摘要：目前余杭污水廠氧化溝雙溝交替運(yùn)行切換時(shí)中間沒有過渡階段，進(jìn)水溝會(huì)直接切換成出水溝，此時(shí)污水中的氨氮和總磷含量較高。此外，曝氣機(jī)運(yùn)行時(shí)頻率無法自動(dòng)調(diào)節(jié)，溶解氧波動(dòng)較大，本論文通過調(diào)整工藝和編寫PLC程序來實(shí)現(xiàn)氧化溝的自動(dòng)運(yùn)行，提高氧化溝出水的穩(wěn)定性。


關(guān)鍵詞：氧化溝；工藝優(yōu)化；PLC控制

1前言

前期，余杭污水廠采用的是傳統(tǒng)的氧化溝運(yùn)行模式，出水總氮效果并不十分理想。經(jīng)過實(shí)測(cè)，余杭污水廠氧化溝的溶解氧梯度不明顯，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)相差不超過1mg/L，宏觀上很難形成缺氧區(qū)（溶解氧<0.5mg/L），反硝化率較低。

為了增強(qiáng)反硝化反應(yīng)，我們嘗試將雙溝氧化溝的進(jìn)水溝作為缺氧池，溶解氧控制在0.5mg/L以下，確保宏觀上形成缺氧區(qū)。但隨著周邊范圍內(nèi)小區(qū)居住率的提高，污水廠進(jìn)水總氮明顯上升，導(dǎo)致碳氮比失衡，因此總氮的去除依然是污水廠一大難題，任何有助于總氮去除的方法都值得我們?nèi)ヌ剿骱脱芯俊?br />
2氧化溝運(yùn)行現(xiàn)狀

目前氧化溝的運(yùn)行模式分為兩個(gè)階段，階段一溝Ⅰ進(jìn)水，溶解氧控制在0.5mg/L左右，主要承擔(dān)反硝化脫氮，溝Ⅱ出水，溶解氧控制在2mg/L左右，主要承擔(dān)硝化反應(yīng)和磷的吸收。階段二，兩個(gè)溝互換，溝Ⅱ進(jìn)水，溶解氧控制在0.5mg/L左右，溝Ⅰ出水，溶解氧控制在2mg/L左右。階段一、階段二運(yùn)行周期均為4小時(shí)，整個(gè)周期為8小時(shí)，循環(huán)交替運(yùn)行。

3.現(xiàn)狀運(yùn)行中存在的不足

3.1工藝上存在的不足

從階段一切換到階段二時(shí)，溝Ⅰ從進(jìn)水狀態(tài)直接變成出水狀態(tài)，此時(shí)溝Ⅰ剛進(jìn)行了4小時(shí)的缺氧反硝化反應(yīng)，水中氨氮和總磷含量較高，從階段二切換到階段一時(shí)，溝Ⅱ存在同樣的問題，一定程度上影響氧化溝出水的穩(wěn)定性。

3.2設(shè)備運(yùn)行上存在的不足

氧化溝曝氣主要對(duì)8臺(tái)曝氣機(jī)的運(yùn)行方式進(jìn)行設(shè)定，低速運(yùn)行頻率設(shè)定35Hz，高速運(yùn)行頻率設(shè)定45Hz。這種控制模式是固定的模式，曝氣機(jī)運(yùn)行時(shí)頻率無法自動(dòng)調(diào)節(jié)，導(dǎo)致溶解氧控制不夠理想。此外，當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)、水量變化時(shí)，都會(huì)引起溶解氧波動(dòng)較大，需要人工不斷的調(diào)節(jié)曝氣機(jī)頻率來控制，工作量非常大且難控制。

4氧化溝運(yùn)行工藝優(yōu)化改進(jìn)方案

4.1工藝上的優(yōu)化改進(jìn)

從目前的運(yùn)行模式來看，最大的問題是雙溝交替運(yùn)行切換時(shí)中間沒有過渡階段，進(jìn)水溝會(huì)直接切換成出水溝，此時(shí)污水中的氨氮和總磷較高，如果中間增加兩個(gè)過渡階段可以較好的解決這個(gè)問題，過渡階段周期一般為15—30分鐘，常見的DE氧化溝運(yùn)行模式有兩種，如下圖所示：


圖4-1

在階段二進(jìn)水方向進(jìn)行了改變，出水方向不變，溝Ⅰ不進(jìn)水也不出水，進(jìn)行悶曝，由反硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)為硝化反應(yīng)，曝氣機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，可以更快的提高溶解氧，為階段三的出水做好準(zhǔn)備；溝Ⅱ同時(shí)進(jìn)水和出水，由硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)為反硝化反應(yīng)，曝氣機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，降低溶解氧，為階段三的反硝化反應(yīng)做好準(zhǔn)備。

4.2設(shè)備運(yùn)行上的優(yōu)化改進(jìn)

