欢迎来到人工智能的世界博客主页卿云阁欢迎关注点赞收藏⭐️留言本文由卿云阁原创首发时间2026年9月29日✉️希望可以和大家一起完成进阶之路作者水平很有限如果发现错误请留言轰炸哦万分感谢目录引言曝气系统节能措施鼓风扩散曝气系统的节能措施风机合理选型间歇曝气曝气过程控制溶解氧自动控制工作原理溶解氧控制策略新进展最大阀位优先MOV控制集成式风量控制污泥停留时间 / 溶解氧SRT/DO联合自动控制使用非 DO 控制参数的新兴技术呼吸测量法Respirometry引言曝气工艺是污水处理厂所有单元中能耗最高的环节。尽管能耗与场地条件相关不同污水处理厂之间差异巨大但曝气能耗占全厂总能耗的 25%60%WEF2009。由于曝气环节能耗高通过对曝气系统进行设计与运行优化尽可能匹配工艺实际需氧量能够实现节能。通过深入掌握特定污水的需氧规律以及需氧量随昼夜、季节的波动特征污水处理厂可赋予曝气系统运行弹性高效响应实时需氧负荷。曝气系统节能措施污水曝气可通过向水体鼓入空气或高纯氧气实现也可通过水体搅动使水体与大气接触完成氧气传递。最常见的两类曝气系统为鼓风扩散曝气与机械表面曝气。将鼓风曝气与机械搅拌相结合的复合系统包括射流曝气系统、U 型管曝气器与潜水涡轮曝气器。溶解氧浓度越接近饱和值氧气溶入水体的阻力越大氧转移效率 OTE 越低。鼓风扩散曝气系统的节能措施鼓风扩散曝气系统在污水液面以下送入空气。系统主要组成包括进气系统、风机、空气管道系统、曝气器以及控制系统。进气系统一般配有过滤器防止空气中颗粒物损坏风机与曝气器。曝气系统常规节能措施包括1风机合理选型2渠道曝气专用风机3池内曝气器布置第四种新兴措施为间歇曝气。下面分别展开介绍。风机合理选型存在多种可高效运行的风机配置方案大型污水处理厂可选方案尤其丰富。一般而言风机系统设计的调节比可调范围至少应达到 5:1即系统可在额定满负荷 1/5 的工况下稳定运行Cantwell 等人2009。兼顾高效运行与备用保障的常见配置方案4 台风机每台承担设计风量的 33%或 2 台风机各承担 25% 设计风量搭配另外 2 台各承担 50% 设计风量。实例 4-1 展示了某水务单位通过更换小型风机每年节电约 100 万千瓦时。节能改造措施2003 年 7 月水厂将 2 台 700 马力风机更换为 2 台 350 马力风机以此降低运行溶解氧浓度同时更新溶解氧探头更换为新型膜式传感器并将原有单回路 PID 溶解氧控制系统升级为集成式直接流量控制系统配套阀门最大开度控制MOV逻辑。改造期间6 座曝气池中有 3 座暂停投运。节能效益风机替换带来显著节能效果年节电量约 100 万千瓦时约占全厂总能耗的 9%每年节约能源费用 6.5 万美元以上。项目总投资约 20 万美元静态投资回收期约 3 年。间歇曝气间歇曝气通过缩短曝气系统运行时长或降低曝气规模实现节能。该方法并非适用于所有污水厂已满负荷或接近满负荷运行的水厂尤其不适合需逐项评估避免对处理工艺造成不利影响。该工艺的原理为短时暂停某曝气区供气或在不同曝气区间轮换供气。周期时长可依据溶解氧浓度控制也可采用固定时序控制。 溶解氧控制模式下溶解氧达到设定高值时停止供气降至下限值时重启供气。时序控制模式的周期时长由设定最长时间严格管控。许多池体受混合条件限制设定停气最长时间时必须充分考虑混合效果同时池内污泥沉降风险也应纳入周期时长的设计考量。曝气过程控制曝气过程控制对于污水处理厂高效运行至关重要曝气过量与曝气不足都会带来不利影响。过量曝气造成的能耗浪费会快速累积能耗随溶解氧浓度升高呈指数增长。维持生物活性稳定所需的溶解氧浓度随现场条件而异活性污泥系统通常为 1.02.0 mg/L仅用于硝化反应时溶解氧可低至1.0 mg/L。如前文所述运行溶解氧越接近饱和值氧气溶入水体的传质阻力越大。这不仅会降低氧转移效率OTE还会增加将氧气溶入液相所需能耗。