中國市政華北設計研究院 王樹成

　　摘要：本文針對我國城市污水處理廠生化反應過程，從工藝技術機理與運行控制的結合點，闡述了生物反應池的運行控制，提出了應的控制方案。
　　關鍵詞：污水處理、生物反應池、運行控制、溶解氧

　　在污水處理工藝中，生物反應單元是其核心，這一部分運行控制的好壞直接關系到整個污水處理廠的運行狀況。因此，本文從工藝技術機理、影響因素等方面入手，尋求最佳運行控制的參數與方式。
　　在污水生物處理過程中，影響微生物活性的因素可分為基質類和環境類兩大類。
　　基質類包括營養物質，如以碳元素為主的有機化合物即碳源物質、氮源、磷源等營養物質、以及鐵、鋅、錳等微量元素；另外，還包括一些有毒有害化學物質如酚類、苯類等化合物、也包括一些重金屬離子如銅、鎘、鉛離子等。
　　環境類影響因素主要有：
　　（1）溫度。溫度對微生物的影響是很廣泛的，盡管在高溫環境（50℃～70℃）和低溫環境（-5～0℃）中也活躍著某些類的細菌，但污水處理中絕大部分微生物最適宜生長的溫度范圍是20-30℃。在適宜的溫度范圍內，微生物的生理活動旺盛，其活性隨溫度的增高而增強，處理效果也越好。超出此范圍，微生物的活性變差，生物反應過程就會受影響。一般的，控制反應進程的最高和最低限值分別為35℃和10℃。
　　（2）PH值。活性污泥系統微生物最適宜的PH值范圍是6.5-8.5，酸性或堿性過強的環境均不利于微生物的生存和生長，嚴重時會使污泥絮體遭到破壞，菌膠團解體，處理效果急劇惡化。
　　（3）溶解氧。對好氧生物反應來說，保持混合液中一定濃度的溶解氧至關重要。當環境中的溶解氧高于0.3mg/l時，兼性菌和好氧菌都進行好氧呼吸；當溶解氧低于0.2-0.3mg/l接近于零時，兼性菌則轉入厭氧呼吸，絕大部分好氧菌基本停止呼吸，而有部分好氧菌（多數為絲狀菌）還可能生長良好，在系統中占據優勢后常導致污泥膨脹。一般的，曝氣池出口處的溶解氧以保持2mg/l左右為宜，過高則增加能耗，經濟上不合算。
　　在所有影響因素中，基質類因素和PH值決定于進水水質，對這些因素的控制，主要靠日常的監測和有關條例、法規的嚴格執行。對一般城市污水而言，這些因素大都不會構成太大的影響，各參數基本能維持在適當范圍內。溫度的變化與氣候有關，對于萬噸級的城市污水處理廠，特別是采用活性污泥工藝時，對溫度的控制難以實施，在經濟上和工程上都不是十分可行的。因此，一般是通過設計參數的適當選取來滿足不同溫度變化的處理要求，以達到處理目標。因此，工藝控制的主要目標就落在活性污泥本身以及可通過調控手段來改變的環境因素上，控制的主要任務就是采取合適的措施，克服外界因素對活性污泥系統的影響，使其能持續穩定地發揮作用。
　　實現對生物反應系統的過程控制關鍵在于控制對象或控制參數的選取，而這又與處理工藝或處理目標密切相關。
　　前已述及溶解氧是生物反應類型和過程中一個非常重要的指示參數，它能直觀且比較迅速地反映出整個系統的運行狀況，運行管理方便，儀器、儀表的安裝及維護也較簡單，這也是近十年我國新建的污水處理廠基本都實現了溶解氧現場和在線監測的原因。
　　對于有特殊處理要求或某項指標成為處理過程的限制因素時，也可將出水的某項指標作為控制參數。例如，對出水中氨氮或硝酸鹽氮有嚴格限制時，限制的指標可以被選取作為控制參數。這需要在反應池內設置氨氮和硝酸鹽氮以及亞硝酸鹽氮的監測儀表，將現場監測到的數據反饋到控制系統，通過改變供氣量的多少來增強或減弱某一生物反應（硝化或反硝化），從而達到所希望的出水指標。這一控制方式在國外有應用，如美國奧蘭多（Orlando）的一個Water Reclamation Facility，該廠在1986年擴建時并無對出水中硝酸鹽氮控制的要求，但在1992年，佛羅里達州環境保護部對所有處理設施增加了出水硝酸鹽氮需在10mg/l以下的限制要求。在不改動處理構筑物的條件下，該廠通過增設現場儀表，采取自動控制供氣量的方式達到了處理要求。但在我國，以采集這類水質指標為控制參數的控制方式尚未見有應用實例，其原因可能是此類參數的在線監測儀表十分昂貴，特別是如硝酸鹽氮等在線監測儀表基本上得依賴于國外進口。因此，現階段這種控制方式在我國還難以實施。

