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    作者：張泳（天津市市政工程設(shè)計研究院 300051）

    提要：本文以天津某污水處理廠改造工程為例，簡單介紹了針對該工藝流程，采用相應的控制技術(shù)，最終實現(xiàn)提高生產(chǎn)效率，降低藥品消耗和能量消耗。

    關(guān)鍵詞：改造；儀表；控制技術(shù)；消耗；成本

    Abstract: According to the modification works of a Tianjin WWWP project, this paper introduces the arrangement using new process control system for the new process flow. At the same time, the system can rise performance, reduce the chemicals and power cost.

    Keyword: Modification; Instrument;Control system;Consumption;Cost

    1．引言

    由于人類生產(chǎn)活動中大量使用化肥，大量未被作物吸收利用的N、P等營養(yǎng)物質(zhì)大量進入河流、湖泊、海灣等緩流水域，引起不良藻類和其他浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧含量下降，水質(zhì)惡化，魚類及其他生物大量死亡，造成水體富營養(yǎng)化。而現(xiàn)階段城市污水經(jīng)過二級處理后僅BOD5、SS等指標去除率較高，仍有大量的N、P最終排入河道，成為河道出現(xiàn)富營養(yǎng)化條件之一。

    所以現(xiàn)在國家要求污水處理廠改造及建設(shè)標準按照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》GB18918-2002一級標準實施，以減少N、P的排放量。現(xiàn)有污水處理廠的目前出水水質(zhì)TN、TP指標無法滿足新標準的要求，為了使現(xiàn)有污水處理廠的尾水能夠全面達標排放，必須現(xiàn)有處理工藝的進行改造。

    2．改造工藝簡介

    我院在天津市某污水處理廠改造工程中，采用了強化生物脫氮工藝。該工藝是將現(xiàn)有的AO生物反應池改造成由一個曝氣缺氧的立環(huán)氧化溝和兩級微孔曝氣池。

    該工藝把生物處理工序分成了三段，在每一段中保持溶解氧的濃度不同，在不同階段采用近似的0、1、2mg/L的溶解氧分布。

    第一段采用了同步硝化-反硝化技術(shù)，即通過控制溶解氧濃度在第一級生物反應池內(nèi)來完成同步硝化和反硝化，可以提高氮的去除率。主要實現(xiàn)方式為：將前面若干個廊道改為串聯(lián)的立環(huán)氧化溝，此部分為曝氣缺氧池，反應池內(nèi)的DO控制在0mg/L，采用轉(zhuǎn)蝶曝氣機進行曝氣。少量的曝氣一直使溶解氧處于不足狀態(tài)，溶解氧幾乎為零，因此在此區(qū)內(nèi)除進行有機物的降解外，還同時發(fā)生硝化反應和反硝化反應。一部分溶解氧用于氧化分解污水中的有機物，另一部分溶解氧用于去除氨氮的硝化反應，硝化反應產(chǎn)生的硝酸鹽和亞硝酸鹽可以直接進行反硝化反應，并在反硝化反應過程中消耗一部分有機物。因此在曝氣缺氧區(qū)可以得到最大的氧轉(zhuǎn)移動力和最大的氧轉(zhuǎn)移效率。同時，反硝化反應釋放的氧氣可以被硝化反應和BOD氧化分解反應利用，可以減少用于硝化反應的曝氣量，降低充氧的動力消耗。

    其次，中間的幾個廊道為一級微孔曝氣生物反應池，采用鼓風曝氣，DO保持在0.5mg/L以下，曝氣缺氧立環(huán)氧化溝出水進入一級微孔曝氣池，進一步去除有機物和進行硝化反硝化反應；最后的幾個廊道為二級微孔曝氣生物反應池，也采用鼓風曝氣，DO控制在2~3mg/L。 

    該工藝的主要設(shè)計理念是缺氧曝氣。影響需氧量的關(guān)鍵因素是設(shè)計中采用的DO值，使得需氧量大大降低，氧傳遞效率大大提高。該工藝更多的是同時反應而非循環(huán)反應，氨硝化成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽直接反硝化，而省略了轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，這種短程反應減少了反硝化1/3的需碳量，即減少了外加碳源的投加量。

   由上述描述可以看出，該工藝流程對溶解氧的控制較為嚴格，對外加碳源的需求減少，這些都要求在工藝流程改造的同時，必須輔以相應的檢測儀表及控制系統(tǒng)，對各階段的溶解氧進行精確控制，提高生產(chǎn)效率和效果；控制外加碳源的投加量，降低消耗，節(jié)約成本。下面針對上述兩方面分別做簡單介紹，供借鑒參考。

    3．精確曝氣分配與控制系統(tǒng)

    為了滿足上述工藝過程中對溶解氧的要求，設(shè)計采用精確曝氣分配與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高精度的氣體流量計、高精度的控制閥、控制器及軟件等組成。本工程中每個系列采用五套該系統(tǒng)，分別對應上述三段，即串聯(lián)立環(huán)氧化溝部分、一級微孔曝氣生物反應池、二級微孔曝氣生物反應池。其中串聯(lián)立環(huán)氧化溝部分一套，一級曝氣生物反應池部分一套，二級生物反應池部分三套，分別將溶解氧目標值控制在0mg/l、0.5mg/l、2mg/l。

