通过设计和控制提高曝气效率
随着最近和未来能源成本的增加，尽可能高效地运行污水处理厂(WWTP)已成为当今操作员和管理人员面临的最重要的因素之一。根据美国环境保护署的报告，适当设计的曝气控制系统的实施可将曝气能量降低25%至40%。manbetx客户端12-5下载
曝气系统可分为三个独立部分:气流产生、气流分布和曝气控制。气流产生由曝气鼓风机组成。气流分布由空气管道、空气控制阀和扩散器组成。曝气控制包括鼓风机控制、气流计算、气流计和溶解氧计。一个好的通风系统需要这三个部分协同工作。如果设计的一个方面缺乏，其他两个方面将受到影响，并可能导致错过DO设置点，有可能违反许可证和能源浪费。本文的目的是描述一个曝气系统的设计过程，并提出一个先进的曝气控制系统的案例研究。manbetx客户端12-5下载
以下一系列计算和设计决策可用于提供经济高效的曝气系统。
工艺氧气要求
设计曝气系统的第一步是计算氧传递要求（OTR）。所需的氧气量是动态的，并且会随曝气池内的时间和位置而变化。氧需求是动态的，因为进水负荷是日变化的，如图1所示，图1描述了进水氨浓度的日变化模式。
图1:7天的进水氨浓度读数
OTR的计算可以通过手工或电子表格进行，但商业的激活污泥模型模拟软件包，如Hydromantis, Hamilton, Ontario的GPS-X或Envirosim, Hamilton, Ontario的Biowin，可以计算OTR的动力学，将提供更接近现实的值。与所有活性污泥模拟一样，进水数据越好，结果越好。如有可能，推荐BOD、TKN和TSS的进水日负荷数据。模拟结果将提供计算气流动态和空间需求所需的OTR的完整范围。
气流计算
气流计算是计算工艺氧气需求量后的下一步。达到氧气传输要求所需的气流量取决于扩散器的选择和布局。因此，气流计算只能在扩散器设计完成后才能完成。
市场上有两种基本类型的扩散器，细孔和粗泡。由于细孔比粗泡具有更高的标准氧传递效率(SOTE)，因此已成为活性污泥工艺的设计标准。SOTE是气流中在标准条件下转移到洁净水中的氧气的百分比。细孔扩压器提供更高的氧气传递，因为扩压器产生了更大体积的小直径气泡，从而增加了气体传递的表面积。
SOTE不仅受扩散器类型的影响，还受扩散器深度和每个扩散器的气流比的影响。所有SOTE值均基于扩散器制造商设施在标准条件下使用清洁水进行的测试。有必要将SOTE转化为现场氧气转移效率（OTE），同时考虑活性污泥对气体转移的影响。美国环保局的《微孔曝气系统设计手册》提供了计算现场可见的（OTE/SOTE）比率的方法，用于计算满足OTR所需的气流。
活性污泥工艺的设计影响着整体效率，因此扩散器的布置需要考虑到OTR，以确保设计条件在节能的情况下得到满足。
水力设计：曝气池反应器类型，完全混合或塞流，对OTE有不同的影响。推流式反应器在工艺开始时将具有较高的污染物浓度，从而降低α值并增加结垢的可能性。随着污染物浓度沿反应器长度的减少，α值将增加，潜在污染将减少。完全混合反应器具有均匀的α值，并且在罐内有污垢。与满足相同出水质量的塞流式罐相比，完全混合罐使用更多的空气，因为完全混合罐的体积必须更大。
过程选择:低食物/生物质比(F/M Ratio)或高固相保留时间(SRT)过程的α值往往高于高食物/M比或低固相保留时间(SRT)过程。
扩散器的布局:选择各曝气区域的α值后，即可进行气流计算。每个区域所需的扩压器数量可以通过在特定设计场景下(即最大月)的气流与扩压器的比率来计算。然后，对其他方案的比率进行检查，以确保它是在扩散器类型的设计指导方针之内。每扩压器的气流比和扩压器密度可能会改变SOTE，因此在扩压器布置完成后需要重新分析计算。
