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

北极星环保网讯:污水处理过程控制及节能降耗一直是污水处理技术开发及运营领域的研究热点，尤其是曝气过程的优化控制，但是基于传统溶解氧（DO）过程控制的节能降耗手段已经走向技术困境。本文作者及所在团队2009年率先将营养盐在线控制技术、侧流活性污泥生物强化工艺耦合活性污泥水解耦合技术引入国内并在国内实现工程化应用，通过多个国内项目进行了实践。本文结合作者多年工程实践，介绍了未来污水处理过程控制尤其是曝气过程优化控制的技术发展方向。

作者简介：刘智晓（1972-），山东莒县人，工学博士，高级工程师，主要从事集团化环境及水务项目设计管理，水务项目方案设计、审核与把关、工艺与设备优化，水处理过程优化控制、革新污水生物处理新工艺研究与开发，高效低耗水厂/污水厂提标改造技术等相关领域的工程化应用研究与实践。

曝气过程占污水处理过程总能耗的50%～75%，优化曝气过程控制、探索新的运行控制模式是节能降耗及改善出水水质的关键。传统的污水处理生化曝气过程是以DO为基础的PID控制，实践证明这种控制模式存在诸多缺欠。欧美等发达国家近些年开始采用基于营养盐信号为基础的反馈或前馈/反馈闭环控制，在改善出水水质的同时，运行能耗可以降低15%～30%。

介绍了以在线NH4+-N/NO-3-N控制信号为基础的曝气过程高级控制系统（AOC）的类型、技术优势及实现方式，并结合实际案例介绍了AOC系统实施的方法及效果。

笔者近几年与国外公司合作，在若干污水厂提标改造工程案例中，率先在国内引进并采用基于在线营养盐传感器参与曝气过程优化控制（AOC），取得了很好的效果。这种AOC系统也可以称之为适时控制系统（RTC），AOC高级控制系统的应用是结合了对传统污水处理工艺的改造基础，是“工艺”与“控制”的融合，采用侧流生物强化（ARP/SSH）技术耦合AOC控制系统可实现利用原有设施，不增加生物池池容的情况下，可以大幅提高污水厂的水力负荷或有机负荷，同时有效改善了出水水质，实现出水NH4+-N/TN的高标准排放及稳定达标。

在综述国外近几年基于在线营养盐曝气控制系统的研究及应用进展基础上，结合笔者实践，探讨了AOC控制系统基本特性及实现方法，以期为国内同行在未来污水厂提标改造及节能曝气优化控制环节的提效改造提供借鉴。

1在线监测仪表设置点位

目前国内污水处理过程主要在线仪表主要设置在进水和出水端，用于环保部门对水质的适时监管，虽然也设置了进出水的营养盐指标的仪表，但一般不直接参与工艺过程的在线优化控制，是“监而不控”。传统生化过程控制仪表以pH/ORP、MLSS、DO为主，根据生物池不同功能分区而分别设置上述仪表，这些仪表通过间接的混合液微生境指标来控制生物系统的运行并间接控制出水水质，这是传统控制模式特点。

改进后的高级控制系统引入在线NH4+-N/NO3-N、PO4-P水质参数作为生化系统的前馈/反馈控制信号，用于过程优化控制，节能降耗及改善出水水质，实现过程控制与出水水质的联锁耦合。以五段式Bardenpho工艺为例，在线仪表设置点位参见图1。

图1基于在线营养盐控制的污水处理过程仪表设置点位

改进后的控制系统除了监测上述常规微环境表征指标外，主要改进之处是引入了营养盐仪表，这些仪表参与生化过程的实时控制。通常在生物反应池不同区段设置特征性水质监测传感器，如在前置反硝化区域设置NO3-N监测仪表、在硝化区或生物池出水端设置NH4+-N/NO3-N、PO4-P监测仪表，通过水质参数传感器实时的监测，采用不同的控制逻辑和模式，可通过直接控制生物处理段获得理想的出水水质。

如在好氧区末端设置在线NH4+-N/NO3-N传感器作为后馈信号，生物池末端DO控制水平可以根据出水NH4+-N/NO3-N目标值的高低进行相应的设定值调整。

在线传感器一般包括在线（on-line）和离线（off-line）两种类型，在线类型又包括原位（In-situ）和异位（Ex-situ）分析两种，In-situ主要包括常规的DO/ORP、pH、MLSS等，传感器直接设置在曝气池混合液中；营养盐仪表多为Ex-situ分析模式，这些仪表一般选择需要考虑采样及反应时间，根据取样、预处理及样品分析方法的差异，离线分析仪表一般有5~25min的滞后,在线控制需要考虑到Ex-situ仪表信号的滞后性。

国际上主流水质仪表供货商目前也在线营养盐传感器的开发领域投入了极大的努力，开发出基于离子选择电极（ISE）或“UV-可见光”法的In-situ型传感器，用于实时在线监测NH4+-N/NO3-N，这些仪表在欧美一些污水厂已经得到成功应用。

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