近年來，我國經濟社會的迅速發展促使城市規模不斷擴大，從而引起城市生活污水處理量日益增多，國內多數城市的污水處理廠的污水處理能力已滿足不了當前我國城市發展的實際需求，多數城市污水處理廠存在著一系列的問題，例如曝氣能耗高、自動化水平低和溶解氧控制精度差等問題。一般采用活性污泥法的城市污水處理廠整個曝氣環節的能耗約占全廠能耗的50%～60%，因此對于曝氣能耗能否得到精確控制將直接決定污水處理廠運行能耗的高低。對江蘇南京城南污水處理廠進行系統實施，該廠總處理規模為5萬噸/日，分兩座，一座生物池處理量為2.5萬噸/日，一座兩池，二級處理工藝均為AAO工藝，但此廠與其他廠不同的是此污水處理廠曝氣系統中存在空氣支管無空氣流量計、鼓風機較低風量運行和自控系統不具備可用的水溫信號等特點，因此本文從生物工藝本身的特性出發，結合先進的溶解氧(DO)追蹤數學模型，建立了獨特的曝氣流量控制系統。

　　1、曝氣流量控制系統現有控制方法及控制策略

　　1.1 現有控制方法

　　目前，在實際工程應用中，國內大部分采用活性污泥法的城市污水處理廠的曝氣控制系統常使用的控制方法有：人工經驗控制、經驗恒量控制和溶解氧-閥門PID控制等。

　　以上方法均有著不同程度的缺陷：

　　(1)人工經驗控制：具有一定的時滯性，精確度差，對操作人員的操作能力有較高的要求。頻繁的閥門調節不僅對閥門的壽命造成一定的損失，而且會造成溶解氧濃度的頻繁波動，從而使曝氣控制系統運行不穩定，影響出水水質，另外人工費用也會比較高。

　　(2)經驗恒量控制：對閥門開度設置為恒量，當面對不同水質狀況時無法靈活地進行控制。系統為保證出水水質，往往通入鼓風機過多風量造成過量能耗，而進水負荷過大、鼓風機風量不足就會影響出水水質。

　　(3)溶解氧-閥門PID控制：常規的控制算法已不能靈活應對污水處理中存在的多因素、多變性和滯后性等問題，最終影響出水水質。

　　1.2 曝氣流量控制系統控制策略

　　針對需要提標改造的污水處理廠，考慮其現有設備儀表的配置情況，系統進行有針對性的開發優化，建立起無需人工干預，達到節能降耗、自動控制和穩定運行目的的曝氣流量控制系統。曝氣流量控制系統控制策略的研究步驟如表1所示。

　　本文以江蘇南京城南污水處理廠曝氣流量控制系統為例作介紹。

　　第一步前期現場調研：整理2016年6月～7月以及2016年12月～2017年1月的工藝數據，包括進水負荷數據和生物池運行數據，進水負荷具體包括進水量、進水化學需氧量(進水COD)和進水氨氮，生物池運行數據具體包括DO和風量。

　　第二步建立離線模型：根據圖紙計算厭氧區、缺氧區和好氧區容積，建立離線模型，模型僅僅針對一組生物池，模擬水溫為20℃。用BioWin模型搭建的主要生物工藝流程，如圖1所示。根據歷史數據進入該組生物池的水量設定變化范圍為7200m3/d～14400m3/d，進水COD設定變化范圍為100mg/L～200mg/L，進水NH3-N2設定變化范圍為15mg/L～30mg/L，手動調節時風量設定范圍為2000m3/h～4000m3/h。針對一個溶解氧設定值(2.0mg/L)，分別使用最低負荷、常規負荷和最高負荷進行模擬，確定風量變化范圍分別為539m3/h～1001m3/h、731.5m3/h～1358.5m3/h和1078m3/h～2002m3/h。

　　第三步根據模型數據確定控制功能、策略以及優化目標：手動運行最高風量3970m3/h，根據離線模型模擬，在最高負荷的情況下，需要4004m3/h，兩者處于一個水平。根據現場的硬件與工藝數據，確認對于該污水處理廠的控制策略以及優化目標是一組生物池設置為一個溶解氧控制區域，由單獨的空氣閥門進行調節，同時需要滿足今后全部生物池進行運行時，運行人員能進行系統的簡單部署。

　　對城南污水處理廠相應的控制策略是根據兩組生物池之間溶解氧與鼓風機系統總風量的關系，建立曝氣流量控制系統并進行調試，在達到同樣出水水質的前提下，進行系統自動控制與人工操作控制相關溶解氧、能耗等數據的比對分析。

