針對再生水廠(chǎng)鼓風(fēng)曝氣系統升級改造難的問(wèn)題，構建定制了精準曝氣系統，包括定時(shí)模式、安全模式、恒DO模式、前饋模式、前饋-DO反饋模式及前饋-NH3-N反饋模式，該系統根據現有鼓風(fēng)機系統的自動(dòng)化調節程度，可以實(shí)現定制化精準曝氣運行。運行結果表明，相較于系統未改造前，該精準曝氣系統實(shí)現了較大的節能降耗，其中鼓風(fēng)機單位電耗降低15%以上，2019年去除氮污染物和去除COD單位電耗明顯低于2018年，去除TN單位電耗降低10.7%，去除NH3-N單位電耗降低15.3%，去除COD單位電耗降低7%，且保證出水水質(zhì)實(shí)時(shí)達標。

本文立足于某大型再生水廠(chǎng)，結合該廠(chǎng)實(shí)際硬件情況建立調控機制，建立了一套定制化精準曝氣系統，且節能效果顯著(zhù)。

1 項目概況

某再生水廠(chǎng)位于北京市朝陽(yáng)區，一期和二期分別于1993年和1999年正式運行，設計處理規模為100萬(wàn)m3/d，每期設計處理規模為50萬(wàn)m3/d。該廠(chǎng)于2017年6月開(kāi)始進(jìn)行再生水廠(chǎng)污水區工藝改造，于2018年完成改造，改造后污水區工藝見(jiàn)圖1。

該再生水廠(chǎng)生物池好氧段分為3個(gè)廊道。在日常的運行中，生物池內溶解氧會(huì )出現大幅波動(dòng)的情況，這給再生水廠(chǎng)的日常工藝控制帶來(lái)困難。如果不依靠在線(xiàn)監測，很難通過(guò)人工測定來(lái)精確判斷曝氣池的供氧狀況。AAO工藝需要曝氣池末端溶解氧維持在穩定的低值，否則既會(huì )增加能耗，還會(huì )影響脫氮除磷的效果，增加運行成本。圖2為該廠(chǎng)一天的進(jìn)水水量變化情況，可以發(fā)現上午的水量明顯低于下午水量，三系列水量峰值為3 954L/s，谷值為1 762L/s，相差1.24倍，四系列水量峰值為3 600L/s，谷值為1 494L/s，相差1.4倍。表明該大型再生水廠(chǎng)進(jìn)水水量波動(dòng)明顯。

為了了解生物池出水水質(zhì)隨水量變化情況，分別監測了上午及下午時(shí)段二、三廊道的氨氮及DO情況，結果見(jiàn)圖3。從圖中可以看出，在曝氣管閥門(mén)全開(kāi)時(shí)，高水量情況下（下午），二廊道末端，氨氮均值為0.39mg/L，DO均值為2.11mg/L，三廊道末端，氨氮均值為0.26mg/L，DO均值為5.40mg/L；低水量情況下（上午），二廊道末端，氨氮均值為0.52mg/L，DO均值為5.70mg/L，三廊道末端，氨氮均值為0.24mg/L，DO均值為4.8mg/L。說(shuō)明在常規曝氣充足情況下二廊道氨氮消減會(huì )受抽升水量的影響，但基本能達到二廊道末氨氮小于1mg/L水平，三廊道出水氨氮小于0.5mg/L。過(guò)量的曝氣導致污染物主要在曝氣區上游得到消減，三廊道未能發(fā)揮合理的污染物消減的功能，同時(shí)導致三廊道溶解氧更難控制，高溶解氧濃度回流液對反硝化也會(huì )造成一定的影響。

因此針對該廠(chǎng)曝氣池，需要分段進(jìn)行溶解氧控制，在曝氣區中后段分別進(jìn)行溶解氧控制，從而在滿(mǎn)足生物池溶解氧需求的情況下，降低生物池末端溶解氧濃度，降低整體生物池曝氣能耗。