1、解氧控制

　　生物池溶氧值的運行控制是污水處理廠中至為重要的環節，該運行控制品質的好壞，直接關系到出水質量和污水廠的能耗的高低。溶解氧控制的主要目標是：確保供氧量滿足有機物氧化分解過程動態變化的需要并且維持一個期望的混合液DO濃度；有效的控制氧氣的傳輸以最大限度的減小曝氣能耗；最大限度地減少實現這一目標所需的人力。
　　污水處理廠實行曝氣運行控制的益處在于降低運行成本。曝氣池中DO濃度持續不足可抑制生物活性，會在處理過程中產生一些問題，如污泥膨脹，絮凝效果差，抑制硝化作用。相反，過度曝氣會造成能量過度消耗。提高過程的可靠性、除氮效率、污泥可沉淀性及出水水質等都歸功于DO的控制。曝氣能量的消耗一般約占普通活性污泥法污水處理廠能源總需求的50%以上，曝氣過程有效的運行控制能大大節省能耗。
　　需氧量的變化使得操作人員很難手動控制空氣流速和空氣分配量，從而在整個處理過程中難以維持期望的混合液DO濃度值，即使對于設計得很好且有靈活曝氣系統的污水處理廠也是如此。因此，手動調節曝氣系統一般在空氣流量分配固定的情況下使用，通常是每周或每月調一兩次。手動調節空氣流量使其固定在一個足夠高的值上，以滿足峰值負荷期間的需氧量，但這樣卻導致了負荷降低期間不必要的昂貴的過量曝氣。
　　自動DO控制是曝氣系統運行控制的最佳方式，它可以最大限度地減小與曝氣不足或過量有關的運行問題，最大限度地減少曝氣能量消耗。一般來說，采用自動控制曝氣的方式節能可達25%～40%。
在生物反應過程中，溶解氧的變化率可用下式表示：
　　　　　　dc/dt =αKla（βCs- C）-γ
式中：dc/dt--溶解氧的變化率（mg/(Loh)）
　　　Kla--氧在清水中的總轉移系數（h-1）
　　　αKla--氧在污水中的總轉移系數（h-1）
　　　Cs--氧在清水中的溶解度（mg/L）
　　　βCs--氧在污水中的溶解度（mg/L）
　　　C--氧在污水中的實際濃度（mg/L）
　　　γ--生物池中氧的消耗速率（mg/(Loh)）
　　生化反應需氧量決定生物池中氧的消耗速率，如不考慮硝化作用，則碳化需氧量O2表示為：
　　　　　　O2 = aQ(So-Se)+bVX
式中：Q(So-Se)--基質去除量（kg/d）
　　　VX--微生物量（kg）
　　　a--常數（kg O2 /kg基質）
　　　b--常數（微生物內呼吸需氧率d-1）
　　當氧傳遞速率αKla （βCs - C）與耗氧速率γ相等，即傳氧與耗氧達到平衡時，dc/dt=0，溶解氧濃度保持相對穩定。當耗氧速率上升時，dc/dt<0，導致C下降，但C的下降使傳氧動力（βCs - C）增加，氧傳遞速率相應增加，直至氧傳遞速率與耗氧速率達到新的平衡，C停止下降。溶解氧又在一個較低水平上保持相對穩定。反之，當耗氧速率下降時，dc/dt>0，C和氧傳遞速率朝與上述相反的方向變化，直至氧傳遞速率與耗氧速率在較高的溶解氧水平上達到新的平衡。對于耗氧速率，由于生物反應池中微生物量相對穩定，因而進水流量和進水BOD5是導致耗氧速率變化的直接因素，BOD5目前尚不易實現連續在線監測，故不能得到Q(So-Se)的實時數據。因此，溶解氧濃度成為生化反應過程中氧傳遞速率和耗氧速率平衡狀況的關鍵指示值，也是曝氣控制的重要被調參數。基于上述氧傳遞原理，為最大程度的節約能源，對于推流式生物反應池，延其流向溶解氧可按梯度設定，即進入口附近溶解氧可以控制在最低水平，出水口附近溶解氧控制在2mg/l左右，以保證污泥良好的沉降特性，使出水水質穩定達標。而對于完全混合式生物反應池，也可分區域控制溶解氧的濃度，如奧貝爾氧化溝采用外、中、內溝溶解氧分別控制在0-1-2的范圍內。
　　對于溶解氧濃度的控制，由于其動態過程是非線性的、時變的、滯后的，因此在確定控制方案時應選擇理想控制和維持控制器的穩定性兩者之間的折中方案，即控制器在某種程度上不可調或斷續調節，以適應溶解氧變化的動態過程。
　　大中型城市污水處理廠多有數個生物池，根據工藝有兩種運行方式:
　　1）生物池的曝氣量分配不同，有不同的溶氧控制目標值，如采用AB法的海泊河污水處理廠，由于鼓風機輸出氣量不能平均分配，需要在輸氣管道出口安裝電動閥來調節氣量的分配。運行控制采用2個獨立的調節回路，1個調節回路是根據DO的變化調節相應管路的風量閥門，另1個調節回路是根據管道壓力變化來調節鼓風機進口導葉片或出口擴壓器葉片。其控制系統簡圖如下所示。

