作者：张泳（天津市市政工程设计研究院 300051）

    提要：本文以天津某污水处理厂改造工程为例，简单介绍了针对该工艺流程，采用相应的控制技术，最终实现提高生产效率，降低药品消耗和能量消耗。

    关键词：改造；仪表；控制技术；消耗；成本

    Abstract: According to the modification works of a Tianjin WWWP project, this paper introduces the arrangement using new process control system for the new process flow. At the same time, the system can rise performance, reduce the chemicals and power cost.

    Keyword: Modification; Instrument;Control system;Consumption;Cost

    1．引言

    由于人类生产活动中大量使用化肥，大量未被作物吸收利用的N、P等营养物质大量进入河流、湖泊、海湾等缓流水域，引起不良藻类和其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧含量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡，造成水体富营养化。而现阶段城市污水经过二级处理后仅BOD5、SS等指标去除率较高，仍有大量的N、P最终排入河道，成为河道出现富营养化条件之一。

    所以现在国家要求污水处理厂改造及建设标准按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级标准实施，以减少N、P的排放量。现有污水处理厂的目前出水水质TN、TP指标无法满足新标准的要求，为了使现有污水处理厂的尾水能够全面达标排放，必须现有处理工艺的进行改造。

    2．改造工艺简介

    我院在天津市某污水处理厂改造工程中，采用了强化生物脱氮工艺。该工艺是将现有的AO生物反应池改造成由一个曝气缺氧的立环氧化沟和两级微孔曝气池。

    该工艺把生物处理工序分成了三段，在每一段中保持溶解氧的浓度不同，在不同阶段采用近似的0、1、2mg/L的溶解氧分布。

    第一段采用了同步硝化-反硝化技术，即通过控制溶解氧浓度在第一级生物反应池内来完成同步硝化和反硝化，可以提高氮的去除率。主要实现方式为：将前面若干个廊道改为串联的立环氧化沟，此部分为曝气缺氧池，反应池内的DO控制在0mg/L，采用转蝶曝气机进行曝气。少量的曝气一直使溶解氧处于不足状态，溶解氧几乎为零，因此在此区内除进行有机物的降解外，还同时发生硝化反应和反硝化反应。一部分溶解氧用于氧化分解污水中的有机物，另一部分溶解氧用于去除氨氮的硝化反应，硝化反应产生的硝酸盐和亚硝酸盐可以直接进行反硝化反应，并在反硝化反应过程中消耗一部分有机物。因此在曝气缺氧区可以得到最大的氧转移动力和最大的氧转移效率。同时，反硝化反应释放的氧气可以被硝化反应和BOD氧化分解反应利用，可以减少用于硝化反应的曝气量，降低充氧的动力消耗。

    其次，中间的几个廊道为一级微孔曝气生物反应池，采用鼓风曝气，DO保持在0.5mg/L以下，曝气缺氧立环氧化沟出水进入一级微孔曝气池，进一步去除有机物和进行硝化反硝化反应；最后的几个廊道为二级微孔曝气生物反应池，也采用鼓风曝气，DO控制在2~3mg/L。 

    该工艺的主要设计理念是缺氧曝气。影响需氧量的关键因素是设计中采用的DO值，使得需氧量大大降低，氧传递效率大大提高。该工艺更多的是同时反应而非循环反应，氨硝化成亚硝酸盐，亚硝酸盐直接反硝化，而省略了转化为硝酸盐，这种短程反应减少了反硝化1/3的需碳量，即减少了外加碳源的投加量。

   由上述描述可以看出，该工艺流程对溶解氧的控制较为严格，对外加碳源的需求减少，这些都要求在工艺流程改造的同时，必须辅以相应的检测仪表及控制系统，对各阶段的溶解氧进行精确控制，提高生产效率和效果；控制外加碳源的投加量，降低消耗，节约成本。下面针对上述两方面分别做简单介绍，供借鉴参考。

    3．精确曝气分配与控制系统

    为了满足上述工艺过程中对溶解氧的要求，设计采用精确曝气分配与控制系统。该系统由高精度的气体流量计、高精度的控制阀、控制器及软件等组成。本工程中每个系列采用五套该系统，分别对应上述三段，即串联立环氧化沟部分、一级微孔曝气生物反应池、二级微孔曝气生物反应池。其中串联立环氧化沟部分一套，一级曝气生物反应池部分一套，二级生物反应池部分三套，分别将溶解氧目标值控制在0mg/l、0.5mg/l、2mg/l。

