中信环境冶理（东源）有限公司
摘要：城镇污水处理厂生产运行管理的电费、药剂费、污泥运输及处置费、维护费中，其电费占比在35%左右。工艺控制过程控制是体现人为控制供氧量滞后性，存在节能降耗空间。随着信息化和大数据发展方向，拟构想依靠信息技术的自动化控制方式，来讨论研究过程控制之精确曝气的可行性。精确曝气的思路为需氧量与供氧量的平衡控制。
关键词：污水厂；精确曝气；PLC自动控制
一、设计规范对构想理念的技术支持基础
根据《GB 50014-2006（2014年版）室外排水设计规范》之6.8供氧设施：“6.8.2生物反应池中好氧区的污水需氧量，根据去除的五日生化需氧量、氨氮的硝化和除氮等要求，宜按下式计算：需氧量=0.001aQ（So-Se）-c&Xv+b[O.001Q（Nk•Nke）-0.12&XvJO.62b[0.001Q（N，-Nke-出）一0.12~XvJ（6.8.2）”
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根据《GB 50014-2006（2014年版）室外排水设计规范》之6.8供氧设施：“6.8.4鼓风曝气时，可按下式将标准状态下污水需氧量，换算为标准状态下的供气量。”
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二、分阶段性建模、持续完善。
2.1需氧量数据建模。
根据《室外排水设计规范》，污水处理需氧量=碳需氧量+氮需氧量-剩余污泥氧当量-反硝化回收氧量。能否将核心指标数据BOD、TKN，以COD、氨氮来换算代入计算需氧量数值：
①需氧量=进水处理量*[0.001*1.47（a值）*进出水BOD差值+0.001*4.57（b值）*进出水TKN差值]；
②需氧量=进水处理量*[0.001*1.47（a值）*进出水COD差值*B/C+0.001*4.57（b值）*进出水氨氮差值*占比%]；
③建立需氧量数据模型。因为COD、氨氮有化验室内部质检数据，进出水COD、氨氮、TP、TN在线监测仪表有设置且实时检测，可以引用数据，通过PLC模块读取模拟信号等方式来自动建模。
2.2供氧量数据建模。
根据鼓风机设备的特性，可以查阅设备的功能性曲线。如：鼓风机设备的功率、电压、电流、频率，现场的设备台数、电量（要有单独电表）。设备产品说明书有清水状态下，有用功曲线等资料。根据各污水厂纳污水质、水量的不同状态而是应用不同的功能性变化。同时，季度性变化、曝气系统状态均是一影响因素。
单台鼓风机不同运行频率下，其供氧量数值实验。如：鼓风机电流、电压、功率的数据，以散点图表观实际曲线关系。②多台鼓风机不同运行频率下，其供氧量曲线关联。
2.3需氧量与供氧量平衡控制建模。
根据两者供给平衡关系，形成数据区间、点对点的联接关系。通过PLC的信号，控制鼓风机运行频率。复核自动控制方式下，进出水质量数据变化、持续改进两个模型关系。有相关因素：①需氧量计算方式的修正；②供氧量计算方式的修正；③进出水质量变化下，出水质量稳定性，如：COD和氨氮稳定性；④电量、电费的前后变化；⑤设备的运行状态前后变化；⑥评估可行性及建议。
三、分析影响需氧量的计量因素
根据需氧量计算公式，录入某污水厂2020年度生产运行出水质量数据（因提标设施未运营，出水质量COD和氮指标采用一级B标准）。可以总结年度数据计算方式下，其影响需氧量计算的因素有：纳污水质BOD、COD、氨氮、TN指标，具体分析如下：
3.1理想状态下，计算需氧量与供氧量的两数据趋势相吻合。
理想状态下，计算需氧量与供氧量的两数据趋势相吻合，如下图：
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3.2整体需氧量与碳需氧量、氮需氧量的关系。
根据污水处理需氧量=碳需氧量+氮需氧量-剩余污泥氧当量-反硝化回收氧量的公式，整体需氧量与碳需氧量、氮需氧量的关系如下图所示。
