曝氣技術

曝氣是水資源回收設施（WRRF）的關鍵組成部分。它向微生物群提供維持生命的氧氣，并使這些微生物與被處理的水進行混合。這一過程中，微生物群完成了將污染轉化為無害產物的工作。在常見的配置，活性污泥法（ASP）中，曝氣需要將空氣泵入稱為曝氣池的池中，池中充滿懸浮在水中的微生物，稱為混合液懸浮固體（MLSS）。由于將氧氣溶解到水中的物理限制和平衡曝氣速率與氧氣需求的操作挑戰，該過程十分耗能。空氣（氧氣）供應系統由鼓風機等大型機器組成，鼓風機通過安裝在曝氣池底部的擴散器，即帶孔的盤或板，將環境空氣泵入曝氣池。鼓風機和擴散器技術在過去10年中都有了顯著的改進，也讓我們可以進一步減少能耗。此外，改進的在線過程監測技術使曝氣過程的自動化更容易實現，讓設備更容易實現空氣供應率和氧氣需求的平衡，并且可以隨著每天、每周和季節性的水和廢水的產生而進行調節。這是復合要求。但是，這又決定了中西部許多老化且過時的設施的通氣率。

日處理量為24MGD的曼西活性污泥廢水處理廠可服務約31000人

節省能源，節約成本

處理水會浪費能源，而這些水本來就不需要處理。在20世紀早期，中西部地區的社區*鋪設下水道，而當時的常見做法是將衛生用水和雨水排水系統相結合。其主要目的是將水從城區排出流向下游，以預防疾病。處理污水是后來才想到的。許多這樣的組合系統仍在使用。此外，地下水、雨水甚至有時是河水通過衛生排水管中的裂縫以及與雨水排水管的交叉連接處滲透和流入（I＆I）衛生排水系統。建筑物的地基排水溝讓更多的清潔水進入下水道。在將干凈的水泵送到水資源回收設施（WRRF）這一環節能源被浪費，一旦凈水到達那里，就將其泵送到周圍并進行處理。

為了支持實時監控，在曝氣池安裝了WTW IQ SensorNet傳感器

此外，清潔水使曝氣的自動控制復雜化，因為它稀釋了需要更多曝氣池才能運行的廢水，因此，復合要求決定了曝氣操作而非氧氣需求。連續曝氣是一種非常低效的復合方法，但卻是許多設施的限制因素。這正是印第安納州曼西衛生區（MSD）所面臨的切實挑戰。自動化DO控制的系統和按順序脈沖曝氣的運行模式能夠優化曝氣，且與傳統解決方案相比，更能節省能源，節約成本。

過程監測與控制

曼西水污染控制設備（WPCF）是能為大約31000人服務的水資源回收設施 （WRRF），平均每天處理量達到2400萬加侖（MGD）。該系統從1941年開始分階段建造和改善。活性污泥曝氣系統由四個曝氣池和大約9000個陶瓷細泡曝氣擴散器組成，這些擴散器將三臺500hp的恒速鼓風機提供的空氣進行擴散。在線溶解氧（DO）探頭安裝在曝氣池中，但僅顯示讀數，并不用于自動曝氣。

在順序脈沖曝氣運行模式下，曝氣系統現在在較低的DO水平下運行，從而減少了能耗

曼西使用SneakerNet 版本，觀察在線DO讀數，到控制閥進行手動調整，然后回到探頭處檢查所做調整是否對DO讀數產生預期效果。曼西WPCF負責人John Barlow解釋道：“我們的操作人員必須手動打開鼓風機，然后調節各個總管閥。但是，在下午換班的時候，DO將開始爬升，操作員將不得不再次關閉鼓風機并重新調節總管閥。”終，Barlow決定停止手動調節曝氣閥門，讓系統全天高速運轉。

他解釋說:“我之所以決定提高鼓風機的運行速度，是因為滿足微生物的要求是我們的首要目標，再加上整天讓我們的操作員上下調節鼓風機，調整總管閥，沒有對人力實現高效利用。而且，我們終處理過的廢水質量跟在我們的工藝條件下試圖保持溶解氧的不斷變化的動作是不一致的。”該設施一直保持過高的曝氣率，直到2014年開展重大升級，對其曝氣系統進行了升級和自動化改造。

