智能曝气管理∣污水厂能耗之困与破局之道

 

污水厂，在执行涤荡污染、守护清流的使命中，频繁面临下述的尴尬处境：既要治理污染，却又因高能耗与“3060”碳达峰与碳中和目标相悖。进水超标叠加运营成本压力的困局下，如何在高能耗的阴影下寻找到解决方案？探寻污染处理效能提升和低碳环保的解困之策显得尤为迫切。
作为一个能源消耗大户，污水处理业每每面临高额的能源账单。上海电力大学的研究数据表明，生物处理环节的耗能占据污水处理厂总能耗的近一半。而曝气作为生物处理单元的心脏，其效率直接影响最终出水水质及运营成本。

 

 

污水厂能耗分析

图源：上海电力大学

在污水处理厂中，曝气环节可以比喻为给污水系统进行“呼吸管理”——需要在保证适度“氧气供应”的同时，避免“过度供氧”。不足的曝气量会导致系统功能失调，影响污染物的有效分解，出水难以达标；而过度曝气不仅耗费大量能源，还可能触发治理过程中的“逆效应”，同样无法确保出水达标。
特别是在能耗较高的生物处理池中，采用精细化和智能化的曝气管理，可以有效提升处理效率，实现资源的最佳利用。通过这样的管理策略，污水处理过程将更为顺畅，在确保出水达标同时，最大限度地节约能源，提升整体运营效益。

 

1. 曝气之困：现有技术之瓶颈寻求突破之路

   在污水处理的曝气过程中，传统的控制方法主要依赖溶解氧（DO）的反馈来确保水质达标。然而，这种方法存在局限性。首先，它难以确保曝气系统持续处于最佳状态。其次，溶解氧探头的易污染性可能导致数据失真，给风机调整带来错误的反馈信号，影响风机自动运行的可靠性。这种情况就像使用一张细节模糊的地图去探索宝藏——虽然知道宝藏可能的区域，但要找到它的确切位置，却并非易事。
   为了提升曝气系统的能效，有人提出将DO设置值在一定范围内变动，并通过氨氮检测值来反馈判断出水是否达标。然而，由于生物反应具有滞后性，通过出水氨氮指标来控制风机风量在实际操作中并不可行。
   目前流行的一种高精度曝气控制策略是通过进水水量水质辅以模型工具或通过检测的标准好氧速率（SOUR）来计算风机风量作为前馈，辅以DO和氨氮的实测值来进行反馈调整。这种计算方法的理论基础，在于利用模型或SOUR来计算出曝气的需氧量，并将需氧量转化为风机的供风量。
   然而，与所有探索一样，这条新路也非尽是坦途。在实际应用中，模型前馈预测的结果总是存在误差。测试SOUR的方法通常仅能反映曝气池的某一局部状态，不能代表整体情况。这一局限性导致前馈模型的需氧量预测或SOUR测试结果往往偏差较大。将预测的需氧量转换为风机供风量时，仅基于固定的氧传递效率（OTE）经验值进行估算，实际情况是OTE会随着风量的变化而变化，这样风机风量的计算结果误差会很大，不准确的风量值调控，可能会导致风机过度运转或供氧不足，从而令处理效率打折。
   因此，引入创新技术以优化曝气控制显得尤为重要。采用更智能、全面的管理手段不仅能提高污水处理效率、节约资源，还将为曝气环节拨开迷雾、降本增效。
   2.破局之道：精准测量与智能决策控制

   想象一下，如果我们的污水处理过程能够像智慧的生命一般，可以对自身状态进行实时感知和评估，并据此作出最佳调整，那将会是一场怎样的革命？
   泛湖生态开发出的PLAKeco^?智能曝气控制系统正是这样一项创新技术，该系统采用了一种全新的思维方式，用更加精确和高效的OTE检测反馈控制取代了传统的DO检测反馈控制方式。通过监测OTE指标，PLAKeco^?控制系统能够自动调整风量，确保系统达到最佳曝气效能，同时保证出水稳定达标。

 

图：数据监测原理

 

OTE，即氧转移效率（Oxygen Transfer Efficiency），是衡量曝气系统效能的重要指标。过去，OTE检测通常是在清水状态下进行，通过实验装置静态测定曝气器的标准氧转移效率（SOTE）。然而，在污水厂运行状态下，实时监测OTE一直是个难题。泛湖生态的智能OTE检测仪成功解决了这一问题，为PLAKeco^?智能曝气控制系统的有效运作提供了准确的实时数据。

 

