基于在线氨氮浓度的曝气控制技术在大型MBR中的应用
膜生物反应器（Membrane bioreactor，MBR）工艺在城市污水处理和回用工程中的可行性和高效性已经得到了广泛的验证，并在近些年在中国呈现快速增长的趋势。使用具有微滤/超滤特性的膜分离单元，代替传统活性污泥工艺中的二沉池，在高效地实现泥水分离的同时，提升了生化处理系统的污泥浓度，进而使得MBR在占地面积、剩余污泥产量上体现出明显的优势。然而，由于膜污染的发生和积累，严重影响了膜分离系统长期运行的稳定性。因此在工程上，为控制膜污染的发展，通常需要借助膜分离系统（膜池）内的大量曝气产生足够的冲刷，减缓膜污染物在膜表面的附着和沉积。由此也导致了相对于传统活性污泥工艺，MBR在系统运行能耗上显著偏高，这也一定程度上成为了限制MBR进一步推广应用的制约因素。
正因为此，开展针对MBR的节能降耗研究，尤其是基于大规模工程的应用研究，将是解决上述问题的重要尝试。考虑到MBR最主要的能耗单元是好氧池和膜池的鼓风机，因此节能降耗的尝试应重点关注好氧池、膜池的曝气。来自清华大学环境学院的研究团队重点关注了通过动态调节好氧池曝气量，实现曝气量的节省和能耗的降低。
好氧池曝气主要是为异养微生物降解氨氮、有机物等提供所需的氧，以及通过气泡的上升过程保证反应池内的均匀混合状态。在工程设计中，通常以前者作为运行参数确定和设备选型的依据。因此，在确定的来水水质、水量参数下，好氧池的在线水质是与好氧池曝气量直接相关的。基于这样的关系，即可建立基于好氧池水质参数的反馈控制过程。而实际上，已有不少研究报道了基于在线DO浓度的曝气反馈控制策略，且该策略已被证明可以在工程上实施。然而，从DO浓度出发，虽然可以动态调节好氧池曝气量，但对于实际情况中来水水质、水量的波动情况，好氧池的污染物水质指标仍然有很大可能是波动的，而波动即在一定程度上意味着好氧池的污染物去除过程仍存在优化的空间。也正是由此，尝试建立基于好氧池污染物浓度的曝气反馈控制策略，不管是从研究上，还是工程上都是具有重要意义的。
反馈控制的具体形式多种多样，其中，反馈PI控制在精确曝气领域的可行性得到了广泛的认可。而在反馈控制的出发点上，研究人员通过前期调研和现场试验发现，好氧池氨氮浓度在不同温度、来水特性的条件下呈现了明显的动态变化，因此选取好氧池氨氮浓度作为本研究曝气反馈控制的出发点，参考基于DO浓度的精确曝气思路，建立了本研究中的“氨氮-DO-曝气”串级反馈控制系统，如下图所示：
该控制器从好氧池在线氨氮浓度出发，通过第一级PI控制器（氨氮-DO）计算好氧池DO浓度的控制点，再通过第二级PI控制器（DO-曝气量）计算好氧池曝气量输出，同时考虑了进水水量的波动，采用额外的控制器计算曝气量补偿，将最终的所需曝气量数值传送至鼓风机系统，执行动作。
A) 模型工具
在提出控制策略后，其可行性是研究人员最为关注的问题。由于该研究是基于中国无锡某大型MBR城市污水处理工程（处理规模50000 m3/d）展开，直接在工程上验证控制策略的可行性是极具风险的。而模型工具为这样的可行性验证提供了有力的平台。
对于描述污水的生化处理过程，IWA曾在1990~2000年间提出了4个主要的活性污泥模型（Activated sludge model，ASM），分别为ASM1、ASM2、ASM3和ASM2d。ASM采用大型矩阵的形式对各个生物反应的动力学过程进行数学描述，而对于具有脱氮除磷功能的MBR系统，ASM2d模型是最适合用以描述和模拟的。而从软件平台的角度上看，加拿大Envirosim公司开发的基于ASM系列模型和污泥厌氧消化模型的BioWIN软件从软件成熟度和功能完备性上讲，都是比较适合本研究的需求的。
研究人员首先在BioWIN软件上建立了污水处理的工艺流程，通过灵敏度分析识别了对模拟结果影响显著的动力学参数、化学计量学系数、进水组分参数，并采用试验测试、手动试算等方法进行参数校正，最终获得的模拟结果与现场连续监测获得的试验结果对比如下图所示：
