精確氣流量控制在污水生物處理工藝中的應(yīng)用
一 污水生物處理工藝及曝氣控制
周一軍先生，上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所副總工程師、上海西派埃自動(dòng)化技術(shù)工程有限公司總經(jīng)理；范岳峰先生，上海昊滄系統(tǒng)控制技術(shù)有限責(zé)任公司總經(jīng)理；王建華先生，上海桃浦工業(yè)區(qū)污水處理廠廠長(zhǎng)。生物處理過(guò)程是個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，通過(guò)曝氣維持好氧環(huán)境是其中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。不同的工藝，曝氣的方式也有所不同，但是在幾乎所有的采用活性污泥生物處理工藝的污水處理廠中，鼓風(fēng)曝氣是能耗最大的環(huán)節(jié)。從一些國(guó)內(nèi)的污水處理廠耗電量來(lái)看，曝氣環(huán)節(jié)占據(jù)了總耗電量的50～70%，所以曝氣系統(tǒng)的精細(xì)化控制改造對(duì)整個(gè)污水處理廠的節(jié)能運(yùn)行意義重大。
1. 污水生物處理工藝
從工藝處理流程整體來(lái)分析，城市污水處理過(guò)程控制由于進(jìn)水流量、進(jìn)水水質(zhì)在時(shí)間上的不固定性，加上生化反應(yīng)過(guò)程還受到季節(jié)、溫度和天氣的影響，污水處理系統(tǒng)具有參數(shù)維數(shù)高和高度非線性的特點(diǎn)；而且，污水處理工藝中存在大時(shí)滯，系統(tǒng)平衡難以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到；輸入量有隨機(jī)特性，建立污水處理系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型較為困難。因此，精確曝氣流量控制對(duì)污水處理行業(yè)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)復(fù)雜的研究和實(shí)踐課題。為了達(dá)到按生物處理過(guò)程需要供氣、減少生物反應(yīng)池中DO值的波動(dòng)波幅、使生物處理過(guò)程處于最佳狀態(tài)，即：污水處理既達(dá)到既定的排放標(biāo)準(zhǔn)，又能節(jié)約曝氣能耗，就有必要研究基于模型的精確控制技術(shù)。
2. 大多數(shù)污水處理廠曝氣系統(tǒng)現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)大多數(shù)污水處理廠的曝氣系統(tǒng)采用了兩類簡(jiǎn)單的控制回路來(lái)自動(dòng)或人工控制曝氣。一是采用溶解氧(DO)檢測(cè)儀和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為簡(jiǎn)單的控制回路，當(dāng)生化反應(yīng)池內(nèi)的DO值大于某一個(gè)設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉電動(dòng)蝶閥；當(dāng)DO值小于某一個(gè)設(shè)定值時(shí)則打開(kāi)電動(dòng)蝶閥。二是采用PID進(jìn)行定值調(diào)節(jié)，根據(jù)池中溶氧儀的DO反饋信號(hào)與DO設(shè)定值進(jìn)行比較，將偏差通過(guò)PID運(yùn)算后傳給閥門(mén)的行程控制器調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度，進(jìn)而控制池內(nèi)的DO值。
傳統(tǒng)控制方法的缺點(diǎn)在于：一是由于時(shí)間延遲，即從開(kāi)始曝氣到池內(nèi)DO變化需要一段時(shí)間，造成溶解氧的控制波動(dòng)很大；二是傳統(tǒng)方法能耗高，為了保證安全運(yùn)行，系統(tǒng)的DO設(shè)定值只能保持在較高的數(shù)值上，保持了過(guò)大的余度而造成浪費(fèi)；三是過(guò)大的波動(dòng)會(huì)使得池內(nèi)的生物環(huán)境不穩(wěn)定，干擾生物系統(tǒng)的工作。
