鼓风曝气系统是污水处理厂运行的关键环节。曝气池的溶解氧(DO)控制不仅影响生化系统的出水水质,而且其风机运行能耗占全厂总能耗的30%以上,是节能减排关键系统。在污水生化处理工艺中,污水中存在DO会对厌、缺氧环境造成破坏,活性污泥在DO存在的条件下优先利用分子态氧进行反应,这对于反硝化菌脱氮反应造成阻碍,导致脱氮效果变差。所以当污水要进行脱氮和厌氧释磷前,都应尽量避免大量的DO存在或进入污水中。为保证总氮(TN)能够稳定达标,生物反应池应承担大部分的脱氮功能。在缺氧池可以适当增加外碳源的投加量,在生物反应池内将TN尽量降低,减少后置反硝化脱氮压力。生物反应池好氧区,需控制好曝气量,为氨氮的硝化提供充足的DO,确保氨氮的达标。因此,根据水质、水量的变化对生物反应池曝气系统进行高效控制,保证合理的DO需求兼顾鼓风曝气的能耗经济性是值得探索研究的。

苏州市某水质净化厂,其收水范围内覆盖部分工业废水,造成进水C/N值较低,需外加碳源量较大。针对上述进水水质特点,采用分段进水多段AO作为生化处理主工艺,辅以精确曝气系统,通过进水水质特点及水量的实时变化,对鼓风机曝气系统气量进行合理控制,以求在出水达标前提下,将DO控制在相对稳定的范围,降低运行成本及节省手动调节的人力投入[1]。此外,研究了基于稳定度的DO含量控制效果评价,结合曝气量能耗对其碳排放量进行核算评估,分析低碳运行效果。

1、总体设计

1.1设计进出水水质

苏州某水质净化厂现状设计规模为4×104m3/d,尾水排放标准执行国家一级A标准。扩建工程实施后污水总设计规模为8×104m3/d,设计出水优于“苏州特别排放限值”,设计进出水水质如表1所示。

表1 设计进出水水质of Influent

1.2污水处理工艺流程

本工程扩建的同时考虑一期工程同步提标,具体工艺流程如图1所示。

图1 污水处理厂工艺流程

2、生物反应池设计

2.1多段AO工艺

为最大程度降低脱氮和除磷对碳源的争夺,多段多级除磷脱氮工艺在传统AAO工艺基础上分级进水多段反应,在厌氧池前端增加了一个预缺氧池,污水分段进入生物反应池的多个缺氧区,使生物反应池形成多级AO串联,设计工艺流程如图2所示。

图2 多段AO工艺流程

污水经多段进入生反池缺氧区,充分利用污水中的内碳源,能够改善厌氧生物释磷及缺氧段反硝化脱氮对碳源需求,提高生物段运行的稳定性。生反池内好氧段污水经硝化后直接进入下一段的缺氧区,节省了内回流设备能耗[2]。

2.2生物反应池设计参数

污水处理主工艺生物反应池设计规模为8×104m3/d,分2座4组,单组规模为2×104m3/d。采用3段AO,每段进水量分配比例为6∶3∶1。设计外回流污泥质量浓度MLSS=8000mg/L,每段的污泥质量浓度计算如式(1)[2]。

其中:XR———回流污泥质量浓度,mg/L;

Xi———每段污泥质量浓度,mg / L;

R———外回流比;

Ri———进水分配比例。

按理论计算其一、二、三段AO池污泥质量浓度分别为5000、4210、4000mg/L。设计每一级缺氧反硝化速率Kde=0.029kgNOx/(kgMLSS·d-1)。

生物池总停留时间(HRT)为20h,每段HRT如表2所示,生物段的气水比设计值为7.8∶1,设计消化段泥龄为11.2d。本设计总反硝化率为78%(按计算生物反应池出水TN质量浓度为12mg/L计)。每段缺氧池均设置碳源投加点。

