摘要：本文以竹园第二污水处理厂工程为载体，介绍了以国际水协ASM2D为基础建立的活性污泥模型即A/O生物池曝气优化控制系统在污水处理中的应用。突出了A/O生物池曝气优化控制系统在节能等方面所体现出的优越性，为在污水处理厂中实现节能减排提供了一种新的思路。

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.

关键词：A/O生物池   曝气优化控制系统  活性污泥模型

Keyword：  A/O biological pond         Aeration Optimization Control System

Activated Sludge Model

一、前言

　　由于居民生活习惯的差异，季节的交替使污水处理厂的进水水质和水量昼夜不断变化，很难达到稳态操作。一旦污泥生物活性或沉降性能发生变化，需要很长的时间才能恢复正常。这不但造成了污水处理的效率低下，处理效果的不稳定，还造成了一些处理设施及能耗的浪费，因此污水处理过程迫切需要新技术的应用。

　　随着城市污水处理厂工艺模型的发展，尤其是活性污泥模型的发展，为污水处理厂工艺优化改造、工艺设计提供了一个很好的平台。利用成熟的活性污泥模型可以对各种污水处理工艺方案进行比较，对现有的运行工艺进行优化，指导污水处理厂的运行，从而能达到预期的排放目标并可以节省曝气量，减少运行能耗费用。

　　计算机系统和各类分析检测仪表在功能和可靠性上的持续发展，提供了很好的机遇，使这些组件能集成到一个自动化的污水处理设施中。通过使用在线校准模拟程序来动态地优化曝气系统，当污水流过处理设施时，在线校准模拟程序利用实时监测获得的水质数据进行工作。生物池曝气优化控制系统不仅提高了污水厂的处理能力，改善了处理工艺的出水水质，同时也节省了污水厂运行和维护的费用。

二、工程简介

1、工程概述

　　竹园第二污水处理厂选址在长江竹园地区，城市污水处理厂发展备用地内，在原合流一期输水箱涵的南侧、沿塘路的西侧、规划航津路的北侧、黄洞港的东侧，污水厂设计规模为50万m³/d，占地面积约29.66ha，污水处理为二级生物处理。

2、污水处理工艺

　　竹园第二污水处理厂采用改良的A/O脱氮工艺，即从好氧池中后部引出一根出流管，与好氧池末端的出流液汇合后进入折流式沉淀池。池中后部出流的混合液在好氧池内停留时间较短，泥龄较短，没有发生硝化反应，从池末出流的混合液在好氧池中停留时间较长，泥龄较长，达到完全硝化，实现了NH₃-N的部分硝化，二股出流混合后，即能达到NH₃-N的排放标准。

　　由于出水及污泥含有部分硝化后的硝态氮，需设置缺氧池，将完全硝化的这部分混合液回流至缺氧池进行反硝化脱氮，由于只反硝化经完全硝化的那部分混合液，降低了反硝化量，缩小了缺氧池池容，实现了部分硝化。这样既可改善污泥的沉淀性能，还能得到一部分氧的补偿，有利于节能。

　　由于该工艺为一种改良型工艺，故在工程设计时需有一定的灵活性，在厌氧池及缺氧池设计时要考虑切换功能。考虑到现状进水BOD 可能浓度过低及进水中TP的波动，仅通过细胞同化作用可能还不能去除足够的磷致使出水TP无法达标排放，可将混合液回流至缺氧池中后段并减少回流量，将上述缺氧池前后分为厌氧池及部分缺氧池使用。通过内回流系统的切换，将缺氧池分为厌氧池及部分缺氧池，使该改良工艺方便地按常规A²/O脱氮除磷工艺模式运行。为了兼顾不硝化及完全硝化，该工艺的污泥龄在不硝化部分为4d，完全硝化部分为10d。本工程综合总泥龄为10.1d，MLSS=3000mg/l，污泥回流比75％，部分反硝化内回流130％～200％。

改良型A/O生物脱氮工艺流程图

三、A/O生物池曝气优化控制系统

1、系统描述

　　竹园第二污水处理厂A/O生物池曝气优化控制系统包括在线检测仪表和活性污泥模拟系统。在线检测仪表安装在A/O生物池，监测生物池内的曝气状况和水质变化，从而反映出活性污泥性能，主要有DO检测仪、SS检测仪、在线氨氮(NH₃-N)硝态氮(NO₃-N)综合分析仪组成。在线活性污泥模拟系统内嵌于置于中央控制室的A/O生物池曝气量控制工作站，系统通过中控室以太环网获得污水处理厂的污水排放目标值及相关的在线仪表数据后，计算出生物反应池最优化控制参数，包括曝气池溶解氧DO控制值、内回流IRQ、外回流、排泥量WAS、曝气池鼓风量等，然后由中央控制系统通过现场控制站实现这些最优化参数的控制。

　　A/O生物池曝气优化控制系统以污水厂每天进水的水质、水量动态变量进行动态在线计算(检测计算周期为15min)，实现对整个生物反应池的水力和活性污泥反应的在线模拟，包括碳氧化、氨氮硝化，硝酸盐反硝化的在线模拟，从而给出最优化的污水厂处理运行操作条件。过程控制软件专为污水处理厂设计，应符合污水厂处理工艺，该控制系统应具有应用时间越长，积累数据越多，在线计算越准确，具有自我学习功能，具有工艺运行预警作用和帮助工艺恢复作用，能增加污水厂处理量和节省基建费用。