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①图中氮需氧量大于整体需氧量，是因反硝化回收氧量部分影响。个人认为短程反硝化过程就是体现在需氧量差值范围内，此部分内容不细分析，因硝化反应是体现整体需氧量，而反硝化反应是生物脱氮主要过程，其并不为外在需氧。
②氮需氧量多寡是与纳污水质的氮含量关系最大。特别注意氮需氧量只与凯氏氮直接关系，而与硝酸盐氮并无直接关系。通俗来说，污水厂的TN、氨氮指标中，氮需氧量只与氮氨指标有直接关系；当纳污水体氨氮数据变化，相应氮需氧量随之变化。该种过程动态变化是人为巡查中难以做到精准变化。
③碳需氧量多寡是与纳污水质的BOD含量关系。特别注意碳需氧量与BOD直接关系，但BOD指标难以实现过程实时监测，通常采用COD指标来估算，即B/C可生化性指标评估方式。纵观污水厂在年度的COD数据变化规律，呈现季度性枯水期和丰水期变化、日常COD数据变化规律，呈现时间段的浓度变化。
在引用COD指标时，其存在客观问题为：B/C值稳定性取值、进水和出水在线COD仪表实时监测数据准确性。常规而言，BOD数据越高、碳需氧量相应提高。该数据建模时，需要考虑地区性、实际纳污水体状态、季度性和日常性变化。
④剩余污泥氧当量和反硝化回收氧量是为负需氧量。其一，剩余污泥氧当量的占比非常少，即是理想状态下每天需排出系统内剩余污泥量需氧量占比整体生化工艺系统的需氧量。其二，反硝化回收氧量占比是较前者多。详见附图：选取当日计算各分项氧量数据对比。
在反硝化回收氧量是相同引用进水总氮和凯氏氮、出水硝态氮的3个指标因素。通俗来说，该数据要求是生物脱氮要求，即在整体生化系统中对控制硝化反应与反硝化反应的要求。该分项指标是短程硝化反应研究方向，此处暂无能力分析。
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综合上述情况分析，在需氧量数据建模前，可对模拟数据录入初期建模数据套表，观察需氧量、氮需氧量、碳需氧量的3因素，其与风流量（热流量计）数据的线性关系、差异性。谋而后动，在构想中可分阶段性进行后台数据计算及分析、小试后台数据计算（摘取其2家污水厂的数据进行核算）、中试应用过程及修正。
①后台数据计算及分析。选择有代表性的纳污水质浓度符合设计范围中上浓度、纳污水质浓度符合设计范围低下浓度，采用《GB 50014-2006（2014年版）室外排水设计规范》之6.8供氧设施的计算公式，进行数据录入及结果反馈。参考污水厂电量数据、鼓风机电量数据、热流量计数据进行复核。
②小试后台数据计算及分析。摘取其2家污水厂的数据进行核算，在2家污水厂的摘取数据包括日常化验室内部质检报表、进出水在线监测仪表数据表、中控系统数据表（主要在鼓风机运行时间、频率，热流量计等数据）。这里就体现有2组不同主线路的需氧量计算结果及对比，第1为采用化验室内部质检数据形成需氧量计算方式及结果；第2为采用在线监测仪表数据形成需氧量计算方式及结果。根据2家污水厂实际生产运行台帐，观察实际供氧状态与之二者结果的差异性。
③中试应用过程及修正。这里的中试应用过程及修正是可分两个阶段，后台需氧量、供氧量两模型的后台中试应用。在计算方式及修正后，方进行实际中试应用。
四、分析影响供氧量的计量因素
理想状态供氧量的计量因素：氧利用率、曝气器出口绝对压力、曝气器到水面的距离、混合液中平均氧饱和度。上述4分项因素是标准供氧量的计算结果，再计算所需空气量（m3/min）。这个计算结果必定与实际生产运行管理的设施设备运行工况有差异，因此在供氧量模型中也相应有2套计算方式及结果。第1套为针对地域性不同而不恒定计算及修正值，如：南北方地区、南方地区的不同地级市、早晚温差大厂部等；第2套为针对各污水厂设施设备运行工况的状态，其高程、氧利用率等不同之计算及修正值，如：曝气系统选型不同、高程不同、供氧风机频率可调范围（相对负压）、一二期风机并联及控制方式、各风机实际供氧能力等。
4.1理想状态供氧量。
前期该项指标数据是无法跨过，因实际供氧量的建模所需时间长。该数据的参考值在于中间关联一主线，其横向对比需氧量数据、实际供氧量数据，纵向对比数据变化趋势与2者关系，特别与实际供氧量数据差异性。