AVS精確曝氣流量控制系統(tǒng)以解決上述問(wèn)題為目標(biāo)，以下將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
二 AVS精確曝氣流量控制系統(tǒng)控制原理
目前，城市污水生物處理工藝較多采用的是厭氧—好氧(A1—O除磷)和缺氧—好氧(A2—O脫氮)組合工藝流程的活性污泥法，底部曝氣和立式曝氣是好氧流程的主要兩種充氧手段，而且大部分采用鼓風(fēng)機(jī)組底部曝氣。
1. 性能配置
AVS精確曝氣流量控制系統(tǒng)是一個(gè)集成的曝氣控制系統(tǒng)，它由系統(tǒng)控制單元、帶執(zhí)行機(jī)構(gòu)的曝氣流量調(diào)節(jié)閥、熱值氣體流量計(jì)、壓力變送器和液位計(jì)等組成。系統(tǒng)功能上由生物處理過(guò)程建模模塊、曝氣流量配氣建模模塊和曝氣流量控制回路3個(gè)部分組成。
該系統(tǒng)以曝氣流量信號(hào)作為控制信號(hào)，溶解氧、進(jìn)水CODcr、BOD5和氨氮信號(hào)作為輔助控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)生物處理過(guò)程模型和歷史數(shù)據(jù)綜合處理，得出系統(tǒng)需要的曝氣量；系統(tǒng)同時(shí)根據(jù)實(shí)際的曝氣輸送管道分布等負(fù)載大小，經(jīng)曝氣流量配氣模塊處理，提供給鼓風(fēng)機(jī)組控制系統(tǒng)，使鼓風(fēng)機(jī)組處于所要求的工況狀態(tài)來(lái)提供空氣供給量，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際負(fù)載狀況自行調(diào)整設(shè)定值的大小；曝氣流量控制回路為基本就地控制回路，由電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥、熱值氣體流量計(jì)和模型給定的瞬時(shí)設(shè)定流量組成回路，可快速、準(zhǔn)確地根據(jù)實(shí)際的負(fù)荷波動(dòng)調(diào)節(jié)空氣供給量，使生物池的每一部分都能達(dá)到高效。從而減少生物反應(yīng)池中DO值波動(dòng)，達(dá)到精確曝氣的控制目標(biāo)。
系統(tǒng)中曝氣流量配氣模塊對(duì)流量調(diào)節(jié)性能和空氣壓力損失的關(guān)系進(jìn)行了平衡。電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥在全開(kāi)情況下壓力損失比較小，但隨著開(kāi)度的減小壓力損失會(huì)逐步上升。出于優(yōu)化運(yùn)行和節(jié)能的考慮，需盡量使電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥在大開(kāi)度工況條件下工作，減少因壓力損失造成的能源損耗，尋找最優(yōu)閥門(mén)開(kāi)度組合(最小的壓力損失)，并在此條件下給出鼓風(fēng)機(jī)允許的最小輸出壓力。曝氣控制系統(tǒng)的整體流量控制精確度達(dá)5%，振蕩小。生物反應(yīng)池的空氣總管處安裝壓力變送器，為檢測(cè)管道漏損、閥門(mén)泄漏、曝氣頭堵塞等異，F(xiàn)象提供了分析工具。
AVS精確曝氣控制系統(tǒng)提供3種運(yùn)行模式，即本地自動(dòng)控制、人工強(qiáng)制控制和安全模式，并提供通信接口，支持?jǐn)?shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。本地自動(dòng)控制是推薦控制方式，用于污水廠污水處理工藝正常運(yùn)行、精確曝氣控制系統(tǒng)的熱值氣體流量計(jì)、DO溶氧儀、壓力傳感器工作正常情況下，具有最大的節(jié)氣效能；人工強(qiáng)制控制是在污水廠污水處理工藝處于非正常運(yùn)行條件下，例如污水負(fù)荷突然大幅度改變、污水含有有毒物質(zhì)、生化反應(yīng)池處于異常狀態(tài)等情況下，直接允許人工操縱的控制方式；安全模式是一種大余度的自動(dòng)控制方式，用于污水廠污水處理工藝經(jīng)常處于大擾動(dòng)條件下，比如進(jìn)水的污水負(fù)荷較大范圍的經(jīng)常性變動(dòng)、進(jìn)入生化反應(yīng)池的水量有較大的變化情況下，大余度控制的本質(zhì)是提高系統(tǒng)抵抗大擾動(dòng)的能力，提高安全運(yùn)行系數(shù)。