    精确曝气分配与控制系统是集成的智能化控制系统，系统以气体流量信号作为控制信号，溶解氧信号作为辅助控制信号，根据污水处理厂进水实际负荷大小提供气体供给量。该系统的核心控制理念如图：
    
               
                                    图1 系统核心控制理念图

    系统中，气体流量计采用热效应气体流量计，不需要孔板或文丘里管等部件，没有压力损失；不受温度和压力的影响；经过校正，对直管段要求可以很低，甚至在特殊情况下可以取消直管段；响应迅速，测量精度高。阀门采用高精度菱形控制阀，其气体流量与截面积成正比；阀门的线性调节性好；重复精度高；优化的步进值提高了流量调节的灵敏度。系统的计算和控制回路采用专家智能系统和模糊神经元控制技术，打破了传统溶解氧控制系统的滞后性、受外界扰动影响大等局限性，建立起适合污水处理厂的气量分配和控制数据模型，并可以在调试中结合实际水质水量特征和实际进水负荷状况，不断地完善系统的数据库，跟踪负载的变化，根据工艺的溶解氧设定值，智能化的分配每个阶段的曝气量，满足实际运行工况的需要，达到气体供应的最佳化，使改造后的生物反应池能高效、稳定的运行。

    在采用该系统后，可以满足工艺流程改造后，生物反应池各个阶段对溶解氧梯度的控制要求，同时将传统溶解氧PID控制系统中溶解氧的振荡降到较低的水平，从而降低曝气系统中能量的消耗。由于反应池溶解氧存在梯度，改造后生物反应池曝气系统的能量消耗，比改造前反应池溶解氧一个目标值（2~3mg/l）时降低了约20%。

    4．甲醇投加控制系统

    通过对该污水处理厂进水水质的分析，设计认为该厂来水碳源并不充裕，不能完全满足脱氮所需的碳源，因此为保证出水水质，设计通过方案对比，认为采用外加碳源（甲醇），工程改造量最小，系统最稳定可靠，对本工程来说是适宜的。虽然外加有机碳源使反硝化速率加快，脱氮效率提高，但运行成本也相应大幅度增加，所以工程中需要解决如何控制碳源的添加以保证脱氮除磷的效果，又不浪费碳源。

    本工程在设计中，提出自动碳源投加系统的设计方案。该方案是通过实时检测好氧段，即上述生物反应池中一级、二级微孔曝气部分的硝酸盐氮浓度，通过控制器，对出水的氨氮和硝酸盐氮以及硝化-反硝化作用进行自动控制。系统包括反应池的硝氮监测及流量监测、甲醇投加的流量监测，其中硝氮的测量采用无试剂、免维护的光谱传感器，流量监测采用电磁流量计，甲醇投加采用计量泵，辅以流量计进行流量监测。

    系统经过在线监测反应池的硝氮，与设定值对比计算得出硝氮差值，再根据流量计所测流量计算出单位时间的硝氮总量，再根据设计条件下硝化及反硝化反应的碳氮比计算出单位时间所需要的碳源总量，依此可以设定计量泵所要设置的流量值进行碳源投加，达到合理控制投加碳源的目标。

    为了达到更好的效果，也可以采用同时测定碳源和氮源方法，即通过实时检测反应池内的硝酸盐氮浓度和COD浓度，通过控制器，计算出实时的碳氮比，采用闭环控制对出水的氨氮和硝酸盐氮以及硝化-反硝化作用进行自动控制，但此方案成本略高。控制系统方框图如下：
      
               
                                   图2 控制系统方框图

    5．结语

    截至2009年9月底，全国设市城市、县及部分重点建制镇共建成污水处理厂1792座，处理能力9904万立方米/日；在建城镇污水处理项目1977个，设计能力约5527万立方米/日。如果这些已建成污水处理厂升级改造，在建项目工程实施过程中，采用先进的检测仪表、控制器、控制策略，对曝气分配系统进行精确控制，对碳源投加系统进行合理控制，都将产生巨大的经济效益和社会效益，既实现了减排污染物的目标，保护了环境，也实现了节能降耗的目标，降低了运营成本。

    参考文献：

    [1] 秦麟源.废水生物处理[M].同济大学出版社，1989. 

    [2] 德国Binder公司相关资料[Z].

    [3] 张自杰等.排水工程 下册（第四版）[M].中国建筑工业出版社，2000.

    摘自《自动化博览》2011年第七期