摘要：本文以竹園第二污水處理廠工程為載體，介紹了以國際水協ASM2D為基礎建立的活性污泥模型即A/O生物池曝氣優化控制系統在污水處理中的應用。突出了A/O生物池曝氣優化控制系統在節能等方面所體現出的優越性，為在污水處理廠中實現節能減排提供了一種新的思路。

Abstract：This paper takes Zhuyuan No. 2 Sewage Treatment Plant works as a carrier, introduced by the International Water Association ASM2D basis for the establishment of the activated sludge model that the A/O optimization biological pond aeration control system in wastewater treatment applications. Highlights of A/O biological pond aeration system in optimal control and energy-saving demonstrated by the superiority of the sewage treatment plants to achieve energy-saving reduction provides a new line of thought.

關鍵詞：A/O生物池 曝氣優化控制系統 活性污泥模型

Keyword： A/O biological pond Aeration Optimization Control System

Activated Sludge Model

一、前言

　　由于居民生活習慣的差異，季節的交替使污水處理廠的進水水質和水量晝夜不斷變化，很難達到穩態操作。一旦污泥生物活性或沉降性能發生變化，需要很長的時間才能恢復正常。這不但造成了污水處理的效率低下，處理效果的不穩定，還造成了一些處理設施及能耗的浪費，因此污水處理過程迫切需要新技術的應用。

　　隨著城市污水處理廠工藝模型的發展，尤其是活性污泥模型的發展，為污水處理廠工藝優化改造、工藝設計提供了一個很好的平臺。利用成熟的活性污泥模型可以對各種污水處理工藝方案進行比較，對現有的運行工藝進行優化，指導污水處理廠的運行，從而能達到預期的排放目標并可以節省曝氣量，減少運行能耗費用。

　　計算機系統和各類分析檢測儀表在功能和可靠性上的持續發展，提供了很好的機遇，使這些組件能集成到一個自動化的污水處理設施中。通過使用在線校準模擬程序來動態地優化曝氣系統，當污水流過處理設施時，在線校準模擬程序利用實時監測獲得的水質數據進行工作。生物池曝氣優化控制系統不僅提高了污水廠的處理能力，改善了處理工藝的出水水質，同時也節省了污水廠運行和維護的費用。

二、工程簡介

1、工程概述

　　竹園第二污水處理廠選址在長江竹園地區，城市污水處理廠發展備用地內，在原合流一期輸水箱涵的南側、沿塘路的西側、規劃航津路的北側、黃洞港的東側，污水廠設計規模為50萬m³/d，占地面積約29.66ha，污水處理為二級生物處理。

2、污水處理工藝

　　竹園第二污水處理廠采用改良的A/O脫氮工藝，即從好氧池中后部引出一根出流管，與好氧池末端的出流液匯合后進入折流式沉淀池。池中后部出流的混合液在好氧池內停留時間較短，泥齡較短，沒有發生硝化反應，從池末出流的混合液在好氧池中停留時間較長，泥齡較長，達到完全硝化，實現了NH₃-N的部分硝化，二股出流混合后，即能達到NH₃-N的排放標準。

　　由于出水及污泥含有部分硝化后的硝態氮，需設置缺氧池，將完全硝化的這部分混合液回流至缺氧池進行反硝化脫氮，由于只反硝化經完全硝化的那部分混合液，降低了反硝化量，縮小了缺氧池池容，實現了部分硝化。這樣既可改善污泥的沉淀性能，還能得到一部分氧的補償，有利于節能。

　　由于該工藝為一種改良型工藝，故在工程設計時需有一定的靈活性，在厭氧池及缺氧池設計時要考慮切換功能。考慮到現狀進水BOD 可能濃度過低及進水中TP的波動，僅通過細胞同化作用可能還不能去除足夠的磷致使出水TP無法達標排放，可將混合液回流至缺氧池中后段并減少回流量，將上述缺氧池前后分為厭氧池及部分缺氧池使用。通過內回流系統的切換，將缺氧池分為厭氧池及部分缺氧池，使該改良工藝方便地按常規A²/O脫氮除磷工藝模式運行。為了兼顧不硝化及完全硝化，該工藝的污泥齡在不硝化部分為4d，完全硝化部分為10d。本工程綜合總泥齡為10.1d，MLSS=3000mg/l，污泥回流比75％，部分反硝化內回流130％～200％。

改良型A/O生物脫氮工藝流程圖

三、A/O生物池曝氣優化控制系統

1、系統描述

　　竹園第二污水處理廠A/O生物池曝氣優化控制系統包括在線檢測儀表和活性污泥模擬系統。在線檢測儀表安裝在A/O生物池，監測生物池內的曝氣狀況和水質變化，從而反映出活性污泥性能，主要有DO檢測儀、SS檢測儀、在線氨氮(NH₃-N)硝態氮(NO₃-N)綜合分析儀組成。在線活性污泥模擬系統內嵌于置于中央控制室的A/O生物池曝氣量控制工作站，系統通過中控室以太環網獲得污水處理廠的污水排放目標值及相關的在線儀表數據后，計算出生物反應池最優化控制參數，包括曝氣池溶解氧DO控制值、內回流IRQ、外回流、排泥量WAS、曝氣池鼓風量等，然后由中央控制系統通過現場控制站實現這些最優化參數的控制。

