在马头岗污水处理厂二期工程中采用了精确曝气系统，通过合理调节两种鼓风机的并网运行模式、优化溶解氧控制分区和仪表配置、优化溶解氧目标设定值，以应对实施过程中遇到的各种特殊情况。经过近1年时间的投运，精确曝气系统运行效果稳定，实现了从鼓风机供气到各个支管配气的全自动控制，生化池溶解氧稳定控制，不但节省了大量人力,还稳定了出水水质。
1 项目背景
郑州市马头岗污水处理厂总处理规模为60万吨/日，分两期建设运行（设计规模均为30万吨/日）。其中二期工程采用“改良A2O+混凝、沉淀、过滤”工艺，设计出水执行一级A标准，于2014年9月建成通水。
二期工程共设置4座生物反应池（5#~8#），采用“多点进水+前置缺氧改良A2O”工艺，每座生物池均由预缺氧段、厌氧段、缺氧段和好氧段组成。
为提升运营水平，决定对二期工程原有的鼓风曝气系统进行改进，以实现自动合理供、配气。在二期工程鼓风机、空气调节阀门等设备均已完成招标采购的情况下，经过另行招投标，选择了AVS精确曝气流量控制系统。
马头岗污水处理厂二期工程于2015年3月开始实施精确曝气系统安装工作，2015年9月完成试运行正式投运，起到了降低人工操作强度、稳定工艺运行的作用。在精确曝气系统设计和实施的过程中，遇到了一些不利情况，但通过科学合理的工程措施，利用厂内已有的设备资源，使精确曝气系统合理整合，顺利实施并投入运行。
2 工程已有鼓风曝气系统的特殊性
2.1 两种不同品牌鼓风机并联运行
二期工程共设置6台单级离心鼓风机为生物反应池供气，日常运行4用2备，分属西门子与豪顿两个品牌，因此需要合理优化这两种鼓风机的并网运行模式。
2.2 常规的溶解氧控制分区方式不适用
马头岗二期工程采用完全混合式池型氧化沟（实际工艺仍为A2O），单座生化池共设置8个好氧廊道作为曝气区，每个好氧廊道配置一根DN350的曝气支管。如果按常规方法进行溶解氧控制区划分，每座生化池需划分为8个溶解氧控制区，在每根曝气支管上安装1个电动空气调节阀和1个热式气体流量计，并在每个溶解氧控制区配置1个溶氧仪，采购费用将远远超过该项目的预算资金（阀门已于前期完成采购，主要是流量计和溶氧仪的采购成本）。而且由于空气管路系统已经完成施工，期望通过优化管路设计或改造管路系统来减少仪表数量的道路行不通。
2.3 严格的排放标准对溶解氧控制提出更高要求
马头岗污水处理厂的出水水质除暂时执行一级A标准外，下一步将执行贾鲁河流域水质标准，例如氨氮的达标排放标准将规定为3mg/L以下，严于一级A标准。因此对生化池溶解氧的控制水平要求更高。
3 工程应对措施
3.1 两种品牌鼓风机并网控制的应对方法
考虑到鼓风机系统运行的可靠性及安全性，最终确定二期工程6台鼓风机的调节模式为：使用1台或2台西门子鼓风机，设置为手动运行状态，即导叶开度固定，不随压力设定进行调整，系统只调整处于自动状态的另外4台豪顿鼓风机。
由于西门子和豪顿鼓风机使用的PLC型号不同，而中控以及精确曝气系统使用的PLC是施耐德的，为完成不同品牌PLC的内部通讯，在鼓风机系统中增加了red-lion网关（位于鼓风机主控柜内），将西门子及豪顿鼓风机的数据采集到网关，通过厂区工业环网，实现中控PLC、精确曝气PLC以及鼓风机PLC三者间的数据交互。
3.2 溶解氧控制分区与仪表设备配置方案的优化
为了减少热式气体流量计和溶氧仪的数量，对溶解氧控制分区进行优化设计，沿水流方向将单座生化池的8个好氧廊道划分为4个溶解氧控制区。