2 定制化精準曝氣系統

針對水廠(chǎng)實(shí)際運行情況，定制開(kāi)發(fā)了一套完整的精準曝氣系統，其含有多種模式，包括定時(shí)模式、安全模式、恒DO模式、前饋模式、前饋-DO反饋模式及前饋-NH3-N反饋模式。其中前饋模式根據進(jìn)水水量、水質(zhì)等數據，通過(guò)內嵌的模型計算各生物池所需曝氣量，將實(shí)際曝氣池進(jìn)氣量與計算所需曝氣量對比，自動(dòng)調節進(jìn)氣調節閥，使氣量差恒定在一定范圍內。本精準曝氣系統要求每個(gè)溶解氧控制區至少配置1臺電動(dòng)空氣調節閥、1臺熱式氣體流量計和1臺在線(xiàn)溶解氧儀。另外，由于本精準曝氣系統需要MLSS、壓力、在線(xiàn)氨氮等反饋信號來(lái)補償曝氣量計算，因此，需增加MLSS儀、壓力變送器和在線(xiàn)氨氮等儀表。該系統從2018年開(kāi)始建設，2018年底完成設備安裝及項目施工，2019年開(kāi)始進(jìn)行項目調試，2019年6月完成調試，開(kāi)始穩定運行。

針對該廠(chǎng)缺乏每組生物池進(jìn)水流量計量且每組生物池配水不均勻的情況，實(shí)際運行中采用恒DO控制模式(見(jiàn)圖4)。該廠(chǎng)分別設定二廊道和三廊道的DO控制值，采用串級PID控制算法，首先分別對比在線(xiàn)DO儀所測數據和相應DO控制值，通過(guò)PID算法獲得所需曝氣量，然后，對比所需曝氣量與現場(chǎng)氣體流量計實(shí)測值的差異，通過(guò)PID算法，獲取電動(dòng)調節閥所需開(kāi)度，并利用執行器控制相應廊道電動(dòng)調節閥開(kāi)度，從而實(shí)現該廊道溶解氧穩定控制。

3 鼓風(fēng)機節能調控

通過(guò)以上控制系統，可以實(shí)現生物池現場(chǎng)閥門(mén)自動(dòng)控制，從而達到生物池溶解氧穩定，但想要保持長(cháng)期穩定，需要鼓風(fēng)機的聯(lián)動(dòng)運行，否則當在線(xiàn)DO數值很低時(shí)，若鼓風(fēng)機不進(jìn)行導葉開(kāi)度增加等操作，空氣調節閥閥門(mén)開(kāi)至最大也無(wú)法提供足夠的曝氣量，生物池在線(xiàn)DO則無(wú)法升至設定值。因此，鼓風(fēng)機的操作至關(guān)重要，不僅影響生物池的溶解氧濃度，也是節能降耗的關(guān)鍵。

該廠(chǎng)鼓風(fēng)機為HV-TURBO KA44SV，于1995年購置，于1999年開(kāi)始使用，至今為止已使用超過(guò)20年。為了保障設備穩定運行，無(wú)法進(jìn)行鼓風(fēng)機系統遠程自動(dòng)運行，因此無(wú)法實(shí)現鼓風(fēng)機系統與精準曝氣系統的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)運行。

在已有系統運行的基礎上，通過(guò)在線(xiàn)分析每日每時(shí)的水量水質(zhì)數據，制定了鼓風(fēng)機調控方案。結合進(jìn)水水量實(shí)時(shí)變化，同時(shí)分析三廊道所有在線(xiàn)DO儀的平均值，設定DO平均值，通過(guò)判斷實(shí)際DO平均值和設定DO平均值的差異，調整鼓風(fēng)機開(kāi)啟狀態(tài)（改變導葉開(kāi)度或者鼓風(fēng)機運行臺數）。表1為精準曝氣系統運行后，某典型日鼓風(fēng)機每2 h的調整和運行狀態(tài)。

4 結果分析

4.1 水質(zhì)結果分析

經(jīng)過(guò)半年的調試，二廊道實(shí)現恒DO調控，二廊道設定DO值為1mg/L，圖5為二廊道1 d的DO值變化情況，可以發(fā)現二廊道DO穩定在1mg/L。其誤差在20%以?xún)取?/p>

對2019至2020年出水氨氮進(jìn)行分析，可以發(fā)現從2019年開(kāi)始調試起，其出水氨氮一直穩定達標，且在2020年出水氨氮更為平穩，一年中氨氮在0.4mg/L以下的概率為98.9%。