除能耗浪费外已有文献报道高溶解氧还会引发以下运行问题1污泥沉降性能变差2丝状菌引发泡沫增多低溶解氧条件下也可能出现该现象3回流液携带高溶解氧对生物脱氮系统的缺氧区产生不利影响曝气不足则会造成活性污泥工艺处理效果下降、污泥膨胀部分工况下还会因发生非预期的生物除磷导致污泥处理单元生成鸟粪石含磷沉淀物。核心要点是精准控制溶解氧水平使曝气系统按需供氧。本节介绍溶解氧自动控制相关节能措施涵盖溶解氧检测仪表新进展、新型溶解氧控制技术以及采用溶解氧以外参数作为控制指标的新兴技术。溶解氧自动控制曝气过程自动控制是一项重要节能措施可快速响应池内工况变化为污水厂节约大量能耗。曝气池内维持生物反应所需的耗氧量即需氧量与进水中有机物和氨氮负荷成正比。因此曝气需氧量呈现相同的日变化规律午夜时段最低早、晚出现峰值。需氧量峰值与最小值之比通常可达2:1小型污水厂以及旅游度假区污水厂该比值会更高。污泥脱水工序间歇性排出高氨氮上清液也会造成池内需氧量急剧上升。与之相反雨水径流的稀释作用会降低需氧量。除污水自身需氧量波动外池内氧转移效率还会随空气、水温以及固体浓度、表面活性剂等水质指标变化。过去污水厂运行人员通过现场检测获取曝气池溶解氧浓度并依据检测结果对风机或曝气系统阀门进行操作调整按照设定目标值增减曝气供氧量。这类人工监测一般每日仅开展一次或少数几次难以捕捉溶解氧需求的日内波动。此外为防止进水水质突变导致溶解氧低于目标值运行中通常预留较高安全余量。为使供气量更加匹配生物工艺的需氧量目前水务单位普遍安装自动控制系统。部分新型风机自带自动控制功能保障稳定运行并进一步节能。由于能耗随溶解氧浓度升高呈指数增长溶解氧自动控制的节能潜力可观。例如WEF 与 ASCE2006估算曝气系统溶解氧精准控制可为污水厂节约 10%30% 总能耗成本。实际节能量因地而异很大程度取决于自动化改造前原有控制系统水平。WEF2009指出大中型污水处理厂安装溶解氧自动控制装置投资回收期一般在数年以内。工作原理溶解氧自动控制系统采集曝气池内溶解氧探头的实时溶解氧读数作为过程控制器的输入信号。过程控制器向曝气系统下发控制指令调节转刷转子或风机转速、风机可调导叶位置以及池内立管控制阀开度供给适量空气维持溶解氧设定值。简易控制系统可只用一支溶解氧探头所有曝气池共用同一个溶解氧目标值。更为复杂的控制方案为每个曝气池或单池内各个工艺段分别配置独立溶解氧探头与空气总管控制阀各池 / 各段单独设定溶解氧目标值可进一步提升节能效果。溶解氧自动控制系统主要组成部分溶解氧探头常见类型包括膜式应用最广、原电池式以及新兴光学式传感器。探头应安装在各曝气池中部推流式曝气池则靠近进水端布设。风机风量控制通过调节风机输出风量控制系统总供气量控制方式取决于风机类型。容积式风机采用变频器VFD调节风量多级离心风机常采用入口节流方式也可搭配变频器提升效率与调节范围。新一代单级离心风机采用调速、入口导叶与出口可调扩散器调节流量进一步提高能效。池体风量控制风机总供气量分配至多座曝气池以及每座池内的多组曝气单元各区域供气量应匹配该区域工艺需氧。小型污水厂常采用人工调节池体风量大型水厂使用自动风量阀随溶解氧变化连续调节供气。特大型水厂还可实现分区独立自动控制。最大阀位优先控制MOV可自动调节总管压力保持至少一个阀门接近全开从而降低系统压力、减少能耗。过程控制系统曝气系统过程控制器接收溶解氧探头信号将实测值与设定值对比必要时向空气调节机构发送动作指令。系统大多由可编程逻辑控制器PLC组成一般通过数据采集与监控系统SCADA组网大型水厂有时采用集散控制系统DCS集成现场控制器与计算机操作界面。溶解氧自动控制系统一般采用反馈控制回路根据曝气池溶解氧变化调整风机与曝气池的供气量。控制策略可十分简单例如开关控制、定值控制也可基于专有算法实现复杂控制。串级控制系统是溶解氧自动控制的常用方案。串级控制的第一级回路过程控制器依据池内溶解氧探头读数向池体风量控制回路发送信号。例如当溶解氧实测值低于目标值控制器要求增加该池供气。