從目前的曝氣機(jī)運(yùn)行模式來看，最大的問題一是頻率無法根據(jù)溶解氧自動(dòng)調(diào)節(jié)，二是曝氣機(jī)無法根據(jù)溶解氧情況增開或關(guān)閉一臺(tái)，容易造成曝氣過量或曝氣不足。針對(duì)上述兩個(gè)問題，我們可以通過編寫PLC程序來實(shí)現(xiàn)。

5編寫PLC程序?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行工藝優(yōu)化改進(jìn)

5.1編程思路

從自動(dòng)化程序上來說，之前的模式只能稱為半自動(dòng)化模式，溶解氧和曝氣機(jī)的運(yùn)行沒有聯(lián)動(dòng)關(guān)系，優(yōu)化改進(jìn)后的工藝模式，可以稱為全自動(dòng)運(yùn)行模式，PLC自動(dòng)根據(jù)溶解氧來控制曝氣機(jī)的開啟臺(tái)數(shù)和頻率。

全自動(dòng)運(yùn)行模式，分為四個(gè)階段，每個(gè)階段需根據(jù)所在階段的溶解氧控制要求對(duì)曝氣機(jī)的頻率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，此外，當(dāng)曝氣機(jī)運(yùn)行頻率過高超過一定的時(shí)間后仍無法達(dá)到所需溶解氧時(shí)，需增開一臺(tái)曝氣機(jī)，同理，當(dāng)溶解氧已達(dá)到控制要求，曝氣機(jī)運(yùn)行頻率過低超過一定的時(shí)間后，需關(guān)閉一臺(tái)曝氣機(jī)。

5.2編程步驟

全自動(dòng)運(yùn)行模式主要通過計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)功能來確定系統(tǒng)處于哪個(gè)階段并執(zhí)行相應(yīng)階段的程序。我們將計(jì)時(shí)器定義為Timer，總周期定義為Cycel，階段一周期定義為Cycel1，階段二周期定義為Cycel2，階段三周期定義為Cycel3，階段四周期定義為Cycel4，Cycel=Cycel1+Cycel2+Cycel3+Cycel4。計(jì)時(shí)及周期單位均為分鐘，Timer在0至Cycel范圍內(nèi)循環(huán)計(jì)時(shí)。

此外設(shè)計(jì)4個(gè)PID控制器，用于控制曝氣頻率，PID1為溝Ⅰ反硝化控制，PID2為溝Ⅱ硝化控制，PID3為溝Ⅰ硝化控制，PID4為溝Ⅱ反硝化控制。

5.2.1階段一

當(dāng)0≤Timer<Cycel1時(shí)溝Ⅰ進(jìn)水，溝Ⅱ出水。

5.2.2階段二

當(dāng)Cycel1≤Timer<（Cycel1+Cycel2）時(shí)，溝Ⅰ不進(jìn)水、不出水，溝Ⅱ同時(shí)進(jìn)水和出水。該階段持續(xù)時(shí)間短，只是一個(gè)過渡階段，因此程序上不考慮曝氣機(jī)的增開和關(guān)閉，采用默認(rèn)開啟的方式。

5.2.3階段三

當(dāng)（Cycel1+Cycel2）≤Timer<（Cycel1+Cycel2+Cycel3）時(shí)，溝Ⅱ進(jìn)水，溝Ⅰ出水。該階段曝氣機(jī)和PID控制器的開啟方式同階段二，但需考慮曝氣機(jī)的增開與退出。

5.2.2階段四

當(dāng)（Cycel1+Cycel2+Cycel3）≤Timer<Cycel時(shí)，溝Ⅰ同時(shí)進(jìn)水和出水，溝Ⅱ不進(jìn)水、不出水。該階段和階段二一樣，持續(xù)時(shí)間短，只是一個(gè)過渡階段，因此程序上不考慮曝氣機(jī)的增開和關(guān)閉，采用默認(rèn)開啟的方式。

5.3上位機(jī)修改

為了方便對(duì)全自動(dòng)模式工藝參數(shù)的修改和過程監(jiān)控，我們對(duì)上位機(jī)進(jìn)行了相應(yīng)的修改，如下圖所示：


圖5-1

通過上圖所示窗口，我們可以對(duì)反硝化溶解氧和消化溶解氧控制目標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，可以對(duì)階段一至階段四各個(gè)周期進(jìn)行設(shè)定，可以進(jìn)行全自動(dòng)模式和原先模式的切換，全自動(dòng)模式下可以進(jìn)行頻率限制保護(hù)和撤銷。此外還可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前系統(tǒng)所處的階段，以及這個(gè)階段溝Ⅰ和溝Ⅱ的曝氣機(jī)控制頻率。

6運(yùn)行工藝優(yōu)化改進(jìn)后的優(yōu)勢(shì)

6.1氧化溝出水水質(zhì)更加穩(wěn)定

通過此次工藝調(diào)整后，增加了雙溝切換時(shí)的過渡階段，目前過渡階段周期為20分鐘，理論上可以降低氧化溝出水中的總磷和氨氮，可通過化驗(yàn)分析過渡前和過渡后溝Ⅰ、溝Ⅱ中上清液的數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)實(shí)際效果，如下表所示：


