【干貨】馬頭崗污水處理廠精確曝氣系統(tǒng)實(shí)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(guò)合理調(diào)節(jié)兩種鼓風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)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(duì)實(shí)施過(guò)程中遇到的各種特殊情況。經(jīng)過(guò)近1年時(shí)間的投運(yùn)，精確曝氣系統(tǒng)運(yùn)行效果穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了從鼓風(fēng)機(jī)供氣到各個(gè)支管配氣的全自動(dòng)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(xiàng)目背景
鄭州市馬頭崗污水處理廠總處理規(guī)模為60萬(wàn)噸/日，分兩期建設(shè)運(yùn)行（設(shè)計(jì)規(guī)模均為30萬(wàn)噸/日）。其中二期工程采用“改良A2O+混凝、沉淀、過(guò)濾”工藝，設(shè)計(jì)出水執(zhí)行一級(jí)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(diǎn)進(jìn)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(yùn)營(yíng)水平，決定對(duì)二期工程原有的鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)合理供、配氣。在二期工程鼓風(fēng)機(jī)、空氣調(diào)節(jié)閥門等設(shè)備均已完成招標(biāo)采購(gòu)的情況下，經(jīng)過(guò)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(shí)施精確曝氣系統(tǒng)安裝工作，2015年9月完成試運(yùn)行正式投運(yùn)，起到了降低人工操作強(qiáng)度、穩(wěn)定工藝運(yùn)行的作用。在精確曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施的過(guò)程中，遇到了一些不利情況，但通過(guò)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(shí)施并投入運(yùn)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(jī)并聯(lián)運(yùn)行
二期工程共設(shè)置6臺(tái)單級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)為生物反應(yīng)池供氣，日常運(yùn)行4用2備，分屬西門子與豪頓兩個(gè)品牌，因此需要合理優(yōu)化這兩種鼓風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)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(shí)際工藝仍為A2O），單座生化池共設(shè)置8個(gè)好氧廊道作為曝氣區(qū)，每個(gè)好氧廊道配置一根DN350的曝氣支管。如果按常規(guī)方法進(jìn)行溶解氧控制區(qū)劃分，每座生化池需劃分為8個(gè)溶解氧控制區(qū)，在每根曝氣支管上安裝1個(gè)電動(dòng)空氣調(diào)節(jié)閥和1個(gè)熱式氣體流量計(jì)，并在每個(gè)溶解氧控制區(qū)配置1個(gè)溶氧儀，采購(gòu)費(fèi)用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)該項(xiàng)目的預(yù)算資金（閥門已于前期完成采購(gòu)，主要是流量計(jì)和溶氧儀的采購(gòu)成本）。
而且由于空氣管路系統(tǒng)已經(jīng)完成施工，期望通過(guò)優(yōu)化管路設(shè)計(jì)或改造管路系統(tǒng)來(lái)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(duì)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(shí)執(zhí)行一級(jí)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(dá)標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)將規(guī)定為3mg/L以下，嚴(yán)于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。因此對(duì)生化池溶解氧的控制水平要求更高。
3工程應(yīng)對(duì)措施
3.1兩種品牌鼓風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制的應(yīng)對(duì)方法
考慮到鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及安全性，最終確定二期工程6臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)模式為：使用1臺(tái)或2臺(tái)西門子鼓風(fēng)機(jī)，設(shè)置為手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，即導(dǎo)葉開度固定，不隨壓力設(shè)定進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)只調(diào)整處于自動(dòng)狀態(tài)的另外4臺(tái)豪頓鼓風(fēng)機(jī)。
由于西門子和豪頓鼓風(fēng)機(jī)使用的PLC型號(hào)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(jī)系統(tǒng)中增加了red-lion網(wǎng)關(guān)（位于鼓風(fēng)機(jī)主控柜內(nèi)），將西門子及豪頓鼓風(fēng)機(jī)的數(shù)據(jù)采集到網(wǎng)關(guān)，通過(guò)廠區(qū)工業(yè)環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)中控PLC、精確曝氣PLC以及鼓風(fēng)機(jī)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(jì)和溶氧儀的數(shù)量，對(duì)溶解氧控制分區(qū)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，沿水流方向?qū)巫氐?個(gè)好氧廊道劃分為4個(gè)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(jì)的方案，每根曝氣支管仍安裝電動(dòng)空氣調(diào)節(jié)閥門，而只在同一個(gè)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(jì)，并在該溶解氧控制區(qū)的中間位置安裝1個(gè)溶氧儀，兩根曝氣支管實(shí)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(jì)和溶氧儀的數(shù)量可實(shí)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(gòu)成本。
