馬頭崗污水處理廠精確曝氣系統(tǒng)實施方案及應用效果

在河南鄭州馬頭崗污水處理廠二期工程中采用了精確曝氣系統(tǒng)，通過合理調節(jié)兩種鼓風機的并網運行模式、優(yōu)化溶解氧控制分區(qū)和儀表配置、優(yōu)化溶解氧目標設定值，以應對實施過程中遇到的各種特殊情況。經過近1年時間的投運，精確曝氣系統(tǒng)運行效果穩(wěn)定，實現(xiàn)了從鼓風機供氣到各個支管配氣的全自動控制，生化池溶解氧穩(wěn)定控制，不但節(jié)省了大量人力,還穩(wěn)定了出水水質。

1項目背景

鄭州市馬頭崗污水處理廠總處理規(guī)模為60萬噸/日，分兩期建設運行（設計規(guī)模均為30萬噸/日）。其中二期工程采用“改良A2O+混凝、沉淀、過濾”工藝，設計出水執(zhí)行一級A標準，于2014年9月建成通水。

圖1馬頭崗污水處理廠二期工程工藝流程

二期工程共設置4座生物反應池（5#~8#），采用“多點進水+前置缺氧改良A2O”工藝，每座生物池均由預缺氧段、厭氧段、缺氧段和好氧段組成。

為提升運營水平，決定對二期工程原有的鼓風曝氣系統(tǒng)進行改進，以實現(xiàn)自動合理供、配氣。在二期工程鼓風機、空氣調節(jié)閥門等設備均已完成招標采購的情況下，經過另行招投標，選擇了AVS精確曝氣流量控制系統(tǒng)。

馬頭崗污水處理廠二期工程于2015年3月開始實施精確曝氣系統(tǒng)安裝工作，2015年9月完成試運行正式投運，起到了降低人工操作強度、穩(wěn)定工藝運行的作用。在精確曝氣系統(tǒng)設計和實施的過程中，遇到了一些不利情況，但通過科學合理的工程措施，利用廠內已有的設備資源，使精確曝氣系統(tǒng)合理整合，順利實施并投入運行。

2工程已有鼓風曝氣系統(tǒng)的特殊性

2.1兩種不同品牌鼓風機并聯(lián)運行

二期工程共設置6臺單級離心鼓風機為生物反應池供氣，日常運行4用2備，分屬西門子與豪頓兩個品牌，因此需要合理優(yōu)化這兩種鼓風機的并網運行模式。

2.2常規(guī)的溶解氧控制分區(qū)方式不適用

馬頭崗二期工程采用完全混合式池型氧化溝（實際工藝仍為A2O），單座生化池共設置8個好氧廊道作為曝氣區(qū)，每個好氧廊道配置一根DN350的曝氣支管。如果按常規(guī)方法進行溶解氧控制區(qū)劃分，每座生化池需劃分為8個溶解氧控制區(qū)，在每根曝氣支管上安裝1個電動空氣調節(jié)閥和1個熱式氣體流量計，并在每個溶解氧控制區(qū)配置1個溶氧儀，采購費用將遠遠超過該項目的預算資金（閥門已于前期完成采購，主要是流量計和溶氧儀的采購成本）。

而且由于空氣管路系統(tǒng)已經完成施工，期望通過優(yōu)化管路設計或改造管路系統(tǒng)來減少儀表數量的道路行不通。

圖2按常規(guī)方式劃分的溶解氧控制區(qū)和儀表閥門配置（單座池）

2.3嚴格的排放標準對溶解氧控制提出更高要求

馬頭崗污水處理廠的出水水質除暫時執(zhí)行一級A標準外，下一步將執(zhí)行賈魯河流域水質標準，例如氨氮的達標排放標準將規(guī)定為3mg/L以下，嚴于一級A標準。因此對生化池溶解氧的控制水平要求更高。

3工程應對措施

3.1兩種品牌鼓風機并網控制的應對方法

考慮到鼓風機系統(tǒng)運行的可靠性及安全性，最終確定二期工程6臺鼓風機的調節(jié)模式為：使用1臺或2臺西門子鼓風機，設置為手動運行狀態(tài)，即導葉開度固定，不隨壓力設定進行調整，系統(tǒng)只調整處于自動狀態(tài)的另外4臺豪頓鼓風機。

由于西門子和豪頓鼓風機使用的PLC型號不同，而中控以及精確曝氣系統(tǒng)使用的PLC是施耐德的，為完成不同品牌PLC的內部通訊，在鼓風機系統(tǒng)中增加了red-lion網關（位于鼓風機主控柜內），將西門子及豪頓鼓風機的數據采集到網關，通過廠區(qū)工業(yè)環(huán)網，實現(xiàn)中控PLC、精確曝氣PLC以及鼓風機PLC三者間的數據交互。