2. 精確曝氣流量控制原理
生物處理是污水處理過(guò)程中最重要的工藝處理環(huán)節(jié)，即通過(guò)人為地維持好氧環(huán)境(好氧氧化法)，使曝氣池(好氧流程)內(nèi)氧含量處于可接受的范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，曝氣池中的微生物將維持一系列的生化過(guò)程，使污水中的目標(biāo)物質(zhì)(BOD5、CODcr、總磷TP、總氮TN)含量降低，從而達(dá)到排放要求。
為了對(duì)曝氣池溶解氧(DO)環(huán)境進(jìn)行精確的控制，要對(duì)DO的動(dòng)態(tài)平衡有充分的認(rèn)識(shí)，其包含兩個(gè)過(guò)程：一是氧擴(kuò)散過(guò)程，在鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)中主要體現(xiàn)為空氣從曝氣池底部的曝氣頭釋放后，空氣中的氧氣從氣相向液相中轉(zhuǎn)移。二是氧消耗過(guò)程，這個(gè)過(guò)程綜合了好氧處理過(guò)程的各種環(huán)節(jié)，包括有機(jī)碳去除過(guò)程、生物脫氮、生物除磷等，DO的消耗是由上述過(guò)程綜合作用的結(jié)果。由于污水廠的進(jìn)水水質(zhì)和水量是變化的，在特定的時(shí)間段內(nèi)其耗氧量也是變化的，只有使該時(shí)段內(nèi)的供氧量和耗氧量相均衡，才能保證處理環(huán)境的穩(wěn)定，保證出水水質(zhì)。
AVS精確流量控制過(guò)程包括兩個(gè)主要部分內(nèi)容：
(1)生物處理模型的設(shè)計(jì)建模過(guò)程，即通過(guò)對(duì)某一特定污水處理廠的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)(如：進(jìn)水、BOD5，CODcr， SS、TP，TN(NH3-N)等)或在線運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)和分析處理，確定該污水廠生物處理過(guò)程的一些特征參數(shù)和補(bǔ)償參數(shù)。再通過(guò)仿真，檢驗(yàn)這些特征參數(shù)的有效性。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，基本可以獲得該污水處理廠的水平衡(包含污水負(fù)荷)、泥(底物)平衡、氣(曝氣)平衡過(guò)程的穩(wěn)態(tài)值及其擾動(dòng)特征，同時(shí)需要考慮一些額外的環(huán)境影響因素，如：溫度、pH值、固體懸浮物MLSS組分等。
(2)在線實(shí)時(shí)控制過(guò)程，即通過(guò)建模過(guò)程中獲得的特征參數(shù)和補(bǔ)償參數(shù)，經(jīng)模型計(jì)算得出當(dāng)前需要的曝氣量，按該氣量進(jìn)行精確控制。在控制中需要3種類型的數(shù)據(jù)：經(jīng)過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后獲得的特征參數(shù)，由各種擾動(dòng)帶來(lái)的補(bǔ)償參數(shù)，在線數(shù)據(jù)。比如冬天和夏天溫度不同造成氧消耗特征明顯不同，池底沉淀物濃度變化也會(huì)對(duì)氧消耗帶來(lái)很大影響。在線數(shù)據(jù)又分為前置數(shù)據(jù)以及目標(biāo)數(shù)據(jù)，前置數(shù)據(jù)是對(duì)一些可能會(huì)造成擾動(dòng)的輸入進(jìn)行提前測(cè)量，比如水量變化、pH值等水質(zhì)變化，當(dāng)AVS獲得這些在線數(shù)據(jù)后會(huì)提前進(jìn)行抑制操作，而不是等到DO值發(fā)生變化后再進(jìn)行調(diào)節(jié)；目標(biāo)數(shù)據(jù)是DO值，系統(tǒng)會(huì)對(duì)DO值進(jìn)行跟蹤以確定控制結(jié)果。需要指出的是，AVS并非嚴(yán)格依賴DO值進(jìn)行控制，即使在溶氧儀不準(zhǔn)確或損壞的情況下，按照模型中的歷史數(shù)據(jù)及某些前置參數(shù)，仍然可以確保曝氣池安全運(yùn)行，只不過(guò)加大抵抗擾動(dòng)的安全控制余度，表現(xiàn)為DO的真實(shí)平均值上升。
三 AVS是基于模型的精確控制