　　A/O生物池曝氣優化控制系統以污水廠每天進水的水質、水量動態變量進行動態在線計算(檢測計算周期為15min)，實現對整個生物反應池的水力和活性污泥反應的在線模擬，包括碳氧化、氨氮硝化，硝酸鹽反硝化的在線模擬，從而給出最優化的污水廠處理運行操作條件。過程控制軟件專為污水處理廠設計，應符合污水廠處理工藝，該控制系統應具有應用時間越長，積累數據越多，在線計算越準確，具有自我學習功能，具有工藝運行預警作用和幫助工藝恢復作用，能增加污水廠處理量和節省基建費用。

2、系統功能

　　A/O生物池曝氣優化控制系統軟件應用水力和生物模型對硝化、反硝化進行在線模擬，從而給出優化的操作條件。系統主要功能概述如下：

　　a、模型以國際水協ASM2D為基礎，數據來源為工藝SCADA數據(包括進水量、溫度從、COD等)、化驗室分析數據，生物池在線分析儀器，進行活性污泥模型在線模擬，給出生物反應池的最優化控制參數。

　　b、系統給出的最優化參數包括生物反應池各個控制區的溶解氧DO控制目標值、內回流IRQ控制目標值、外回流RAS和排泥量WAS的控制目標值等。

　　c、系統給出的最優化參數目標值的頻率應達到15min，其中DO給出的控制目標值精度范圍在±0.3mg/L，IRQ精度范圍在±10％。

　　d、系統根據進水流量和進水污染物濃度實時計算出的各個好氧控制區的溶解氧濃度分布，能保證適度的碳氧化及氨氮硝化反應，既能達到排放標準要求，又可降低曝氣量。

　　e、系統計算出的IRQ控制目標值既能滿足反硝化脫氮目標，又能充分利用硝酸鹽中的氧，降低曝氣能耗，另外，還可防止沉淀池硝酸鹽濃度過高，反硝化后氮氣逐出，影響沉降效果。

　　f、系統根據混合液濃度，進出水流量和污泥性質實時優化排泥過程。

　　g、系統還具有處理工藝預警功能、處理工藝恢復協助功能、數據存儲功能等。

　　h、控制主系統軟件安裝在中央中控室內曝氣量控制工作站內。

　　根據該系統給出的最優化參數包括生物反應池各個控制區的溶解氧DO控制目標值、內回流IRQ控制目標值、外回流RAS和排泥量WAS的控制目標值，在中央計算機軟件正常運行的過程中，通過控制環境及控制系統的仿真模擬，計算出在鼓風機總管壓力恒定不變的條件下，鼓風機最合適最合理的供氣量及A/O生物池內各個曝氣干管上電動調節閥的開啟度。綜合所有控制回路的實際空氣流量信號及閥位信號，通過精確計算，給出一個最低所需的壓力設定，來重新調整鼓風機的操作壓力（調節出口導葉），以達到按實際所需供應空氣的目的。

3、系統組成

　　根據竹園第二污水處理廠的工藝，土建，機械設備，進出水水質，水量等參數和要求，以國際水協ASM2D模型為基礎，使用GPS－X開發軟件，建立其設計工藝的活性污泥模型。這部分工作是模擬論證改造設計工藝可行性的基礎，也是生物池曝氣優化控制系統的基礎。

Ø 軟件部分，為A/O生物池曝氣優化控制系統的運行軟件控制部分。該軟件以竹園第二污水處理廠的污泥活性模型為基礎；

Ø 硬件部分，主要是指A/O生物池曝氣優化控制系統的控制箱，即生物池曝氣優化控制系統軟件運行的硬件平臺——PLC和工業計算機。

4、系統技術規范

Ø DO設置點動態控制

Ø 內回流動態控制

Ø 控制器PLC規范

Ø 電力規范

Ø 數據顯示和用戶界面

Ø 模擬輸入（可選）

Ø 以太網通信

5、系統與SCADA系統的接口

C2——在線氨氮(NH₃-N)硝態氮(NO₃-N)綜合分析儀

AD——在線氨氮(NH₃-N)分析儀

6、 系統的效應

a、降低電耗——系統能降低污水廠曝氣系統能耗15％～40％。

b、在污水廠無需（或少量）擴建的情況下，達到氨氮、硝酸鹽或氮的排放標準——通過實時監測及邏輯算法模擬生物反應器，污水廠可在無需重大擴建的情況下滿足日益嚴格的排放要求。

c、能增加污水廠的處理容量和減少基建費用—— 經系統對生物處理工藝進行最優化后，污水廠能關閉一組曝氣池或可評估污水廠的處理容量增大，從而降低了污水廠的擴建需求。

d、提高工藝可控性及穩定性—— 在曝氣量和水力容量足夠的情況下，DO設置點和IRQ能進行動態調整來使出水氨氮和硝酸鹽達到排放標準。

e、預警系統和工藝恢復幫助——系統能依據進水負荷來判斷污水廠的處理工藝何時會被破壞，從而能讓管理人員提早做出相應的安排。

四、結束語

　　可以看到，A/O生物池曝氣優化控制系統的應用將具有良好的節能效果，不僅增加污水廠的經濟效益，同時也強化了污水處理廠的自動化管理水平。由于目前絕大多數污水處理廠的設備管理是停留在預防性維修和定性分析的基礎上，因此缺乏科學性，故在污水處理廠中運用生物池曝氣優化控制系統將成為污水廠設備管理科學性、前瞻性的一次突破，具有廣泛的推廣和應用價值。