杭州余杭水务有限公司 杭州 311100
摘要：余杭污水厂氧化沟的转碟曝气机控制运行方式还不够科学，曝气机运行时频率无法自动调节，当进水水质、水量变化时，溶解氧波动较大，需要人工不断的调节频率来控制，工作量大且难控制，通过工艺调整和编写PLC程序来实现氧化沟的全自动运行，恒溶解氧控制，提高出水的稳定性。
关键词：氧化沟；转碟曝气；溶解氧；PLC；全自动
1、前言
提高中小城市污水治理率是今后污水治理领域的重点，对于规模小于10万吨/天的中小型污水处理厂来说，氧化沟和SBR是首选工艺，目前总体来说应用较多的是氧化沟工艺，氧化沟工艺又名氧化渠工艺，它是活性污泥法的一种变型。因其构筑物呈封闭的环形沟渠而得名。因为污水和活性污泥在曝气渠道中不断循环流动，因此有人称其为“循环曝气池”、“无终端曝气池”。
2、余杭污水厂简介
余杭污水厂坐落在杭州市余杭区余杭街道金星工业园，位于东西大道西侧、余杭塘河南侧，占地面积93.5亩。采用双沟式氧化沟+曝气生物滤池工艺，处理规模为6万吨/日，出厂水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准，尾水排入余杭塘河。
3、氧化沟运行现状
余杭污水厂氧化沟曝气设备采用转碟曝气机，目前控制模式比较简单，分为两个阶段，如图1所示：
阶段一（沟Ⅰ进水、沟Ⅱ出水），可以对8台曝气机的运行方式进行设定，例如进水沟1#、6#曝气机低速；出水沟3#、7#、8#曝气机高速；同时可以对低速、高速频率进行设定，例如低速运行频率设定35Hz，高速运行频率设定45Hz。阶段二（沟Ⅱ进水、沟Ⅰ出水），两沟自动交替运行，切换周期是4个小时。
这种控制模式是固定的模式，曝气机运行时频率无法自动调节，导致溶解氧控制不够理想。以阶段一切换到阶段二为例，沟Ⅰ从进水反硝化调整为硝化出水，前期需要曝气机高速运转快速提高溶解氧，后期当溶解氧达到要求后，需逐步降低频率，使溶解氧稳定在控制范围内，沟Ⅱ硝化出水调整为进水反硝化，前期需要曝气机以最低限速运行，以达到快速降低溶解氧的目的，后期随着溶解氧的逐步降低需适当提高转速，使溶解氧稳定在控制范围内。此外，当进水水质、水量变化时，都会引起溶解氧波动较大，需要人工不断的调节曝气机频率来控制，工作量非常大且难控制。
图1
4、氧化沟运行工艺优化改进方案
4.1运行模式的优化改进
从目前的运行模式来看，最大的问题是双沟交替运行切换时中间没有过渡阶段，进水沟会直接切换成出水沟，此时污水中的氨氮和总磷较高，如果中间增加两个过渡阶段可以较好的解决这个问题，过渡阶段周期一般为15—30分钟，如图2所示：
该运行模式在阶段二进水方向进行了改变，出水方向不变，沟Ⅰ不进水也不出水，进行闷曝，由反硝化反应转为硝化反应，曝气机高速运转，可以更快的提高溶解氧，为阶段三的出水做好准备；沟Ⅱ同时进水和出水，由硝化反应转为反硝化反应，曝气机低速运转，降低溶解氧，为阶段三的反硝化反应做好准备。阶段四同理。
该模式更多考虑到反硝化反应，更适合余杭污水厂这样进水COD偏低，但NH3-N浓度较高的污水处理厂。
图2
4.2、转碟曝气的优化改进
从目前的曝气机运行模式来看，最大的问题一是频率无法根据溶解氧自动调节，二是曝气机无法根据溶解氧情况增开或关闭一台，容易造成曝气过量或曝气不足。针对上述两个问题，我们可以通过编写PLC程序来实现。
5、编写PLC程序实现自动控制
5.1、编程思路
从自动化程序上来说，之前的模式只能称为半自动化模式，溶解氧和曝气机的运行没有联动关系，需要人工根据溶解氧来控制曝气机的开启台数和频率。优化改进后的工艺模式，可以称为全自动运行模式，PLC自动根据溶解氧来控制曝气机的开启台数和频率，因此溶氧仪成了核心设备，一旦出故障会引起系统混乱，为避免这个问题，我们在设计程序时保留了原先的模式，称为模式一，并新增全自动模式，称为模式二。模式二运行中如检测到溶解氧数据不正常超过30分钟后，系统会自动切换到模式一运行。当溶氧仪恢复正常后可在中控上位机切换为模式二运行。
