曝氣技術(shù)
曝氣是水資源回收設(shè)施（WRRF）的核心環(huán)節(jié)之一。它向微生物群落提供生命必需的氧氣——這些微生物承擔(dān)著將污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)害終產(chǎn)物的主要工作——同時(shí)保持微生物與處理水體的充分混合。在最常見的活性污泥工藝（ASP）中，曝氣過(guò)程需要將空氣泵入稱為曝氣池的處理單元，池內(nèi)充滿被稱為混合液懸浮固體（MLSS）的水體微生物懸浮液。由于氧氣在水中溶解的物理限制，以及曝氣速率與需氧量動(dòng)態(tài)平衡的操作難點(diǎn)，該工藝能耗極高。
空氣(氧氣)供給系統(tǒng)由稱為鼓風(fēng)機(jī)的大型設(shè)備構(gòu)成，它們通過(guò)安裝在曝氣池底部的擴(kuò)散器、穿孔圓盤或孔板分配系統(tǒng)，將環(huán)境空氣壓入曝氣池。過(guò)去十年間，鼓風(fēng)機(jī)與擴(kuò)散器技術(shù)的顯著進(jìn)步提升了節(jié)能潛力。此外，在線過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)的改進(jìn)使得曝氣自動(dòng)化更易實(shí)現(xiàn)，讓水務(wù)部門能根據(jù)每日、每周及季節(jié)性變化的水量與廢物負(fù)荷來(lái)調(diào)節(jié)供氣量。
實(shí)現(xiàn)能源和成本的節(jié)約
能源也被浪費(fèi)在處理大量原本無(wú)需處理的水上。早期首次建設(shè)排水系統(tǒng)時(shí)，普遍采用雨污合流制。當(dāng)時(shí)主要目標(biāo)是將水體快速排離城區(qū)以預(yù)防疾病。污水處理僅是事后考慮。許多此類合流系統(tǒng)至今仍在運(yùn)行。此外，地下水、雨水甚至河水的滲入流入（I&I）通過(guò)污水管裂縫和雨污管網(wǎng)混接點(diǎn)進(jìn)入生活污水系統(tǒng)。
WTW IQ SensorNet傳感器安裝在處理池中提供實(shí)時(shí)監(jiān)控
建筑基礎(chǔ)排水系統(tǒng)會(huì)將更多潔凈水引入生活污水管網(wǎng)。這些清潔水被泵送至WRRF既浪費(fèi)輸送能耗，后續(xù)循環(huán)處理又消耗額外能源。
此外，潔凈水的混入會(huì)干擾曝氣系統(tǒng)的自動(dòng)控制——因其稀釋污水導(dǎo)致需投入更多曝氣池運(yùn)行，最終使得攪拌需求（而非實(shí)際需氧量）主導(dǎo)了曝氣操作。持續(xù)曝氣是一種效率極低的混合方式，但卻是許多污水處理廠的限制性因素。印第安納州曼西衛(wèi)生區(qū)（MSD）通過(guò)創(chuàng)新的DO自動(dòng)控制與序列脈沖曝氣模式優(yōu)化曝氣，實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)方案更顯著的節(jié)能效益。
在序列脈沖曝氣模式下，曝氣系統(tǒng)現(xiàn)以更低DO水平運(yùn)行有效降低能耗。
過(guò)程監(jiān)控
曼西水污染控制設(shè)施（WPCF）作為WRRF服務(wù)約31,000人口，日均處理2,400萬(wàn)加侖（MGD）污水。該設(shè)施自1941年起分階段建設(shè)并逐步改進(jìn)。該活性污泥曝氣系統(tǒng)包含4個(gè)曝氣池及約9,000個(gè)陶瓷微孔曝氣頭，由3臺(tái)500馬力的定速鼓風(fēng)機(jī)供氣。曝氣池中安裝了在線溶解氧（DO）探頭，但其讀數(shù)僅用于顯示，不用于曝氣系統(tǒng)的自動(dòng)控制。
對(duì)此，曼西市采用了一種“SneakerNet（人工巡查）”模式——工作人員需步行查看在線DO讀數(shù)，再步行至控制閥進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，隨后返回探頭處確認(rèn)調(diào)節(jié)是否使DO值達(dá)到預(yù)期效果。曼西水污染控制設(shè)施主管John Barlow解釋道，“我們的操作人員必須手動(dòng)調(diào)高鼓風(fēng)機(jī)，再逐個(gè)調(diào)整集管閥門。但是，到中班時(shí)DO值開始攀升，操作人員又得調(diào)低鼓風(fēng)機(jī)并重新設(shè)定集管閥門。”最終，Barlow決定停止手動(dòng)調(diào)節(jié)曝氣閥，讓系統(tǒng)全天以高負(fù)荷運(yùn)行。
他解釋說(shuō)，“讓鼓風(fēng)機(jī)以更高功率運(yùn)行，因?yàn)榫S持微生物的需求是首要目標(biāo)之一，且讓操作人員整天來(lái)回調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)和集管閥門是對(duì)人力的低效利用”。此外，在當(dāng)前工藝條件下，若持續(xù)以這種波動(dòng)方式維持最佳溶解氧水平，最終出水水質(zhì)將出現(xiàn)不穩(wěn)定問(wèn)題。”該設(shè)施在完成全面升級(jí)改造（包括曝氣系統(tǒng)自動(dòng)化）前，長(zhǎng)期維持著過(guò)高的曝氣率。
現(xiàn)有曝氣系統(tǒng)的升級(jí)包括一臺(tái)節(jié)能渦輪鼓風(fēng)機(jī)、膜片曝氣擴(kuò)散器和一套自動(dòng)化控制系統(tǒng)。替換的350馬力渦輪鼓風(fēng)機(jī)取代了現(xiàn)有的500馬力離心鼓風(fēng)機(jī)，提供了更高效的供氣方式，能耗降低了10%至20%。