部分工况下溶解氧控制回路可直接调节池体风量控制阀多数系统会配套流量计与独立风量控制器此时溶解氧控制回路的输出即为风量控制器的设定值。第二级回路建立在总管压力变送器与风机系统之间。池体风量控制阀的开闭会引起管路压力自然升降池阀开大总管压力下降压力控制回路向风机控制器发送信号提升风机供气量。即压力控制回路的输出作为风机风量控制器的设定值。图 4-2 为本常用控制系统示意图。溶解氧控制策略新进展尽管溶解氧自动控制相比人工控制已有显著提升但仍存在局限性。当进水有机物或氨氮负荷发生变化时池内溶解氧浓度改变存在滞后至少数分钟有时会更长增减风量后工艺体系达到新平衡同样需要时间。这会造成阀门在池内溶解氧稳定之前反复启闭。例如风量增大后可能出现溶解氧超调需要再次调整阀门开度与风量才能回到目标值。为逼近溶解氧设定值而反复调节的现象通常称为振荡hunting。运行人员会对控制系统进行参数整定以减轻振荡但保守的整定方式又会造成系统对池内工况变化反应迟钝。溶解氧浓度与池体供风量之间的非线性关系进一步加大了参数整定的难度。新型溶解氧控制算法旨在解决上述问题。本节介绍两项新兴的专利型溶解氧自动控制节能技术集成式风量控制、污泥停留时间 / 溶解氧联合自动控制同时阐述最大阀位优先MOV控制方法。基于非溶解氧参数的控制方案将在 4.3.2 节介绍。最大阀位优先MOV控制MOV 控制的目标是避免风机出口侧过度节流。先建立压力再通过节流阀消耗压力这种模式能耗很高。节流程度仅需满足合理分配风量即可。实现方式为保证需氧量最高区域对应的调节蝶阀基本处于全开状态。MOV 现已普遍集成在新一代曝气控制系统中。如果在现有控制系统上加装MOV经济性可能不佳但水厂在风机或曝气控制改造升级时应考虑将 MOV 纳入设计要求。集成式风量控制集成式风量控制是 ESCOR 公司能源策略公司现隶属于德莱赛公司 Dresser, Inc.开发的专利曝气控制系统取消了很多溶解氧自动控制系统中常见的压力控制回路。尤其在小型系统中控制系统为应对工艺与环境空气条件变化调节风量和压力时压力控制回路容易造成风机与调节阀运行不稳定周期性波动或振荡。集成式风量控制工程落地后曝气工艺稳定性更好、参数整定简化风机运行效率提升。美国罗得岛州纳拉甘西特湾委员会旗下巴克林角污水厂在 2005 年对 46 百万加仑 / 日规模水厂完成升级后投用 ESCOR 曝气控制系统。本次改造对曝气系统重新配置优化改良型 Ludzack-EttingerMLE工艺满足生物脱氮要求。改造后水厂配置 3 台 600 马力风机2 台运行、1 台备用原先由于供气控制不足总氮去除效果难以稳定。ESCOR 集成式风量控制系统不同于原有基于压力的控制方案采用风机直接流量控制。当曝气池溶解氧偏离设定值时所需风量增量同步调整池内曝气立管风量与风机输出风量。控制系统内置 MOV 逻辑直接调节池体风量控制阀开度确保至少一个阀门始终保持最大开度从而在不设置压力控制设定值的前提下最小化系统压力见图 4-4。相较于压力控制系统该方案结构更简单控制更稳定精准取消压力控制回路大幅减少整定工作量。图 4-4 溶解氧自动控制集成风量控制系统集成式风量控制系统满足总氮排放所需的溶解氧控制要求。自 2006 年底投运后的前三年该厂年均节电约 124.7 万千瓦时平均降幅 12%节约电费近 13.6 万美元。节电的核心原因不再需要持续保持两台风机同时运行。巴克林角曝气控制节能改造案例详见附录 A。污泥停留时间 / 溶解氧SRT/DO联合自动控制溶解氧与污泥龄SRT是活性污泥处理中两项最重要运行参数。降低曝气溶解氧虽然可以节能溶解氧越低风机电耗越少但往往需要提高污泥龄弥补处理性能下降。然而活性污泥工艺提高污泥龄会导致污泥体积指数SVI上升进而造成出水总悬浮固体TSS升高。Ekster 联合事务所开发了一套专利算法 OPTIMaster™基于活性污泥模型、水厂历史数据与统计过程控制对污泥龄与溶解氧进行设定值优化并自动调控上述参数通过排泥自动控制与风机输出调节实现曝气优化。