摘要：本文以竹園第二污水處理廠工程為載體，介紹了以國際水協(xié)ASM2D為基礎(chǔ)建立的活性污泥模型即A/O生物池曝氣優(yōu)化控制系統(tǒng)在污水處理中的應(yīng)用。突出了A/O生物池曝氣優(yōu)化控制系統(tǒng)在節(jié)能等方面所體現(xiàn)出的優(yōu)越性，為在污水處理廠中實現(xiàn)節(jié)能減排提供了一種新的思路。

Abstract：This paper takes Zhuyuan No. 2 Sewage Treatment Plant works as a carrier, introduced by the International Water Association ASM2D basis for the establishment of the activated sludge model that the A/O optimization biological pond aeration control system in wastewater treatment applications. Highlights of A/O biological pond aeration system in optimal control and energy-saving demonstrated by the superiority of the sewage treatment plants to achieve energy-saving reduction provides a new line of thought.

關(guān)鍵詞：A/O生物池   曝氣優(yōu)化控制系統(tǒng)  活性污泥模型

Keyword：  A/O biological pond         Aeration Optimization Control System

Activated Sludge Model

一、前言

　　由于居民生活習(xí)慣的差異，季節(jié)的交替使污水處理廠的進水水質(zhì)和水量晝夜不斷變化，很難達到穩(wěn)態(tài)操作。一旦污泥生物活性或沉降性能發(fā)生變化，需要很長的時間才能恢復(fù)正常。這不但造成了污水處理的效率低下，處理效果的不穩(wěn)定，還造成了一些處理設(shè)施及能耗的浪費，因此污水處理過程迫切需要新技術(shù)的應(yīng)用。

　　隨著城市污水處理廠工藝模型的發(fā)展，尤其是活性污泥模型的發(fā)展，為污水處理廠工藝優(yōu)化改造、工藝設(shè)計提供了一個很好的平臺。利用成熟的活性污泥模型可以對各種污水處理工藝方案進行比較，對現(xiàn)有的運行工藝進行優(yōu)化，指導(dǎo)污水處理廠的運行，從而能達到預(yù)期的排放目標(biāo)并可以節(jié)省曝氣量，減少運行能耗費用。

　　計算機系統(tǒng)和各類分析檢測儀表在功能和可靠性上的持續(xù)發(fā)展，提供了很好的機遇，使這些組件能集成到一個自動化的污水處理設(shè)施中。通過使用在線校準(zhǔn)模擬程序來動態(tài)地優(yōu)化曝氣系統(tǒng)，當(dāng)污水流過處理設(shè)施時，在線校準(zhǔn)模擬程序利用實時監(jiān)測獲得的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行工作。生物池曝氣優(yōu)化控制系統(tǒng)不僅提高了污水廠的處理能力，改善了處理工藝的出水水質(zhì)，同時也節(jié)省了污水廠運行和維護的費用。

二、工程簡介

1、工程概述

　　竹園第二污水處理廠選址在長江竹園地區(qū)，城市污水處理廠發(fā)展備用地內(nèi)，在原合流一期輸水箱涵的南側(cè)、沿塘路的西側(cè)、規(guī)劃航津路的北側(cè)、黃洞港的東側(cè)，污水廠設(shè)計規(guī)模為50萬m³/d，占地面積約29.66ha，污水處理為二級生物處理。

2、污水處理工藝

　　竹園第二污水處理廠采用改良的A/O脫氮工藝，即從好氧池中后部引出一根出流管，與好氧池末端的出流液匯合后進入折流式沉淀池。池中后部出流的混合液在好氧池內(nèi)停留時間較短，泥齡較短，沒有發(fā)生硝化反應(yīng)，從池末出流的混合液在好氧池中停留時間較長，泥齡較長，達到完全硝化，實現(xiàn)了NH₃-N的部分硝化，二股出流混合后，即能達到NH₃-N的排放標(biāo)準(zhǔn)。

　　由于出水及污泥含有部分硝化后的硝態(tài)氮，需設(shè)置缺氧池，將完全硝化的這部分混合液回流至缺氧池進行反硝化脫氮，由于只反硝化經(jīng)完全硝化的那部分混合液，降低了反硝化量，縮小了缺氧池池容，實現(xiàn)了部分硝化。這樣既可改善污泥的沉淀性能，還能得到一部分氧的補償，有利于節(jié)能。

