污水处理精确曝气十问十答

污水处理中曝气流量控制的目标就是在生物反应器中形成稳定的溶解氧条件,为微生物生长与污染物降解建立一个动态平衡和可靠的生存环境。这一动态平衡过程的实质,就是使总氧转移速率近似等于总耗氧速率。由于污水厂的进水水质和水量是变化的,在特定的时间段内其耗氧量也是变化的,只有使该时段内的供氧量和耗氧量相均衡,才能保证处理环境的稳定。

精确曝气研发的目的是为了保障供氧和节能,通过控制溶解氧使生化系统处于动态平衡状态,可以提高出水COD和氨氮的达标率,也可以间接促进出水TN、TP 的达标率,进一步显著提高了污水厂出水水质达标率。

从技术应用的情况上来看,精确曝气带来的效果首先是显著提高了出水水质达标率,其次是节能。

目前精确曝气控制的理论基础模型是国际水协的ASMs模型,针对的是传统AAO工艺、AAO改良工艺如多级AO、AAO-MBR工艺等(如下图)。

MBR和MBBR两种工艺的曝气强度控制更多的目的是为了抖动膜丝、悬浮填料等,因此精确曝气控制系统目前不适合这两种工艺。精确曝气控制的策略可以用于MBR、MBBR工艺节能。

该系统共包括三级串联的控制结构:第一级前馈开环控制,通过进水负荷设定计算最优溶解氧;第二级溶解氧反馈闭环控制,通过好氧区溶解氧仪的实时数据调整每个支管曝气量及阀门开度;第三级鼓风机闭环反馈控制,通过溶解氧和支管曝气量调整风机总气量。

基于DO或氨氮控制两种策略使用的底层模型都是活性污泥微生物与污染物的生化反应模型,使用的参数,包括工程应用的简化手段有差异。而这种差异也是精确曝气不同供应商之间的技术区别。

精确曝气控制的核心是控制策略(算法),每一个污水厂的工艺都会有所不同,管路布局和施工也不同,每一个污水厂优化控制的策略要在此基础上,经过专业的分析,提供不同的定制化服务。

精确曝气需要水质仪表提供准确的数据,因此就需要对仪表提供很好的维护。在控制中对仪表数据不准确有专门的数据置信区间策略。

国家规定COD的监测频率为两个小时,仪表本身可以45分钟读取一次数据。如果有工业废水进入生活污水处理厂,或者生活污水处理厂进水水质波动较大的情况,建议将常规COD读数周期缩短,或者增加全光谱法COD仪表、高光谱水质监测仪表等。

精确曝气控制系统对阀门没有特殊要求,控制精确度从高到低依次是菱形阀、球阀、蝶阀,价格上从低到高依次是蝶阀、球阀、菱形阀。由于蝶阀开度30%和全开,其风量变化区别不大,因此一般不用于精确曝气控制系统。

电动执行机构一般采用profibus或modbus协议,外国品牌有霍尼韦尔、罗托克、奥玛、弗雷西等,国内品牌有恒春、天津二通、扬州电力设备修造厂、重庆川仪调节阀等。

研究发现水深较大的情况下(大于6米),阀门的调节性能将发生畸变,建议电动阀安装时两侧增加变径,以改善阀门的调节性能,电动阀安装尺寸为管道尺寸的60-80%为宜。

目前污水处理曝气使用的风机一般为:单级高速离心鼓风机、多级低速离心鼓风机、罗茨鼓风机、螺杆鼓风机等。

单级高速离心鼓风机:因驱动、传动形式不同分为齿轮增速型单级高速离心风机、空气悬浮式高速离心鼓风机、磁悬浮式高速离心鼓风机等。

1.从风量调节方式上讲,单级齿轮增速高速离心风机通过调整进、出口导叶的方式调节风量。空气和磁悬浮风机、多级鼓风机、罗茨鼓风机、螺杆鼓风机均采用变频器调节转速方式,调整风量。根据风量需求控制风机,单台不满足时加开或减开风机,启停时有保护,避免频繁启停。