　　實地測量海泊河污水處理廠生物池在各種不同控制條件下的數據，結果表明，只有在調節閥門之后根據總管壓力調節擴壓器葉片，鼓風機能耗才能保持最小，所以最經濟的方法是盡量開大閥門以減少管道的損耗，以調節擴壓器葉片調節風量為主，閥門開度調節為輔。
　　2）生物池的運行條件完全一樣，也有同樣的溶解氧控制目標值，如李村河污水處理廠。這種情況從原理上講應平均分配氣量，雖然在實際運行中，各個生物池的運行狀態不可能完全一樣，各個池子的溶氧值有一些差異，但是由于差異比較小，而且變化和擾動情況相似，可以采用手動閥門，在污水處理廠運行初期人工調節氣量的分配，以獲得調節經驗，穩定運行后，閥門開度基本可以固定下來，這樣可以降低成本減少運行控制的復雜程度。其控制系統簡圖如下所示。

　　如前面對鼓風機的分析中所述，出口節流是經濟性最差的方案，但是在第一種請況下，為了滿足氣量分配的要求又必須采用出口節流。設計適合這種工藝條件的控制系統時，要盡量減少閥門阻力，盡量保持閥門閥門開度量大，以減小鼓風機的功率損耗。此外，為防止發生喘振，也應控制閥門的開度，防止閥門開度過小，流量減小，會使鼓風機性能工況點移到喘振區。控制系統應考慮下面三種情況：
　　1）所有生物池的溶氧值均偏高。這時應調節鼓風機的導葉片，降低風量。如果此時有多臺鼓風機在運行，應調節累計運行時間長的兩臺鼓風機的導葉片，使其流量降低，當這兩臺鼓風機流量之和再加上一預先設定值后小于單臺鼓風機氣量時，關閉運行時間最長的鼓風機。設定值的作用是設置了一個緩沖區，以避免鼓風機的頻繁啟停。
　　2）生物池的溶氧值有的偏高，有的偏低。這時應先根據溶氧值調節出口閥門，進行氣量的重新分配，鼓風機則根據空氣總管的壓力調節導葉片，以維持總管壓力的穩定，如果閥門開度均已達到最大，而溶氧值還未達到目標，則應調節鼓風機導葉片增加鼓風機的流量。
　　3）所有生物池的溶氧值均偏低。這時應逐步增加閥門的開度，減小管網阻力，當閥門開度達到最大時，溶氧值還未達標，則應調節鼓風機的導葉片增加流量。如果在設定時間內，溶氧值還未達標，應增加開啟一臺鼓風機。此設定時間為溶解氧測量系統的時間常數，一般約為10分鐘到半小時。
　　由于溶氧值測量存在滯后，溶氧值的控制目標值不應設定為一固定值，而應設定一個控制死區，例如，當期望的溶氧值是1.5mg/l時，可以設定溶氧值的控制區間為1.0mg/l-2.0mg/l，這樣可以使得鼓風機的啟停間隔時間延長，保護風機，節約電耗，但是控制效果會有一些下降。由于曝氣池的主要目的是保證生物的活性而且儀表測量本身有一定的不穩定性，只要死區設置得當，這種控制對曝氣效果的影響甚微。為了達到需要的溶氧值，測量溶氧值的溶氧儀的安裝位置應根據工藝選定，自控系統獲得的溶氧值最好是幾臺溶氧儀的平均值，以減少測量誤差。