　　由于該工藝為一種改良型工藝，故在工程設(shè)計時需有一定的靈活性，在厭氧池及缺氧池設(shè)計時要考慮切換功能。考慮到現(xiàn)狀進水BOD 可能濃度過低及進水中TP的波動，僅通過細胞同化作用可能還不能去除足夠的磷致使出水TP無法達標(biāo)排放，可將混合液回流至缺氧池中后段并減少回流量，將上述缺氧池前后分為厭氧池及部分缺氧池使用。通過內(nèi)回流系統(tǒng)的切換，將缺氧池分為厭氧池及部分缺氧池，使該改良工藝方便地按常規(guī)A²/O脫氮除磷工藝模式運行。為了兼顧不硝化及完全硝化，該工藝的污泥齡在不硝化部分為4d，完全硝化部分為10d。本工程綜合總泥齡為10.1d，MLSS=3000mg/l，污泥回流比75％，部分反硝化內(nèi)回流130％～200％。

改良型A/O生物脫氮工藝流程圖

三、A/O生物池曝氣優(yōu)化控制系統(tǒng)

1、系統(tǒng)描述

　　竹園第二污水處理廠A/O生物池曝氣優(yōu)化控制系統(tǒng)包括在線檢測儀表和活性污泥模擬系統(tǒng)。在線檢測儀表安裝在A/O生物池，監(jiān)測生物池內(nèi)的曝氣狀況和水質(zhì)變化，從而反映出活性污泥性能，主要有DO檢測儀、SS檢測儀、在線氨氮(NH₃-N)硝態(tài)氮(NO₃-N)綜合分析儀組成。在線活性污泥模擬系統(tǒng)內(nèi)嵌于置于中央控制室的A/O生物池曝氣量控制工作站，系統(tǒng)通過中控室以太環(huán)網(wǎng)獲得污水處理廠的污水排放目標(biāo)值及相關(guān)的在線儀表數(shù)據(jù)后，計算出生物反應(yīng)池最優(yōu)化控制參數(shù)，包括曝氣池溶解氧DO控制值、內(nèi)回流IRQ、外回流、排泥量WAS、曝氣池鼓風(fēng)量等，然后由中央控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場控制站實現(xiàn)這些最優(yōu)化參數(shù)的控制。

　　A/O生物池曝氣優(yōu)化控制系統(tǒng)以污水廠每天進水的水質(zhì)、水量動態(tài)變量進行動態(tài)在線計算(檢測計算周期為15min)，實現(xiàn)對整個生物反應(yīng)池的水力和活性污泥反應(yīng)的在線模擬，包括碳氧化、氨氮硝化，硝酸鹽反硝化的在線模擬，從而給出最優(yōu)化的污水廠處理運行操作條件。過程控制軟件專為污水處理廠設(shè)計，應(yīng)符合污水廠處理工藝，該控制系統(tǒng)應(yīng)具有應(yīng)用時間越長，積累數(shù)據(jù)越多，在線計算越準(zhǔn)確，具有自我學(xué)習(xí)功能，具有工藝運行預(yù)警作用和幫助工藝恢復(fù)作用，能增加污水廠處理量和節(jié)省基建費用。

2、系統(tǒng)功能

　　A/O生物池曝氣優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件應(yīng)用水力和生物模型對硝化、反硝化進行在線模擬，從而給出優(yōu)化的操作條件。系統(tǒng)主要功能概述如下：

　　a、模型以國際水協(xié)ASM2D為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)來源為工藝SCADA數(shù)據(jù)(包括進水量、溫度從、COD等)、化驗室分析數(shù)據(jù)，生物池在線分析儀器，進行活性污泥模型在線模擬，給出生物反應(yīng)池的最優(yōu)化控制參數(shù)。

　　b、系統(tǒng)給出的最優(yōu)化參數(shù)包括生物反應(yīng)池各個控制區(qū)的溶解氧DO控制目標(biāo)值、內(nèi)回流IRQ控制目標(biāo)值、外回流RAS和排泥量WAS的控制目標(biāo)值等。

　　c、系統(tǒng)給出的最優(yōu)化參數(shù)目標(biāo)值的頻率應(yīng)達到15min，其中DO給出的控制目標(biāo)值精度范圍在±0.3mg/L，IRQ精度范圍在±10％。

　　d、系統(tǒng)根據(jù)進水流量和進水污染物濃度實時計算出的各個好氧控制區(qū)的溶解氧濃度分布，能保證適度的碳氧化及氨氮硝化反應(yīng)，既能達到排放標(biāo)準(zhǔn)要求，又可降低曝氣量。

　　e、系統(tǒng)計算出的IRQ控制目標(biāo)值既能滿足反硝化脫氮目標(biāo)，又能充分利用硝酸鹽中的氧，降低曝氣能耗，另外，還可防止沉淀池硝酸鹽濃度過高，反硝化后氮氣逐出，影響沉降效果。

