Controlling DO: A Good Average Isn’t Good Enough

污水曝氣是鼓風(fēng)機(jī)最重要的應(yīng)用之一。多年來，我已經(jīng)看到數(shù)百個(gè)曝氣控制系統(tǒng)在運(yùn)行。它們中的大多數(shù)依靠曝氣池中溶解氧 (DO) 的反饋控制來優(yōu)化工藝性能并最大限度地降低能耗。在許多情況下，操作員認(rèn)為控制工作“非常好”，因?yàn)槠骄芙庋鯘舛冉咏O(shè)定值。

現(xiàn)實(shí)情況是，這些系統(tǒng)中的大多數(shù)都表現(xiàn)出高于和低于目標(biāo)溶解氧（DO）的顯著波動(dòng)。由于擴(kuò)散曝氣系統(tǒng)中氧傳遞的性質(zhì)，獲得良好的平均值并不等于性能優(yōu)化。

基本流程注意事項(xiàng)

大多數(shù)控制系統(tǒng)使用比例-積分-微分 (PID) 算法來控制溶解氧DO、空氣流分配和鼓風(fēng)機(jī)壓力或流量。這些算法容易出現(xiàn)波動(dòng)——受控變量的循環(huán)波動(dòng)。使溶解氧DO波動(dòng)高于和低于目標(biāo)溶解氧DO濃度幾毫克/升的波動(dòng)很常見。

振蕩有多種原因。閥位分辨率差會(huì)導(dǎo)致流量和壓力控制不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致溶解氧DO濃度波動(dòng)。溶解氧DO不穩(wěn)定的最常見原因是控制回路調(diào)整不當(dāng)。PID 控制特別容易出現(xiàn)這個(gè)問題。該算法非常適合線性響應(yīng)系統(tǒng)，但曝氣是極其非線性的。需要應(yīng)對(duì)的非線性包括：

· 氣流需求隨過程負(fù)載變化

· 溶解氧DO濃度隨氣流變化[見圖1]

· 空氣流量隨閥門位置變化

· 鼓風(fēng)機(jī)氣流控制不穩(wěn)定

· 鼓風(fēng)機(jī)氣流隨壓力變化

圖 1：溶解氧和氣流的非線性關(guān)系。

溶解氧（DO）是工藝性能和負(fù)載的間接指標(biāo)。保持一定的溶解氧（DO）并不能保證該過程是可接受的——它只是意味著氧氣供應(yīng)不低于需求。無論溶解氧（DO）濃度如何，未能保持適當(dāng)?shù)纳镔|(zhì)量和數(shù)量或缺乏足夠的水力停留時(shí)間都會(huì)導(dǎo)致工藝過程失敗。

工藝過程負(fù)載的實(shí)際需氧量通常以攝氧量 (OUR) 為單位，單位為 mg O2/L/小時(shí)。攝氧量OUR通常在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量，但也可以通過尾氣測(cè)試進(jìn)行原位實(shí)時(shí)測(cè)量。攝氧量（OUR）是要去除的生化需氧量 (BOD)和要轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的氨的函數(shù)。攝氧量（OUR）反過來確定滿足生物需氧量所需的傳氧速率 (ROTR)。

    ROTR≈(ΔBOD?1.1+ΔNH_3?4.6)/(q_ww?0.723)

    ROTR = 所需的傳氧速率，lbm/小時(shí)

    qww = 廢水流量，百萬加侖/天(mgd)

    ΔBOD = 代謝的生化需氧量（BOD），mg/L

    ΔNH3 = 轉(zhuǎn)化為NO3的氨，mg/L

給定系統(tǒng)所需的傳氧速率（ROTR）可通過一定范圍的空氣在一系列操作條件和溶解氧（DO）濃度下的流動(dòng)來得到滿足。所需的傳氧速率（ROTR）隨著污水處理廠的水力和有機(jī)負(fù)荷從晝間和沖擊負(fù)荷的變化而變化。

氧氣轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)知識(shí)

在穩(wěn)態(tài)條件下，實(shí)際傳氧速率 (AOTR) 和所需要的傳氧速率（ROTR）相等。如果負(fù)載或氣流變化擾亂了穩(wěn)態(tài)平衡，曝氣池中的溶解氧濃度將發(fā)生變化，直到恢復(fù)平衡。了解溶解氧（DO）的變化需要了解氧氣轉(zhuǎn)移的基本原理。

實(shí)際傳氧速率 (AOTR)是氣流速率和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)氧氣轉(zhuǎn)移效率 (OTEf) 的函數(shù)：

    AOTR≈(q_s?OTE_f)/0.9662

    AOTR = 實(shí)際氧氣傳輸速率，lbm/小時(shí)

    qs = 氣流速率，scfm（68℉，14.7psia，36% RH）

    OTEf = 實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)氧氣轉(zhuǎn)移效率，十進(jìn)制