    精確曝氣分配與控制系統(tǒng)是集成的智能化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以氣體流量信號作為控制信號，溶解氧信號作為輔助控制信號，根據(jù)污水處理廠進水實際負荷大小提供氣體供給量。該系統(tǒng)的核心控制理念如圖：
    
               
                                    圖1 系統(tǒng)核心控制理念圖

    系統(tǒng)中，氣體流量計采用熱效應氣體流量計，不需要孔板或文丘里管等部件，沒有壓力損失；不受溫度和壓力的影響；經(jīng)過校正，對直管段要求可以很低，甚至在特殊情況下可以取消直管段；響應迅速，測量精度高。閥門采用高精度菱形控制閥，其氣體流量與截面積成正比；閥門的線性調(diào)節(jié)性好；重復精度高；優(yōu)化的步進值提高了流量調(diào)節(jié)的靈敏度。系統(tǒng)的計算和控制回路采用專家智能系統(tǒng)和模糊神經(jīng)元控制技術(shù)，打破了傳統(tǒng)溶解氧控制系統(tǒng)的滯后性、受外界擾動影響大等局限性，建立起適合污水處理廠的氣量分配和控制數(shù)據(jù)模型，并可以在調(diào)試中結(jié)合實際水質(zhì)水量特征和實際進水負荷狀況，不斷地完善系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，跟蹤負載的變化，根據(jù)工藝的溶解氧設(shè)定值，智能化的分配每個階段的曝氣量，滿足實際運行工況的需要，達到氣體供應的最佳化，使改造后的生物反應池能高效、穩(wěn)定的運行。

    在采用該系統(tǒng)后，可以滿足工藝流程改造后，生物反應池各個階段對溶解氧梯度的控制要求，同時將傳統(tǒng)溶解氧PID控制系統(tǒng)中溶解氧的振蕩降到較低的水平，從而降低曝氣系統(tǒng)中能量的消耗。由于反應池溶解氧存在梯度，改造后生物反應池曝氣系統(tǒng)的能量消耗，比改造前反應池溶解氧一個目標值（2~3mg/l）時降低了約20%。

    4．甲醇投加控制系統(tǒng)

    通過對該污水處理廠進水水質(zhì)的分析，設(shè)計認為該廠來水碳源并不充裕，不能完全滿足脫氮所需的碳源，因此為保證出水水質(zhì)，設(shè)計通過方案對比，認為采用外加碳源（甲醇），工程改造量最小，系統(tǒng)最穩(wěn)定可靠，對本工程來說是適宜的。雖然外加有機碳源使反硝化速率加快，脫氮效率提高，但運行成本也相應大幅度增加，所以工程中需要解決如何控制碳源的添加以保證脫氮除磷的效果，又不浪費碳源。

    本工程在設(shè)計中，提出自動碳源投加系統(tǒng)的設(shè)計方案。該方案是通過實時檢測好氧段，即上述生物反應池中一級、二級微孔曝氣部分的硝酸鹽氮濃度，通過控制器，對出水的氨氮和硝酸鹽氮以及硝化-反硝化作用進行自動控制。系統(tǒng)包括反應池的硝氮監(jiān)測及流量監(jiān)測、甲醇投加的流量監(jiān)測，其中硝氮的測量采用無試劑、免維護的光譜傳感器，流量監(jiān)測采用電磁流量計，甲醇投加采用計量泵，輔以流量計進行流量監(jiān)測。

    系統(tǒng)經(jīng)過在線監(jiān)測反應池的硝氮，與設(shè)定值對比計算得出硝氮差值，再根據(jù)流量計所測流量計算出單位時間的硝氮總量，再根據(jù)設(shè)計條件下硝化及反硝化反應的碳氮比計算出單位時間所需要的碳源總量，依此可以設(shè)定計量泵所要設(shè)置的流量值進行碳源投加，達到合理控制投加碳源的目標。

    為了達到更好的效果，也可以采用同時測定碳源和氮源方法，即通過實時檢測反應池內(nèi)的硝酸鹽氮濃度和COD濃度，通過控制器，計算出實時的碳氮比，采用閉環(huán)控制對出水的氨氮和硝酸鹽氮以及硝化-反硝化作用進行自動控制，但此方案成本略高。控制系統(tǒng)方框圖如下：
      
               
                                   圖2 控制系統(tǒng)方框圖

    5．結(jié)語

    截至2009年9月底，全國設(shè)市城市、縣及部分重點建制鎮(zhèn)共建成污水處理廠1792座，處理能力9904萬立方米/日；在建城鎮(zhèn)污水處理項目1977個，設(shè)計能力約5527萬立方米/日。如果這些已建成污水處理廠升級改造，在建項目工程實施過程中，采用先進的檢測儀表、控制器、控制策略，對曝氣分配系統(tǒng)進行精確控制，對碳源投加系統(tǒng)進行合理控制，都將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，既實現(xiàn)了減排污染物的目標，保護了環(huán)境，也實現(xiàn)了節(jié)能降耗的目標，降低了運營成本。

    參考文獻：

    [1] 秦麟源.廢水生物處理[M].同濟大學出版社，1989. 

    [2] 德國Binder公司相關(guān)資料[Z].

    [3] 張自杰等.排水工程 下冊（第四版）[M].中國建筑工業(yè)出版社，2000.

    摘自《自動化博覽》2011年第七期