按照优化设计的方案，每根曝气支管仍安装电动空气调节阀门，而只在同一个溶解氧控制区的两根曝气支管中的一根上安装热式气体流量计，并在该溶解氧控制区的中间位置安装1个溶氧仪，两根曝气支管实现空气阀的同步调节。采用此种安装方式后，热式气体流量计和溶氧仪的数量可实现减半，从而在不影响系统使用效果的前提下，大大降低了仪表的采购成本。
3.3 优化溶解氧目标设定值
借助ProSee污水厂运行专家智能决策系统这一工艺仿真工具，在建模基础上，以现场的进水条件作为模型输入，在各溶解氧控制区设置不同的溶解氧目标值作为模型参数进行仿真，以出水氨氮达标限值为底线（暂时设置为1 mg/L），给现场实施过程中设置溶解氧目标设定值提供参考。然后在实施过程中结合出水水质情况，再逐步修正，直到达到理想的效果。这一过程其实也是精确曝气的调试阶段。
根据仿真模拟结果，在精确曝气的具体实施中，为保证出水达标排放，给出了建议溶解氧目标设定值：DO1为0.2~0.5 mg/L，DO2≥0.5 mg/L，DO3≥0.5 mg/L，DO4≥1.0 mg/L。
考虑到现场实施和理论计算存在的差异，以及实时进水条件的不可预知性，为保险起见，在精确曝气实施中先按如下方案配置各溶解氧设定值：DO1=0.2mg/L，DO2=0.55mg/L，DO3=0.75mg/L，DO4=1.0mg/L。
4 精确曝气控制系统的应用效果
精确曝气系统于2015年9月初实施完成并投入运行，经过近1年时间，运行效果稳定，实现了整个曝气系统的大闭环全自动运行，生化池溶解氧得到了稳定控制，出水稳定达标排放，其中总氮、总磷的去除效果得到显著改善。
4.1 鼓风机的全自动闭环控制
成功地将两种品牌鼓风机并网运行，通过鼓风机系统的MCP功能实现了全自动控制鼓风机的启停和调节导叶开度来调节风量，达到了按需供气的目的；同时，精确曝气控制系统内置鼓风机优化控制模块，在保证需气量的前提下，控制单台鼓风机的开启频率不超过1次/天，有效避免了鼓风机频繁启停对鼓风机本身的影响，优化单台鼓风机的运行时间，使所有鼓风机的运行时间相一致，从而提高鼓风机的使用寿命。鼓风机系统的总输出气量可按精确曝气系统计算的需气量动态变化，且控制精度在1%以内。
4.2 溶解氧控制效果
经统计，实施精确曝气后，二期工程各溶解氧控制区的溶解氧控制效果均能满足要求，现场溶解氧控制稳定性较实施前有大幅提高（以7#生化池中端溶解氧控制区为例）。
4.3 出水水质
在实施精确曝气后，虽然各项进水污染物浓度及进水水量日均值较实施前均有不同程度的增加，但出水COD的日均值基本同实施前持平，出水氨氮的日均值较实施前有所上升但仍达标，出水总氮、总磷的日均值均较实施前有所下降，尤其是总磷，其日均值的下降幅度达到67.24%。其中，出水氨氮较实施前反而有所上升的原因在于，实施精确曝气后较实施前减少了曝气量，造成氨氮未能被充分硝化。同样是这个原因，却促成了缺氧区的反硝化，导致硝态氮的去除得到加强，因此总氮去除效果得以提升。而总磷的下降，可归因于实施精确曝气后硝化菌在低氧环境下活性下降，从而促成与之存在竞争关系的聚磷菌占据一定优势，进而强化了对磷的去除。
综上，精确曝气的实施从总体上来说对出水水质达标是有正面作用的，但实施中需要对“低氧环境”下溶解氧的保持留有余量，以保证氨氮去除效果。