模式一较为简单，周期内只有两个阶段，无需对频率进行调节，也无需考虑曝气机的增开和关闭。模式二相对复杂，需分为四个阶段，每个阶段需根据所在阶段的溶解氧控制要求对曝气机的频率进行自动调节，此外，当曝气机运行频率过高超过一定的时间后仍无法达到所需溶解氧时，需增开一台曝气机，同理，当溶解氧已达到控制要求，曝气机运行频率过低超过一定的时间后，需关闭一台曝气机。但为了防止污泥下沉和保护曝气机，每个沟至少开两台曝气机，最低下限频率为25Hz。
5.2、编程步骤
模式二主要通过计时器的计时功能来确定系统处于哪个阶段并执行相应阶段的程序。我们将计时器定义为Timer，总周期定义为Cycel，阶段一周期定义为Cycel1，阶段二周期定义为Cycel2，阶段三周期定义为Cycel3，阶段四周期定义为Cycel4，Cycel= Cycel1+ Cycel2+ Cycel3+ Cycel4。计时及周期单位均为分钟，Timer在0至Cycel范围内循环计时。
此外设计4个PID控制器，用于控制曝气频率，PID1为沟Ⅰ反硝化控制，PID2为沟Ⅱ硝化控制，PID3为沟Ⅰ硝化控制，PID4为沟Ⅱ反硝化控制。
5.2.1、阶段一
当0≤Timer< Cycel1时沟Ⅰ进水，沟Ⅱ出水。如图3所示：（绿色表示该设备处于开启状态）。
（1）堰门控制：
1#进水堰门开，5#、6#出水堰门开；2#进水堰门关，3#、4#出水堰门关。
（2）曝气机控制（沟Ⅰ）：
1#、6#曝气机首先开启，如果曝气机频率持续大于等于48Hz，5分钟后开启5#曝气机，如果频率仍然持续大于等于48Hz，10分钟后开启2#曝气机。如果频率持续小于45Hz，1分钟后关闭2#曝气机，如果频率持续小于35Hz，1分钟后关闭5#曝气机。当1#、6#曝气机其中一台有故障时，开启5#曝气机，当1#、5#、6#曝气机其中有两台故障时，开启2#曝气机。
（3）溶解氧控制（沟Ⅰ）：
PID1为沟Ⅰ反硝化控制，启用PID1控制器，将1#DO实际值与设定值（目前是0.5mg/L）进行比较，并通过PID计算，实时输出频率用于控制沟Ⅰ内的曝气机。从图3中可以看出，1#DO位于沟Ⅰ外侧，靠近1#曝气机下游，是沟Ⅰ中溶解氧较高的区域，控制此处溶解氧在0.5mg/L左右，可以确保沟Ⅰ其它区域不超过0.5mg/L，从而达到反硝化所需条件。
（4）曝气机控制（沟Ⅱ）
3#、7#、8#曝气机首先开启，如果曝气机频率持续大于等于48Hz，5分钟后开启4#曝气机，如果频率持续小于45Hz，1分钟后关闭7#曝气机，如果频率持续小于35Hz，1分钟后关闭4#曝气机。当3#、7#、8#曝气机其中有一台故障时，开启4#曝气机。
（5）溶解氧控制（沟Ⅱ）
PID2为沟Ⅱ硝化控制，启用PID2控制器，将2#DO实际值与设定值（目前2 mg/L）进行比较，并通过PID计算，实时输出频率用于控制沟Ⅱ内的曝气机。从图3中可以看出1#DO位于沟Ⅱ外侧，靠近8#曝气机上游，是沟Ⅱ中溶解氧较低的区域，控制此处溶解氧在2mg/L左右，可以确保沟Ⅱ其它区域在2mg/L以上，从而达到硝化所需条件。
图3
5.2.2、阶段二
当Cycel1≤Timer<（Cycel1+ Cycel2）时，沟Ⅰ不进水、不出水，沟Ⅱ同时进水和出水。如图4所示：（绿色表示该设备处于开启状态）。
该阶段持续时间短，只是一个过渡阶段，因此程序上不考虑曝气机的增开和关闭，采用默认开启的方式。
（1）堰门控制：
1#进水堰门关，2#进水堰门开，其余堰门不变。