污水處理廠生物處理工藝全過(guò)程的建模包括：氧擴(kuò)散過(guò)程、微生物呼吸過(guò)程、有機(jī)碳的吸附過(guò)程、氨氮反硝化過(guò)程、污泥的回流過(guò)程、水力學(xué)過(guò)程、處理過(guò)程中的擾動(dòng)處理過(guò)程(比如pH值變化、進(jìn)水的有機(jī)物濃度變化、水力擴(kuò)散過(guò)程、溫度變化、測(cè)量誤差等干擾)。
1. 動(dòng)力學(xué)模型
為了進(jìn)行有效和精確的控制，我們有必要對(duì)污水處理的全過(guò)程進(jìn)行分析，但是通常DO是快時(shí)標(biāo)變量，其動(dòng)力學(xué)特性是非線性和時(shí)變的，依賴簡(jiǎn)單控制回路的傳統(tǒng)控制方法無(wú)法解決精確控制的問(wèn)題。必須建立可靠的動(dòng)力學(xué)模型，該模型應(yīng)包含歷史經(jīng)驗(yàn)，其控制參數(shù)將會(huì)隨著對(duì)擾動(dòng)的測(cè)量進(jìn)行增益調(diào)節(jié)，本質(zhì)上形成曝氣流量和生化反應(yīng)池內(nèi)DO值和分布的可靠關(guān)系，但該關(guān)系是非線性和時(shí)變的。典型的生物處理有機(jī)碳去除工藝可簡(jiǎn)化為如圖2所示的處理流程圖。其中假設(shè)，沉淀池為理想沉淀狀態(tài)。
建立的模型中假設(shè)了出水中沒(méi)有微生物，出水、剩余污泥和回流污泥中沒(méi)有溶解氧，而且空氣流量和氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)為指數(shù)關(guān)系(即Monod模型)。數(shù)值試驗(yàn)表明該系統(tǒng)是一剛性(stiff)問(wèn)題，在數(shù)值求解中應(yīng)特別小心。進(jìn)水流量隨時(shí)間的變化假設(shè)如圖3所示。相應(yīng)地，生物反應(yīng)池中溶解氧濃度也呈現(xiàn)出周期性地變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖4中的虛線所示？梢钥吹，溶解氧濃度波動(dòng)范圍很大。下面要闡述的優(yōu)化控制，就是要在不增加總的曝氣量的條件下，通過(guò)對(duì)曝氣量的控制來(lái)抑制生物反應(yīng)池中溶解氧濃度的波動(dòng)，使其達(dá)到一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)。
2. 曝氣量?jī)?yōu)化控制
如前所述，生物反應(yīng)池中溶解氧濃度的控制是污水處理工藝中非常關(guān)鍵而且非常困難的一個(gè)環(huán)節(jié)。
我們考慮用分段常值(Piecewise Constant)的函數(shù)來(lái)逼近控制變量qA。把一個(gè)周期等分為M個(gè)階段，在階段i(0<i≤M)中，空氣流量取為定值qAi，這樣就沒(méi)有必要對(duì)曝氣量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，減少了系統(tǒng)的控制成本。通過(guò)引入對(duì)偶變量、求解狀態(tài)參數(shù)滿足的ODE方程組，達(dá)到最優(yōu)控制。圖4是優(yōu)化過(guò)程中溶解氧濃度的變化曲線圖。
圖中虛線所示為優(yōu)化前溶解氧濃度的初始曲線，其波動(dòng)超過(guò)了±1mg/L？梢钥吹，隨著優(yōu)化過(guò)程的進(jìn)行，溶解氧濃度的波動(dòng)程度逐漸減小，最終減至±0.2mg/L，即(2.8±0.2)mg/L。圖4中右縱座標(biāo)所示是曝氣量，總的曝氣量比優(yōu)化前減小了5.36%？梢钥吹，曝氣量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本與進(jìn)水量的變化趨勢(shì)相一致。這里需要指出，以上僅以水量的變化以及如何抑制水量變化對(duì)DO的影響作為示例。可與此類似地計(jì)算其它相關(guān)各量。
3. 控制模型的適用性考慮