表2 生反池设计参数

2.3精确曝气系统及在线监测仪表布置设计

本工程配置单级离心鼓风机6台(4用2备),均采用变频控制,单台设计风量Q=110m3/min,风压为0.07MPa。为合理控制每段曝气区DO,在曝气干管上安装精确曝气电动线性调节阀及配套气体流量计。在线监测仪表设置为在每段好氧池中间段安装溶解氧仪,在缺氧段中间段设置氧化还原电位(ORP)仪,监测缺氧环境。精确曝气控制系统采用“前馈补偿-多参数串级控制”方式,主要控制优化策略为:第一级前馈控制,根据进水参数调整;第二级DO在线监测反馈控制,实时优化;第三级风机反馈控制,进出导叶开度变频调整[2]。

2.4鼓风机的选型设计

精确曝气控制系统需通过风机进行风量调节和控制,本项目现状采用的是罗茨风机,扩建工程改用为单级离心高速鼓风机(豪顿品牌),对鼓风机性能作如下对比后选用单级离心鼓风机(表3)。

表3 不同鼓风机性能对比

2.5曝气管选型、布置及精确曝气阀选型设计

2.5.1主干管布置设计

二期扩建工程主干管管径按DN500～DN300逐级敷设,干管风速约为9.2m/s,东西两座生物反应池空气主干管呈对称布置,布置如图3所示。

图3 进水分区控制及仪表阀门配置

2.5.2曝气器的选型

曝气器是鼓风曝气系统中的主要设备,运行过程中的维护和保养工作量较大,寿命也短,曝气器的优劣是决定曝气系统运行好坏的关键。从材质上分曝气器有刚玉、橡胶膜式、尼龙和工程塑料四类。

现状一期生反池采用管式曝气器进行曝气,由于运行年代久远,曝气管膜片堵塞,不仅造成风机经常喘振,而且造成电耗增加。本次对曝气管进行更换。对常用的橡胶膜式和刚玉曝气器的性能做如下对比后选择橡胶膜式曝气器(表4)。

表4 不同曝气器性能比较

2.5.3曝气管设计

曝气管成条形枝状布置,由支承管、布气层和连接件3部分组成,曝气管直径为65mm,单根曝气管长度为1000mm,单根通气量为5m3/h。3段好氧区的曝气管按照前密后疏的原则布置,每根立管均设置调节阀,对各区域进行气量分配控制。

沿支承管长度方向布置通气孔,配套的支承管和布气层之间有5～7mm的间隙,沿着曝气管的长度方向重新分配空气和均匀空气流量,降低空气通过布气层的压力损失,提高截留灰尘的容量,保证了曝气的高效率和最小的能耗成本。

2.5.4空气调节阀选用

本项目采用冰得空气调节阀,通过线型空气调节阀在大开度下实现良好的风量调节,开度调节在80%～85%,极大地减少过阀压损,防止鼓风机背压过高,精确曝气控制阀调节布置如图4所示。

2.6精确碳源加药系统

多段AO工艺是将污水分多段进入生物池内的厌氧区、缺氧区、兼氧区和好氧区,使污水中的碳源有选择地供给不同功能区,优先用于厌氧释磷和反硝化脱氮等,可有效节省碳源,但在进水水质波动情况下,碳源问题依然不同程度的存在。根据图2多段AO工艺所示,本工程生物反应池的厌、缺氧段每一段碳源投加量均不相同。碳源投加点位置共计有6处。现状水质净化厂碳源投加系统为手动投加,为粗放式控制,流量无法精确计量。本次在现状投加系统增加流量计及电磁阀,并将信号接入中控,用以远程精确控制碳源投加量。

图4 精确曝气调节阀布置

2.7优化DO目标设定值及数据分析方法

2.7.1 DO设定值

“苏州特别排放限值”中对水质净水厂出水氨氮排放标准有严格的控制要求。因此,对待生物段每段DO目标值设定需结合实际经验调节。精确曝气控制系统采取多参数控制的“前馈-反馈-模型”手段,依托水量负荷、水质特点、DO、风量、风压等一系列在线实时数据进行模拟计算,并对鼓风机启停与调节、阀门开合进行自动闭环控制进而实现按需曝气[2]。在各DO控制区设置不同的DO目标设定值作为模型参数进行调试,以出水氨氮达标限值为首要限制条件。为了合理设置各段DO值,在精确曝气系统投入调试后,根据进水水量和水质设置一系列的目标值,通过精确曝气系统供应商提供的模拟软件进行参数仿真计算,再结合污水厂多年运行经验,将各段DO设定值:c(DO)1=1.0mg/L,c2c33=2.0 mg/L。

