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          冬奧會上顯身手,精準曝氣是什么"黑科技"?

          為努力踐行“綠色辦奧”理念,中國節能充分發揮主業優勢,承擔起冬奧會期間北京市部分固體廢棄物和污水的處理保障工作。中國節能所屬中環水務小湯山再生水廠與馬池口再生水廠利用精確曝氣系統、多段式A2O工藝等智慧水務手段提質降耗。此外,兩個水廠還利用污水源熱泵技術將蘊藏在污水中的低品位熱能提取出來,為廠區供暖。
          小湯山再生水廠采用精確曝氣系統,相對連續不間斷的傳統曝氣方式,同比節省約1/5的風機電能(約合1500kWh/日);采用精確曝氣系統,精準控制曝氣量,可有效保證冬奧期間的水質達標排放,提升周邊水體及生態環境質量。
          隨著國家對環保的重視,污水處理廠的監管也越來越嚴格了。很多時候, 為了確保出水水質的全面穩定達標,需實現對各項工藝控制參數進行精確控制,其中生物處理曝氣環節是一個非常關鍵的環節。
          在某種程度上,曝氣量的控制決定著整個系統對廢水的處理效果和污水處理廠能耗水平。因為曝氣量較小時將會抑制系統中的硝化反應,此外還會引起曝氣池中絲狀菌繁殖,導致污泥膨脹;而曝氣量較大時,不僅會使曝氣電耗,同時強烈的空氣攪拌還會打碎污泥絮體從而影響出水水質。此外,如果處理工藝有硝化液回流時,回流的硝化液也會把氧帶入缺氧區,從而影響反硝化效果。由于污水廠的進水水質和水溫等條件有較大的波動性,這也就要求我們應及時調整曝氣量,以應對這種變化,精確曝氣技術也因此受到了青睞。
          隨著污水處理廠在線監測儀表及相關技術設備性能提高,精確曝氣控制也是成為現實甚至取得了不錯的效果。根據小編查閱的資料顯示, 污水處理廠應用精確曝氣控制技術后不僅改善和穩定了出水水質,曝氣系統的能耗也降低了20%左右(不同資料數據可能有偏差,僅供參考)。接下來,小編就給大家詳細介紹一下精確曝氣技術。
          精準曝氣是什么“黑科技”?
          精準曝氣是污水處理廠由早期粗放式人工控制方式向現代精細化自動控制方式進階的產物。
          傳統活性污泥法已經在世界范圍內應用數百年,多位國內外權威專家多次提出并強調,需要深度挖掘百年活性污泥法工藝,實現生化處理工藝的最優控制與高效運行。
          精準曝氣的首要目標是保障生化處理工藝穩定運行以及出水穩定達標,進而達到鼓風曝氣系統的節能降耗和污水處理廠的運行成本降低。
          國際上早已提倡污水處理廠自動化和精細化管理與控制。精準曝氣是污水廠實現精細化管理的有效工具,需要通過鼓風機、曝氣設備以及精準曝氣系統等各方的共同努力。
          精準曝氣系統可以使各種復雜的供氣方案得以實現,如間歇曝氣、微量曝氣、正常曝 氣、溶解氧分布控制等;可以幫助污水處理廠實現工藝的精細調節,適應各種工藝,并能夠隨著工藝變化而調整;還可以根據當前需要的曝氣量,通知鼓風機主控進行風量調節,防止發生喘震等異常情況,節約鼓風機電耗。
          為什么要實現精準曝氣?
          精準曝氣是智慧水務的核心控制單元!