3.3優(yōu)化溶解氧目標(biāo)設(shè)定值
借助ProSee污水廠運(yùn)行專家智能決策系統(tǒng)這一工藝仿真工具，在建模基礎(chǔ)上，以現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)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(jìn)行仿真，以出水氨氮達(dá)標(biāo)限值為底線（暫時(shí)設(shè)置為1mg/L），給現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中設(shè)置溶解氧目標(biāo)設(shè)定值提供參考。然后在實(shí)施過(guò)程中結(jié)合出水水質(zhì)情況，再逐步修正，直到達(dá)到理想的效果。這一過(guò)程其實(shí)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(shí)施中，為保證出水達(dá)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(chǎng)實(shí)施和理論計(jì)算存在的差異，以及實(shí)時(shí)進(jìn)水條件的不可預(yù)知性，為保險(xiǎn)起見(jiàn)，在精確曝氣實(shí)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(shí)施完成并投入運(yùn)行，經(jīng)過(guò)近1年時(shí)間，運(yùn)行效果穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)曝氣系統(tǒng)的大閉環(huán)全自動(dòng)運(yùn)行，生化池溶解氧得到了穩(wěn)定控制，出水穩(wěn)定達(dá)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(jī)的全自動(dòng)閉環(huán)控制
成功地將兩種品牌鼓風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的MCP功能實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)控制鼓風(fēng)機(jī)的啟停和調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，達(dá)到了按需供氣的目的；同時(shí)，精確曝氣控制系統(tǒng)內(nèi)置鼓風(fēng)機(jī)優(yōu)化控制模塊，在保證需氣量的前提下，控制單臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)的開啟頻率不超過(guò)1次/天，有效避免了鼓風(fēng)機(jī)頻繁啟停對(duì)鼓風(fēng)機(jī)本身的影響，優(yōu)化單臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，使所有鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間相一致，從而提高鼓風(fēng)機(jī)的使用壽命。鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的總輸出氣量可按精確曝氣系統(tǒng)計(jì)算的需氣量動(dòng)態(tài)變化，且控制精度在1%以內(nèi)。
圖4實(shí)際總供氣量和設(shè)定總氣量對(duì)比
4.2溶解氧控制效果
經(jīng)統(tǒng)計(jì)，實(shí)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(chǎng)溶解氧控制穩(wěn)定性較實(shí)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(shí)施前后7#池中端的DO控制效果對(duì)比
4.3出水水質(zhì)
2015年8月1日—15日（未實(shí)施精確曝氣）和9月1日—15日（實(shí)施精確曝氣后）的進(jìn)、出水水質(zhì)對(duì)比。
表2精確曝氣實(shí)施前后進(jìn)水水質(zhì)和水量對(duì)比
表3精確曝氣實(shí)施前后出水水質(zhì)的變化（mg/L）
在實(shí)施精確曝氣后，雖然各項(xiàng)進(jìn)水污染物濃度及進(jìn)水水量日均值較實(shí)施前均有不同程度的增加，但出水COD的日均值基本同實(shí)施前持平，出水氨氮的日均值較實(shí)施前有所上升但仍達(dá)標(biāo)，出水總氮、總磷的日均值均較實(shí)施前有所下降，尤其是總磷，其日均值的下降幅度達(dá)到67.24%。其中，出水氨氮較實(shí)施前反而有所上升的原因在于，實(shí)施精確曝氣后較實(shí)施前減少了曝氣量，造成氨氮未能被充分硝化。同樣是這個(gè)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(qiáng)，因此總氮去除效果得以提升。而總磷的下降，可歸因于實(shí)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(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的聚磷菌占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而強(qiáng)化了對(duì)磷的去除。
綜上，精確曝氣的實(shí)施從總體上來(lái)說(shuō)對(duì)出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)是有正面作用的，但實(shí)施中需要對(duì)“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(shí)施方案及應(yīng)用效果
本文根據(jù)即將發(fā)表于《中國(guó)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(shí)施及應(yīng)用效果”（作者：李升，胡曉東，許飛飛，曹莎莎）整理而成。