模型模拟结果与实测数据在氨氮和TN浓度上仍呈现良好的符合，平均偏差分别为0.36 mg/L（12%）和0.44 mg/L（4%）。这表明经过参数校正的模型可以对实际MBR工程运行过程中的氮元素去除进行很好的模拟。而对于COD的情况，模型模拟的输出结果波动很小，而实测数据波动较大，仅在部分时间段内（10~ 20 h，60 ~ 96 h），模拟结果和试验结果的吻合度较好，而其它时间段内试验值波动剧烈，模型无法预测。考虑到实际MBR工程的进水包含部分工业废水，且在现场测试期间由于工程的调试工作，某些膜池需要清空（混合液导回生化段进水），可能导致进水的组分参数上产生较大波动，而受限于BioWIN软件只能设置恒定的组分参数数值，模拟结果无法预测实际的COD波动。
B) 控制策略的可行性
在建立可信的过程模型后，基于BioWIN软件语言建立前述的曝气控制策略算法，耦合于动态模拟中，在随机生成的进水水质、水量数据下进行模拟，采用手动试算的方法调节控制器参数，最终获得如下结果：
对于夏季的典型温度（26°C），在耦合控制策略的模型动态模拟条件下，好氧池的曝气量实现动态变化，平均曝气量相对于基准状态降低至987.5 m3/h，降幅为18.0%。好氧池氨氮浓度水平略微上升，但可以稳定于氨氮设定点（2mg/L）附近。基准状态的好氧池氨氮浓度的平均值为1.28 mg/L，波动的相对偏差为23.1%，而在曝气控制策略运行下，好氧池氨氮浓度平均浓度为2.11 mg/L，波动的相对偏差仅为8.2%。对于出水水质，采用曝气控制策略使得出水氨氮浓度略微上升，由0.50 ± 0.16 mg/L增加至0.94 ± 0.12 mg/L，出水氨氮浓度的上升相对于现有排放标准的限制（5mg/L）而言是可以接受的。好氧池与出水之间的氨氮降解是在膜池实现的，曝气控制策略采用后，在膜池曝气条件不变的条件下，膜池内降解的氨氮浓度由0.78mg/L增加至1.16 mg/L，这表明膜池对于氨氮的降解功能在降低好氧池曝气量后得到了更多的发挥，一定程度上增加了膜池曝气对于生化反应的利用程度。出水TN浓度在基准状态和曝气控制策略状态的差别不大，表明降低好氧池曝气不会影响TN的去除。
对于冬季的典型温度（13°C），在耦合控制策略的模型动态模拟条件下，好氧池的曝气量实现动态变化，平均曝气量相对于基准状态降低至2074.5 m3/h，降幅为13.5%。氨氮浓度在基准状态和曝气控制策略状态均呈现较大的波动，这是由于低温条件下微生物生化反应速率受到较大的限制，氨氮浓度对于曝气量变化的响应幅度变大。基准状态下，好氧池氨氮平均浓度为2.46mg/L，波动的相对偏差为23.4%；曝气控制策略状态下，好氧池氨氮平均浓度增加至3.22mg/L，波动的相对偏差则减小至16.8%。相对基准状态而言，好氧池氨氮更稳定地在氨氮浓度设定点（3mg/L）附近波动。对于出水而言，出水氨氮浓度由1.94 ± 0.54 mg/L上升至2.57 ± 0.52 mg/L，仍能够稳定达标，且核算得出膜池对于氨氮浓度的去除贡献由0.52mg/L增加至0.65 mg/L，这证明了曝气控制策略的实施将一定程度上转移好氧池的氨氮负荷至膜池，在膜池曝气条件不变的条件下，强化膜池在氨氮去除中发挥的作用。出水TN浓度在曝气控制策略状态下略低于基准状态，降低的幅度平均为0.74 mg/L（6%），这说明降低好氧池曝气量有利于提升整个生化反应段对TN的去除，其原因应该是降低好氧池曝气量将降低好氧池的DO浓度，进而降低DO随好氧池混合液回流至前缺池对反硝化过程的负面影响。
由上述模拟结果可以看出，研究人员提出的曝气控制策略对于好氧池曝气量的降低效果比较显著，而同时曝气量的动态调节稳定了好氧池和出水的氨氮浓度，这对于污水处理过程而言也是具有积极意义的。
A) 软件及硬件需求
为实现前述的控制效果，实际的MBR工程需要满足下述的软件、硬件需求：
在线仪表：好氧池在线氨氮仪、在线DO仪、进水流量仪，要求测试结果快速、准确，数据采集频率满足本研究中的控制策略需求（数据间隔2分钟）；
鼓风机（组）：需支持远程自动控制，自动整定风量输出使其达到控制策略计算的曝气量需求，对于本研究的情况，鼓风机（组）以导叶开度信号作为控制依据，在一定范围内，导叶开度和鼓风机风量输出呈现线性关系；
