Controlling DO: A Good Average Isn’t Good Enough

污水曝气是鼓风机最重要的应用(yòng)之一。多(duō)年来，我已经看到数百个曝气控制系统在运行。它们中的大多(duō)数依靠曝气池中溶解氧 (DO) 的反馈控制来优化工艺性能(néng)并最大限度地降低能(néng)耗。在许多(duō)情况下，操作员认為(wèi)控制工作“非常好”，因為(wèi)平均溶解氧浓度接近设定值。

现实情况是，这些系统中的大多(duō)数都表现出高于和低于目标溶解氧（DO）的显著波动。由于扩散曝气系统中氧传递的性质，获得良好的平均值并不等于性能(néng)优化。

基本流程注意事项

大多(duō)数控制系统使用(yòng)比例-积分(fēn)-微分(fēn) (PID) 算法来控制溶解氧DO、空气流分(fēn)配和鼓风机压力或流量。这些算法容易出现波动——受控变量的循环波动。使溶解氧DO波动高于和低于目标溶解氧DO浓度几毫克/升的波动很(hěn)常见。

振荡有(yǒu)多(duō)种原因。阀位分(fēn)辨率差会导致流量和压力控制不稳定，从而导致溶解氧DO浓度波动。溶解氧DO不稳定的最常见原因是控制回路调整不当。PID 控制特别容易出现这个问题。该算法非常适合線(xiàn)性响应系统，但曝气是极其非線(xiàn)性的。需要应对的非線(xiàn)性包括：

· 气流需求随过程负载变化

· 溶解氧DO浓度随气流变化[见图1]

· 空气流量随阀门位置变化

· 鼓风机气流控制不稳定

· 鼓风机气流随压力变化

图 1：溶解氧和气流的非線(xiàn)性关系。

溶解氧（DO）是工艺性能(néng)和负载的间接指标。保持一定的溶解氧（DO）并不能(néng)保证该过程是可(kě)接受的——它只是意味着氧气供应不低于需求。无论溶解氧（DO）浓度如何，未能(néng)保持适当的生物(wù)质量和数量或缺乏足够的水力停留时间都会导致工艺过程失败。

工艺过程负载的实际需氧量通常以摄氧量 (OUR) 為(wèi)单位，单位為(wèi) mg O2/L/小(xiǎo)时。摄氧量OUR通常在实验室进行测量，但也可(kě)以通过尾气测试进行原位实时测量。摄氧量（OUR）是要去除的生化需氧量 (BOD)和要转化為(wèi)硝酸盐的氨的函数。摄氧量（OUR）反过来确定满足生物(wù)需氧量所需的传氧速率 (ROTR)。

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

    ROTR = 所需的传氧速率，lbm/小(xiǎo)时

    qww = 废水流量，百万加仑/天(mgd)

    ΔBOD = 代謝(xiè)的生化需氧量（BOD），mg/L

    ΔNH3 = 转化為(wèi)NO3的氨，mg/L

给定系统所需的传氧速率（ROTR）可(kě)通过一定范围的空气在一系列操作条件和溶解氧（DO）浓度下的流动来得到满足。所需的传氧速率（ROTR）随着污水处理(lǐ)厂的水力和有(yǒu)机负荷从昼间和冲击负荷的变化而变化。

氧气转移的基础知识

在稳态条件下，实际传氧速率 (AOTR) 和所需要的传氧速率（ROTR）相等。如果负载或气流变化扰乱了稳态平衡，曝气池中的溶解氧浓度将发生变化，直到恢复平衡。了解溶解氧（DO）的变化需要了解氧气转移的基本原理(lǐ)。