污水處理技術(shù)

從上表中可以看出，由于溝Ⅱ同時(shí)進(jìn)水和同時(shí)出水，從階段一末到階段二末，水中氨氮和總磷均有小幅度的上升。溝Ⅰ經(jīng)過20分鐘的悶曝后，從階段一末到階段二末，污水中氨氮有了小幅的下降，但不明顯，低于預(yù)期，總磷下降較為明顯，從0.74降到0.57，降幅達(dá)到23%，為即將到來的出水提供了一定的保障。

從上表中還可以看出，從階段一末到階段二末的過渡期內(nèi)，溝Ⅱ的水質(zhì)要明顯好于溝Ⅰ，因此過渡期內(nèi)，溝Ⅱ繼續(xù)出水，等溝Ⅰ經(jīng)過20分鐘的悶曝后再切換成溝Ⅰ出水，可以提高氧化溝出水的穩(wěn)定性。

6.2提高電能的利用率從而降低電耗

目前的模式可以根據(jù)溶解氧控制目標(biāo)對(duì)曝氣機(jī)頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，不受水質(zhì)水量變化影響，因此電能的利用率大大提高，綜合來看可以降低電耗。從一段時(shí)間的電表記錄數(shù)據(jù)來看，工藝調(diào)整前，3號(hào)氧化溝平均電耗為90度/千噸水，工藝調(diào)整后平均電耗為75度/千噸水，降低了16%，這從溶解氧歷史曲線記錄中可以形象的看出，如下圖所示：


圖6-1


圖6-2

上述兩張圖是3號(hào)氧化溝工藝調(diào)整前和工藝調(diào)整后48小時(shí)內(nèi)1#溶解氧和2號(hào)溶解氧的歷史數(shù)據(jù)，從兩張圖對(duì)比來看，工藝調(diào)整前好氧段大部分時(shí)間存在曝氣過量的現(xiàn)象，工藝調(diào)整后，好氧段溶解氧非常平穩(wěn)，維持在2mg/L附近，高于2mg/L就自動(dòng)降頻或停止一臺(tái)曝氣機(jī)，因此減少了電能的不必要浪費(fèi)，降低了電耗。

6.3抗沖擊能力大大增強(qiáng)

污水廠曾遇到過COD突然升高，曝氣量沒有及時(shí)跟上，導(dǎo)致出水氨氮偏高的情況，全自動(dòng)控制模式是以溶解氧為控制目標(biāo)，如果超過一定時(shí)間后達(dá)不到控制目標(biāo)，一個(gè)溝內(nèi)的4臺(tái)曝氣機(jī)會(huì)全速運(yùn)行，正常情況下不會(huì)出現(xiàn)曝氣不足的情況，因此抗沖擊能力會(huì)大大增強(qiáng)。

7綜合水質(zhì)對(duì)比分析

我們分別于5月底和6月上旬依次完成2#氧化溝和3#氧化溝的全自動(dòng)運(yùn)行調(diào)試，6月份兩個(gè)氧化溝大部分時(shí)間運(yùn)行在全自動(dòng)模式，因此對(duì)比今年6月與去年同期的平均進(jìn)出水水質(zhì)可以看出整體效果。進(jìn)出水水質(zhì)如下表所示：

表7-1


從上表中可以看出，和去年同期相比，今年污水廠主要進(jìn)水指標(biāo)均有一定的上升，尤其是NH3-N、TN明顯上升，但出水指標(biāo)除了NH3-N略高于去年同期外，其余指標(biāo)均好于去年同期，水質(zhì)得到進(jìn)一步改善，平均去除率如下圖所示：


圖7-1

從上圖可以看出，2014年6月份進(jìn)出水主要指標(biāo)的去除率除了氨氮持平外，其余均高于2013年6月，COD、TP的去除率提高到了90%以上，TN最為明顯，從50.1%提高到74.7%，較好的解決了污水廠總氮去除的難題。

8結(jié)語(yǔ)

余杭污水廠一直致力于摸索污水廠的“最優(yōu)控制”，此次工藝調(diào)整以及氧化溝的全自動(dòng)運(yùn)行進(jìn)一步強(qiáng)化了反硝化反應(yīng)，并確保各工藝環(huán)節(jié)溶解氧的精確控制，提高了出水的穩(wěn)定性。

污水廠DE氧化溝的運(yùn)行模式主要針對(duì)低碳高氮的廢水，核心是圍繞總氮的去除，對(duì)于相似的污水廠具有一定的參考意義。氧化溝的全自動(dòng)運(yùn)行，有多方面的好處，可以提高出水的穩(wěn)定性和抗沖擊能力；可以提高電能的利用率從而降低能耗，可以減輕值班人員工作量，降低人員因素的影響，最終形成精確控制的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，有較好的推廣意義。

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