该算法优选污泥龄、混合液悬浮固体MLSS区间以及溶解氧浓度在最小曝气能耗下维持合理 SVI。加州奥克斯纳德污水厂于 2006 年投用 OPTIMaster™系统全厂总用电量下降约 20%。奥克斯纳德水厂 OPTIMaster™系统应用案例详见附录 A。使用非 DO 控制参数的新兴技术与传统上基于曝气池中溶解氧DO浓度进行监测和控制不同另一种创新思路是采用能够反映生物活性的其他测量参数并利用这些信息进行工艺控制。本节介绍三种用于曝气过程自动控制的新兴节能措施ECMs这些方法采用的控制参数并不是DO而是其他能够反映系统运行状态的指标包括呼吸测量法Respirometry临界氧点控制Critical Oxygen Point Control尾气监测Off-gas Monitori呼吸测量法Respirometry呼吸测量法是通过测量生物处理系统中微生物群体的耗氧速率OUROxygen Uptake Rate来表征其生物活性。在实验室规模的呼吸测量实验中通常从曝气池混合液中取样以代表曝气池中的生物量。必要时可在样品中加入有机底物或氨氮然后将其置于一个密闭容器中并持续监测容器内氧气的消耗速率。文献综述表明基于呼吸测量的在线曝气控制在理论上是可行的但截至该报告所述时期尚未在全规模污水处理厂中实现成熟、成功的应用。控制方法实际测量对象本质上回答的问题DO控制水中剩余的氧浓度“现在水里还剩多少氧”OUR/呼吸测量微生物实际耗氧速率“微生物现在需要多少氧”临界氧点生物降解达到最大值所需的最低DO“DO最低应该维持到多少才不影响反应”尾气分析实际氧传递效率“鼓进去的氧到底有多少真正进入水里”仔细思考一下根据各区 DO 偏差调整各区风量设定值支管阀门负责分配风量风机群负责提供总风量通过最大开度阀协调减少不必要的节流和供气压力。根据 DO 调节各池的风量需求每个独立控制区都有自己的 DO 回路这里输出的是需要的风量设定值并非测得的实际风量。DO 控制器通过反馈持续修正它。这与EPA 报告介绍的串级控制一致。根据风量调节阀门每条支管的控制关系是这样才能判断空气是否真正送到该池。仅根据目标风量查表给一个开度不能持续保证流量因为主管压力和其他支路的调节都会影响它。让最需要开大的有效支路阀门接近允许的最大开度支路目标风量当前满足目标所需的阀门开度A 池3,000 Nm³/h60%B 池2,000 Nm³/h85%MOV 的目标是在各支路风量得到满足的前提下使最开阀门接近允许的最大开度降低多余的压力损失。EPA 报告也是将 MOV 与降低主管压力、减少节流损失联系起来。因此不应简单地把某个阀门强制设为 100%。MOV 需要与支路流量控制协调如果阀门已经接近全开却仍然缺气首先要判断供气能力、压力或支路阻力问题。根据总风量调整风机启停和频率对于同一个连通供气系统汇总各支路的目标风量风机群控制器据此确定供气方案。制造商也有接收总风量需求再分配到各台风机的中央控制方案。具体分工可以这样理解频率调节在当前运行组合的能力范围内连续跟踪供气需求。台数调整当当前组合持续不能满足需求或另一组合更合适时再增减机组。运行约束同时考虑当前压力、各机组可运行范围、效率、可用状态以及最小启停间隔。所以不能单凭“总风量达到某个数字”就立即加一台也不能认为某个风量永远对应一个固定频率。最关键的是阀门分配和风机供气是两个并行、相互影响的任务。控制任务使用的信息调节对象各池分气各池目标与实测风量各支管阀门风机总供气总目标风量、实测供气及设备工况风机频率与运行组合降低节流损失有效阀门开度、支路流量满足情况、压力协调阀门与供气控制这里还要明确选择控制结构压力控制结构风机跟踪主管压力MOV 慢速调整压力目标。总风量控制结构风机跟踪总需求风量MOV 协调支路开度压力随工况变化并受到约束。EPA 也介绍了这种集成风量控制思路。