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                智慧污水廠精準曝氣

                一、曝氣控制系統的設計原理

                氧的傳遞速率 R 0 與溶解氧濃度、溫度 ( 即飽和溶解氧濃度 ) 以及氧傳遞系數 K La 相關, K La 則與曝氣量、污水特性等相關,其中主要受曝氣量 Q g 的影響。氧的消耗速率 r 0 與溶解氧濃度、污染物負荷、 MLVSS 生物量等密切相關,由于 MLVSS 變化速率較慢,其主要影響因素是溶解氧濃度和污染物負荷。

                對溶解氧的控制,不僅表現為溶解氧實時值的穩定性,還體現在選擇合適的溶解氧濃度設定值。由于 AAO 工藝存在分區差異,相互之間有所影響,比如末端溶解氧會影響反硝化區的脫氮效果、二沉池回流污泥溶解氧會影響厭氧區釋磷效果等,這就要求對好氧區不同位置進行區別對待,更為合理設置溶解氧濃度,以便促進整個系統的脫氮除磷效果。整個控制系統是由一些功能組合而成的復雜系統,核心控制部分包括溶解氧控制、鼓風機控制、支管閥門控制、氨氮控制幾種功能。溶解氧控制系統主要負責根據各水質參數和生化反應過程參數,穩定控制生物池好氧段末端的溶解氧。

                二、反饋控制

                反饋控制主要是根據各曝氣廊道安裝的溶解氧儀表數據,通過計算和系統預設的目標值的偏差,根據這個偏差大小來控制鼓風機系統的輸出氣量,以及各支管閥門開度。最終達到使得溶解氧穩定在目標值附近的目的。

                根據溶氧實際值和目標值的偏差范圍,系統可以選擇的反饋控制策略包括傳統 PID 控制以及斜率控制,前者可以通過不斷減小偏差值來使得溶解實際值保持穩定,后者可以在偏差較小時使系統快速做出響應,以應對一些突變的情況。其中 PID 控制使用串級控制方式實際,原理如下圖所示:

                 

                系統具備參數設定能力,工程師可以設定反饋。 控制中需要的目標值、死區范圍等參數來調節系統的運行效果。目標值是要將溶解氧穩定控制在某個值,死區范圍用來設置 系統的響應范圍,當實際值落在死區內時,系統不會執行控制動作,以此來減少控制次數, 在穩定控制溶解氧的前提下,避免系統動作頻繁對鼓風機、閥門設備造成太大的影響。

                除此之外,系統還具備一些高級控制參數,如PID參數、控制周期、一些閾值及動作范圍等,需要調試工程師在調試階段通過實驗法確定,在參數調試合理的情況下,系統可以將溶解氧穩定控制在目標值附近正負 0.5mg/L 范圍內,且大部分時間在 0.3mg/L 以內。

                由于每個污水廠生物池好氧段的水力停留時間不太一樣,并且相應的生化反應滯后時間也有所差別,所以整個系統的控制周期等參數需要在不同污水廠中可能并不一致,需要在現場做多次實驗,并根據數據測算生化反應過程的傳遞函數,以此確實控制周期、 PID 參數等關鍵參數,并在此基礎上進行相應調整,以達到最優的目的。

                三、前饋控制

                對于污水廠這個控制目標來說,由于來水水質水量并不穩定,它的劇烈變化會給反饋控制帶來比較大的沖擊,使控制效果變差或出現振蕩,因此需要引入前饋控制來減小這種沖擊,確??刂菩Ч3址€定。

                系統會根據來水水量、水質參數,計算一個進水負荷,并根據這個負荷進行前饋控制, 將結果輸出給后面的反饋控制系統,或直接控制各好氧階段的實際曝氣量。

                實際應用中,進水水質儀表通常存在一定程度的誤差,對負荷計算造成很大影響,系統可以根據記錄的歷史數據,采用大數據分析的方式,對水質儀表數據進行交叉驗證,并修正計算結果,減弱誤差帶來的影響。

                根據污水廠水力停留時間的不同,前饋系統需要在實際調試中測算出一個合理的控制滯后時間,確保進水負荷到達好氧池時才進行響應,避免時間匹配不合理造成的影響。針對多級 AO 工藝,根據每一階段的進水配比,系統會計算每一段的好氧池曝氣量,進行相應調整。

                四、不同階段 DO 控制

                多級 AO 工藝主要為缺氧 - 好氧 - 缺氧 - 好氧的組合工藝,針對每一段 O 池的 DO 控制主要根據污染物濃度在各個階段 O 池的濃度梯度為基準,系統具備各段 O 池分段控制的能力,可以根據實際的各段 O 池的 COD 和氨氮濃度梯度,在滿足氣體攪拌的基礎上,設定不同的目標值和控制參數,達到穩定控制各階段溶氧的目的,既能保證好氧段的主要污染物去除,又能保證各缺氧段 DO 濃度較低,保證缺氧反硝化及釋磷反應的正常運行,使整個反應過程達到更加合理。

                實際使用,對于好氧第一階段來說,它的耗氧量非常大,通常溶解氧讀數會比較低, 會出現對曝氣量變化極不敏感的情況。不僅如此,任何一級的好氧池過量曝氣都會導致下一級的缺氧池 DO 較多,可能會破壞缺氧狀態,所以在控制好氧池的曝氣量時,需要更準確。所以,一般采用的方式是,除了最后一級 AO 池的 DO 控制在 2mg/L 左右以外,前面的各級 AO 池均采用低氧運行,控制在 1-1 . 5mg/L ,若某一階段有特殊需求,需要較高 DO,則需同時加大該段的回流量,降低上一級的好氧池曝氣量。

                 

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