污水处理厂曝气系统控制模式的探讨

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本文探讨了污水处理厂曝气系统控制模式，分析了传统控制模式的不足，并介绍了基于溶解氧和空气流量控制的节能技术，强调智能调控和大数据算法在提高效率和降低成本方面的作用。

正文开始

在污水处理的行业中，对生化池进行曝气是污水处理过程中最重要的部分之一。但是在污水处理厂中，提供曝气的鼓风机也是能源最密集的设备之一，通常占污水处理厂全部设备的总能源使用量的40%~60%。并且在工艺运行中，向有氧过程提供正确量的空气的鼓风机的工艺作用也至关重要—鼓风机提供的空气不足意味着溶解氧较低，并可能导致系统好氧微生物及硝化功能不佳，而鼓风机提供的空气过多则可能导致能源浪费并增加运营成本。

在污水处理厂运行中，对鼓风机的节能控制的研究一直在各个领域不断地深化，特别是近年来，鼓风机的设备形式发生了重大的革新变化，空气悬浮和磁悬浮风机，克服了轴承摩擦带来的输出功率的损耗，提升了鼓风机的运行效率。从另一方面，活性污泥对溶解氧的需求控制上，也不断地推陈出新，基于溶解氧的控制，基于氨氮去除的控制等，都在不断优化着鼓风机的精确曝气控制的进程。也有很多污水处理厂使用优化的控制实现了一定的节能降耗的目标。但是在普遍的污水厂运行中，并不是所有曝气设计和控制系统都能提供足够多的控制仪表，并能确保它们的精度或适应性来应对进水负荷和其他的污水环境条件的日常或季节性变化。一些运行参数的大幅波动可能会导致这些基于压力或者DO检测的曝气控制系统陷入困境，从而导致鼓风机开启控制混乱，造成污水处理厂的曝气过程中的过度的消耗能源，或者开启不足导致污水中污染物成分去除不足。
从市政污水的设计单位和一些污水处理厂运行管理人员通常的看法认为，对鼓风机的出风压力是调整多个平行生物池的溶解氧平衡重点，也是污水处理厂中调整的经验说法。但是这种方法是在大多数鼓风机都是恒转速的设备得出的调整措施，具体的调整是通过调整进口导叶或者进风阀的开启程度或进风的压力来进行。
在这种基于压力的鼓风机控制模式的一个非常大的缺点是在外界环境条件发生变化的时候，比如进出水水质，日夜不同的进水水量，甚至空气压力改变（有时我们人体都难以察觉到的压力变化），就必须对其进行调整以适应这些变化。而且我们知道在污水处理厂中，环境条件的变化是长期发生的，需要随时进行调整风压以保持鼓风机的输出风量满足活性污泥的性能。特别是这种调整是需要一定专业知识和技能的专业技术人员来进行，很多污水厂很难具有这样的技术人员，也就导致很多污水处理厂采取了以不变应万变的做法，不调整来应对复杂变化。

在一些污水处理厂中，采用的精准曝气的技术来进行鼓风机控制，精准曝气采用了一些较为复杂的控制技术，通过使用在线仪表特别是在线的DO检测仪，并使用检测到的DO数据分析来处理、量化和调整鼓风机的运行，来确保曝气系统的运行能满足活性污泥对氧气的需求。同时这些检测数据还可以传输到污水处理厂的中控计算机上，为污水处理厂的运行人员提供报警信息，以避免潜在问题。
但是这种控制的模式主要的制约因素来自于溶解氧探头，如果探头的维护不当或长期未能保持探头表面的清洁，因为溶解氧探头是放置在生化池的大量的活性污泥中，探头表面很容易附着生物膜，这些生物膜会导致溶解氧探头数据检测的不准确。可能会产生低于混合液中实际的溶解氧读数，在基于这样的错误数据进行了曝气系统的控制，可以使鼓风机提供超出实际所需要的的空气量。因此，采用在线探头技术的精确曝气控制系统在污水处理厂中推广的效果不佳，也与污水处理厂不能具备充足的在线监测探头的维护保养，更新更换的运维能力有很大的关联性。
基于鼓风机空气流量控制系统的出现是近年来国际上针对鼓风曝气系统节能降耗的创新之一，该系统的原理是通过使用空气管路上的电动调节阀和气体流量计组合成控制系统，通过鼓风机出口管路上的空气流量计来统计每台鼓风机的风量，再通过不同的流程上的曝气干管的分支流量计来统计进入到每个曝气池的风量，以达到各个曝气池的溶解氧(DO)平衡控制。

这种曝气控制系统解决方案通过建立空气风量的平衡算法，依赖成熟的电控球阀控制风量技术，可以对不断变化的外界条件做出快速响应，结合大数据的算法可以实现自适应的智能调控，以应对进水水质水量的持续变化带来的复杂工况。
基于气流的曝气控制系统还可以深入开发下去，比如把现场溶解氧的数据结合到控制系统中去，在空气流量和进水未发生变化时，去识别溶解氧的变化，并根据溶解氧的变化趋势，比如持续降低，通过系统提出建议，督促污水处理厂操作员检查溶解氧探头是否有污垢。同时该技术与现代鼓风机配合使用，可以通过变频器来改变风机运行速度使其各种压力下运行。鼓风机在较低压力下运行，对污水处理厂来说，会有更低的能源成本和更少的热量产生，还可以提高电机效率并延长鼓风机电机的使用寿命。
功能更加强大的变频器、空气流量传感器和基于大数据的更智能的控制技术的引入，现在可以实现鼓风机控制的重点转移到鼓风机直接影响曝气过程的参数上来进行，也就是空气流量和溶解氧(DO)之间的关系。
在一些国外的技术文章表明，在采用这类新型的自调节、基于气流的控制系统可节省能源、改善废水排放并减少温室气体排放，从而获得最大的经济和环境效益。