3.2溶解氧控制分區(qū)與儀表設備配置方案的優(yōu)化

為了減少熱式氣體流量計和溶氧儀的數量，對溶解氧控制分區(qū)進行優(yōu)化設計，沿水流方向將單座生化池的8個好氧廊道劃分為4個溶解氧控制區(qū)。

圖3優(yōu)化溶解氧控制分區(qū)后的儀表閥門配置（單座池）

按照優(yōu)化設計的方案，每根曝氣支管仍安裝電動空氣調節(jié)閥門，而只在同一個溶解氧控制區(qū)的兩根曝氣支管中的一根上安裝熱式氣體流量計，并在該溶解氧控制區(qū)的中間位置安裝1個溶氧儀，兩根曝氣支管實現(xiàn)空氣閥的同步調節(jié)。采用此種安裝方式后，熱式氣體流量計和溶氧儀的數量可實現(xiàn)減半，從而在不影響系統(tǒng)使用效果的前提下，大大降低了儀表的采購成本。

3.3優(yōu)化溶解氧目標設定值

借助ProSee污水廠運行專家智能決策系統(tǒng)這一工藝仿真工具，在建模基礎上，以現(xiàn)場的進水條件作為模型輸入，在各溶解氧控制區(qū)設置不同的溶解氧目標值作為模型參數進行仿真，以出水氨氮達標限值為底線（暫時設置為1mg/L），給現(xiàn)場實施過程中設置溶解氧目標設定值提供參考。然后在實施過程中結合出水水質情況，再逐步修正，直到達到理想的效果。這一過程其實也是精確曝氣的調試階段。

表1溶解氧目標設定值的配置

根據仿真模擬結果，在精確曝氣的具體實施中，為保證出水達標排放，給出了建議溶解氧目標設定值：DO1為0.2~0.5mg/L，DO2≥0.5mg/L，DO3≥0.5mg/L，DO4≥1.0mg/L。

考慮到現(xiàn)場實施和理論計算存在的差異，以及實時進水條件的不可預知性，為保險起見，在精確曝氣實施中先按如下方案配置各溶解氧設定值：DO1=0.2mg/L，DO2=0.55mg/L，DO3=0.75mg/L，DO4=1.0mg/L。

4精確曝氣控制系統(tǒng)的應用效果

精確曝氣系統(tǒng)于2015年9月初實施完成并投入運行，經過近1年時間，運行效果穩(wěn)定，實現(xiàn)了整個曝氣系統(tǒng)的大閉環(huán)全自動運行，生化池溶解氧得到了穩(wěn)定控制，出水穩(wěn)定達標排放，其中總氮、總磷的去除效果得到顯著改善。

4.1鼓風機的全自動閉環(huán)控制

成功地將兩種品牌鼓風機并網運行，通過鼓風機系統(tǒng)的MCP功能實現(xiàn)了全自動控制鼓風機的啟停和調節(jié)導葉開度來調節(jié)風量，達到了按需供氣的目的；同時，精確曝氣控制系統(tǒng)內置鼓風機優(yōu)化控制模塊，在保證需氣量的前提下，控制單臺鼓風機的開啟頻率不超過1次/天，有效避免了鼓風機頻繁啟停對鼓風機本身的影響，優(yōu)化單臺鼓風機的運行時間，使所有鼓風機的運行時間相一致，從而提高鼓風機的使用壽命。鼓風機系統(tǒng)的總輸出氣量可按精確曝氣系統(tǒng)計算的需氣量動態(tài)變化，且控制精度在1%以內。

4.2溶解氧控制效果

經統(tǒng)計，實施精確曝氣后，二期工程各溶解氧控制區(qū)的溶解氧控制效果均能滿足要求，現(xiàn)場溶解氧控制穩(wěn)定性較實施前有大幅提高（以7#生化池中端溶解氧控制區(qū)為例）。

圖5精確曝氣實施前后7#池中端的DO控制效果對比

4.3出水水質

2015年8月1日—15日（未實施精確曝氣）和9月1日—15日（實施精確曝氣后）的進、出水水質對比。

表2精確曝氣實施前后進水水質和水量對比

表3精確曝氣實施前后出水水質的變化（mg/L）

在實施精確曝氣后，雖然各項進水污染物濃度及進水水量日均值較實施前均有不同程度的增加，但出水COD的日均值基本同實施前持平，出水氨氮的日均值較實施前有所上升但仍達標，出水總氮、總磷的日均值均較實施前有所下降，尤其是總磷，其日均值的下降幅度達到67.24%。其中，出水氨氮較實施前反而有所上升的原因在于，實施精確曝氣后較實施前減少了曝氣量，造成氨氮未能被充分硝化。同樣是這個原因，卻促成了缺氧區(qū)的反硝化，導致硝態(tài)氮的去除得到加強，因此總氮去除效果得以提升。而總磷的下降，可歸因于實施精確曝氣后硝化菌在低氧環(huán)境下活性下降，從而促成與之存在競爭關系的聚磷菌占據一定優(yōu)勢，進而強化了對磷的去除。

綜上，精確曝氣的實施從總體上來說對出水水質達標是有正面作用的，但實施中需要對“低氧環(huán)境”下溶解氧的保持留有余量，以保證氨氮去除效果。