2.7.2稳定度

DO稳定度是指控制的DO含量出现在设定值允许误差范围内的概率,用以表征控制系统对溶解度控制的精确程度。通常用D2、D5、D10分别表示DO的质量浓度落在[ρ(DO)S±0.2]mg/L、[ρ(DO)S±0.5]mg/L、[ρ(DO)S±1.0]mg/L的概率[3],如式(2)所示。

其中:Dx———DO的质量浓度波动±0.1mg/L时的稳定度[3];

P———发生概率;

ρ(DO)i———某一样本中第i个DO质量

浓度[3],mg/L;

ρ(DO)S———曝气系统设定的DO质量浓度[3],mg/L;

实际运行中DO控制的稳定度标准为:D2≥0.3,D5≥0.6,D10≥0.9[3]。

2.8其他主要构筑物设计

2.8.1粗格栅及进水泵房

进水泵房共设5台泵,其中2台大泵(流量Q=1 245m3/h,扬程H=13.5m,泵功率N=62k W),3台小泵(Q=763m3/h,H=13.5m,N=38k W),潜水泵2台,单台流量为1245m3/h,扬程为13.5m;粗格栅2套,栅条净距为15mm。

2.8.2细格栅井及旋流沉砂池

转鼓格栅机4套,栅距为5mm,安装角度为35°。

2.8.3二沉池

二沉池1座2组,每组4池,共8池,采用矩形周进周出沉淀池形式,高峰流量时设计表面负荷为1.48m3/(m2·h)。

2.8.4反硝化滤池

反硝化滤池1座8组,平均滤速为5.54m/h,强制滤速为6.33m/h,滤料厚度为2.1m,单格池子每隔24～48h反冲洗一次。

2.8.5气浮池

气浮池1座5组,接触区上升流速为60～70m3/(m2·h),分离区向下流速为20m3/(m2·h),溶气压力为0.35～0.4MPa,回流比为15%。

2.8.6紫外消毒

紫外消毒系统2套,灯管组件11套,灯管数量88根。

2.8.7鼓风机房

配备单级离心鼓风机6套,4用2备,Q=110m3/min,H=0.075 MPa。

2.8.8储泥池

设计停留时间为6h,有效水深为4.0m。

2.8.9脱水机房

离心脱水机3台,2用1备,单套规格Q=40m3/h,N=(30+11)k W,转鼓转速为3250r/min,干固体处理量Q=600kg/h,进料污泥含固率0.8%。

2.8.10除臭系统

对生反池区、污泥处理的构筑物进行加盖并收集臭气,并对预处理区室内、污泥浓缩脱水机房进行封闭,并送离子新风。

3、应用效果分析

3.1运行效果

目前水质净化厂已完成调试通水运行,经长期监测,实际出水水质完全优于设计标准值。实际进出水水质如表5所示。

表5 实际进出水水质

本次工程调试在未启动反硝化深床滤池前提下,在生物反应池前置反硝化阶段达标排放,精确曝气系统的调试对前置反硝化阶段溶解氧控制起到明显作用,在保证有机物降解的同时极大地提高了脱氮效果。

3.2 DO控制分析

3.2.1 DO质量浓度分析

在实施精确曝气控制系统工程后,生化池DO根据需要自动进行调整,基本保持了生化池DO的稳定。生化池好氧段DO以2min为周期,一周的变化趋势如图5～图7所示,生化池三段好氧区DO基本维持在设定值范围内波动,基本实现了DO的稳定控制。

3.2.2稳定度分析

作为样本总数的在线DO值大于5000个,统计分析新建生物反应池西池DO的稳定度,结果见表6。

图5 1 段好氧区 DO 控制与实测变化

由表6可知,将一周记录的DO含量数据进行统计分析,精确曝气控制时,D2接近70%及以上。D5和D10完全处于94%及以上的水平。经统计分析,各段DO控制效果优于定量评价标准的要求。