通过实时监测OTE，PLAKeco^?智能曝气控制系统不仅可以实时监测曝气系统的充氧效能，还能间接评估曝气区域微生物的活性。这种基于OTE的单因子控制方法，使得PLAKeco^?系统能够动态调节曝气效能和微生物处理状态，确保污水处理过程既高效又稳定，这是PLAKeco^?智能曝气控制的理论基础，是具有颠覆性的重大创新，将会对污水厂的曝气控制产生深远影响。

 

PLAKeco^?智能曝气控制系统能够保持较高的OTE值，实现高效能运行，同时避免因OTE值过高带来的超标风险。系统可利用DO和氨氮值发出安全警报，确保污水处理高效且稳定达标。PLAKeco^?系统能自动确定或通过云端算法优化OTE设定值，简化操作流程，提高自动化程度，并确保运行的稳定性和可靠性。

 

PLAKeco^?系统整合了包括智能OTE检测仪、智能控制柜及智能分析决策系统等在内的关键技术模块，构成了一个高度复合的智能管理平台。该系统专门设计用于对曝气装备的性能、环境参数以及运行状况进行实时评估，满足客户的专业需求并可进行个性化拓展：

①能效分析及优化决策控制：通过实时监测曝气池的OTE和运行状态，并结合其特征及历史数据，利用PLAKeco^?的曝气模型和大数据库，精准计算出最适宜的OTE设定值。系统能够实时根据OTE设定值调整不同时间和区域的供风量，旨在保证出水达标同时，达到最优的节能效果。

 

②曝气器全生命周期管理：根据曝气池的实时OTE数据和历史记录，结合PLAKeco^?曝气模型和大数据库，持续追踪和评估曝气装备的性能，实施全生命周期管理。该系统为曝气装备的维护、清洗和替换提供精准指导，优化运营效率。

 

③生物活性评估：智能OTE检测仪能实时监测好氧区的OTE和耗氧速率(OUR)，配合微生物测定技术，全面评估生物反应器中微生物的活性和健康状态。这一过程为水质稳定达标及实现节能减耗提供了科学依据，指导运营策略的优化调整。

 

 

图：OTE检测仪

 

系统优势

1. 稳定达标：通过控制OTE在安全范围内，并以DO和氨氮为预警指标，确保出水稳定达标；

2. 节能减排：保持OTE稳定控制在较高水平，可在不影响水质标准的前提下，将电耗降低10-40%；

   （3）无忧值守：利用智能感知系统及时收集OTE、OUR等生物反应指标，并通过智能控制柜实现就地数据传输与控制。结合云端智能分析决策系统，能够自动生成自动化控制指令，实现高效自动化运维，降低操作人员劳动强度。此外，云端系统还提供运维管理和产品生命周期的智能建议，无需高级技术管理，即可实现高效无忧值守管理。
   适用场景：市政污水、工业废水、农村污水、水环境治理、养殖废水等底部曝气的场景
   案例：用对比数据说话安徽某污水厂设计日处理能力为5万m³，采用AAO工艺，设计出水标准执行《巢湖流域城镇污水处理厂和工业行业主要水污染物排放限值》（DB34/2710—2016）标准，其中COD_Cr和TP分别不高于30（40）mg/L和0.05mg/L。

 

 

图：污水厂工艺流程

 

污水厂分两个系列，优化调控其中一个系列的好氧池前段，调控时间段为2023年9月-12月，应用PLAKeco^?智能曝气控制系统，实现对OTE进行实时监控和调整。

 

图：调控前后OTE对比

 

调控后，运行工况有了极大改善，优化效果如下：

 

图：调控前4-8月平均值与调控后9-12月平均值对比

 

 

图：调控前后月均气量和风机电单耗均显著降低

 

引入PLAKeco^?智能曝气控制系统后，效果显著。该系统在确保水质达标的同时，显著提升了节能效率，风机电单耗降低了20%至40%。PLAKeco^?智能曝气控制系统支持自动控制，无需人工值守，保障出水水质稳定。通过优化生化池的曝气过程，相比于之前的控制，一年内可节约电力成本44.25万元。

 

图：曝气与脱氮的协同关系

 

由图中可以看出，碳源消耗和电力消耗存在协同效应。随着风机耗电量的减少，碳源的使用量也显著降低，说明曝气控制在脱氮过程中起到了协同促进的作用。由于碳源成本高于电力成本，因此，碳源消耗量的减少更具经济性。
通过智能化管理和技术创新，该污水处理厂在降低运营成本的同时，有效提升了处理效率。这不仅实现了成本控制，还确保了出水质量达到日益提高的环保要求，展现了降本增效的双重优势。