          污水處理廠在生物處理過程當中,如果曝氣量不足,會導致工藝運行惡化,出水水質排放超標;如果曝氣量過多,會導致高能耗,造成污水處理廠運行成本增加。因此,只有根據實際需求合理分配與精準調節各區域的曝氣量,才能保證污水處理廠高效和經濟運行。
          良好的污水處理工藝自動控制系統,既能保障污水處理廠設備連續穩定運行,又可實現節能降耗, 在工藝升級改造中得到關注和應用。精準曝氣控制系統是近年發展起來的一套較好控制鼓風曝氣的節能技術。
          我國污水處理廠的能耗主要是電耗,處理每噸污水耗電約0.2-0.3度,電費約占污水處理成本的50%-70%。在我國污水處理廠建設基礎上,通過現有設施的優化運營,存在提高出水水質、降低能耗物耗的巨大空間。截至2019年6月底,全國設市城市累計建成城市污水處理廠5000多座(不含鄉鎮污水處理廠和工業),污水處理能力達2.1億立方米/日。
          按我國污水處理廠每年處理500億噸污水來計算,如果能夠節省20%的能耗,這就能夠為國家節約約30億度電。在目前國家大力提倡節能降耗的背景下,污水處理廠的節能降耗具有重大意義。
          我國約有一半的污水處理廠采用氧化溝和AAO工藝,越來越多的AAO變形的工藝呈現上升的趨勢。鼓風曝氣的能耗占污水廠總能耗的51%左右。因此,實現曝氣系統的節能運行是污水廠節能的關鍵。
          曝氣過量直接造成電能浪費,并且溶解氧通過內回流被帶到缺氧區影響反硝化的效果,溶解氧通過外回流被帶到厭氧區影響厭氧釋磷的過程。
          曝氣量不足,影響生化池中微生物活性,可能影響出水水質;還可能造成二沉池中發生反硝化,污泥上浮,影響出水。
          精準曝氣系統既能保障污水處理廠設備連續穩定運行,又可實現節能降耗。
          曝氣過程涉及兩個步驟: 一是氧氣的擴散和溶解。在鼓風曝氣系統中主要體現為空氣從曝氣池底部的曝氣頭釋放后,空氣中的氧氣從氣相向液相中轉移。二是溶解氧的利用和消耗。這個過程綜合了好氧處理過程的有機碳去除過程、生物脫氮、生物除磷等,是由多個過程綜合作用的結果。
          活性污泥法的曝氣過程是為去除有機碳、硝化、吸磷等過程提供適宜的溶解氧,以促進三種生化反應的正常進行。曝氣流量控制的目標就是是形成穩定的溶解氧條件,為微生物生長與污染物降解建立一個動態平衡和可靠的生存環境。這一動態平衡過程的實質,就是使總氧轉移速率近似等于總耗氧速率。由于污水廠的進水水質和水量是變化的,在特定的時間段內其耗氧量也是變化的,只有使該時段內的供氧量和耗氧量相均衡,才能保證處理環境的穩定,保證出水水質。
          精確曝氣技術原理和特點
          目前國內很多污水處理廠對于曝氣的控制還停留在手動控制的基礎上,一般是操作人員根據經驗通過開啟和關閉一定數量的鼓風機和曝氣器來調節溶解氧。一旦運行情況發生變化,就需要操作人員反復調試,如果調整不及時不僅影響了處理效果而且增加了曝氣電耗。
          精確曝氣是通過在線儀表實時采集溶解氧、水量、氣量和鼓風機壓力、功率等信號,然后通過內置的智能化控制系統計算實時需氧量,再通過控制系統控制鼓風機、閥門的開度,動態調整供應氣量,使其氣水比接近理論氣水比,做到按需供氣。精確曝氣可以使生物系統運行和出水水質更加穩定,同時比人工控制更加節能。
          傳統的鼓風曝氣機存在如下不足:
          由于時間延遲,即從開始曝氣到池內溶解氧DO變化需要一段時間,這就容易造成DO的控制波動很大;
          耗能高。為了保證安全運行,生物池DO值只能保持在較高的數值上,造成了過大的曝氣量的浪費。
          而與傳統曝氣方式相比,精確曝氣具有如下特點:
          穩定地控制生物池中的溶解氧濃度??刂凭瓤蓛灮诠に囈蟮娜芙庋踉O定值的±0.5mg/L,提高生化處理效率,提高達標率。
          解決生物池曝氣不均衡的問題。合理的分配氣量,大大減少了閥門及鼓風機的調節頻率,控制鼓風機在穩定的功率下供氣,保障曝氣系統的安全穩定運行。
          提高污水廠的自動化水平,實現污水廠最重要過程參數溶解氧濃度的可控,保證實施運行后完全實現自動化控制。
          縮短污水處理廠的工藝運行調節時間。
          顯著提高污水處理廠的抗負荷沖擊能力。
          降低污水廠工作人員的勞動強度,提高污水廠的運行效率。
          精確曝氣技術分類和應用
          目前比較成熟的精確控制技術可以分為兩種:“前饋+反饋+生物處理模塊”和“反饋調節+性能優越的硬件系統”。
