内运行在非满负荷条件下，导致系统的运行能耗的升高。本研究使用频谱分析等统计学方法分析了城市污水处理厂进水负荷在不同时间层次上的动态变化规律。在此基础上，通过现场实验和数值模拟对使用前馈控制策略提高AAO工艺处理效率的方法进行了系统地研究，并通过中试实验对建立前馈控制策略的方法进行了验证。二、城市污水处理系统的控制反馈控制和前馈控制（如图1所示）是目前城市污水处理厂采用的运行控制技术中昀为基础的两种结构。反馈控制的基本思想是通过系统设定值与实际测定值之间的偏差来确定控制变量的改变，从而消除偏差。前馈控制的基本思想是通过测定干扰调整控制变量，使得干扰的影响得到补偿。实践证明应用各种控制策略对实际污水处理厂的运行进行控制通常能够得到较好的效果。其中，反馈控制由于结构简单，在实际工程中的应用非常广泛。与反馈控制相比，前馈控制的判断依据是系统输入量本身而非被控量的偏差幅度，前馈控制作用的启动时间在波动产生影响之前而非被控变量的偏差出现之后。输入量的测量精度通常高于被控量偏差的测量精度，因而前馈控制的分辨能力通常较强；对干扰的提前测定使得控制措施能够及时启动，可以避免反馈控制中可能出现的因控制效果生效缓慢而造成的临时性控制失效和过渡加大控制幅度所导致的能量浪费。图1反馈控制及前馈控制原理示意图三、AAO工艺运行中的问题AAO工艺的目标就是达到脱氮除磷的效果，即在保证COD和SS去除效果的前提下脱氮除磷，脱氮和除磷相比，脱氮优先，其次是除磷，因为脱氮很难用化学方法完成，而除磷比较容易用化学方法实现，当碳源不足时，一般可以用加药的方法除磷。目前国内运行的污水处理厂普遍存在入水负荷变化较大的问题，昀高瞬时进水量和昀低瞬时进水量相差2-4倍，运行中瞬时负荷变化比较剧烈。针对入水的大幅度动态变化，一般均会采用较大的安全设计系数，所以国内的A2/O工艺的设计条件一般是够用的，而运行过程中的主要问题是当高负荷时能够达到满足反应器运行效果良好的溶解氧条件，而在低负荷时就会使好氧反应器内的溶解氧过高，同一区域的高溶解氧浓度可以达到7-8mg/L,低溶解氧浓度只有0.2-0.3mg/L，同时同一反应器内部的分布也很不均匀，并且可以通过回流而影响到厌氧和缺氧区的溶解氧浓度，厌氧段达不到厌氧状态，缺氧段有的也达不到缺氧状态，破坏反应条件，导致工艺脱氮除磷效果不好。四、AAO工艺的控制策略AAO工艺过程中，生物除磷脱氮工艺处理污水效果与DO、内回流比r、外回流比R、泥龄SRT、污水温度及PH值等有关，其中回流和好氧段曝气能耗是污水厂耗能主要的组成，在保证出水水质的条件下，针对入水水量和水质的动态变化，综合考虑工艺构型特点、各处理单元性能、硬件设备功效，优化工艺运行过程，提高工艺运行的精确性，使反应池内生态环境达到昀优状态，通过精确的曝气和回流，降低需氧量并减少回流，在出水达标的情况下，提高运行效率，以达到节能减耗的目的。AAO工艺主要的可控制变量有排泥量、外回流比、内回流比、曝气量及分配方式。其中，排泥量常用于调整活性污泥系统的污泥龄，或维持一定的反应区污泥浓度，需要调整的频率比较低，且排泥量也受到实际污水处理厂污泥处置能力的限制，所以在前馈控制策略中不作考虑。而外回流、内回流以及曝气却直接和以小时为单位快速变化着的进水负荷相互作用，共同决定了活性污泥系统的动态处理效果，因此它们的设定值需要跟随进水负荷动态调整。对于AAO工艺中的三个主要控制变量：外回流量、内回流比以及溶解氧设定值，都可以根据进水负荷进行控制。考虑到在生产实际中氨氮浓度易于测量，且对于同一污水处理厂进水氨氮占总氮的比例较为稳定，可以用进水的氨氮负荷来表征总氮负荷。因此，在前馈控制中，使用进水COD负荷、氨氮负荷及COD与氨氮浓度的比值(C/N)作为监测自变量，根据其不同的数值水平调节A2/O工艺的各项运行参数。控制策略的逻辑结构图2如下。图2前馈控制系统执行控制指令逻辑结构示意图22特别关注TheSpecialFocus特别heS特Th“水专项”成果五、AAO工艺的控制条件依据以上的控制策略和某污水处理厂的具体水质水量条件，可提出运行控制条件如表1所示。表1AAO工艺进水负荷动态变化条件下的控制条件参考值表2进水负荷级别判定值根据表2中的负荷判定范围，可以确定进水的COD负荷和氨氮负荷及C/N，再从表1中可以确定外回流比、内回流比和不同好氧段的溶解氧设定值。再运用反馈控制保持这些设定值的稳定。从而使AAO工艺系统在昀佳工艺状态条件下稳定运行。六、控制策略的应用采用基于进水负荷的前馈－反馈控制系统，运用上述控制策略对具有脱氮除磷功能的AAO工艺进行运行控制，在保证出水水质达到排放标准的前提下可以实现节能降耗的目标。图2给出了控制运行的过程与效果。图3中的运行过程是以出水水质达到一级B排放标准为目标的。除出水的总磷（TP）浓度偏高，需要辅助进行化学除磷外。总氮和氨氮都稳定达到了排放标准。图中表明，进水的负荷发生变化时，供气量得到了良好的调节和控制，溶解氧浓度保持稳定。由于曝气量的适时调节降低了动力消耗，大到了节能降耗的目标。图3系统动态变化过程与控制效果七、结论本文提出了建立AAO工艺离散化前馈控制策略的方法，进行了生物反应过程应对进水负荷和控制条件变化的缓冲特性分析。在此基础上，在前馈控制策略中综合考虑了进水负荷的影响，计算了进水负荷动态变化条件下的控制条件，提高了前馈控制的准确性，昀终在AAO工艺上实现了出水达标排放和运行能耗降低的研究目标。C