污水处理厂曝气系统鼓风机闭环控制分析及实现

中国科技信息2014年第07期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2014

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1 污水处理厂曝气系统的工艺描述

城市污水的处理工艺一般都包括生物处理阶段，生物处理过程是个复杂的生化反应过程，曝气是其中的一个十分重要的环节。曝气池的曝气量必须进行控制，如果曝气量不足，会引起污泥膨胀，影响出水水质；如果曝气量过大，污泥会解絮浮出，并且造成能源的浪费，增加处理成本。目前国内外大多数的污水处理厂对曝气进行控制均采用三种方法。

1.1 风量恒定控制

人为地设定鼓风机流量并保持恒定送风，这种方式在水量和水质稳定的情况下，能够满足处理要求，但是曝气效果不稳定，不便于节能控制。 1.2 曝气倍率控制

人为地设定鼓风机流量与进水流量的倍率，按倍率调节鼓风机流量，是一种开环控制方法。在水质稳定的情况下能够满足处理要求。1.3 Do（溶解氧）控制。

Do控制方式是根据池面Do测量仪将测量到的溶解氧信号转化为4～20MA的信号传送到PLC控制系统。PLC根据预先设定好的程序与测量值进行比较，根据对比值直接控制供氧设备的运行参数或运行组数，调节生物反应池溶解氧。

2 污水处理厂鼓风机闭环控制系统使用现状

目前在国内外，大多数城市污水处理厂在设计之初，都考虑了鼓风机闭环控制系统，并且有很多的污水处理厂都建立了Do曝气控制系统，但目前在国内，大部分污水

处理厂都没有实际运行这套系统，基本上都成为了一种摆设，究其原因，主要是由于以下几个方面：

1）Do仪的不稳定

Do仪作为整套鼓风机闭环控制系统是基本的控制数据来源，目前在污水处理厂的使用中效果都不尽理想，数值波动大、维护周期短、维护成本高成了其主要原因。

2）曝气池内不同取样点之间误差较大

在曝气池内，由于池体体积、形状，水流速度、水量大小、测量深度等因素，不同的取样点之间测量的Do值都会有较大误差，很难找出一个相对比较稳定、最具有代表性的测量点来作为控制系统的Do值数据来源， 

3）节能效果不明显

也有部分污水处理厂此系统建好后运行了一段时间，但发现节能效果并不明显，反而在Do仪的维修、维护上要发费大量的人力、物力，经过一段时间的试运行后，最终还是放弃自动控制运行。

3 某污水处理厂鼓风机闭环控制的实现

3.1 某污水处理厂目前鼓风机闭环控制系统现状

某污水处理厂鼓风机曝气控制系统，是在建厂时由丹麦HV-TUROB鼓风机厂家结合该污水处理厂的具体情况建立的一套曝气闭环控制系统，控制原理如下：控制器将系统主风管中的压力保持恒定，并通过调节各曝气池的空气控制阀门来调节池中溶氧量。主风道中的压力传感器将4～20MA的压力信号直接传输给MCP主控制器，该信号便与预先通过手动或远程设定的设定值进行比较。MCP主控制器根据此结果来控制鼓风机的流量输出以保证压力恒定。同时，曝气池中溶氧量通过微处理器，根据Do仪实际测量的结果来调节空气控制阀门以达到控制曝气池内曝气量的目的。

这套鼓风机闭环控制系统，在建好后调试并未通过，所以一直都没有使用，至今仍采用人工根据经验手动调节模式运行。

3.2 结合国家十一五节能降耗课题进行技改

根据国家“十一五”科技支撑计划项目——城市污水处理厂的节能降耗技术研究在某污水处理厂开展的要求，

污水处理厂曝气系统鼓风机闭环控制分析及实现

黄 海 严 勇深圳水务集团 518003

黄 海

DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2014.07.082

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需实现污水处理厂曝气工艺环节鼓风机闭环控制以降低曝气环节能耗。

针对曝气环节手动调节风机导叶开度难以响应进水负荷时变化规律的问题，拟采用精确曝气控制策略来实现供气量对进水负荷的有效响应。该污水处理厂闲置的压力与溶解氧双重反馈鼓风机控制系统，通过现场调研发现，原有系统A曝环节问题较多，而B曝环节除了配气阀门电动头及在线DO仪无法使用、副MCP年久失修外，其余设备及主MCP柜均可正常运行；为此，对AB两单元各安装了两台风量计（A曝东西池各一块，B曝南北池各一块），同时更新了4块在线DO仪、1台配气阀门电动头，并修复了B 曝南池副MCP柜。通过对原有精确曝气系统进行分析，对控制系统进行相应的简化与调整，获得了较理想的控制效果。在精确曝气控制策略研究与调试过程中，分别经历了如下几个阶段：

（1）人工观察B曝DO手动设定风压

a.鼓风机导叶开度调整

图1 B曝手动设定风压运行趋势图

b.B曝工艺参数变化趋势

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图2 B曝前馈与反馈控制相结合设定风压运行趋势图在该阶段时，主要是由于尚未能实现对风压的自动调节控制功能，而一期处理水量相对稳定；因此，仅利用人工根据B曝情况进行设定压力调整，以获得所需的DO水平，图1为手动设定风压状态下系统运行趋势图。

由图可知，根据B曝南北池DO变化趋势，合理调整设定风压，也能获得较理想的控制效果；在进水水量较为稳定情况下，每天所需调整次数较为有限，甚至可以连续多天设定单一压力，也能获得较理想的DO变化曲线；但在实际运行过程中，当冲击负荷为水量冲击负荷时，由于B 曝内液位会有一定的上升，因此会导致风管内实际风压显著增加，最终导致曝气不足而影响硝化效果；为此，决定建立利用DO自动调整设定压力的控制策略，以免因水量冲击负荷造成风机误调而影响出水水质现象发生。

（2）自动根据DO变化趋势动态设定风机风压

采用根据DO变化趋势自动设定风压控制策略后，对DO探头安装位置也同步进行了优化，优化后DO读数变得更为灵敏，出水水质稳定性也有了显著提高，但DO趋势

图就难以实现稳态运行。

（3）水量变化趋势前馈与DO反馈控制设定风压控制策略

采用自动设定风压后，系统运行稳定性得到了有效提高，但由于该控制策略为完全的反馈控制策略，当进水水量异常波动时，系统存在响应滞后性，也容易出现一定的水质风险；因此，在此基础上，增加了对进水水量变化趋势的前馈控制策略。

具体控制策略如下图。采用该控制策略所获得的结果详见图2。

由图可知，加入前馈控制之后，系统风压调整更为及时：当进水水量有增大趋势时，若DO浓度偏

高，则暂缓减小设定风压；当进水水量有减小趋势时，若DO浓度偏低，则可暂缓增加设定风压；如此一来，设定风压调整的盲目性大大减少，而设定风压调整区间也可有效降低，对系统出水稳定性也很有帮助。

4 结语

这套鼓风机精确曝气控制系统改造后，降低了曝气工艺环节的运行能耗，开展了DO时空分布规律研究，将在线DO仪探头安装位置移至生化池末端以提高控制精度；采用进水流量前馈与DO、压力反馈联合控制策略对风机进行控制，有效提高了精确曝气控制的有效性与稳定性。某污水处理厂曝气单耗由0.0619kWh/m 3下降至0.0513kWh/m 3，下降比例为17.12%；精确曝气控制系统在降低能耗的同时，还有效保证了出水水质的稳定。

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