          1、前饋+反饋+生物處理模塊
          這種控制方式是以國際水協的活性污泥模型為基礎,根據污水廠歷史運行數據和在線儀表檢測到的水質水量的變化,預測曝氣池所需的曝氣量,再結合曝氣池中實際溶解氧、水溫、MLSS及水壓等指標,來調節空氣流量分配和鼓風機風量。
          該控制模式較為完美,但需要采集較多的指標,對儀表的性能穩定性有較高的要求,并且生物模塊也難以準確地預測曝氣池所需供氣量。
          2、反饋調節+性能優越的硬件系統
          該控制模式省去前饋和生物處理模塊,解決了對在線儀表過多依賴和生物模塊的準確度問題。但是該系統需要較高的對閥門和鼓風機的控制能力,即該系統要能在較短的時間內將閥門的開度和鼓風機的風量調整到能滿足水質變化后曝氣池所需的供氣量和節能的目的。
          3、精確曝氣技術的具體應用
          白龍港污水處理廠作為一座特大型污水處理廠,設計處理規模為280萬m3/d,一級A提標結束后,廠內共有42條生物處理線,面對如此眾多的生產線,手動控制溶解氧顯然不現實。
          基于前饋/生物處理模塊/反饋的精確曝氣技術需要多種儀表協同工作,而白龍港污水處理廠生產線眾多,如果儀表精度差,那么控制效果不能穩定保證,因此白龍港污水處理廠選擇基于末端DO控制方式同時搭配流量計和空氣閥門的VACOMASS精確曝氣控制系統,經過近一年的試運行,控制效果比較理想,末端溶解氧可以穩定控制在設定范圍內,同時極大地減輕了人工調整的負擔,這種技術具有一定的節能效果。
          精確曝氣控制依舊存在難點
          實施精確曝氣雖然有不同的策略,在工程實際中也有一定的應用。但是,從整體來看對污水處理廠的精確曝氣控制還存在如下儀器設備和技術上的問題:
          1、設備硬件和維護要求較高
          精確曝氣系統需要配備閥門和溶解氧測定儀、氣體流量計、水流量計等儀表,其控制精度要求較高,若控制系統調節后的曝氣量不能與理論需要的曝氣量一致,則容易造成出水水質超標。
          隨著運行時間延長,閥門和儀表可能出現較大偏差,需要頻繁校正,同時精確曝氣系統需要定期維護,因此對從業人員的技術要求較高,其需要具備一定的儀表自動化知識。
          2、無法實現空氣量精確匹配
          大部分精確曝氣系統需要通過儀表采集的數據進行反饋,然后調整空氣閥門,而大部分空氣閥門調節存在一定誤差,同時儀表也存在較大的誤差,導致實際計算的氣量可能與理論氣量相差較大,難以精確提供空氣量。
          當空氣管路由一路主管細分成多路支管時,調整其中一路的閥門,其他支路曝氣量往往會出現較大變化,導致其他系統需要連鎖調整。
          3、難以建立生物曝氣系統的精確數學模型
          由于進水水量、水質為隨機變量,其外部環境具有許多不確定因素,因此難以建立曝氣生物系統的精確數學模型,也就難以準確地預測下一周期需氣量。
          4、在線監測儀表的監測和閥門、鼓風機控制調節的滯后性
          水質在線測定儀如在線DO儀,在對溶解氧測定的過程是需要一定時間的,而好氧池的水體又是不斷流動的,這就造成了監測數據的滯后性。與此同時,控制系統對閥門、鼓風機的調節也不是瞬時完成的,這也形成了一定滯后性。
          這些滯后程度還會產生一定的累加效應,如果滯后過大溶解氧就會產生較大的波動,曝氣控制精確的程度大打折扣。解決這一問題不僅要開發出性能更好的在線監測儀表、閥門和鼓風機,還需要對控制系統的程序進一步優化。
          曝氣控制的兩大要點:
          曝氣控制是廢水生物處理工藝中重要的控制變量,在一定程度上決定著出水水質和污水廠能耗水平。但是,目前限于技術水平和設備的性能的制約,現有的精確曝氣控制系統很難完美地長時間的實現精確曝氣。但隨著相關儀器設備,如在線DO、氨氮、空氣流量計、空氣閥門、曝氣設備等性能的不斷提高,精確曝氣控制的精確程度將會有很大的突破。
          目前,在配備精確曝氣系統污水處理廠中,為充分發揮曝氣控制的性能,可以從兩方面著手:
          ①要加強對工藝管理人員的系統培訓。工藝管理人員除掌握基本操作以外,還應熟悉控制系統的原理、細節,在完成系統日常維護的同時能對系統進行一定的調整;
          ②加強對在線儀表、設備的維護。在線儀表的準確性是控制系統控制效果的前提,閥門、鼓風機及曝氣器(盤)的性能穩定的發揮對控制效果也極為關鍵,出現問題應能及時解決。

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