　　f、系統(tǒng)根據(jù)混合液濃度，進出水流量和污泥性質(zhì)實時優(yōu)化排泥過程。

　　g、系統(tǒng)還具有處理工藝預(yù)警功能、處理工藝恢復(fù)協(xié)助功能、數(shù)據(jù)存儲功能等。

　　h、控制主系統(tǒng)軟件安裝在中央中控室內(nèi)曝氣量控制工作站內(nèi)。

　　根據(jù)該系統(tǒng)給出的最優(yōu)化參數(shù)包括生物反應(yīng)池各個控制區(qū)的溶解氧DO控制目標(biāo)值、內(nèi)回流IRQ控制目標(biāo)值、外回流RAS和排泥量WAS的控制目標(biāo)值，在中央計算機軟件正常運行的過程中，通過控制環(huán)境及控制系統(tǒng)的仿真模擬，計算出在鼓風(fēng)機總管壓力恒定不變的條件下，鼓風(fēng)機最合適最合理的供氣量及A/O生物池內(nèi)各個曝氣干管上電動調(diào)節(jié)閥的開啟度。綜合所有控制回路的實際空氣流量信號及閥位信號，通過精確計算，給出一個最低所需的壓力設(shè)定，來重新調(diào)整鼓風(fēng)機的操作壓力（調(diào)節(jié)出口導(dǎo)葉），以達到按實際所需供應(yīng)空氣的目的。

3、系統(tǒng)組成

　　根據(jù)竹園第二污水處理廠的工藝，土建，機械設(shè)備，進出水水質(zhì)，水量等參數(shù)和要求，以國際水協(xié)ASM2D模型為基礎(chǔ)，使用GPS－X開發(fā)軟件，建立其設(shè)計工藝的活性污泥模型。這部分工作是模擬論證改造設(shè)計工藝可行性的基礎(chǔ)，也是生物池曝氣優(yōu)化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

Ø  軟件部分，為A/O生物池曝氣優(yōu)化控制系統(tǒng)的運行軟件控制部分。該軟件以竹園第二污水處理廠的污泥活性模型為基礎(chǔ)；

Ø  硬件部分，主要是指A/O生物池曝氣優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制箱，即生物池曝氣優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件運行的硬件平臺——PLC和工業(yè)計算機。

4、系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范

Ø    DO設(shè)置點動態(tài)控制

Ø    內(nèi)回流動態(tài)控制

Ø    控制器PLC規(guī)范

Ø    電力規(guī)范

Ø    數(shù)據(jù)顯示和用戶界面

Ø    模擬輸入（可選）

Ø    以太網(wǎng)通信

5、系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)的接口

C2——在線氨氮(NH₃-N)硝態(tài)氮(NO₃-N)綜合分析儀

AD——在線氨氮(NH₃-N)分析儀

6、 系統(tǒng)的效應(yīng)

a、降低電耗——系統(tǒng)能降低污水廠曝氣系統(tǒng)能耗15％～40％。

b、在污水廠無需（或少量）擴建的情況下，達到氨氮、硝酸鹽或氮的排放標(biāo)準(zhǔn)——通過實時監(jiān)測及邏輯算法模擬生物反應(yīng)器，污水廠可在無需重大擴建的情況下滿足日益嚴(yán)格的排放要求。

c、能增加污水廠的處理容量和減少基建費用—— 經(jīng)系統(tǒng)對生物處理工藝進行最優(yōu)化后，污水廠能關(guān)閉一組曝氣池或可評估污水廠的處理容量增大，從而降低了污水廠的擴建需求。

d、提高工藝可控性及穩(wěn)定性—— 在曝氣量和水力容量足夠的情況下，DO設(shè)置點和IRQ能進行動態(tài)調(diào)整來使出水氨氮和硝酸鹽達到排放標(biāo)準(zhǔn)。

e、預(yù)警系統(tǒng)和工藝恢復(fù)幫助——系統(tǒng)能依據(jù)進水負荷來判斷污水廠的處理工藝何時會被破壞，從而能讓管理人員提早做出相應(yīng)的安排。

四、結(jié)束語

　　可以看到，A/O生物池曝氣優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用將具有良好的節(jié)能效果，不僅增加污水廠的經(jīng)濟效益，同時也強化了污水處理廠的自動化管理水平。由于目前絕大多數(shù)污水處理廠的設(shè)備管理是停留在預(yù)防性維修和定性分析的基礎(chǔ)上，因此缺乏科學(xué)性，故在污水處理廠中運用生物池曝氣優(yōu)化控制系統(tǒng)將成為污水廠設(shè)備管理科學(xué)性、前瞻性的一次突破，具有廣泛的推廣和應(yīng)用價值。

參考文獻：

［1］ 王順晃.  智能控制系統(tǒng)及其應(yīng)用［M］.  1995.

［2］ 烏爾松. 污水處理系統(tǒng)的建模、診斷和控制.  化學(xué)工業(yè)出版社 2005