AVS系統(tǒng)建模采用了國(guó)際水協(xié)會(huì)(IWA)的活性污泥數(shù)學(xué)模型，在眾多的活性污泥數(shù)學(xué)模型中，由國(guó)際水協(xié)會(huì)(IWA)推出的活性污泥數(shù)學(xué)模型(ASM1～3)代表當(dāng)今最新活性污泥模型研究的最高水平。國(guó)際水協(xié)于1987年推出活性污泥1號(hào)模型(ASM1)，引起了強(qiáng)烈的反響。隨著對(duì)活性污泥法機(jī)理研究的深入、分析測(cè)試水平及計(jì)算能力的提高，該模型不斷地發(fā)展隨后又推出了活性污泥2號(hào)模型(ASM2)、3號(hào)模型(ASM3)，又把2號(hào)模型ASM2拓展為ASM2d，這些都極大地推動(dòng)了活性污泥法數(shù)學(xué)模型的研究。這些模型可方便地用于新建、改建污水處理廠的方案設(shè)計(jì)，也可用于已有污水處理廠的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)模擬和運(yùn)行狀況預(yù)測(cè)、以及運(yùn)行工藝改進(jìn)。
ASM2包含ASM1的所有工藝過(guò)程，但還是不能完全準(zhǔn)確地反映活性污泥系統(tǒng)中的生物除磷過(guò)程。國(guó)際水協(xié)數(shù)學(xué)模型課題組對(duì)ASM2進(jìn)行了補(bǔ)充，成為ASM2d。它加入了聚磷菌的缺氧條件下的生長(zhǎng)過(guò)程，使其含19種組分、21種反應(yīng)、22個(gè)化學(xué)計(jì)量系數(shù)及45個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
ASM系列模型已經(jīng)廣泛地用于污水處理廠的設(shè)計(jì)、過(guò)程模擬，為工藝設(shè)計(jì)師和研究人員提供了極為方便的研究工具。但ASM系列模型在污水處理廠的在線控制領(lǐng)域仍然有很多的困難，主要原因如下：
(1)ASM模型的構(gòu)造在理論上相當(dāng)完美，但要把其直接使用在污水廠在線控制中，面臨的主要困難是：污水廠的在線分析儀表非常有限(沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室那樣有完善的實(shí)驗(yàn)條件)，通常無(wú)法滿足ASM模型的輸入要求，只能以估計(jì)值作為輸入，無(wú)形之中降低了ASM模型的高度解析的模型要求；
(2)ASM2d模型中雖然包含了生物脫氮、除磷的解析模型，然而其推出時(shí)間是在1999年，就其應(yīng)用而言，主要還是在設(shè)計(jì)研究的范圍之內(nèi)，雖然在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中有大量驗(yàn)證性文章，但直接用于污水處理廠的在線脫氮、除磷控制，尚未檢索到完整的在線控制實(shí)施案例；
(3)利用ASM模型用于在線控制，必須考慮到在線儀表會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)各種故障，如果完全依賴儀表進(jìn)行自動(dòng)控制，則有不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)。
因此，基于上述原因的綜合考慮，需要在完美的理論模型和現(xiàn)實(shí)控制之間找到契合點(diǎn)，需在原模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性改造，以適合各類污水處理廠的實(shí)際條件。每一座污水處理廠具有一個(gè)獨(dú)特的內(nèi)在活性污泥處理模型，而且隨著鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)效率、配氣輸送系統(tǒng)損耗、活性生物量、進(jìn)水負(fù)荷(進(jìn)水水量、組分)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行變化，該模型會(huì)逐漸變化。因此需通過(guò)定期校準(zhǔn)和檢驗(yàn)?zāi)Ｐ，使系統(tǒng)具備對(duì)模型漸變的持續(xù)跟蹤能力，從而適應(yīng)每座長(zhǎng)久運(yùn)行的污水處理廠生物處理工藝過(guò)程的漸變需要。
四 AVS系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用