实际传氧速率 (AOTR)是气流速率和实际现场氧气转移效率 (OTEf) 的函数：

    AOTR≈(q_s∙OTE_f)/0.9662

    AOTR = 实际氧气传输速率，lbm/小(xiǎo)时

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

    OTEf = 实际现场氧气转移效率，十进制

实际现场氧气转移效率（OTEf）是一个复杂的函数并且不断变化。许多(duō)引起实际现场氧气转移效率（OTEf）变化的因素超出了操作员的控制范围。

实际现场氧气转移效率（OTEf）的测定从制造商(shāng)在清洁水中测量的标准氧气转移效率 (SOTE) 开始，并修正為(wèi)20℃和0.0mg/L溶解氧（DO）。影响实际现场氧气转移效率（OTEf）和标准氧气转移效率（SOTE）之间偏差的因素包括：    

    α，废水中组分(fēn)的函数，例如油和混合液悬浮固體(tǐ)    

    F，测量扩散器污垢随时间的影响    

    T，废水温度   

    D，扩散器浸没深度；浸没越深，意味着标准氧气转移效率（SOTE）更高    

    β，是总溶解固體(tǐ)的函数    

    每个扩散器的空气流量，通常表示為(wèi)每个扩散器的scfm（标准立方英尺每分(fēn)钟）；氧气转移效率（OTE）随气流的增大而降低

    Ca，实际溶解氧浓度；氧气转移效率（OTE）随溶解氧（DO）升高而降低

在控制鼓风机以匹配输送至工艺要求的气流时，最后两个是有(yǒu)意义的。

随着每个扩散器的空气流速增加，产生的气泡大小(xiǎo)也会增加。这降低了體(tǐ)积与表面积之比，进而降低了在废水中溶解氧气的效率[见图2]。如果控制系统增加了空气流速，则溶解氧的速率 AOTR 会增加。但是，由于实际现场氧气转移效率OTEf 下降，因此增加的溶解氧与空气流量增加不成正比。这种关系应该从扩散器供应商(shāng)处获得。

图2：每个扩散器的溶解氧DO和气流的关系。

物(wù)质转移原理(lǐ)规定材料从高浓度位置移动到低浓度位置。差异越大，转移的驱动力越大，发生的速度就越快。其结果是实际现场氧气转移效率（OTEf）将随着实际溶解氧（DO）浓度的升高而下降[见图 1]。

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

    OTE1,2 = 时间1和2的氧气转移效率，十进制

    C*∞f = 工艺水中无限时间的稳态溶解氧（DO）饱和浓度，mg/L

    C1,2 = 时间1和2的实际溶解氧（DO）浓度，mg/L

将这些关系和数据与传氧速率（OTR）结合在一个图表中，展示了过程负载变化、空气流速变化和实际溶解氧（DO）浓度变化之间的关系[见图3]。该图假定处于稳态平衡，实际传氧速率（AOTR）= 所需要的传氧速率（ROTR）。性能(néng)基于典型的扩散器标准氧气转移效率（SOTE）、每天200万加仑（2 mgd）流速以及城市废水的常见生化需氧量（BOD）和氨气（NH3）负载。

图 3：OTR、DO 浓度和空气流速的关系

在这个例子中，保持溶解氧2.0mg/L恒定，增加进入水池的空气流量，所需要的传氧速率（ROTR）可(kě)以从175 lbm（质量--磅）/小(xiǎo)时变化到375 lbm/小(xiǎo)时。这说明了曝气控制的非線(xiàn)性，因為(wèi)大约两倍的处理(lǐ)需求就需要将气流速度增加到三倍。

另一方面，如果工艺需求的传氧速率 (ROTR) 保持恒定在200 lbm/小(xiǎo)时，当气流速率范围从1,000 SCFM 到3,000 SCFM时，实际传氧速率（AOTR）可(kě)以与所需传氧速率（ROTR）平衡。增加的气流导致废水中的溶解氧浓度从0.5mg/L上升到6.0mg/L。这清楚地表明，溶解氧DO浓度升高意味着气流速度超过了工艺要求。