　　2、曝氣流量控制系統運行分析

　　2.1 溶解氧控制精度效果分析

　　溶解氧參數是采用活性污泥法運行的污水處理廠生物池各參數中最主要的參數之一。溶解氧參數具有多因素影響和滯后性的特點，人工操作控制溶解氧精度有較大地難度。為保證溶解氧控制精度在手動和自動狀態下可以科學直觀的展現，分別在手動和自動狀態下對二期生物池采集為期兩周的溶解氧數據。該污水處理廠二期生物池在手動狀態和自動控制狀態的兩組(2-1/2-2)末端溶解氧控制曲線比對的部分界面如圖2和圖3所示。

　　圖2為手動控制狀態下城南污水處理廠二期生物池溶解氧控制曲線，2-1末端溶解氧濃度在理想范圍(1.5mg/L～2.5mg/L)內的數據占全體數據的百分比為49.41%，2-2末端溶解氧濃度在理想范圍內的數據占全體數據的百分比為50.67%。兩條末端溶解氧曲線波動均較大，溶解氧濃度有出現高達6mg/L的情況，在手動控制條件下溶解氧濃度存在持續偏離理想范圍的情況。圖3為采用曝氣流量控制系統即自動控制狀態下城南污水處理廠二期生物池溶解氧控制曲線，兩組末端溶解氧濃度控制在理想范圍內的數據占全體數據較手動控制狀態下分別提高到71.27%與69.41%。兩條末端溶解氧曲線均呈現收斂狀態，兩條末端溶解氧曲線在理想范圍內來回波動且波動比較小，溶解氧濃度波動范圍基本處于0mg/L～5mg/L，其中出現的幾次較大異常波動是由于當時鼓風機總風量不時跳動至雙倍造成的，曝氣系統邏輯在后期已經通過優化算法邏輯屏蔽掉該情況，生物池末端溶解氧能夠得到平穩控制，符合預期目標。曝氣流量控制系統不僅能對曝氣系統整體運行的穩定和出水水質有相當有利的幫助，而且節約了城市污水廠的人工成本。

　　2.2 處理效率與節能效果分析

　　本文數據來自2017年8月至9月城南污水處理廠的實測數據，記錄進水負荷，計算噸水位能耗和處理效率并進行比對分析，具體出水數據包括出水化學需氧量(出水COD)、出水氨氮和萬噸水鼓風機能耗。將所得數據進行整理匯總，得到手動狀態和自動狀態鼓風機萬噸水能耗曲線，進行對比分析。因分析數據圖表太過龐大復雜，本文僅對8月上旬和9月下旬作具體分析。城南污水處理廠8月上旬為手動控制溶解氧精度，9月下旬為曝氣流量控制系統自動控制溶解氧精度，8月上旬和9月下旬城南污水處理廠鼓風機萬噸水能耗與進出水負荷的數據如表2所示。

　　在進水負荷基本保持相同的條件下，9月下旬系統自動控制與8月上旬手動控制在最終出水COD、出水氨氮方面基本維持圖5、9月下旬鼓風機萬噸水能耗曲線在同一個水平線。針對萬噸水鼓風機能耗作具體分析，圖4為8月上旬城南污水處理廠鼓風機萬噸水能耗曲線，圖5為9月下旬城南污水處理廠鼓風機萬噸水能耗曲線。

　　由圖4和圖5比對分析，鼓風機萬噸水能耗在9月下旬比8月上旬百分比降低了11.48%，能耗基線降低。對2017年8月至9月的數據進行分析：對比手動操作的狀態，自動控制的噸水位能耗百分比平均降低了9.9%。在運行期間，針對系統進行初始數據調整，包含了風量設定值上下限和閥門開度設定值的上下限等，設定值的優化能夠為系統效果帶來積極變化。噸水位能耗降低的百分比較為穩定，且有一定上升趨勢。從2017年8月至9月的能耗數據比對分析中可以看出，曝氣流量控制系統能夠在保證穩定出水水質的前提下達到明顯的節能降耗效果，節約了污水處理廠的運行成本。

　　3、結束語

　　經過長時間運行的數據比對分析，針對污水處理廠硬件的不同配置，曝氣流量控制系統能夠靈活性地進行優化調整，實現無需人工干預操作、提高溶解氧精度和節能降耗的目的。溶解氧控制精度可以在合理的范圍內得到有效提高，萬噸水鼓風機能耗自動控制條件下與手動運行下相比得到有效降低，達到節能降耗的目的。曝氣流量控制系統具備靈活性、寬容度和兼容性的特點，對風量死區進行自動規避，確保污水處理廠能長期穩定運行。

　　此系統的成功實施，證明了曝氣流量控制系統在城市污水廠廣泛的適用性和可行性，對于采用活性污泥法的城市污水處理廠具有相當的指導意義和作用。(來源：南京水務集團有限公司，上海電氣自動化設計研究所有限公司)