（2）曝气机控制（沟Ⅰ）：
2#、5#、6#曝气机默认常开，当2#、5#、6#曝气机其中有一台故障时，开启1#曝气机。
（3）溶解氧控制（沟Ⅰ）
PID3为沟Ⅰ硝化控制，启用PID3控制器，将1#DO实际值与设定值（目前2 mg/L）进行比较，并通过PID计算，实时输出频率用于控制沟Ⅰ内的曝气机。
（4）曝气机控制（沟Ⅱ）
4#、7#曝气机默认常开，当4#、7#曝气机其中一台有故障时，开启8#曝气机，当4#、7#、8#曝气机其中有两台故障时，开启3#曝气机。
（5）溶解氧控制（沟Ⅱ）
PID4为沟Ⅱ反硝化控制，启用PID4控制器，将2#DO实际值与设定值（目前是0.5mg/L）进行比较，并通过PID计算，实时输出频率用于控制沟Ⅱ内的曝气机。
图4
5.2.3、阶段三
当（Cycel1+ Cycel2）≤Timer<（Cycel1+ Cycel2+ Cycel3）时，沟Ⅱ进水，沟Ⅰ出水。如图5所示：（绿色表示该设备处于开启状态）。
该阶段曝气机和PID控制器的开启方式同阶段二，但需考虑曝气机的增开与退出。
（1）堰门控制：
1#、2#进水堰门不变，5#、6#出水堰门关，3#、4#出水堰门开。
（2）曝气机控制（沟Ⅰ）：
2#、5#、6#曝气机首先开启，当2#、5#、6#曝气机其中有一台故障时，开启1#曝气机。如果曝气机频率持续大于等于48Hz，5分钟后开启1#曝气机，如果频率持续小于45Hz，1分钟后关闭1#曝气机，如果频率持续小于35Hz，1分钟后关闭6#曝气机。
（3）溶解氧控制（沟Ⅰ）
PID3为沟Ⅰ硝化控制，启用PID3控制器，将1#DO实际值与设定值（目前2 mg/L）进行比较，并通过PID计算，实时输出频率用于控制沟Ⅰ内的曝气机。同理，此区域是沟Ⅰ中溶解氧较低的区域，控制此处溶解氧在2mg/L左右，可以确保沟Ⅰ其它区域在2mg/L以上，从而达到硝化所需条件。
（4）曝气机控制（沟Ⅱ）
4#、7#曝气机首先开启，当4#、7#曝气机其中一台有故障时，开启8#曝气机，当4#、7#、8#曝气机其中有两台故障时，开启3#曝气机。如果曝气机频率持续大于等于48Hz，5分钟后开启8#曝气机，如果频率仍然持续大于等于48Hz，10分钟后开启3#曝气机。如果频率持续小于45Hz，1分钟后关闭3#曝气机，如果频率持续小于35Hz，1分钟后关闭8#曝气机。
（5）溶解氧控制（沟Ⅱ）
PID4为沟Ⅱ反硝化控制，启用PID4控制器，将2#DO实际值与设定值（目前是0.5mg/L）进行比较，并通过PID计算，实时输出频率用于控制沟Ⅱ内的曝气机。同理，此区域是沟Ⅱ中溶解氧较高的区域，控制此处溶解氧在0.5mg/L左右，可以确保沟Ⅱ其它区域在0.5mg/L以下，从而达到反硝化所需条件。
图5
5.2.4、阶段四
当（Cycel1+ Cycel2+ Cycel3）≤Timer< Cycel时，沟Ⅰ同时进水和出水，沟Ⅱ不进水、不出水。如图6所示：（绿色表示该设备处于开启状态）
该阶段和阶段二一样，持续时间短，只是一个过渡阶段，因此程序上不考虑曝气机的增开和关闭，采用默认开启的方式。
（1）堰门控制：
1#进水堰门开，2#进水堰门关，其余堰门不变。
（2）曝气机控制（沟Ⅰ）：
1#、6#曝气机默认常开，当1#、6#曝气机其中一台有故障时，开启5#曝气机，当1#、5#、6#曝气机其中有两台故障时，开启2#曝气机。
（3）溶解氧控制（沟Ⅰ）
PID1为沟Ⅰ反硝化控制，启用PID1控制器，将1#DO实际值与设定值（目前是0.5mg/L）进行比较，并通过PID计算，实时输出频率用于控制沟Ⅰ内的曝气机。
（4）曝气机控制（沟Ⅱ）
3#、7#、8#曝气机默认常开，当3#、7#、8#曝气机其中有一台故障时，开启4#曝气机。
（5）溶解氧控制（沟Ⅱ）