通過采用自動曝氣控制，曼西水污染控制設施現在有能力改變供應的氧氣，以滿足流量和BOD負荷的變化，為其活性污泥工藝賦能并提升性能

現有曝氣系統的升級包括采用節能渦輪鼓風機、膜盤曝氣擴散器和自動控制系統。使用350hp渦輪鼓風機取代了現有的500hp離心鼓風機，使空氣供應更為高效，能耗降低了10％到20％。6000個陶瓷空氣擴散器被替換為賽萊默Sanitaire Silver Series II圓盤膜擴散器，從而形成了細微而均勻的氣泡模式，用于氧氣的轉移。并對其余3000個陶瓷擴散器進行了拆除或封堵。

曼西市污水處理廠

新的自動化系統由賽萊默Sanitaire OSCAR工藝性能優化器曝氣控制系統組成，該系統包括可編程邏輯控制器（PLC），WTW IQ SensorNet（IQSN）過程監控系統以及圖形化人機界面（HMI），該界面用于顯示操作員的狀態，并提供進行調整的手段。過程監控系統包括12個FDO 700型免校準光學DO探頭和4個VARiON 700離子選擇電極（ISE）型氨氮和硝酸鹽組合探頭。DO和VARiON探頭由控制系統連續讀取，控制系統根據當前的DO讀數和水流量自動調節鼓風機輸出。OSCAR™控制系統集成到污水處理廠現有的控制系統中，并通過其內置的人機界面（HMI）顯示探頭讀數和系統狀態。

真正的節省成本

新的設備實現了節能目標，但沒有達到預期的效果。該項目初的構想是基于氨氮濃度的曝氣控制策略。由于負荷不足，該系統幾乎受到連續混合的限制，這一發現意味著溶解氧水平仍遠高于目標值。根據設計的曝氣系統的在線氨氮測量值來看，沒有減少曝氣的機會。

因此，賽萊默Sanitaire的設計師設計了另一種方法來降低曝氣速率并仍然能夠達到混合要求。在一個曝氣池中進行了短暫的試驗，成功之后，將一系列的曝氣脈沖編程到控制系統中，使空氣供應速率明顯降低（大部分時間），同時保持MLSS以更高的速度處于間歇性的曝氣脈沖狀態。在順序脈沖曝氣運行模式下，曝氣系統現在大部分時間以較低的溶解氧水平運行。

“起初，我們的DO水平很難達到我們希望的水平，但仍能得到足夠的混合，但是控制器的新脈沖程序可以解決這個問題”Barlow說。氨氮探頭可以很好地用于監視，但其并不屬于自動控制系統。

滿足混合要求的曝氣升級和的解決方案使MSD能夠從水中得到一些“廢物”。Barlow說：“現在，使用新的曝氣系統，我們每月可以節省超過5000美元，而且電費很低。2014年，該污水處理廠的耗電量超過64萬千瓦時，而2016年耗電僅超過50萬千瓦時。”

Barlow表示，除了提高能效外，通過更的曝氣控制，員工的工作效率也大大提高。“從操作的角度來看，如果我們的操作員想要更改DO，不再需要手動轉動鼓風機，再調整12種不同的總管閥，因為現在這一切都是自動化的。操作管理員可以非常輕松地延長或縮短脈沖之間的持續時間。這是一個非常靈活的系統。”

此外，該設施從水中去除更多的氮。在需氧量高的曝氣池前端，DO濃度在所謂的曝氣缺氧的條件下可保持接近于零，有利于氮的去除。直接的好處就是，通過培養需要較少溶解氧來維持生存的兼性生物，可以進一步減少曝氣所需的能量。該流域和密西西比河流域的一個重要好處在于，可用于支撐下游（其中包括墨西哥灣）藻類過度生長的養分較少，上游養分的輸入造成了缺氧死區。

任何活性污泥工藝的能效和性能的基礎，是能夠改變曝氣速率以滿足不斷變化的流量和負荷條件。對于許多水資源回收設施（WRRF）來說，這是一個挑戰。但是，通過自動化并采用順序脈沖曝氣模式的新穎方法，曼西WPCF坦然應對這一挑戰，將曝氣與負荷相匹配，提供符合排放限值的穩定廢水質量，并節省了能源。