2.从风量调节范围上讲,单级齿轮增速高速离心风机一般能做到45%-100%的调节范围,而且不易发生喘震现象。磁悬浮和空气悬浮风机本身无法调节风量,需要增加变频器,变频器调节范围一般为50%—100%。考虑到节能效率和管理水平,不建议用精确曝气控制罗茨风机和多级风机。

从目前项目执行情况来看,精确曝气对风机产生的背压相比于人工控制是比较大的,所以在做精确曝气时需要考虑鼓风机的背压上限与可调空间,避免损坏风机。

3.从频繁启动的限制上讲,磁悬浮风机不受启停次数的限制,空气悬浮风机影响较大。

4.从效率上讲,磁悬浮风机、空气悬浮风机、单级齿轮增速高速离心风机均在75%以上。

5.从功率上讲,鼓风机功率在350kw以上,目前单级齿轮增速高速离心风机用得较多;磁悬浮风机、空气悬浮风机在350kw以下选用情况较多。

6.从价格上讲,单级齿轮增速高速离心风机最贵,磁悬浮风机次之,空气悬浮风机最便宜。

7.从后期维护费用上讲,磁悬浮、空气悬浮鼓风机只需要定期更换空气过滤棉,运行维护成本较低;单级齿轮增速高速离心风机附属设备较多,涉及滑动轴承润滑、降温冷却、润滑油更换等附属设备的运行维护。

国外磁悬浮风机品牌有阿特拉斯▪科普柯、苏尔寿(原ABS)、琵乐、安德里茨等,国内磁悬浮风机的品牌有亿昇、亚之捷、格尼斯、磁谷、天瑞重工等。

国外空气悬浮风机的品牌有钮若思、托普迈斯、南元、世亚、思科博(k-turbo)等,国内空气悬浮风机的品牌有金士顿、航天海鹰、鑫磊等。

单级齿轮增速高速离心风机国外品牌有西门子、豪顿、飞马、杰尔、耐斯特、毕森等,国产品牌有金通灵、重通、江增、大通宝富、沈鼓、陕鼓等,其中杰尔属于进口组装品牌。目前来看,国产品牌多数是单导叶或没有导叶,进口品牌多数是双导叶联动调节,可以简单地用导叶技术来区分技术实力和品牌定位。

罗茨风机、多级低速鼓风机、螺杆鼓风机因整机效率较低,在污水厂曝气环节使用得越来越少。

充氧过程和传质系数、流量不成线性,与液位和温度等有关;耗氧过程是复杂的生化反应过程;条件几乎时刻在改变,很难实现动态平衡。过程扰动因素多,参数不稳定,如温度对传质系数、饱和溶解氧、微生物活性影响明显;进水负荷对耗氧速率影响明显,且程度难以准确计算。管道供气过程进行较快,而氧平衡过程较慢,必须对供气过程进行准确和快速控制才能实现过程的稳态平衡。

对溶解氧的控制,不仅表现为溶解氧实时值的稳定性,还体现在选择合适的溶解氧浓度设定值。由于AAO工艺存在分区差异,相互之间有所影响,比如末端溶解氧会影响反硝化区的脱氮效果、二沉池回流污泥溶解氧会影响厌氧区释磷效果等,这就要求对好氧区不同位置进行区别对待,更为合理设置溶解氧浓度,以便促进整个系统的脱氮除磷效果。

关于溶解氧设定值选择的技术,一般采用离线优化运行方法,主要工具是污水处理工艺的现场测试和数学模拟。通过现场测试,可以掌握系统的动态特性,并确定关键的ASMs模型参数,实现成功的数学模拟。通过情景模拟和分析,可以对多种工况进行分析和总结,得到适用于现场操作的方法和方案,从而在实际生产中实现工艺优化运行。在这一方面,清华大学环境学院施汉昌教授研究团队进行了长期的研究工。

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