汙水處理曝氣量的控制難點!

鼓風曝氣系統電耗一般佔全廠電耗的60%左右，是全廠節能的關鍵。最根本的節能措施是提高曝氣控制效率，降低氧的浪費，從而減小風量。

進行氣量控制是曝氣系統效果最顯著的節能方法，據美國環境保護署對美國12個處理設施的調查結果顯示，以溶解氧（DO）為指標控制風量時可節電33%。根據風機風量與能耗的關係可知，電耗隨氣量變化很大，因此進行氣量控制節能效果顯著，而且功率越大效果越明顯，當然氣量並不是可以任意減小，它將受到許多因素的影響。

從處理工藝的角度看，曝氣系統必須進行控制，因為曝氣系統如果操作不當，曝氣量過小，二次沉澱池可能由於缺氧而發生汙泥腐化，即池底汙泥厭氧分解，產生大量氣體，促使汙泥上浮。當曝氣時間長或曝氣量過大時，在曝氣池中將發生高度硝化作用，使混合液中硝酸鹽濃度較高。這時，在沉澱池中可能由於反硝化而產生大量N2，而使汙泥上浮。

另外，曝氣量的分布是否均衡和穩定也是影響處理效果和能耗的一個重要原因。在曝氣系統運行時，由於種種幹擾，曝氣量的分布會發生變化，比如，一個地方曝氣頭堵塞，氣體流量會減少，同時，也會造成其它地方流量增大，相反，曝氣頭破損，氣體流量會大增，同時會造成其它地方流量銳減。這些都會使生物反應不平衡，處理質量下降。為達到處理效果，不得不調整曝氣量，而此時某一點的溶解氧的變化亦不能準確反映生物池的處理狀態，使得以溶解氧為指標的控制變得不穩定，能耗增加。

一、行業現狀的不足

總結國內現有汙水處理廠的運行後發現，自動化設備投入較低，能耗高，而且系統大多在投產時沒能達到設計運行要求，或在運行一段時間後改為部分自動、部分手動的運行狀態，特別是曝氣系統。分析原因主要有以下幾個方面：

1、自動化技術與工藝技術未能有機結合。我國汙水處理廠起步時，自動化系統成套引進國外產品和技術，以後雖然硬體系統在國內採購，控制技術並沒有被系統的吸收。國內汙水處理行業的自動化專業力量較低，很多興建的汙水處理工程的自動化系統是由冶金、化工、輕工等領域工程師設計、編程和調試的，對汙水處理工藝了解較少，不能結合具體工藝進行控制策略設計，一般採用套用本行業現有技術的做法，如本行業PID調節及其整定參數等，因此，運行效果並不理想。

2、自控系統培訓不到位。很多汙水處理廠運行人員沒有得到控制系統供應商系統的培訓，除了基本操作以外，沒有從理論上對諸如曝氣系統調節技術的講述，使得管理人員只能在工作中重新摸索。

3、運行經驗未得到利用。汙水處理廠很重要的一點，是在長期運行之後，可以總結日常規律，而且相對穩定，對於管理者，這些規律往往比昂貴的自控設備有用，但是在汙水廠建設中，很多設計並沒有給管理者留有充分的調整空間，而且這些有用的經驗也缺乏應用到其他汙水設施建設的途徑。

二、控制策略的不足1、溶解氧控制的難點汙水水質的多變和生物處理系統中生化反應的複雜性，決定了汙水處理的溶解氧（DO）檢測控制是一個大滯後系統，檢測出結果再進行參數處理和調整，往往已滯後幾個小時甚至幾天，造成大量不合格水的排出。這種系統的特點是汙水生物處理系統的運行管理具有相當的技術難度，要求管理者具有較好的環境工程知識基礎和相當豐富的運行管理經驗。

另外，溶解氧指標並不能直接反映生物反應的氧氣需求量，它只是反映了反應池中氧氣的剩餘程度，無法根據它的數值和變化直接計算氣量。

傳統的PID控制雖然在工程上廣泛採用，但只能解決線性系統的調節問題。曝氣系統中PID能夠實現對流量的控制，但對水質處理效果的控制能力有限。溶解氧（DO）控制時，PID參數的整定需要根據季節、水質的變化等實際情況不斷調整。從控制理論的角度來看，汙水的生物處理過程具有大滯後、非線性、隨機性和多變量的特點，建立的模型也是經驗的、有條件的，因此，單純依靠理論模型建立的經典控制方法並不能很好地滿足溶解氧（DO）調節的需要，造成鼓風機和閥門調節頻繁、超調量大，使得設備壽命降低、能耗過高。

2、流量控制的重要性空氣品質流量是直接影響曝氣處理效果的指標，從工程的角度看，諾大的反應池往往需要許多組曝氣設備，包括空氣管路、曝氣頭或曝氣器等，實際運行中，這些設備能否穩定的工作、能否及時地發現和抑制故障，會影響到曝氣過程的穩定和均衡，影響到生物反應效果和電耗。不穩定的流量分布會擾亂溶解氧檢測參數的真實意義，使得本來就容易產生振蕩的溶解氧控制變得更加難以駕御。

曝氣池通常是幾百或幾千平米的流動水池，空氣管路通過總管和支管將壓縮空氣輸送到池底的曝氣設備，比如空氣由A分別輸送到B、C、D、E、F。在曝氣系統設計中，曝氣量應按照需要均勻的分布，實際上，由於管道壓力損失，B位置和F位置的空氣壓力和流量存在差異，當總氣量由於水質或水量變化而調整時，B位置和F位置的壓差和流量差也會發生改變，這會造成曝氣分布的偏差，而且這種偏差也是變化的；另外，在系統進行時，如果某位置（如D）的曝氣設施堵塞或破漏，會造成該位置壓力和流量的改變，同時會引起整個空氣管路的壓力和流量重新分布，其他各點（B、C、E、F）的空氣流量也會相應改變，引起曝氣分布的偏差。上述運行中的曝氣分布不均往往是隱藏性的，水面上很難發現。

曝氣分布不均使得溶解氧更加困難。因為在工程中，溶解氧只能檢測某點（通常是曝氣池出口），不能反映出氧量的分布，溶解氧控制的一個條件是溶解氧值真實地反映曝氣池生物反應的環境狀態，當曝氣分布不均時，這一條件不真實，控制效果也不會理想。

因此，空氣流量的控制是曝氣控制中十分重要的一環，如果在B、C、D、E、F位置安裝流量檢測設備和調節閥門，並建立控制環節，流量偏差就會在運行中被糾正，溶解氧的控制也會更加有效。

三、分析結論曝氣系統的特點如下：1）汙水輸入量為隨機變量，其外部環境具有許多不確定因素，因此難以建立曝氣生物系統的精確數學模型；

2）曝氣系統的參數維數高、強耦合，高度非線性；

3）溶解氧存在大時滯，系統平衡難以在較短時間內達到；

4）汙水處理工藝中需要大量熟練操作人員的實踐經驗和知識；

5）曝氣流量分布的穩定和均勻是控制處理效果和節能的基礎。

因此，解決好曝氣系統控制應從兩方面加以改善，一是解決曝氣池空氣流量的平衡和穩定問題，二是尋求適合溶解氧控制空氣流量的控制策略。