通過(guò)采用自動(dòng)化曝氣控制，曼西水污染控制設(shè)施現(xiàn)在能夠根據(jù)流量和生化需氧量（BOD）負(fù)荷的變化調(diào)整供氧量，為其活性污泥工藝帶來(lái)了能源效率和性能提升。
新的自動(dòng)化系統(tǒng)包括Xylem Sanitaire OSCAR工藝性能優(yōu)化曝氣控制系統(tǒng)，其中包括可編程邏輯控制器（PLC）、WTW IQ SensorNet（IQSN）過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以及顯示曝氣系統(tǒng)狀態(tài)并提供調(diào)整手段的圖形人機(jī)界面（HMI）。過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括12個(gè)FDO 700型免校準(zhǔn)光學(xué)溶解氧探頭和4個(gè)VARiON 700型離子選擇電極（ISE）式銨和硝酸鹽組合探頭?？刂葡到y(tǒng)持續(xù)讀取DO和VARiON探頭的數(shù)據(jù)，并根據(jù)當(dāng)前DO讀數(shù)和水流量自動(dòng)調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)輸出。OSCAR控制系統(tǒng)集成到工廠現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中，并通過(guò)其內(nèi)置的人機(jī)界面（HMI）顯示探頭讀數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)。
真正的成本節(jié)約
新設(shè)備雖然實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目標(biāo)，但并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果。該項(xiàng)目最初設(shè)想采用基于氨的曝氣控制策略。然而，由于系統(tǒng)因負(fù)荷不足而幾乎持續(xù)處于混合受限狀態(tài)，DO水平始終遠(yuǎn)高于目標(biāo)值；按原設(shè)計(jì)的曝氣系統(tǒng)，無(wú)法基于在線銨測(cè)量值減少曝氣量。
基于此，賽萊默工程師進(jìn)一步提供設(shè)計(jì)方案，可在降低曝氣速率的同時(shí)仍滿足混合要求。在單個(gè)曝氣池中的短期試驗(yàn)取得成功后，控制系統(tǒng)被編程為按序執(zhí)行間歇曝氣——通過(guò)較高強(qiáng)度的脈沖式曝氣維持MLSS懸浮狀態(tài)，同時(shí)使供氣量得以大幅降低（大部分時(shí)間）。在序列脈沖曝氣模式下，曝氣系統(tǒng)現(xiàn)可在多數(shù)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)維持更低DO水平。“最初難以將DO水平調(diào)節(jié)到接近目標(biāo)值，同時(shí)又保持足夠的混合，但控制器的新脈沖程序解決了這個(gè)問(wèn)題，”Barlow說(shuō)。銨探頭在監(jiān)測(cè)方面表現(xiàn)良好，但未納入自動(dòng)控制系統(tǒng)。
曝氣系統(tǒng)升級(jí)及混合工藝的創(chuàng)新方案，使MSD成功實(shí)現(xiàn)了水中“廢物”的高效去除。
Barlow指出：“即使在電價(jià)較低的情況下，我們現(xiàn)在每月通過(guò)新曝氣系統(tǒng)節(jié)省的費(fèi)用也超過(guò)5,000美元。2014年，工廠消耗了超過(guò)640,000千瓦時(shí)的電力，而2016年則剛超過(guò)500,000千瓦時(shí)。”
除了能源效率，巴洛表示，更精確的曝氣控制還大幅提高了人員利用效率。“從操作角度看，如果操作人員想改變DO水平，他們不再需要手動(dòng)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)和12個(gè)不同的集管閥門，因?yàn)楝F(xiàn)在一切都是自動(dòng)化的。操作人員可輕松地增加或減少脈沖間隔時(shí)間。系統(tǒng)靈活度極高。”
曼西市污水處理廠的運(yùn)行效率變得更高。
此外，該設(shè)施還顯著提升了水中氮污染物的去除率。在曝氣池前端（需氧量最高區(qū)域），DO濃度仍可維持在接近零的水平——這種被稱為“曝氣缺氧”的工藝狀態(tài)，能有效促進(jìn)氮污染物的去除。最直接的效益是通過(guò)培養(yǎng)兼性微生物（其生存所需溶解氧更少），可進(jìn)一步降低曝氣系統(tǒng)的能耗需求。該工藝對(duì)特定流域的重要環(huán)境效益在于：可減少促進(jìn)藻類過(guò)度繁殖的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。
活性污泥工藝實(shí)現(xiàn)高能效與底成本的核心在于根據(jù)流量與負(fù)荷變化調(diào)節(jié)曝氣速率的能力。這對(duì)許多WRRF而言是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。然而，通過(guò)自動(dòng)化改造及采用創(chuàng)新的時(shí)序脈沖曝氣模式，曼西水污染控制設(shè)施成功攻克了這一難題——其曝氣量與進(jìn)水負(fù)荷精準(zhǔn)匹配，在穩(wěn)定達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，更實(shí)現(xiàn)了顯著的節(jié)能效益。
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