4.2实际状态供氧量。
①实际供氧量建模数据是与鼓风机运行工况、曝气系统状态的2者直接关系。单一来分析鼓风机运行参数为运行频率、有效功、仪表反馈电流、频率、风量的数据；曝气系统状态的反馈信息为DO变化、风流量变化。
②鼓风机运行参数变化与之实际供氧量变化，其是多种组合及波动。假设生化系统的供氧风机为2用1备（此为上规模设置），则评估供氧风机单台及不同频率工况下，其有效功或风流量相应数据变化；两台共同运行及不同频率工况下，其有效功或风流量相应数据变化。一旦有一二期工艺系统且风机为可通用时，其组合程度更加重叠及多变。而该数据并不为恒定值，特别与纳污水量、日常维护等情况切实相关。故，鼓风机设施设备的供氧量建模才会更加困难及多变。
五、实际生产运行管理可行性论述
实际生产运行管理中能否实现供氧量与需氧量的匹配性过程调控，从技术层面进行论证。
5.1需氧量的云计算可行性
①污水厂采用进出水在线监测COD、氨氮仪表来建模，其碳需氧量数据偏差会大、氮需氧量数据较正常。污水厂在实际生产运行管理过程反馈信息，进出水在线监测COD仪表受纳污水体含固量影响非常大，而管路过滤器应用后数据低下而失真，则碳需氧量数据会偏差；进出水在线监测氨氮仪表受该影响较少，则氮需氧量数据会较为稳定。
②污水厂采用增设厌氧池、好氧池的上清液滤后检测COD、氨氮的2指标数据，从技术层面上进行保障数据不失真，则会对碳需氧量和氮需氧量的两组数据有利。
③BOD、TKN与实际检测COD、氨氮数据的修正关系。以实际检测COD、氨氮数据后，该数据并未能直接应用于云计算中。需要参考历年B/C、氨氮占总氮比（TKN未有历史数据情况下），进行折算。
④污水厂碳需氧量和氮需氧量同步云计算及部分云计算。参考各污水厂实际纳污水质、水量关系，在归避碳需氧量影响大基础上，可进行初步对氮需氧量云计算的数据建模。在纳污水质浓度不高的状态下，可选择设置相对恒定COD浓度，将实现对氮需氧量的精准控制。
5.2供氧量的云计算可行性。
①污水厂采用鼓风机运行参数为运行频率、有效功、仪表反馈电流、频率、风量的数据；曝气系统状态的反馈信息为DO变化、风流量变化；参考出水质量氨氮、COD指标变化来进行供氧量云计算及建模。
②污水厂根据上述数据进行数据关联，形成线性关系。供氧量需求与实际工况之鼓风机运行频率、台数的对应关系。
③鼓风机运行参数与供氧量对应模型确定。正常状态下，电流、频率与风流量计是正比关系。假设需氧量模型下、供氧量相应数据表现，则实际供氧量的所需空气量（m3/min）是会在后台寻找相应鼓风机运行状态下的电流、频率，用风流量计数据来界定。
5.3鼓风机设备自动控制。
①自控仪表设计说明设计要求。依据 DO的数值计算并发送运行信号给风机变频器，通过控制风机的运行台数及运行频率，调整风机转速，调节风机出风量，将溶解氧的测量值 DO的值控制在 2.0-2.5mg/L。实际生产运行管理中，该种方式并未能实现节省降耗目标。
②以需氧量、供氧量之建模方式，最终实现在生产运行管理中节省降耗目标。
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五、结束语
综上所述，污水处理厂在生产运行管理过程中，已是体现人为控制供氧量滞后性，是存在节能降耗空间。随着信息化和大数据发展方向，拟构想依靠信息技术的自动化控制方式，来讨论研究过程控制之精确曝气的可行性。精确曝气的思路：需氧量与供氧量的平衡控制。对需氧量、供氧量的数据分别建立模型，再通过需氧量的需求，通过PLC自动控制方式，实现鼓风机供氧量的调节供给，以达到精确曝气的目标。
参考文献：
[1]城镇污水处理厂节能降耗措施分析[J].王晓君. 山西农经.2018（07）
[2]浅谈精确曝气控制研究与应用现状[J].王硕，徐巧，李伟光，王艳红，李激. 环境科学与技术.2016（S2）
[3]中国城镇污水处理厂节能降耗研究进展[J].张安龙，谢飞，罗清，王先宝，马蕊，程丙军，任革健. 环境科学与技术.2018（S1）