　　導葉片和擴壓器的調節一般采用PID閉環控制。在確定的運行條件下，應該能夠找到一組最佳的控制參數。但是對于DO濃度控制，由于其動態過程是非線性的，隨時間、溫度、水質等參數變化，實現理想的控制需要隨時調節PID參數，參數不斷變化會和控制器的穩定性之間產生矛盾，所以固定PID參數，以便在較大的范圍內實現充分控制是比較好的方案。如果條件允許，可以根據運行情況的變化，在不同的時間，設置不同的控制參數，例如，為適應季節性DO濃度變化，可以在不同的季節設置不同的控制參數。
　　空氣管道出口閥門的調節如果采用PID調節，會使閥門的開度產生震蕩，從而影響到對鼓風機的調節。所以，閥門的調節以步進調節為好，步進的幅度宜小不宜大，宜慢不宜快，以配合溶解氧測定的速度。
　　溶氧控制系統需要設置的儀表：氣體流量計，壓力計，溫度計，溶氧儀。

2、風機的運行控制

　　曝氣系統中最為重要的是鼓風機的控制和空氣分配系統的控制，鼓風機是污水處理廠中的能耗大戶，其電耗占到全廠電耗的30% - 50%，如何提高鼓風機的運行效率、降低其能耗是一個重要的研究課題。鼓風機在工況點的效率并不完全取決于鼓風機本身，而是和整個曝氣系統密切相關。
　　污水處理廠污水處理量日均變化范圍大，亦即需氧量變化大，要求鼓風機的風量調節范圍寬，由于離心鼓風機適用于壓頭穩定、流量調節范圍寬的場合，所以污水處理廠通常采用離心鼓風機進行鼓風曝氣。離心鼓風機的調節控制方法主要有鼓風機出口節流調節、進口流量調節、鼓風機進口導葉片調節和出口擴壓器調節等方式，或幾種方式共同調節，如進口導葉片和出口擴壓器結合調節。下面根據海泊河污水處理廠實驗數據分析離心鼓風機的各種控制方法的機理：
　　1）出口節流：通過調節出口閥門開度，改變管網特性曲線，使鼓風機的工況點移動，從而達到調節氣量的工藝要求。
　　污水處理廠曝氣系統的管網性能曲線如圖3-2中曲線1所示，鼓風機的性能曲線由曲線3所示，曲線3和曲線1的交點s是鼓風機的工作點，相應的工況參數是Qs、Ps。如果通過關小管道出口閥門改變流量，這時管道的性能曲線由曲線1移到曲線2的位置，此時工況點是s‘點，相應工況參數是Qs‘、Ps‘，這里Qs‘< Qs、Ps‘>Ps，Ps‘- Ps的壓降消耗在由于關小閥門開度而增加的管道阻力上了，進入曝氣池的氣體壓力仍然為Ps，流量減小為Qs‘，從而達到了等壓調節的目的。

　　在海泊河現場測試中我們進行了出口閥門調節測試，從測試數據中可以看到，調節A池或B池任一池的出口閥門都會對另外一池的出氣量產生相當大的影響。例如在調節A池閥門時，閥門開度從15%到100%逐漸增大的情況下，A段氣量從1150Nm³/h增加到10560Nm³/h，但是B段氣量大幅下降，總風量下降達31%之多，總氣管的壓力因之下降5%。此時，鼓風機的電流和功率變化卻不大，可見調節出口閥門過程中鼓風機的效率下降較大。
　　理論分析和實驗數據充分說明雖然出口調節這種控制方法簡單，但是由于調整閥位增加了管道損耗，使得鼓風機能耗上升，效率下降，調節的經濟性較差。因此，這種調節方法僅適用于小功率的離心鼓風機控制，在大型污水處理廠的曝氣控制中也只能作為一種滿足工藝要求的輔助控制手段來使用。
　　2）進口節流：通過調節鼓風機進口節流閥門的開度來改變鼓風機的性能，以適應工藝對流量的要求。