如果可能，建议使用校准过的动态活性污泥模型，利用扩散器传递效率参数和布局来计算气流。模拟的结果将提供分析所需的完整气流范围。气流可以通过创建数据的直方图，并计算当前负荷和设计负荷下的最大和最小月和日值来分析。图2是生物养分去除设施的气流直方图的例子。直方图允许用户定位潜在的数据异常值，并显示曝气系统管道、控制阀和鼓风机所需的完整气流范围。
工艺管道
确定气流范围后的下一步是确定管道系统的尺寸。如果管道太大，曝气系统可能难以控制。同样，如果管道太小，潜在的水头损失可能需要更大马力的鼓风机。
在计算曝气管道系统内的压降时，可以使用电子表格，如《流体流动技术论文》410所述，使用达西-维斯巴赫方法。对于具有多个控制区域的更复杂的曝气系统，建议使用管道设计软件，如工程软件公司(Engineered software Inc.， Lacey, WA)的Flow of Fluids。该软件具有易于使用的界面，也可用于控制阀的尺寸，并可应用于气流和水管道系统。
风机选型及选型
下一步是鼓风机系统的选择和尺寸确定。在确定管道、控制阀和扩散器尺寸的过程中，计算总气流和压力要求。鼓风机功率与气流直接相关，因此鼓风机在当前和未来负载期间提供所需的气流范围至关重要。为了满足广泛的气流要求，需要适当的鼓风机调节。可通过安装多台具有调节功能的鼓风机来实现调节。所有的鼓风机都有有限的开度，有些比其他的好。鼓风机关闭取决于关闭方式（例如VFD、进气阀）。使用气流直方图有助于确定鼓风机的数量和所需的风量。覆盖在气流直方图上的鼓风机范围如图2所示。重要的是要注意，鼓风机之间存在所需的气流操作重叠，以便在鼓风机打开和关闭之间轻松过渡。
图2:气流直方图与鼓风机范围
曝气控制系统manbetx客户端12-5下载
曝气过量和不足会导致处理过程效率和沉降的运行问题。高负荷期间曝气不足可能导致氨处理无效，并且由于DO污泥体积较低，导致SVI增加。由于絮体破碎，过度曝气也会导致更高的SVI。工艺控制是有效操作设计良好的活性污泥系统以达到处理目标、满足需氧量、最小化与曝气不足或过量相关的运行问题以及最小化曝气能耗的唯一实用方法。
曝气控制系统的成功应用依赖于控制系统组件的成功集成。manbetx客户端12-5下载manbetx客户端12-5下载控制系统组件的尺寸和安装必须正确，以确保成功运行。各曝气控制区应配备以下设备及控制部件:
设备组件
空气控制阀：阀门的尺寸需要在30%到70%的开启度之间运行。低于或高于该范围，控制阀变得难以控制。阀门也应安装在空气流量计的下游，以尽量减少气流干扰。
空气流量计当前市场上有几种不同类型的气流计(如质量流量计、孔板流量计等)，只要安装正确，每一种都能很好地工作。所有气流计都要求扰动的上游和下游的最小后退距离，以允许准确的读数。审核并应用制造商的气流计安装指南。
做米:基于光学的DO仪表由于可靠的读数和有限的维护或设备，近年来已成为市政污水处理厂的标准。DO仪表应该安装在曝气控制池长度的一半到三分之二处。
控制组件
气流计算：气流计算是使DO读数回到DO设定点所需的换气量。计算气流有两种方法：比例积分（PI）控制和确定性算法：
PI控制是一种广泛应用于工业控制系统的常用反馈控制器。manbetx客户端12-5下载控制器使用DO设定点和读数之间的差的比例和积分值来计算气流变化。PI控制器适用于线性系统。当采用PI控制作为曝气控制时，由于PI控制是非线性的，为了保持稳定性，需要对控制器进行失谐。
确定性算法是一种基于曝气系统模型计算所需气流变化的反馈控制方法。