PID2为沟Ⅱ硝化控制，启用PID2控制器，将2#DO实际值与设定值（目前2 mg/L）进行比较，并通过PID计算，实时输出频率用于控制沟Ⅱ内的曝气机。
图6
6、运行工艺优化改进后的成效
6.1、出水水质更加稳定.我们将调整后一个月的平均水质与前一年同期的平均水质进行对比，可以看出效果。进出水水质如表1所示：
从表中可以看出，14年和13年相比，余杭污水厂主要进水指标均有一定的上升，尤其是NH3-N、TN明显上升，但出水指标除了NH3-N略高于13年外，其余指标均好于13年，水质得到进一步改善，平均去除率如图7所示：
6.2、可以提高电能的利用率从而降低电耗
原来的控制模式是固定控制，如果曝气机频率设定偏低，那么前期曝气不足，如果设定偏高，那么后期曝气过量，而且水质水量变化都会有影响，很难把握。目前的模式可以根据溶解氧控制目标对曝气机频率进行实时的调整，不受水质水量变化影响，因此电能的利用率大大提高。从中控历史曲线对比来看，工艺调整前好氧段有大量时间存在曝气过量的现象，工艺调整后，好氧段溶解氧非常平稳，维持在2mg/L附近，高于2mg/L就自动降频或停止一台曝气机，因此减少了电能的不必要浪费，降低了电耗。从一段时间的电表记录数据来看，工艺调整前，3号氧化沟平均电耗为90.4度/千吨水，工艺调整后平均电耗为75.9度/千吨水，降低了16%。
6.3、抗冲击能力大大增强
余杭污水厂曾遇到过COD突然升高，曝气量没有及时跟上，导致出水氨氮偏高的情况，全自动控制模式是以溶解氧为控制目标，如果超过一定时间后达不到控制目标，一个沟内的4台曝气机会全速运行，正常情况下不会出现曝气不足的情况，因此抗冲击能力会大大增强。
6.4、减轻工作量，降低人员因素的影响
以往每到冬天，余杭污水厂出水总氮总是偏高，我们曾要求中控值班人员严格控制溶解氧浓度，进水沟在0.4-0.8mg/L之间，出水沟在2-3mg/L之间，但工作量非常大，需要频繁的调节曝气机频率，做的好的班组勉强能控制好，做的差的班组控制不好，人员因素很重要，全自动运行后，溶解氧非常有规律，可以精确的控制在设定值附近，类似标准化生产。不仅值班人员工作量大大减轻，而且降低了人员因素的影响，提高了出水的稳定性。
7、总结
从余杭污水厂提标改造以来，我们一直致力于摸索余杭污水厂的“最优控制”，污水处理过程中有很多矛盾，除磷脱氮的矛盾，硝化与反硝化的矛盾，泥龄长短的矛盾，各项出水指标相互制约，因此无法将所有指标处理到极限，只能寻找一个平衡点，确保各项指标的达标排放。此次工艺以及氧化沟转碟曝气自动控制模式的调整进一步强化了反硝化反应，并确保各工艺环节溶解氧的精确控制，提高了出水的稳定性。
余杭污水厂DE氧化沟的运行模式主要针对低碳高氮的废水，核心是围绕总氮的去除，对于相似的污水厂具有一定的参考意义。氧化沟的全自动运行，有多方面的好处，可以提高出水的稳定性和抗冲击能力；可以提高电能的利用率从而降低能耗，可以减轻值班人员工作量，降低人员因素的影响，最终形成精确控制的标准化生产，有较好的推广意义。
参考文献：
[1]赵捷.污水处理厂自动化控制系统及控制功能实现[J].电气技术，2006.
[2]朱英爱，杨杰.污水处理自动控制系统的设计[J].电工技术，2009.
[3]袁宏林，等.DE型氧化沟系统处理城市污水的效果[J].给水排水，2000，26（4）：6－8.
[4]许建红，曾严.改良型DE氧化沟工艺的除磷脱氮探讨[J].中国给水排水，2005，21（10）：70－72.
论文作者:厉林聪
论文发表刊物:《基层建设》2017年第33期
论文发表时间:2018/3/9
标签：曝气论文; 溶解氧论文; 频率论文; 阶段论文; 模式论文; 污水论文; 一台论文; 《基层建设》2017年第33期论文;