實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)氧氣轉(zhuǎn)移效率（OTEf）是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)并且不斷變化。許多引起實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)氧氣轉(zhuǎn)移效率（OTEf）變化的因素超出了操作員的控制范圍。

實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)氧氣轉(zhuǎn)移效率（OTEf）的測(cè)定從制造商在清潔水中測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)氧氣轉(zhuǎn)移效率 (SOTE) 開始，并修正為20℃和0.0mg/L溶解氧（DO）。影響實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)氧氣轉(zhuǎn)移效率（OTEf）和標(biāo)準(zhǔn)氧氣轉(zhuǎn)移效率（SOTE）之間偏差的因素包括：    

    α，廢水中組分的函數(shù)，例如油和混合液懸浮固體    

    F，測(cè)量擴(kuò)散器污垢隨時(shí)間的影響    

    T，廢水溫度   

    D，擴(kuò)散器浸沒深度；浸沒越深，意味著標(biāo)準(zhǔn)氧氣轉(zhuǎn)移效率（SOTE）更高    

    β，是總?cè)芙夤腆w的函數(shù)    

    每個(gè)擴(kuò)散器的空氣流量，通常表示為每個(gè)擴(kuò)散器的scfm（標(biāo)準(zhǔn)立方英尺每分鐘）；氧氣轉(zhuǎn)移效率（OTE）隨氣流的增大而降低

    Ca，實(shí)際溶解氧濃度；氧氣轉(zhuǎn)移效率（OTE）隨溶解氧（DO）升高而降低

在控制鼓風(fēng)機(jī)以匹配輸送至工藝要求的氣流時(shí)，最后兩個(gè)是有意義的。

隨著每個(gè)擴(kuò)散器的空氣流速增加，產(chǎn)生的氣泡大小也會(huì)增加。這降低了體積與表面積之比，進(jìn)而降低了在廢水中溶解氧氣的效率[見圖2]。如果控制系統(tǒng)增加了空氣流速，則溶解氧的速率 AOTR 會(huì)增加。但是，由于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)氧氣轉(zhuǎn)移效率OTEf 下降，因此增加的溶解氧與空氣流量增加不成正比。這種關(guān)系應(yīng)該從擴(kuò)散器供應(yīng)商處獲得。

圖2：每個(gè)擴(kuò)散器的溶解氧DO和氣流的關(guān)系。

物質(zhì)轉(zhuǎn)移原理規(guī)定材料從高濃度位置移動(dòng)到低濃度位置。差異越大，轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)力越大，發(fā)生的速度就越快。其結(jié)果是實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)氧氣轉(zhuǎn)移效率（OTEf）將隨著實(shí)際溶解氧（DO）濃度的升高而下降[見圖 1]。

    OTE_2=OTE_1?(C_∞f^*-C_2)/(C_∞f^*-C_1)

    OTE1,2 = 時(shí)間1和2的氧氣轉(zhuǎn)移效率，十進(jìn)制

    C*∞f = 工藝水中無限時(shí)間的穩(wěn)態(tài)溶解氧（DO）飽和濃度，mg/L

    C1,2 = 時(shí)間1和2的實(shí)際溶解氧（DO）濃度，mg/L

將這些關(guān)系和數(shù)據(jù)與傳氧速率（OTR）結(jié)合在一個(gè)圖表中，展示了過程負(fù)載變化、空氣流速變化和實(shí)際溶解氧（DO）濃度變化之間的關(guān)系[見圖3]。該圖假定處于穩(wěn)態(tài)平衡，實(shí)際傳氧速率（AOTR）= 所需要的傳氧速率（ROTR）。性能基于典型的擴(kuò)散器標(biāo)準(zhǔn)氧氣轉(zhuǎn)移效率（SOTE）、每天200萬加侖（2 mgd）流速以及城市廢水的常見生化需氧量（BOD）和氨氣（NH3）負(fù)載。

圖 3：OTR、DO 濃度和空氣流速的關(guān)系

在這個(gè)例子中，保持溶解氧2.0mg/L恒定，增加進(jìn)入水池的空氣流量，所需要的傳氧速率（ROTR）可以從175 lbm（質(zhì)量--磅）/小時(shí)變化到375 lbm/小時(shí)。這說明了曝氣控制的非線性，因?yàn)榇蠹s兩倍的處理需求就需要將氣流速度增加到三倍。

另一方面，如果工藝需求的傳氧速率 (ROTR) 保持恒定在200 lbm/小時(shí)，當(dāng)氣流速率范圍從1,000 SCFM 到3,000 SCFM時(shí)，實(shí)際傳氧速率（AOTR）可以與所需傳氧速率（ROTR）平衡。增加的氣流導(dǎo)致廢水中的溶解氧濃度從0.5mg/L上升到6.0mg/L。這清楚地表明，溶解氧DO濃度升高意味著氣流速度超過了工藝要求。

