【干貨】馬頭崗污水處理廠精確曝氣系統(tǒng)實施方案及應(yīng)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(diào)節(jié)兩種鼓風(fēng)機的并網(wǎng)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(biāo)設(shè)定值，以應(yīng)對實施過程中遇到的各種特殊情況。經(jīng)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(fēng)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(zhì)。
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(shè)運行（設(shè)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(shè)計出水執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)置4座生物反應(yīng)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(yù)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(fēng)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(fēng)機、空氣調(diào)節(jié)閥門等設(shè)備均已完成招標(biāo)采購的情況下，經(jīng)過另行招投標(biāo)，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(shè)計和實施的過程中，遇到了一些不利情況，但通過科學(xué)合理的工程措施，利用廠內(nèi)已有的設(shè)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(fēng)曝氣系統(tǒng)的特殊性
2.1兩種不同品牌鼓風(fēng)機并聯(lián)運行
二期工程共設(shè)置6臺單級離心鼓風(fēng)機為生物反應(yīng)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(fēng)機的并網(wǎng)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(shè)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(diào)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(yù)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(jīng)完成施工，期望通過優(yōu)化管路設(shè)計或改造管路系統(tǒng)來減少儀表數(shù)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(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)除暫時執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)外，下一步將執(zhí)行賈魯河流域水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，例如氨氮的達標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)將規(guī)定為3mg/L以下，嚴(yán)于一級A標(biāo)準(zhǔn)。因此對生化池溶解氧的控制水平要求更高。
3工程應(yīng)對措施
3.1兩種品牌鼓風(fēng)機并網(wǎng)控制的應(yīng)對方法
考慮到鼓風(fēng)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(fēng)機的調(diào)節(jié)模式為：使用1臺或2臺西門子鼓風(fēng)機，設(shè)置為手動運行狀態(tài)，即導(dǎo)葉開度固定，不隨壓力設(shè)定進行調(diào)整，系統(tǒng)只調(diào)整處于自動狀態(tài)的另外4臺豪頓鼓風(fēng)機。
由于西門子和豪頓鼓風(fēng)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(nèi)部通訊，在鼓風(fēng)機系統(tǒng)中增加了red-lion網(wǎng)關(guān)（位于鼓風(fēng)機主控柜內(nèi)），將西門子及豪頓鼓風(fēng)機的數(shù)據(jù)采集到網(wǎng)關(guān)，通過廠區(qū)工業(yè)環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)中控PLC、精確曝氣PLC以及鼓風(fēng)機PLC三者間的數(shù)據(jù)交互。
3.2溶解氧控制分區(qū)與儀表設(shè)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(shù)量，對溶解氧控制分區(qū)進行優(yōu)化設(shè)計，沿水流方向?qū)巫氐?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(shè)計的方案，每根曝氣支管仍安裝電動空氣調(diào)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(diào)節(jié)。采用此種安裝方式后，熱式氣體流量計和溶氧儀的數(shù)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(biāo)設(shè)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�；A(chǔ)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(shè)置不同的溶解氧目標(biāo)值作為模型參數(shù)進行仿真，以出水氨氮達標(biāo)限值為底線（暫時設(shè)置為1mg/L），給現(xiàn)場實施過程中設(shè)置溶解氧目標(biāo)設(shè)定值提供參考。然后在實施過程中結(jié)合出水水質(zhì)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(diào)試階段。
表1溶解氧目標(biāo)設(shè)定值的配置
根據(jù)仿真模擬結(jié)果，在精確曝氣的具體實施中，為保證出水達標(biāo)排放，給出了建議溶解氧目標(biāo)設(shè)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(yù)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(shè)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(yīng)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(jīng)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(biāo)排放，其中總氮、總磷的去除效果得到顯著改善。
4.1鼓風(fēng)機的全自動閉環(huán)控制
成功地將兩種品牌鼓風(fēng)機并網(wǎng)運行，通過鼓風(fēng)機系統(tǒng)的MCP功能實現(xiàn)了全自動控制鼓風(fēng)機的啟停和調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量，達到了按需供氣的目的；同時，精確曝氣控制系統(tǒng)內(nèi)置鼓風(fēng)機優(yōu)化控制模塊，在保證需氣量的前提下，控制單臺鼓風(fēng)機的開啟頻率不超過1次/天，有效避免了鼓風(fēng)機頻繁啟停對鼓風(fēng)機本身的影響，優(yōu)化單臺鼓風(fēng)機的運行時間，使所有鼓風(fēng)機的運行時間相一致，從而提高鼓風(fēng)機的使用壽命。鼓風(fēng)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(nèi)。
圖4實際總供氣量和設(shè)定總氣量對比
4.2溶解氧控制效果
經(jīng)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(zhì)
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(zhì)對比。
表2精確曝氣實施前后進水水質(zhì)和水量對比
表3精確曝氣實施前后出水水質(zhì)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(biāo)，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(dǎo)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(guān)系的聚磷菌占據(jù)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(zhì)達標(biāo)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。
原標(biāo)題:馬頭崗污水處理廠精確曝氣系統(tǒng)的實施方案及應(yīng)用效果
本文根據(jù)即將發(fā)表于《中國給水排水》2016年第15期的文章“馬頭崗污水廠精確曝氣系統(tǒng)的實施及應(yīng)用效果”（作者：李升，胡曉東，許飛飛，曹莎莎）整理而成。
