曝气系统的设计与控制-平芜编程栈

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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%（WEF，2009）。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 1.0～2.0 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 ASCE（2006）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。WEF（2009）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-Ettinger

（MLE）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（OUR，Oxygen 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/h	60%
B 池	2,000 Nm³/h	85%

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：