3.2.3能耗分析

本设计在使用精确曝气后,单位水量鼓风机电耗在0.092kW·h/m3,通过统计全厂电耗分析(图8),本设计全厂单位水量电耗在0.37k W·h/m3,(扣除除臭电耗约为0.34k W·h/m3),而原厂传统曝气控制模式能耗在0.38k W·h/m3,节能率约为10%。

本工程加强负载管理,满足工艺要求的前提下要使负载降至最低,本次采用精确曝气系统,节能的核心是在保证出水达标的前提下,按需提供微生物所需的DO,达到供需平衡,避免曝气能耗的浪费。

图6 2段好氧区DO控制与实测变化

图7 3段好氧区DO控制与实测变化

图8 精确曝气全厂用电能耗与鼓风机用电能耗

表6 二期生化池的DO稳定度统计结果

4、碳减排分析

污水处理过程实际就是碳排放的过程,污水处理行业的碳排放量约占全社会总排放量的1%,在环保产业中占比最大。

根据政府间气候变化专门委员会(IntergovernMentalPanelonClimateChange,IPCC)的规定,水质净化厂中碳排放可分为直接碳排放和间接碳排放[5]。直接碳排放主要来自生物反应过程中温室气体的逸散[4]。间接碳排放是指设备运行中能耗、药剂产生温室气体的排放[5-7]。从能量转化的角度来说,传统污水处理模式本质是以能耗换水质。为了减少水污染,使用大量电能,间接产生大量二氧化碳排放,对生态环境造成负面影响。

本设计基于精确控制系统优化,以减少电耗的方式实现间接碳减排。除此之外,本工程将光伏技术应用在污水厂,在污水厂水池上空,利用柔性悬索光伏支架系统技术优势,建设光伏电站,总面积约为2.5万m2,预计年均发电量可达300万k W·h,可满足污水厂约56%的用电需求,实现“光伏+水务”新的能源效益。

4.1光伏布置设计

柔性支架是一种预应力自适应支撑体系,由索网、支撑系统、锚定系统等组成,通过将光伏组件固定在张紧于两柱间的钢绞线上的方式来简化组件支撑系统,利用张紧的钢绞线的轴向拉力抵抗组件自重、雪荷载和风荷载。

在污水厂水池主要构筑物(生反池及二沉池)上部通过悬、拉、挂、撑四大安装方法,实现上、下、左、右各方向的自由架设,有效增加板下空间,避免对污水处理设备运行检修的影响。整厂共安装5663块550W高效单晶硅光伏组件。

4.2碳排放计算

以下是通过计算得出污水厂分项碳减排量(表7)。

表7 碳减排汇总

4.3碳减排结论

本设计的污水厂光伏及智能控制每天实现碳减排0.109kgCO2/m3,每年减排3182tCO2以及其他大气污染物,相当于种植17万棵树,减污降碳取得显著效益,促进水质净化厂循环发展与绿色转型。

5、结论

苏州某水质净水厂提标扩建项目以分段进水多段AO工艺为研究对象,通过精确曝气控制系统+光伏的应用,稳定了溶氧的控制,实现水质净化厂节能降耗的目标,所得结论如下。

(1)针对进水低C/N的水质,分段进水多段AO工艺,能充分利用来水碳源,节省内回流设备的能耗,提高了脱氮效率。

(2)精确曝气控制系统能够对曝气区溶解氧有效控制,稳定度D5和D10完全处于94%及以上的水平,电耗节能率约达10%。

净水厂引入光伏能源替代,可进一步节省电耗,在“碳达峰、碳中和”的背景下,“光伏+水务”的模式势必激发新的活力。

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[3]王世平,王艺霖. A2/O中精确曝气控制的节能分析与评估[J].水处理技术, 2016, 42(11):113-117.

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基金资助:上海市扬帆计划资助(21YF1443900);

文章来源:顾潇.“精确曝气控制系统+光伏”在低碳污水厂中的应用[J].净水技术,2024,43(10):176-184.