基于在线营养盐控制的未来污水处理曝气控制技术应用及展望

2基于在线营养盐控制的曝气优化控制

2.1技术优势

基于对传统控制模式弊端的认识，近些年来欧美等国开始采用高级在线控制（AOC）系统，AOC可以有效应对控制过程中的干扰因素（峰值流量、污染物浓度波动、水温等），进而降低曝气能耗、获得较为稳定的出水目标值。基于在线NH4+-N/NO3-N曝气过程高级控制的主要目的在于：

（1）可以有效控制出水NH4+-N/NO3-N、TN指标达到出水目标设定值，而不至于完全硝化，同时利用缺氧时间的控制强化反硝化并显著提高对TN的去除效率，进而也有利于出水TP的改善。实践证明，这种AOC控制模式对于国内进水碳源不足情况下的曝气控制极具现实意义。

（2）水质参数与工艺参数耦合参与生化系统在线控制，可以实现能耗的有效控制，国外的实践表明，通过基于在线NH4+-N的控制，可以将曝气能耗降低15%~25%。

这种控制模式有三种模式可以供选择：高级控制模式、基本控制模式及故障控制模式，可以有效应对水质仪表的维护及水质参数的漂移导致的过程控制误差，故障模式可以应对在线仪表故障的情况下保证基本的控制过程及其稳定性。当然，国内对在线水质及工艺过程仪表的维护确实需要科学化、制度化、标准化，这方面与国外确实尚存差距，亟待改进。

2.2实现方式

污水厂曝气过程控制一般有以下几种实现方式：

（1）基于曝气池好氧区DO为反馈信号的传统PID控制系统（见图2）；

（2）基于在线NH4+-N/NO3-N为基础的控制模式，包括反馈控制（见图3）、“前馈+反馈”闭环控制两种模式（见图4）。

图2DO控制模式

图3“DO+NH4+-N”控制模式

图4“DO+NH4+-N”前馈/后馈控制模式

采用基于在线NH4+-N/NO3-N的前馈控制，通常考虑两种情况，一是在进水水量及污染物浓度波动较大的情况下，受生物池固有池容及硝化/反硝化能力的限制，不采取前馈控制措施容易导致出水指标的波动；其次，生化系统滞后响应时间过长，且对出水瞬时实时达标有严格要求的情况。但是，NH4+-N前馈控制模式一般很少单独采用，采用基于NH4+-N作为后馈信号对DO设定点进行调节的“串级控制”（见图3）和“前馈-后馈”闭环模式（见图4）对稳定出水及能耗控制较为可靠。

对于前馈控制模式，也有研究者提出，这种控制并不是所有的条件下都具有显性优势，实际上，对于前馈控制模式，主要特性是在于可以充分应对峰值冲击，但是由于前馈控制算法中考虑并设置了一定程度安全系数，因此，前馈控制模式对于考虑曝气节能并不是最好的选择。根据Rieger等人的研究结果，前馈控制优势体现在低水温季节对进水浓度峰值的控制，在反馈控制措施完善的情况下，前馈控制其对出水并没有显著的提升。这种情况下，结合反馈控制（FB）模式可以有效控制出水NH4+-N指标在设定值附近；同时也可以看出，相对传统的DO控制，基于NH4+-N的FB及FF+FB两种控制模式都可以有效控制出水指标值，这种基于NH4+-N的反馈控制模式，对于目前国内严格的出水控制标准，是极具应用和推广前景。

前馈/反馈闭环控制模式下，在生物池进水端和出水端分别设置在线NH4+-N/NO3-N仪表，采用基于“NH4+-N/NO3-N”前馈/后馈闭环控制模式则会大大提高生物系统运行稳定性。这种模式下，对于前馈控制，进水端NH4+-N传感器如果检测到浓度峰值，控制器则会依据式（1）进行生化系统硝化能力与进水NH4+-N负荷的匹配性评估计算：

式中：

NITstate——生物池进水NH4+-N负荷与生物池硝化能力的比值；

LNH4+-N,INF——进水NH4+-N总量（g/d）

rnit——硝化速率(g/(m3˙d)

V好氧池——好氧池硝化池容

如果NITstate>1，则前馈控制模式启动增加曝气量直至生物池控制区段达到DO设定值，或者增加曝气容积；如果评估NITstate<0.8，也就是生化池硝化能力充分，则选择控制器不会启动前馈增加风量，而转向后馈控制来实现NH4+-N→DO的串级控制。

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