　　調節進口節流閥會改變鼓風機的性能曲線，圖3-3中曲線1是節流閥全開時的性能曲線，這時進口壓力等于大氣壓，曲線2和曲線3是節流閥開度逐漸關小時鼓風機的性能曲線，它們的進口壓力都小于大氣壓。曲線k是在節流閥不同開度時鼓風機喘振點的連線。

　　圖3-4為鼓風機等壓力調節性能曲線。圖中曲線1是正常工作時的管網性能曲線，曲線2是進口節流閥全開時鼓風機的性能曲線，鼓風機的初始工作點是s，相應的工況參數是Qs、Ps，當管網阻力增加，管網特性曲線移到曲線3的位置，工況點為s‘‘，工況參數為Qs‘‘、Ps‘‘，此時Ps‘‘> Ps，由于是恒壓調節，所以關小進風口節流閥，鼓風機的性能曲線移到曲線4的位置，鼓風機的工況點變為s‘，工況參數為Qs‘、Ps‘，此時Ps‘=Ps，而流量變小。從而達到了等壓力變流量調節的目的。這種調節方法比較簡單，但效率會有所降低，較適合在投資較低的污水處理廠中使用。
　　使用進口節流調節要注意保持閥門后的氣流均勻流暢，以避免影響到后面壓縮機的工作，降低工作效率。
　　3）進口導葉片調節:進口導向控制組件裝配在鼓風機上，導向葉在鼓風機葉輪入口處呈輻射狀均勻分布，在氣體進入葉輪產生一定程度的預旋，在同一流量下改變鼓風機產生的能頭，從而改變鼓風機的性能曲線。
　　進口導葉片的功能就是使流經導葉片的氣體產生不同程度的旋轉，當產生正旋轉時，鼓風機性能曲線下移，能頭減少，壓比降低，流量下降；當產生負旋轉時，鼓風機性能曲線上移，能頭增加，壓比增大，流量增加。這樣，在鼓風機轉速不變的情況下，通過調節導葉片可以改變鼓風機的性能曲線。

　　圖3-5中曲線1是離心鼓風機無預旋(α=90°)時的性能曲線，調節進口導葉片，使進口氣流產生正旋轉時，得到性能曲線2、3，正預旋越大，機器的性能曲線越往下移，壓力和流量降低。如果進口導葉片反向轉動，進口氣流為負旋轉，則鼓風機產生的能頭增大，對應的曲線為2‘，位于無預旋曲線1的上方，壓力和流量都有一定的增加。
　　正預旋調節與進口節流調節相比有明顯的節能效果，經驗證明，進口氣流導葉片調節和進口節流調節相比，當流量減少 60%時比功率節省達16%到20%。使用正預旋調節時能在相當大的調節范圍內使鼓風機的效率無明顯的下降，并且能使鼓風機的喘振工況區流量變小，可以使壓縮機在較小的氣量下正常工作，而不會發生喘振。
　　4）擴壓器葉片調節：可調式出口擴壓器控制裝置安裝在鼓風機葉輪出氣口上，呈輻射狀分布。調節帶有擴壓器葉片的鼓風機的葉片的角度，可以改變擴壓器 的進口沖角氣流從而改變鼓風機的性能。
　　帶有葉片擴壓器的鼓風機與沒有葉片擴壓器的鼓風機相比，在設計工況點有較高的效率。由于擴壓器葉片對氣體的流動有較大影響，當氣流沖角小于擴壓器葉片的角度時，氣流與擴壓器葉片發生脫離，擴壓器內的壓力不能達到應有的提高。由于氣流沖角會隨氣體流量的減小而減小，容易造成喘振現象的過早發生。此時，減小擴壓器葉片的角度，可以使鼓風機的喘振點向小流量方向移動，避免喘振。

