杭州余杭水务有限公司浙江余杭311100
摘要：目前余杭污水厂氧化沟双沟交替运行切换时中间没有过渡阶段，进水沟会直接切换成出水沟，此时污水中的氨氮和总磷含量较高。此外，曝气机运行时频率无法自动调节，溶解氧波动较大，本论文通过调整工艺和编写PLC程序来实现氧化沟的自动运行，提高氧化沟出水的稳定性。
关键词：氧化沟；工艺优化；PLC控制
1前言
前期，余杭污水厂采用的是传统的氧化沟运行模式，出水总氮效果并不十分理想。经过实测，余杭污水厂氧化沟的溶解氧梯度不明显，最高点和最低点相差不超过1mg/L，宏观上很难形成缺氧区（溶解氧<0.5mg/L），反硝化率较低。为了增强反硝化反应，我们尝试将双沟氧化沟的进水沟作为缺氧池，溶解氧控制在0.5mg/L以下，确保宏观上形成缺氧区。但随着周边范围内小区居住率的提高，污水厂进水总氮明显上升，导致碳氮比失衡，因此总氮的去除依然是污水厂一大难题，任何有助于总氮去除的方法都值得我们去探索和研究。
2氧化沟运行现状
目前氧化沟的运行模式分为两个阶段，阶段一沟Ⅰ进水，溶解氧控制在0.5mg/L左右，主要承担反硝化脱氮，沟Ⅱ出水，溶解氧控制在2mg/L左右，主要承担硝化反应和磷的吸收。阶段二，两个沟互换，沟Ⅱ进水，溶解氧控制在0.5mg/L左右，沟Ⅰ出水，溶解氧控制在2mg/L左右。阶段一、阶段二运行周期均为4小时，整个周期为8小时，循环交替运行。
3.现状运行中存在的不足
3.1工艺上存在的不足
从阶段一切换到阶段二时，沟Ⅰ从进水状态直接变成出水状态，此时沟Ⅰ刚进行了4小时的缺氧反硝化反应，水中氨氮和总磷含量较高，从阶段二切换到阶段一时，沟Ⅱ存在同样的问题，一定程度上影响氧化沟出水的稳定性。
3.2设备运行上存在的不足
氧化沟曝气主要对8台曝气机的运行方式进行设定，低速运行频率设定35Hz，高速运行频率设定45Hz。这种控制模式是固定的模式，曝气机运行时频率无法自动调节，导致溶解氧控制不够理想。此外，当进水水质、水量变化时，都会引起溶解氧波动较大，需要人工不断的调节曝气机频率来控制，工作量非常大且难控制。
4氧化沟运行工艺优化改进方案
4.1工艺上的优化改进
从目前的运行模式来看，最大的问题是双沟交替运行切换时中间没有过渡阶段，进水沟会直接切换成出水沟，此时污水中的氨氮和总磷较高，如果中间增加两个过渡阶段可以较好的解决这个问题，过渡阶段周期一般为15—30分钟，常见的DE氧化沟运行模式有两种，如下图所示：
图4-1
在阶段二进水方向进行了改变，出水方向不变，沟Ⅰ不进水也不出水，进行闷曝，由反硝化反应转为硝化反应，曝气机高速运转，可以更快的提高溶解氧，为阶段三的出水做好准备；沟Ⅱ同时进水和出水，由硝化反应转为反硝化反应，曝气机低速运转，降低溶解氧，为阶段三的反硝化反应做好准备。
4.2设备运行上的优化改进
从目前的曝气机运行模式来看，最大的问题一是频率无法根据溶解氧自动调节，二是曝气机无法根据溶解氧情况增开或关闭一台，容易造成曝气过量或曝气不足。针对上述两个问题，我们可以通过编写PLC程序来实现。
5编写PLC程序实现运行工艺优化改进
5.1编程思路
从自动化程序上来说，之前的模式只能称为半自动化模式，溶解氧和曝气机的运行没有联动关系，优化改进后的工艺模式，可以称为全自动运行模式，PLC自动根据溶解氧来控制曝气机的开启台数和频率。
全自动运行模式，分为四个阶段，每个阶段需根据所在阶段的溶解氧控制要求对曝气机的频率进行自动调节，此外，当曝气机运行频率过高超过一定的时间后仍无法达到所需溶解氧时，需增开一台曝气机，同理，当溶解氧已达到控制要求，曝气机运行频率过低超过一定的时间后，需关闭一台曝气机。
5.2编程步骤
全自动运行模式主要通过计时器的计时功能来确定系统处于哪个阶段并执行相应阶段的程序。我们将计时器定义为Timer，总周期定义为Cycel，阶段一周期定义为Cycel1，阶段二周期定义为Cycel2，阶段三周期定义为Cycel3，阶段四周期定义为Cycel4，Cycel=Cycel1+Cycel2+Cycel3+Cycel4。计时及周期单位均为分钟，Timer在0至Cycel范围内循环计时。
此外设计4个PID控制器，用于控制曝气频率，PID1为沟Ⅰ反硝化控制，PID2为沟Ⅱ硝化控制，PID3为沟Ⅰ硝化控制，PID4为沟Ⅱ反硝化控制。
5.2.1阶段一
当0≤Timer<Cycel1时沟Ⅰ进水，沟Ⅱ出水。
5.2.2阶段二
当Cycel1≤Timer<（Cycel1+Cycel2）时，沟Ⅰ不进水、不出水，沟Ⅱ同时进水和出水。该阶段持续时间短，只是一个过渡阶段，因此程序上不考虑曝气机的增开和关闭，采用默认开启的方式。
5.2.3阶段三
当（Cycel1+Cycel2）≤Timer<（Cycel1+Cycel2+Cycel3）时，沟Ⅱ进水，沟Ⅰ出水。该阶段曝气机和PID控制器的开启方式同阶段二，但需考虑曝气机的增开与退出。
5.2.2阶段四