性能(néng)偏差

作為(wèi)控制二次曝气过程的一部分(fēn)，控制鼓风机看起来很(hěn)简单。如果溶解氧（DO）低，则需要提供更多(duō)空气。如果溶解氧（DO）高，则减少鼓风机输出。水池中的生物(wù)相当宽容，可(kě)以适应溶解氧（DO）的一些波动，而不会带来工艺过程问题或产生不良生物(wù)。

如果溶解氧（DO）浓度随着时间的推移趋于平均，那么该系统似乎也是成功的。许多(duō)运营商(shāng)认為(wèi)他(tā)们的曝气和鼓风机控制是令人满意的，因為(wèi)平均而言，他(tā)们尽管存在振荡问题，但仍能(néng)达到溶解氧（DO）目标。他(tā)们还假设这意味着平均而言，他(tā)们正在优化曝气能(néng)量需求。然而，这种假设是不正确的。

维持所需溶解氧（DO）和所需要的传氧速率（ROTR）的非線(xiàn)性意味着过度通气比通气不足更“有(yǒu)害”。

通过比较在恒定ROTR（所需传氧速率）下的不同DO（溶解氧）波动，可(kě)以看出这种在工艺气流需求上的偏离。例如，维持平均DO（溶解氧）浓度為(wèi)2.0 mg/L，比较DO波动為(wèi)±0.5 mg/L和2.0 mg/L的性能(néng)，[见图 4]。 使用(yòng)上述关系，可(kě)以确定导致这些DO波动的气流波动[见图5]。 绘制气流速率波动图表明DO波动±2.0 mg/L的气流偏斜高于DO波动±0.5 mg/L的气流[图 6]。

图4：DO波动示例

图5：确定气流波动

图6：气流波动

实际影响

首先，也许是最明显的，控制不佳导致DO（溶解氧）浓度波动可(kě)能(néng)引发的后果是，能(néng)源成本随着波动的加大而增加。对示例系统的影响每年将超过1,000美元。这是基于典型的鼓风机線(xiàn)对空气效率和0.10美元/千瓦时的平均電(diàn)力成本计算得出的。

電(diàn)力消耗的差异并不是最重要的能(néng)源成本影响。大多(duō)数处理(lǐ)系统支付需求费——根据一个月或一年中使用(yòng)的峰值千瓦收费。对于大多(duō)数处理(lǐ)厂而言，三分(fēn)之一的電(diàn)力成本来自需求费。DO（溶解氧）的较大波动导致11kW的需求增加。如果需求收费為(wèi)15.00美元/千瓦，则每年的成本增加约為(wèi)2,000美元。

气流的过度循环显然会加速流量控制阀执行器的磨损。更令人担忧的是流量的大波动可(kě)能(néng)会增加鼓风机的启动/停止循环。我观察到系统中由DO（溶解氧）控制不稳定引起的振荡导致鼓风机非常频繁地启动和停止-通常每小(xiǎo)时几次。这会导致进一步的过程混乱并缩短鼓风机寿命。

减少或消除DO（溶解氧）控制的波动和相应的气流波动是可(kě)能(néng)的，也是有(yǒu)益的。更精确的流量控制阀将增加稳定性。尺寸合适、调节良好的鼓风机可(kě)最大限度地减少启动/停止循环。有(yǒu)比PID更有(yǒu)效和稳定的算法。这些先进的策略包括長(cháng)响应延迟、偏差控制和误差容限，以适应曝气系统中的非線(xiàn)性。由此产生的控制结果，提供了过程稳定性，确保了充足的氧气供应和优化的能(néng)源需求，并减少了鼓风机启动/停止循环。

关于作者

Tom Jenkins 在鼓风机和鼓风机应用(yòng)方面拥有(yǒu)40多(duō)年的经验。作為(wèi)发明家和企业家，他(tā)在曝气和鼓风机控制方面开创了许多(duō)创新(xīn)。他(tā)是威斯康星大學(xué)麦迪逊分(fēn)校的兼职教授。本文(wén)英文(wén)原文(wén)来自Blower & Vacuum Best Practices。