风机控制:鼓风机控制调节鼓风机速度或进口阀门供应所需的风量，以满足DO设定值。风机控制可以利用压力或总风量来控制风机气流的变化。
在定压系统中，鼓风机控制具有空头压力测量和空头压力设定点，其目的是通过操纵电机速度或进口导叶位置来维持给定的压力设定点。在运行中，鼓风机控制系统响应由改变空气控制阀位置引manbetx客户端12-5下载起的联箱压力的增加和减少，阀门定位算法开启和关闭阀门以达到单个区域的DO或风流设定值。然而，应该注意的是，基于压力的系统需要阀门来节流风机，以达到所需的气流。从能源节约的角度来看，这是直接违背直觉的，因为人们普遍认为在较低的系统压力下运行会产生更大的能源节约。传统上，这些节省可以通过执行最开启阀(MOV)控制逻辑来实现，但这种阀门控制方案与恒压方法不兼容，除非包括额外的逻辑来改变设计压力设置，增加了系统的复杂性。
基于流量的风机控制系统要求首先设定一个气流目manbetx客户端12-5下载标;这通常是通过使用确定性或模型派生的控制方法来实现的。一旦设定了气流目标，风机就可以在任何非波动诱导的VFD速度和导叶位置运行，以获得所需的气流。如前所述，使用这种类型的控制方法，可以采用MOV控制方案来额外节约能源和提高工艺灵活性，如图3所示。
图3:基于压力和流量的鼓风机控制
曝气系统案例研究
上述设计曝气系统的方法用于一个项目，该项目的设施从现有的11350 m3/d（3 mgd）额定序批式反应器工艺升级为22700 m3/d（6 mgd）额定改良Ludzack-Ettinger工艺。该项目需要一个完整的新曝气系统，包括鼓风机、扩散器和控制设备。升级后的设施自2010年5月开始运行。
在设计过程中，使用GPS-X模拟设计所需的OTR，使用历史影响数据和补充的日采样。将OTR数据、最小所需alpha和SOTE反馈给扩压器制造商，以优化扩压器布局设计。
在扩压器设计完成后，利用扩压器信息对GPS-X仿真进行了修改，计算出满足氧气需求所需的气流范围。
分析了三叶容积式、多级离心式和高速直驱涡轮式三种鼓风机。基于10年现值成本分析和调节能力，选择了具有变频调速功能的三瓣正排量鼓风机。最终的设计允许安装五个鼓风机。采用变频调速控制，风机转速可达60 ~ 70%，操作灵活。
曝气控制系统由每列4个控制manbetx客户端12-5下载区组成，每个控制区有空气控制阀、空气流量计和DO流量计。曝气系统设备由生物工艺曝气控制系统(BACS)控制。manbetx客户端12-5下载
•巴描述
曝气控制系统使用气流、温度manbetx客户端12-5下载、DO测量值和血氧饱和度来计算每个区域的吸氧率系数（OURf）。OURf可用于预测曝气控制区内的实际OUR。
气流计算技术1：预测反馈控制
气流设定点的计算是基于两种计算满足DO设定点所需气流的技术的加权平均值。第一种技术被认为是预测反馈控制，它使用两种方法使用OURf来计算气流设定点。第二种技术是一种前馈方法，它使用铵量来计算基于装载量的OUR变化。
方法1：假设加载不会从控制时间步骤T0更改为T1，并且OUR的更改是由于DO的所需更改以匹配设定点。根据Monod动力学，反应速率随DO浓度变化。
方法2:该方法是根据先前从T-1到T0的OURf增加来预测T1时刻的OURf。
气流计算技术2:前馈控制
在预测反馈技术中计算的两个OURf值根据两者的比率进行平均。默认值比率为方法1的30%和方法2的70%。然后使用加权平均OURf计算气流。气流的计算是温度、DO设定值和氧饱和度的函数。这两种方法的图形描述如下图4所示。
图4:URF气流计算方法的图示。