　　如圖3-6所示，當改變鼓風機擴壓器葉片角度時，相應的改變了葉片擴壓器的進口沖角從而使鼓風機的性能曲線左右移動，可以適應管網特性曲線的變化。從圖中可以看出當葉片擴壓器的角度減小時，鼓風機的性能曲線明顯的向小流量的方向移動，能量頭和效率值略有降低，附加的功率消耗很少，性能曲線類似于平移。因此，改變擴壓器葉片的角度，適應了鼓風機對流量變化的要求，并且由于氣體沖角變化不大，從而使氣體進入葉片擴壓器后基本上不產生氣體的脫離，可以擴大離心鼓風機的穩定工況范圍，而且效率的變化較小。這種控制方法適用于流量變化范圍大、壓力要求穩定的系統的調。
　　當需要單獨或同時調節鼓風機出口壓力時，擴壓器葉片調節就很有局限性了。而在需要穩定壓力，調節流量的污水處理廠的工況條件下，這種方式是比較適合的。由于技術水平的限制，我國目前還不能生產這種鼓風機。
　　海泊河測試數據表明，隨著擴壓器葉片開度的增加，鼓風機的電流和功率與鼓風機的總風量相對應呈線性上升。這說明鼓風機的效率基本是穩定的。雖然實驗數據中流量從26000Nm³/h減少到4400Nm³/h，為最大值的17%，而軸功率由100%減少到53.7%，功耗的下降小于流量的下降，但是很明顯這種調節方法的總效率與其他節流調節流量的方法相比要高的多。
　　國外大功率鼓風機有采用導葉片和擴壓器聯合控制的調節方式，具有以上兩種調節方式的優點，與兩個獨立的調節系統相比，能在更寬的流量調節范圍內保持較高的效率。

3、處理廠鼓風機的配置方式

　　大型城市污水處理廠需氧量大，往往需要幾臺鼓風機并聯運行，以提高送風量。這就需要研究鼓風機并聯時其性能曲線的變化。圖3-7為兩臺并聯運行的鼓風機工作曲線，其中中曲線3、4是并聯工作的第一臺和第二臺鼓風機，曲線5是并聯后的總性能曲線。曲線1是壓力容器的特性線，曲線2是普通管網的特性線。點a、b、c和點a‘、b‘、c‘是鼓風機在兩種條件下并聯后的工況點。從圖中可以看出：
　　1）并聯后鼓風機的工況點參數中，流量為在此種工況下兩臺鼓風機流量之和：Qc=Qa+Qb，Pc=Pa=Pb 和Qc‘=Qa‘+Qb‘，Pc‘=Pa‘=Pb‘。
　　2）鼓風機并聯工作時，每臺鼓風機的工況點與單獨工作時的工況點是不同的。由于流量增加，管網阻力也同時增加，每臺鼓風機在相同壓力下的流量要比并聯前小，所以并聯工作的總流量比每臺鼓風機單獨工作時的流量之和要小。
　　3）鼓風機并聯工作時，如果管網阻力增加，管網性能曲線上移，鼓風機曲線4達到喘振點，這說明，為了使并聯工作時鼓風機有較寬的穩定工況范圍，鼓風機Ⅱ的穩定工況范圍要盡可能大些。
　　4）當需要較大流量，一臺鼓風機不能滿足工藝要求時，或者流程中用氣量經常變動，可以把一臺作為主要鼓風機，另外一臺作為輔助鼓風機（在需氣量大時工作，在需氣量小的時候停機），這種情況適合鼓風機并聯工作。其控制原則是，只允許最少數量的鼓風機運轉來滿足風量的需求。在運行的幾臺鼓風機中平均分配負荷，以達到每臺鼓風機長時間高負荷運轉，保持最高的效率的目的。

　　通過對鼓風機各種控制方式的現場測試，取得的實驗數據與上述理論分析基本吻合。在投資情況許可的條件下，帶有葉片擴壓器和導葉片的鼓風機是較好的選擇，有良好的節約電耗和提高效率的效果。缺點是投資大，需引進外國設備。投資較少時，可以考慮采用進口節流或調節進口導葉片的方法，目前國內已能夠生產這種鼓風機。如果工藝要求不同的池段溶氧值的控制目標不同，再輔以調節出口閥門以滿足氣量的分配。