城市化的发展，使得城市污水的排放量不断增加。目前，城市生活污水的排放量约为每年400亿吨。2010年底，全国建有城市污水处理厂共2832座，日处理能力1.25亿立方米，城市污水处理率达到77.4%。“十二五”期间，国家进一步加大对城镇污水处理的支持力度，总氮、总磷的控制都将提上议事日程。我国污水处理的发展也将向提高污水处理厂的运行效率转变。

 

一、背景介绍

目前，我国污水处理厂出水口一般设有在线水质分析仪器，而对于进水水质的检测，则依***实验室检测，在线水质分析仪器比较少，检测频率低。然而，对于污水处理厂，进水流量和COD浓度是不断变化的，如图1所示为污水处理厂典型的每日进水负荷曲线。如果不了解进水水质，污水处理厂的工艺参数将得不到及时调整，最终导致出水水质波动较大。为保证出水达到排放标准，一般会按照最大的进水负荷设置工艺参数。这种保守的运行方式具有很大的富余量，效率低，浪费大。出现冲击负荷时，又不能及时调整工艺参数，出现出水水质超标的现象。

图1、每日进水负荷曲线

对于采用活性污泥工艺的污水处理厂，曝气消耗的能量占了污水处理厂所有能量消耗的一半以上，如图2所示。所以，对曝气的精确控制具有巨大的节能潜力。

图2、污水处理厂能量消耗分布图

一个完整的脱氮过程包含硝化和反硝化过程。硝化过程是在好氧环境下把氨氮转化为硝氮，需要曝气；反硝化过程是在缺氧环境下把硝氮转化为氮气，不需要曝气。污水处理厂要想让出水的氨氮和总氮都达标，且具有较高的处理效率，就需要对曝气进行精确控制。

二、精确曝气控制

污水处理厂典型的曝气控制类型主要有两大类：

第一类是直接控制风机，如图3所示。系统采集安装在好氧池中的溶解氧分析仪测得的溶解氧值，与系统的设定值（此设定值可以由用户设定）进行比较。如果实际溶解氧值比设定值大，则减小风机转速，从而减少曝气量，逐渐使好氧池的溶解氧下降，最终与设定值一致。如果实际解氧值比设定值小，则增大风机转速，从而增大曝气量，逐渐使好氧池的溶解氧上升，最终与设定值一致。对于这种控制方式，曝气管道的空气压力会有一定波动，不利于曝气的控制，一般用于小型污水处理厂的曝气控制。

 

图3、小型污水处理厂的曝气控制

第二类是直接控制阀门，如图4所示。系统采集实际的溶解氧值，并与系统的设定值进行比较，按照第一类的控制方式去控制阀门开度。同时，系统采集曝气管道的压力，并与压力设定值比较。如果实际压力比设定值大，则减小风机转速；如果实际压力比设定值小，则增大风机转速；最终使曝气管道的压力保持恒定。对于这种控制方式，在曝气管道压力恒定的情况下，阀门开度与曝气量的线性关系比较好，能够较好的控制曝气量，一般用于大、中型污水处理厂的曝气控制。

 

图4：大、中型污水处理厂的曝气控制

以上的曝气控制能够控制好氧池的溶解氧浓度，由于进水负荷不断变化，这样的曝气控制还不能很好的根据进水负荷来调整曝气量，但却是精确曝气控制的一部分，也是精确曝气控制的前提条件。

精确曝气控制是采用自动控制理论，根据进水负荷的变化以及出水水质情况精确调整曝气量，使曝气量正好满足污水处理的需要，实现稳定的出水，同时能够节能降耗，增强污水处理厂的稳定性。

精确曝气控制分为开环控制、闭环控制和复合控制。由于影响曝气池硝化功能的因素比较复杂，一般不采用开环控制，这里不做介绍。

如图5所示，为精确曝气闭环控制系统，是建立在典型的曝气控制基础上的。系统需要的仪表为安装曝气池的在线溶解氧分析仪和安装在曝气池末端的在线氨氮分析仪。系统采集曝气池末端的氨氮浓度值，与设定值进行比较。如果实际氨氮浓度值比设定值高，说明曝气池的硝化能力不足以把进水的氨氮负荷转化为硝氮，要么硝化能力不足，要么进水氨氮偏高，可以增加曝气池的溶解氧设定值来提高曝气池的硝化能力。如果实际氨氮浓度值比设定值低，说明曝气池的硝化能力相对于进水的氨氮负荷有所富余，可以减少曝气池的溶解氧设定值来减少曝气池的硝化能力，以节约能量消耗。由于该闭环控制系统，是在曝气池后测量氨氮，属于后反馈控制，能够保证出水符合排放标准，但不能及时响应负荷的变化，具有一定的滞后性。