当（Cycel1+Cycel2+Cycel3）≤Timer<Cycel时，沟Ⅰ同时进水和出水，沟Ⅱ不进水、不出水。该阶段和阶段二一样，持续时间短，只是一个过渡阶段，因此程序上不考虑曝气机的增开和关闭，采用默认开启的方式。
5.3上位机修改
为了方便对全自动模式工艺参数的修改和过程监控，我们对上位机进行了相应的修改，如下图所示：
图5-1
通过上图所示窗口，我们可以对反硝化溶解氧和消化溶解氧控制目标进行设定，可以对阶段一至阶段四各个周期进行设定，可以进行全自动模式和原先模式的切换，全自动模式下可以进行频率限制保护和撤销。此外还可以实时显示当前系统所处的阶段，以及这个阶段沟Ⅰ和沟Ⅱ的曝气机控制频率。
6运行工艺优化改进后的优势
6.1氧化沟出水水质更加稳定
通过此次工艺调整后，增加了双沟切换时的过渡阶段，目前过渡阶段周期为20分钟，理论上可以降低氧化沟出水中的总磷和氨氮，可通过化验分析过渡前和过渡后沟Ⅰ、沟Ⅱ中上清液的数据来检验实际效果，如下表所示：
表6-1
采样位置及时间点COD（mg/L）NH3-N（mg/L）TP（mg/L）TN（mg/L）沟Ⅱ340.570.517.37沟Ⅱ350.710.577.12沟Ⅰ373.280.738.62沟Ⅰ353.170.567.06
从上表中可以看出，由于沟Ⅱ同时进水和同时出水，从阶段一末到阶段二末，水中氨氮和总磷均有小幅度的上升。沟Ⅰ经过20分钟的闷曝后，从阶段一末到阶段二末，污水中氨氮有了小幅的下降，但不明显，低于预期，总磷下降较为明显，从0.74降到0.57，降幅达到23%，为即将到来的出水提供了一定的保障。
从上表中还可以看出，从阶段一末到阶段二末的过渡期内，沟Ⅱ的水质要明显好于沟Ⅰ，因此过渡期内，沟Ⅱ继续出水，等沟Ⅰ经过20分钟的闷曝后再切换成沟Ⅰ出水，可以提高氧化沟出水的稳定性。
6.2提高电能的利用率从而降低电耗
目前的模式可以根据溶解氧控制目标对曝气机频率进行实时的调整，不受水质水量变化影响，因此电能的利用率大大提高，综合来看可以降低电耗。从一段时间的电表记录数据来看，工艺调整前，3号氧化沟平均电耗为90度/千吨水，工艺调整后平均电耗为75度/千吨水，降低了16%，这从溶解氧历史曲线记录中可以形象的看出，如下图所示：
图6-1
图6-2
上述两张图是3号氧化沟工艺调整前和工艺调整后48小时内1#溶解氧和2号溶解氧的历史数据，从两张图对比来看，工艺调整前好氧段大部分时间存在曝气过量的现象，工艺调整后，好氧段溶解氧非常平稳，维持在2mg/L附近，高于2mg/L就自动降频或停止一台曝气机，因此减少了电能的不必要浪费，降低了电耗。
6.3抗冲击能力大大增强
污水厂曾遇到过COD突然升高，曝气量没有及时跟上，导致出水氨氮偏高的情况，全自动控制模式是以溶解氧为控制目标，如果超过一定时间后达不到控制目标，一个沟内的4台曝气机会全速运行，正常情况下不会出现曝气不足的情况，因此抗冲击能力会大大增强。
7综合水质对比分析
我们分别于5月底和6月上旬依次完成2#氧化沟和3#氧化沟的全自动运行调试，6月份两个氧化沟大部分时间运行在全自动模式，因此对比今年6月与去年同期的平均进出水水质可以看出整体效果。进出水水质如下表所示：
表7-1
日期进水出水COD（mg/L）TP（mg/L）NH3-N（mg/L）TN（mg/L）COD（mg/L）TP（mg/L）NH3-N（mg/L）TN（mg/L）2013年6月171.62.215.4321.4723.60.280.1610.682014年6月181.232.5825.431.412.970.220.267.93
从上表中可以看出，和去年同期相比，今年污水厂主要进水指标均有一定的上升，尤其是NH3-N、TN明显上升，但出水指标除了NH3-N略高于去年同期外，其余指标均好于去年同期，水质得到进一步改善，平均去除率如下图所示：
图7-1
从上图可以看出，2014年6月份进出水主要指标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最为明显，从50.1%提高到74.7%，较好的解决了污水厂总氮去除的难题。
8结语
余杭污水厂一直致力于摸索污水厂的“最优控制”，此次工艺调整以及氧化沟的全自动运行进一步强化了反硝化反应，并确保各工艺环节溶解氧的精确控制，提高了出水的稳定性。
污水厂DE氧化沟的运行模式主要针对低碳高氮的废水，核心是围绕总氮的去除，对于相似的污水厂具有一定的参考意义。氧化沟的全自动运行，有多方面的好处，可以提高出水的稳定性和抗冲击能力；可以提高电能的利用率从而降低能耗，可以减轻值班人员工作量，降低人员因素的影响，最终形成精确控制的标准化生产，有较好的推广意义。
参考文献：
[1]邓荣森.氧化沟污水处理理论与技术[M].第一版.北京：化学工业出版社，2006
[2]周玉文.城市污水处理应用技术[M].第一版.北京：中国建筑工业出版社，1996
[3]裴刚.秦桂海.城市污水厂DE氧化沟分阶段运行探讨[J].中国给水排水，2010（6）：95-97