提供稳定和健壮的曝气控制系统的一个具有挑战性的方面是对工艺干扰的适当响应。manbetx客户端12-5下载最直接的方式来完成控制系统的目标是第一次量化影响负载通过战略定位加载敏感的现场仪表(或直接)的开头第manbetx客户端12-5下载一个含氧的区域,然后预先应对这些信息之前扰乱的负载氧化的区做阅读。由于不能实时采集准确的BOD/COD负荷，因此可以利用在线氨分析仪作为BOD/COD负荷的间接指标。要做到这一点，首先必须将一天中BOD/COD浓度与氨浓度联系起来。全天不同时间点的进水BOD/COD和氨浓度测试允许建立这种一级比例关系。
一旦对进水的当前需氧量进行了估算，该信息将通过基于活性污泥模型（ASM）的算法进行处理，以估算自上次控制计算以来正确补偿进水中的任何变化所需的当前OUR和适当的气流速率。
气流设定点
如上所述，气流设定点的计算基于计算满足DO设定点所需气流的预测反馈和前馈技术的加权平均值。加权平均值的比率取决于前馈模型的现场验证。在氨信号质量低、丢失或未使用的情况下，系统的备用控制仅通过应用预测反馈控制技术来制定适当的控制响应。
阀门控制
曝气控制系统定期向鼓风机控制装置发送总气流设定点，然后定位空气控制阀，manbetx客户端12-5下载以根据每个区域的计算气流设定点将空气分配到每个曝气区域。
阀门定位逻辑使用实际的单个蝶阀的Cv曲线来计算一个近似的新阀门位置，以满足气流设定点。在给阀门控制逻辑足够的时间来调整到所需的气流后，阀门锁定到最终位置，以防止执行机构在控制周期的剩余时间内不必要的额外启动。当计算出新的空气流量设定点时，阀门锁定解除，控制逻辑重新启动。
阀门控制包括动态most open阀门逻辑，通过使其中一个控制阀在85%开启时成为most open阀门（MOV）来提升系统低压，并允许其他控制阀寻找其位置以满足气流要求。当计算出非MOV的控制阀的开启百分比大于MOV时，则该阀变为MOV，且前一个MOV将能够关闭。
优势
基于过程的控制概念允许曝气控制系统准确响应操作条件和进水负荷的任何变化。它将曝气控制系统与PI控制回路区分开manbetx客户端12-5下载来，PI控制回路具有独立于过程变化的固定增益，因此在其调整的窄带之外，PI控制器将对每日和季节性变化的条件作出过度或不足的反应。系统具有自校正功能，在过程扰动后可快速稳定。
鼓风机的流量控制(相对于压力控制)有额外的优点。系统不需要限制流量以保持恒定的压力，因此曝气控制系统的最开阀逻辑确保鼓风机始终在最低可能的系统压力下运行。manbetx客户端12-5下载它还防止了经常观察到的鼓风机和阀门的周期性蛇行，这种周期性蛇行是由于鼓风机控制和阀门控制回路响应另一个控制回路的控制动作而引起的，而不是工艺变化，从而导致DO值不稳定和阀门执行器过早故障。
结果
该设备的启动流量比设计低65%，这可能会导致能源浪费或流程中断，但系统的设计灵活性避免了低负荷带来的任何限制。该系统能够满足溶解氧设定值的要求，在94.5%的时间内将溶解氧控制在0.5 mg/l的设定值范围内，在1.0 mg/l的设定值范围内控制在99.5%的时间内。与恒速运行相比，测量的曝气功率节省41%。
结论
庞恰纳曝气系统的安装确认了曝气控制系统的成功应用依赖于曝气系统组件的成功运行。manbetx客户端12-5下载系统组件的大小和安装必须正确，以确保成功运行。通过遵循本文方法中描述的设计程序，可以实现适当设计的曝气控制系统。manbetx客户端12-5下载
欲了解更多信息，请访问www.biochemtech.com
有关更多技术文章，请访问www.ghtac.com/technology/blowers
2012年12月