 

图5、精确曝气闭环控制

如图6所示，为精确曝气复合控制系统，是建立在精确曝气闭环控制系统基础上增加前反馈控制，能够提前得知进水负荷的变化，解决后反馈控制的滞后问题。系统采集厌氧池前在线氨氮分析仪测得的氨氮浓度值，并利用活性污泥模型，以及自动控制理论，同时考虑厌氧池到曝气池的迟滞效应，计算曝气池的溶解氧设定值。生物反应池进水氨氮值升高，曝气池溶解氧设定值相应增大；氨氮值降低，曝气池溶解氧设定值也相应减少。当然，如前所述的精确曝气闭环控制，在复合控制系统中还是起主导作用的。当前馈控制要求溶解氧设定值减少，而闭环控制要求溶解氧设定值增大时，要以闭环控制为主，让溶解氧设定值增大；反之，当前馈控制要求溶解氧设定值增大，而闭环控制要求溶解氧设定值减少时，要以闭环控制为主，让溶解氧设定值减少。复合控制系统具有一定的提前量，又能够保证出水氨氮符合排放标准，是比较理想精确曝气控制方式。

图6、精确曝气复合控制

三、总结

应用上述精确曝气控制系统，能够根据进水负荷调整曝气量，使曝气量与进水负荷相适应，在保证稳定出水水质的基础上节省曝气，达到节能降耗。

同时，由于曝气池的曝气量刚好够用，不会有多余的氧随着内回流流到缺氧池，也就不会破坏缺氧池的反硝化功能。所以，精确曝气控制在优化硝化功能的同时，保障了反硝化功能，能够用最小的能量消耗实现氨氮和总氮排放稳定达标。

我们知道，污水处理厂的一级A出水标准是氨氮出水浓度<5mg/L，总氮15mg/L。据调查，很多污水处理厂的出水氨氮小于1mg/L，甚至达到0.1mg/L。这说明曝气有较大的富余量，具有巨大的节能潜力。应用精确曝气控制系统，可以把出水氨氮提高到4mg/L左右而不超标，这自然就节省了曝气的能耗。理论上，利用精确曝气控制系统，可以节约10-30%的曝气量。

英国南部的Peel Common污水处理厂，是英国早期建立的污水处理厂之一，采用4级Bardenpho工艺，即在传统A²O工艺的好氧区末段增加停曝气缺氧区，加强反硝化。处理水量约6万m³/d，服务人口25万人。2008年安装了污水处理实时控制系统，即RTC system，其中包含精确曝气控制系统。该系统使用了Hach公司的水质在线分析仪器(氨氮、硝氮、溶解氧、污泥浓度等)和WTOS控制系统，节约了20%的曝气量。

任何仪器都会出现故障，在线水质分析仪器由于长时间在污水中浸泡运行，更加容易出现故障。我们知道在线分析仪器在控制中属于传感器，相当于整个控制系统的眼睛，出现故障时，将无法正常工作。WTOS控制系统对此做好了充分准备，设计了PROGNOSYS模块，能够判断在线分析仪器的运行状态，当在线分析仪器需要维护、出现故障时，会给出报警。当检测到异常状况时，WTOS控制系统会启动故障运行方式，从而实现控制的可***性，避免在异常状况时无法控制。

在线水质分析仪器应用于污水处理厂，能够实现了水质的连续检测，为精确曝气等各种优化控制提供有效可***的测量值，从而提高处理效率，实现节能降耗。随着污水处理技术的数学模型不断完善，过程控制理论在污水处理厂的不断应用，以及在线检测仪器技术的不断进步，我们能够在污水处理厂应用更多的优化控制策略，最终提高污水处理厂的运行管理水平，满足日益严格的排放标准。