日處理能力為6萬(wàn)m3的上海桃浦工業(yè)區(qū)污水處理廠采用序批式活性污泥法(SBR)處理工藝，處理的污水主要是桃浦工業(yè)區(qū)的工業(yè)廢水和部分城市污水。結(jié)合桃浦工業(yè)區(qū)污水處理廠的改造工程，AVS系統(tǒng)設(shè)備于2005年9月10日開(kāi)始在現(xiàn)場(chǎng)安裝，經(jīng)過(guò)各設(shè)備單體安裝調(diào)試完成后，生物處理工藝調(diào)試于11月29日進(jìn)行，試運(yùn)行自2006年1月份開(kāi)始。
1. AVS應(yīng)用試驗(yàn)方法和調(diào)試
桃浦工業(yè)區(qū)污水處理廠共有3組SBR生物處理單元，每組處理單元分為4個(gè)池，其中2、3號(hào)中間兩池為常曝氣區(qū)，1、4號(hào)兩側(cè)池為交替曝氣和沉淀。本次應(yīng)用試驗(yàn)確定了以第二組單元采用AVS精確曝氣系統(tǒng)進(jìn)行控制，稱作試驗(yàn)池，日處理量為2萬(wàn)噸；第三組單元沿用以前的控制模式，稱作對(duì)比池，日處理量同樣為2萬(wàn)噸；兩組池子均獨(dú)立計(jì)量常曝氣區(qū)的曝氣流量。
在試驗(yàn)池常曝氣總管上安裝一只DN600的流量調(diào)節(jié)閥，同時(shí)安裝熱值氣體流量計(jì)和壓力變送器。在對(duì)比池常曝氣總管上安裝熱值氣體流量計(jì)。
試驗(yàn)分為3個(gè)階段，第一階段是建立模型，確定桃浦污水處理廠生物處理的特征參數(shù)；第二階段是根據(jù)第一步確定的模型進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行修正；第三階段為試運(yùn)行，用以驗(yàn)證精確控制的效果。
首先對(duì)桃浦污水處理廠歷年的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括環(huán)境數(shù)據(jù)(季節(jié)因素、溫度、大氣壓、水溫、pH值、曝氣SBR池體積等)、動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)(歷史曝氣量、歷史進(jìn)出水流量、出水DO濃度、池中DO濃度及其分布特征、MLSS、進(jìn)出水BOD5、CODcr、SS、TN、TP等)，結(jié)合運(yùn)行中的工藝參數(shù)，在完成對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性分析后，可獲得桃浦污水廠的模型的基本構(gòu)型及特征參數(shù)的取值范圍。歷史數(shù)據(jù)沿用了桃浦污水處理廠歷年的運(yùn)行數(shù)據(jù)、化驗(yàn)室數(shù)據(jù)。
在線數(shù)據(jù)采集包括：分析儀信號(hào)、工藝信號(hào)等投運(yùn)需要的30個(gè)在線數(shù)據(jù)，以每5秒記錄一次的方式，將所有數(shù)據(jù)計(jì)入數(shù)據(jù)庫(kù)，每日記錄的數(shù)據(jù)量約為15M。在線控制的數(shù)據(jù)采樣率為每秒10次，以PLC的采樣周期為準(zhǔn)。
本次應(yīng)用試驗(yàn)?zāi)康氖牵?1)在同等工況條件下，確定試驗(yàn)池所需的真實(shí)曝氣量，與對(duì)比池進(jìn)行比較；(2)通過(guò)對(duì)曝氣量的調(diào)節(jié)，驗(yàn)證精確調(diào)節(jié)曝氣池內(nèi)DO值的方法，降低DO波動(dòng)，穩(wěn)定生化環(huán)境；(3)確定采用AVS系統(tǒng)后的節(jié)氣量，為將來(lái)節(jié)能改造提供技術(shù)保證和依據(jù)；(4)檢驗(yàn)采用AVS系統(tǒng)控制后的總出水情況，確保出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
在調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)進(jìn)出水工藝交替時(shí)，由于污泥流向發(fā)生變化，對(duì)溶解氧帶來(lái)很大的沖擊，如圖5中對(duì)比池DO呈周期性的波動(dòng)，符合桃浦污水處理廠運(yùn)行中工藝輪換周期。出于這種情況，對(duì)模型進(jìn)行了進(jìn)一步的修正，使其能夠提前抵御工藝交替帶來(lái)的影響。
2. AVS系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果
采用了AVS精確曝氣控制，經(jīng)過(guò)近5個(gè)月的調(diào)試和試運(yùn)行后，基本達(dá)到了應(yīng)用試驗(yàn)的預(yù)期效果，具體如下：