性能偏差

作為控制二次曝氣過程的一部分，控制鼓風(fēng)機(jī)看起來很簡單。如果溶解氧（DO）低，則需要提供更多空氣。如果溶解氧（DO）高，則減少鼓風(fēng)機(jī)輸出。水池中的生物相當(dāng)寬容，可以適應(yīng)溶解氧（DO）的一些波動(dòng)，而不會(huì)帶來工藝過程問題或產(chǎn)生不良生物。

如果溶解氧（DO）濃度隨著時(shí)間的推移趨于平均，那么該系統(tǒng)似乎也是成功的。許多運(yùn)營商認(rèn)為他們的曝氣和鼓風(fēng)機(jī)控制是令人滿意的，因?yàn)槠骄?，他?/span>盡管存在振蕩問題，但仍能達(dá)到溶解氧（DO）目標(biāo)。他們還假設(shè)這意味著平均而言，他們正在優(yōu)化曝氣能量需求。然而，這種假設(shè)是不正確的。

維持所需溶解氧（DO）和所需要的傳氧速率（ROTR）的非線性意味著過度通氣比通氣不足更“有害”。

通過比較在恒定ROTR（所需傳氧速率）下的不同DO（溶解氧）波動(dòng)，可以看出這種在工藝氣流需求上的偏離。例如，維持平均DO（溶解氧）濃度為2.0 mg/L，比較DO波動(dòng)為±0.5 mg/L和2.0 mg/L的性能，[見圖 4]。 使用上述關(guān)系，可以確定導(dǎo)致這些DO波動(dòng)的氣流波動(dòng)[見圖5]。 繪制氣流速率波動(dòng)圖表明DO波動(dòng)±2.0 mg/L的氣流偏斜高于DO波動(dòng)±0.5 mg/L的氣流[圖 6]。

圖4：DO波動(dòng)示例

圖5：確定氣流波動(dòng)

圖6：氣流波動(dòng)

實(shí)際影響

首先，也許是最明顯的，控制不佳導(dǎo)致DO（溶解氧）濃度波動(dòng)可能引發(fā)的后果是，能源成本隨著波動(dòng)的加大而增加。對(duì)示例系統(tǒng)的影響每年將超過1,000美元。這是基于典型的鼓風(fēng)機(jī)線對(duì)空氣效率和0.10美元/千瓦時(shí)的平均電力成本計(jì)算得出的。

電力消耗的差異并不是最重要的能源成本影響。大多數(shù)處理系統(tǒng)支付需求費(fèi)——根據(jù)一個(gè)月或一年中使用的峰值千瓦收費(fèi)。對(duì)于大多數(shù)處理廠而言，三分之一的電力成本來自需求費(fèi)。DO（溶解氧）的較大波動(dòng)導(dǎo)致11kW的需求增加。如果需求收費(fèi)為15.00美元/千瓦，則每年的成本增加約為2,000美元。

氣流的過度循環(huán)顯然會(huì)加速流量控制閥執(zhí)行器的磨損。更令人擔(dān)憂的是流量的大波動(dòng)可能會(huì)增加鼓風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)/停止循環(huán)。我觀察到系統(tǒng)中由DO（溶解氧）控制不穩(wěn)定引起的振蕩導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)非常頻繁地啟動(dòng)和停止-通常每小時(shí)幾次。這會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的過程混亂并縮短鼓風(fēng)機(jī)壽命。

減少或消除DO（溶解氧）控制的波動(dòng)和相應(yīng)的氣流波動(dòng)是可能的，也是有益的。更精確的流量控制閥將增加穩(wěn)定性。尺寸合適、調(diào)節(jié)良好的鼓風(fēng)機(jī)可最大限度地減少啟動(dòng)/停止循環(huán)。有比PID更有效和穩(wěn)定的算法。這些先進(jìn)的策略包括長響應(yīng)延遲、偏差控制和誤差容限，以適應(yīng)曝氣系統(tǒng)中的非線性。由此產(chǎn)生的控制結(jié)果，提供了過程穩(wěn)定性，確保了充足的氧氣供應(yīng)和優(yōu)化的能源需求，并減少了鼓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)/停止循環(huán)。

關(guān)于作者

Tom Jenkins 在鼓風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)應(yīng)用方面擁有40多年的經(jīng)驗(yàn)。作為發(fā)明家和企業(yè)家，他在曝氣和鼓風(fēng)機(jī)控制方面開創(chuàng)了許多創(chuàng)新。他是威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的兼職教授。本文英文原文來自Blower & Vacuum Best Practices。