4.2 鼓風(fēng)機單位水量電耗分析

對比了2018年、2019年、2020年月份二期鼓風(fēng)機月均單位電耗，其結果見(jiàn)圖7。鼓風(fēng)機單位電耗計算方式：鼓風(fēng)機房各臺鼓風(fēng)機電量加和值/進(jìn)水流量，各鼓風(fēng)機電量表數據為累計數值，計算月均值則采用月末月初的差值。

從圖7中可以看出，2020年鼓風(fēng)機月均單位電耗比2018年有顯著(zhù)降低。且相比2019年也有明顯的降低。2020年鼓風(fēng)機年均單位電耗為0.0967 kW·h/m3，相比2018年全年鼓風(fēng)機年均單位電耗0.1319 kW·h/m3下降26.7%，相比2019年全年鼓風(fēng)機年均單位電耗0.1145 kW·h/m3下降15.5%。從二期鼓風(fēng)機單位電耗可以看出，該定制化精準曝氣系統的建立，實(shí)現了大幅節能降耗。

4.3 去除氮污染物和去除COD單位電耗分析

分析了2018年、2019年與2020年去除氮污染物及去除COD的單位電耗情況，結果見(jiàn)圖8、圖9。去除氮污染物及COD的單位電耗計算方法如下：

各年二期鼓風(fēng)機單位電耗/（各年進(jìn)水TN均值-各年再生水出水TN均值）×1 000；各年二期鼓風(fēng)機單位電耗/（各年進(jìn)水NH3-N均值-各年再生水出水NH3-N均值）×1 000；各年二期鼓風(fēng)機單位電耗/（各年進(jìn)水COD均值-各年再生水出水COD均值）×1 000。計算所得的去除氮污染單位電耗單位為kW·h/kgN，去除COD單位電耗單位為kW·h/kgCOD。

可以發(fā)現2020年的去除氮污染物單位電耗高于2019年，去除TN污染物單位電耗和去除NH3-N污染物單位電耗升高5%和0.3%。對比分析2018年、2019年與2020年3年的進(jìn)出水TN及NH3-N，可以發(fā)現，2020年進(jìn)水水質(zhì)明顯偏低，這是因為2020年正值新冠疫情期間，進(jìn)水TN年均值為40.2mg/L，進(jìn)水NH3-N年均值為30.4mg/L，相比于2019年分別下降15.5%和15.6%。對比2019年和2018年，2019年去除TN污染物單位電耗和去除NH3-N污染物單位電耗明顯低于2018年，其中TN降低10.7%，NH3-N降低15.3%。

分析去除COD單位電耗，同樣發(fā)現2020年去除COD單位電耗為0.32 kW·h/kgCOD，相比2019年升高23%。分析2020年進(jìn)出水COD值，可以發(fā)現新冠疫情期間，進(jìn)水COD值明顯偏低，相比于2019年降低31.89%。對比2019年和2018年的去除COD單位電耗，可以發(fā)現，2019去除COD單位電耗相比2018年降低7%。

由于目前鼓風(fēng)機控制方式為人工手動(dòng)經(jīng)驗控制，針對2020年進(jìn)水水質(zhì)明顯降低的情況，相應的控制方式及頻率未得到改善，造成2020年去除氮污染物和去除COD單位電耗較高，后續需提高鼓風(fēng)機控制方式及頻率，在有條件的情況下進(jìn)行鼓風(fēng)機自動(dòng)控制改造，從根本上緩解因水質(zhì)波動(dòng)引起的調節不及時(shí)問(wèn)題。2018年至2020年進(jìn)出水水質(zhì)情況如表2所示。

5 小 結

結合某大型再生水廠(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)現場(chǎng)閥門(mén)、儀表安裝實(shí)現現場(chǎng)DO實(shí)時(shí)調控，結合鼓風(fēng)機調控方案，構建了定制化精準曝氣系統，解決了再生水廠(chǎng)大型設備自動(dòng)運行困難的難題，為大型再生水廠(chǎng)的精準曝氣改造項目實(shí)施指明了方向。

通過(guò)該定制化精準曝氣系統，實(shí)現鼓風(fēng)機單位電耗降低15%以上，去除TN污染物單位電耗和去除NH3-N污染物單位電耗分別降低10.7%和15.3%，去除COD單位電耗降低7%。