控制程序：自主编写的控制程序应满足数据采集、存储、计算，中间计算量和计算输出的实时显示、存储，并支持参数设定、数据平滑、数据仿真等功能，在本研究中，控制程序采用C#语言进行编写。
B) 工程运行效果
控制策略的在实际MBR工程中经过调试后稳定运行一周以上，获得的MBR工程运行数据如下图所示：
开展本研究过程中，该MBR工程正处于1台好氧池鼓风机运行的状态。从曝气量的数据变化上可以看出，曝气控制策略可以在实际工程中实现曝气量动态变化，曝气量的动作范围为2500~ 4200 m3/h，对应鼓风机的导叶开度为60° ~ 100°。由于鼓风机的实际电流无法通过自动控制系统记录获得，因此实际功率由好氧池曝气量换算获得，故呈现出与好氧池曝气量一致的波动特征。在曝气控制策略实施后，好氧池曝气量由基准状态的4200m3/h下降至3230 ± 230 m3/h，下降幅度平均为23.1%，与模型预测的数值较为接近。好氧池鼓风机的实际功率由基准状态的137 kW下降至116± 5 kW，下降幅度平均为15%，在一周的运行过程中，鼓风机的实际运行能耗降低了3528kWh，折合为吨水的处理能耗降低量为0.012 kWh/m3，相当于该MBR工程总吨水能耗的2.5%。好氧池氨氮浓度在实施曝气控制策略后略微上升，这是与曝气量的降低直接相关的，好氧池氨氮浓度稳定于2.5mg/L的控制点附近，波动的平均相对偏差为4.1%。好氧池氨氮浓度仍明显低于排放标准的限值（5mg/L），考虑到膜池的降解作用，出水氨氮浓度仍可以满足达标排放的要求。
对于工程运行的数据结果，推算至全年的情况，本研究提出的控制策略将能够实现在该MBR工程降低好氧池鼓风机的能耗242 MWh。由于在线DO仪基本属于当前国内MBR城市污水处理工程必备设备，因此本研究提出的控制策略的主要成本为增加好氧池在线氨氮仪的成本（编程工作的成本可忽略）。综合国内工业用电价格范围（0.6~ 0.9元/kWh）、在线氨氮仪成本（60000 ~120000元），以本研究中安装2台在线氨氮仪的情况为例，核算该控制策略的效益回收期为0.6~ 1.7年，这一数值显著低于按规程维护的在线氨氮仪的使用寿命（3 ~ 4年）。相对于以DO/ORP、或MLSS浓度作为控制依据的控制策略，基于好氧池氨氮浓度的两阶串级反馈控制策略能够实现好氧池及出水的水质指标稳定，使得MBR工程可以根据出水需求、结合温度条件，设定合适的氨氮浓度设定点，这样既可以保证出水水质的稳定性，又在一定程度上降低了污水处理过程的能耗。而进一步的，本研究所基于的MBR工程采用定频单级高速离心风机作为好氧池曝气的动力单元，其风量调节范围和动力消耗的线性关系（一定范围内）斜率较小，也即实际能耗的节能效果较为有限；而对于以变频离心电机作为动力元件的鼓风机，在相同的曝气量变化幅度下，功率的降低效果更为显著，因此上述策略的节能效果和效益回收期有望进一步优化。然而，不容忽视的是，本研究提出的控制策略对于各项仪表的正常工作要求较高，这要求系统运行人员要及时维护相关仪表，以保证控制策略的正常运行；同时，在长期运行过程中，控制策略的参数不可避免的需要进行调整，引入更为智能/复杂的控制理论（如模糊PID等），增加控制系统的自学习性和智能性，可能是这一策略能在实际工程中长期稳定运行的有效尝试。
参考资料
Jianyu Sun, Peng Liang, Xiaoxu Yan, Kuichang Zuo, Kang Xiao, Junlin Xia, Yong Qiu, Qing Wu, Shijia Wu, Xia Huang, Meng Qi, Xianghua Wen, Reducing aerationenergy consumption in a large-scale membrane bioreactor: Process simulation and engineering application. Water Research 93 (2016), 205-213.