(1)在試運(yùn)行期間，經(jīng)模型調(diào)節(jié)后試驗(yàn)池的曝氣量明顯低于對(duì)比池的曝氣量，連續(xù)記錄了1個(gè)月的曝氣流量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)池相對(duì)對(duì)比池節(jié)約曝氣量30.51%；檢測(cè)同期出水結(jié)果無(wú)明顯變化。
(2)基本實(shí)現(xiàn)了溶解氧的穩(wěn)定控制。在任意給定的DO設(shè)定值(試驗(yàn)中取2.2，2.5，2.8，3.0)下，52%的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了±0.2范圍內(nèi)的波動(dòng)，在91%的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了在±0.5范圍內(nèi)的波動(dòng)。DO設(shè)定值的取值范圍參考了有關(guān)資料。發(fā)生超出控制范圍的情況幾乎全都出現(xiàn)在SBR池的工藝輪換后6～8min，特別是沉淀池變?yōu)檫M(jìn)水池時(shí)，由于底部污泥迅速攪拌，DO下降迅速；
(3)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能曝氣，以較低曝氣量滿足工藝要求。在實(shí)際試運(yùn)行過(guò)程中，由于發(fā)現(xiàn)曝氣量過(guò)大，建議少開(kāi)1臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)。自2006年2月份起，試行只開(kāi)1臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，而歷年都是開(kāi)2臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)(日平均氣量72萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)立方米)。以3月份的運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，節(jié)能效果明顯，如表所示；
(4)由AVS系統(tǒng)進(jìn)行精確控制的第2組生物處理單元在整個(gè)試運(yùn)行期間表現(xiàn)出良好的運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室采樣分析，與另兩組單元相對(duì)比，出水水質(zhì)情況明顯穩(wěn)定。
五 總結(jié)和展望
本文針對(duì)在污水生物處理工藝系統(tǒng)中運(yùn)用精確曝氣流量控制進(jìn)行了研究，提出了運(yùn)用最優(yōu)化控制手段、選擇分段常值的曝氣量實(shí)現(xiàn)方法，理論控制目標(biāo)使得生物反應(yīng)池中溶解氧濃度在較多的時(shí)間內(nèi)波動(dòng)范圍為±0.2mg/L。以此方法和模擬結(jié)果指導(dǎo)用于實(shí)際案例，經(jīng)過(guò)實(shí)踐應(yīng)用調(diào)試和試運(yùn)行，基本達(dá)到了精確曝氣和節(jié)省能耗的目標(biāo)。
因桃浦污水處理廠進(jìn)水中大部分為工業(yè)廢水，而且組分日變化率較大，為了出水達(dá)標(biāo)，原系統(tǒng)中留有較大余度。因此，采用精確曝氣流量控制后，前后對(duì)比能耗降低相當(dāng)明顯；盡管這并不意味著所有污水處理廠都能達(dá)到這樣的效果，但精確曝氣流量控制的節(jié)能經(jīng)濟(jì)性效果是必然的、肯定的。污水處理向精細(xì)化、節(jié)能化運(yùn)行的轉(zhuǎn)變是一種共識(shí)和趨勢(shì)，也是節(jié)約能源的需要。
周一軍先生，上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所副總工程師、上海西派埃自動(dòng)化技術(shù)工程有限公司總經(jīng)理；范岳峰先生，上海昊滄系統(tǒng)控制技術(shù)有限責(zé)任公司總經(jīng)理；王建華先生，上海桃浦工業(yè)區(qū)污水處理廠廠長(zhǎng)。
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