2、系统功能

　　A/O生物池曝气优化控制系统软件应用水力和生物模型对硝化、反硝化进行在线模拟，从而给出优化的操作条件。系统主要功能概述如下：

　　a、模型以国际水协ASM2D为基础，数据来源为工艺SCADA数据(包括进水量、温度从、COD等)、化验室分析数据，生物池在线分析仪器，进行活性污泥模型在线模拟，给出生物反应池的最优化控制参数。

　　b、系统给出的最优化参数包括生物反应池各个控制区的溶解氧DO控制目标值、内回流IRQ控制目标值、外回流RAS和排泥量WAS的控制目标值等。

　　c、系统给出的最优化参数目标值的频率应达到15min，其中DO给出的控制目标值精度范围在±0.3mg/L，IRQ精度范围在±10％。

　　d、系统根据进水流量和进水污染物浓度实时计算出的各个好氧控制区的溶解氧浓度分布，能保证适度的碳氧化及氨氮硝化反应，既能达到排放标准要求，又可降低曝气量。

　　e、系统计算出的IRQ控制目标值既能满足反硝化脱氮目标，又能充分利用硝酸盐中的氧，降低曝气能耗，另外，还可防止沉淀池硝酸盐浓度过高，反硝化后氮气逐出，影响沉降效果。

　　f、系统根据混合液浓度，进出水流量和污泥性质实时优化排泥过程。

　　g、系统还具有处理工艺预警功能、处理工艺恢复协助功能、数据存储功能等。

　　h、控制主系统软件安装在中央中控室内曝气量控制工作站内。

　　根据该系统给出的最优化参数包括生物反应池各个控制区的溶解氧DO控制目标值、内回流IRQ控制目标值、外回流RAS和排泥量WAS的控制目标值，在中央计算机软件正常运行的过程中，通过控制环境及控制系统的仿真模拟，计算出在鼓风机总管压力恒定不变的条件下，鼓风机最合适最合理的供气量及A/O生物池内各个曝气干管上电动调节阀的开启度。综合所有控制回路的实际空气流量信号及阀位信号，通过精确计算，给出一个最低所需的压力设定，来重新调整鼓风机的操作压力（调节出口导叶），以达到按实际所需供应空气的目的。

3、系统组成

　　根据竹园第二污水处理厂的工艺，土建，机械设备，进出水水质，水量等参数和要求，以国际水协ASM2D模型为基础，使用GPS－X开发软件，建立其设计工艺的活性污泥模型。这部分工作是模拟论证改造设计工艺可行性的基础，也是生物池曝气优化控制系统的基础。

Ø  软件部分，为A/O生物池曝气优化控制系统的运行软件控制部分。该软件以竹园第二污水处理厂的污泥活性模型为基础；

Ø  硬件部分，主要是指A/O生物池曝气优化控制系统的控制箱，即生物池曝气优化控制系统软件运行的硬件平台——PLC和工业计算机。

4、系统技术规范

Ø    DO设置点动态控制

Ø    内回流动态控制

Ø    控制器PLC规范

Ø    电力规范

Ø    数据显示和用户界面

Ø    模拟输入（可选）

Ø    以太网通信

5、系统与SCADA系统的接口

C2——在线氨氮(NH₃-N)硝态氮(NO₃-N)综合分析仪

AD——在线氨氮(NH₃-N)分析仪

6、 系统的效应

a、降低电耗——系统能降低污水厂曝气系统能耗15％～40％。

b、在污水厂无需（或少量）扩建的情况下，达到氨氮、硝酸盐或氮的排放标准——通过实时监测及逻辑算法模拟生物反应器，污水厂可在无需重大扩建的情况下满足日益严格的排放要求。

c、能增加污水厂的处理容量和减少基建费用—— 经系统对生物处理工艺进行最优化后，污水厂能关闭一组曝气池或可评估污水厂的处理容量增大，从而降低了污水厂的扩建需求。

d、提高工艺可控性及稳定性—— 在曝气量和水力容量足够的情况下，DO设置点和IRQ能进行动态调整来使出水氨氮和硝酸盐达到排放标准。

e、预警系统和工艺恢复帮助——系统能依据进水负荷来判断污水厂的处理工艺何时会被破坏，从而能让管理人员提早做出相应的安排。

四、结束语

　　可以看到，A/O生物池曝气优化控制系统的应用将具有良好的节能效果，不仅增加污水厂的经济效益，同时也强化了污水处理厂的自动化管理水平。由于目前绝大多数污水处理厂的设备管理是停留在预防性维修和定性分析的基础上，因此缺乏科学性，故在污水处理厂中运用生物池曝气优化控制系统将成为污水厂设备管理科学性、前瞻性的一次突破，具有广泛的推广和应用价值。

参考文献：

［1］ 王顺晃.  智能控制系统及其应用［M］.  1995.

［2］ 乌尔松. 污水处理系统的建模、诊断和控制.  化学工业出版社 2005