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曝氣技術
曝氣是水資源回收設施（WRRF）的核心環節之一。它向微生物群落提供生命必需的氧氣——這些微生物承擔著將污染物轉化為無害終產物的主要工作——同時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，曝氣過程需要將空氣泵入稱為曝氣池的處理單元，池內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態平衡的操作難點，該工藝能耗極高。
空氣(氧氣)供給系統由稱為鼓風機的大型設備構成，它們通過安裝在曝氣池底部的擴散器、穿孔圓盤或孔板分配系統，將環境空氣壓入曝氣池。過去十年間，鼓風機與擴散器技術的顯著進步提升了節能潛力。此外，在線過程監測技術的改進使得曝氣自動化更易實現，讓水務部門能根據每日、每周及季節性變化的水量與廢物負荷來調節供氣量。
實現能源和成本的節約
能源也被浪費在處理大量原本無需處理的水上。早期首次建設排水系統時，普遍采用雨污合流制。當時主要目標是將水體快速排離城區以預防疾病。污水處理僅是事后考慮。許多此類合流系統至今仍在運行。此外，地下水、雨水甚至河水的滲入流入（I&I）通過污水管裂縫和雨污管網混接點進入生活污水系統。
WTW IQ SensorNet傳感器安裝在處理池中提供實時監控
建筑基礎排水系統會將更多潔凈水引入生活污水管網。這些清潔水被泵送至WRRF既浪費輸送能耗，后續循環處理又消耗額外能源。
此外，潔凈水的混入會干擾曝氣系統的自動控制——因其稀釋污水導致需投入更多曝氣池運行，最終使得攪拌需求（而非實際需氧量）主導了曝氣操作。持續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。印第安納州曼西衛生區（MSD）通過創新的DO自動控制與序列脈沖曝氣模式優化曝氣，實現比傳統方案更顯著的節能效益。
在序列脈沖曝氣模式下，曝氣系統現以更低DO水平運行有效降低能耗。
過程監控
曼西水污染控制設施（WPCF）作為WRRF服務約31,000人口，日均處理2,400萬加侖（MGD）污水。該設施自1941年起分階段建設并逐步改進。該活性污泥曝氣系統包含4個曝氣池及約9,000個陶瓷微孔曝氣頭，由3臺500馬力的定速鼓風機供氣。曝氣池中安裝了在線溶解氧（DO）探頭，但其讀數僅用于顯示，不用于曝氣系統的自動控制。
對此，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，再步行至控制閥進行手動調節，隨后返回探頭處確認調節是否使DO值達到預期效果。曼西水污染控制設施主管John Barlow解釋道，“我們的操作人員必須手動調高鼓風機，再逐個調整集管閥門。但是，到中班時DO值開始攀升，操作人員又得調低鼓風機并重新設定集管閥門。”最終，Barlow決定停止手動調節曝氣閥，讓系統全天以高負荷運行。
他解釋說，“讓鼓風機以更高功率運行，因為維持微生物的需求是首要目標之一，且讓操作人員整天來回調節鼓風機和集管閥門是對人力的低效利用”。此外，在當前工藝條件下，若持續以這種波動方式維持最佳溶解氧水平，最終出水水質將出現不穩定問題。”該設施在完成全面升級改造（包括曝氣系統自動化）前，長期維持著過高的曝氣率。
現有曝氣系統的升級包括一臺節能渦輪鼓風機、膜片曝氣擴散器和一套自動化控制系統。替換的350馬力渦輪鼓風機取代了現有的500馬力離心鼓風機，提供了更高效的供氣方式，能耗降低了10%至20%。
通過采用自動化曝氣控制，曼西水污染控制設施現在能夠根據流量和生化需氧量（BOD）負荷的變化調整供氧量，為其活性污泥工藝帶來了能源效率和性能提升。
新的自動化系統包括Xylem Sanitaire OSCAR工藝性能優化曝氣控制系統，其中包括可編程邏輯控制器（PLC）、WTW IQ SensorNet（IQSN）過程監測系統，以及顯示曝氣系統狀態并提供調整手段的圖形人機界面（HMI）。過程監測系統包括12個FDO 700型免校準光學溶解氧探頭和4個VARiON 700型離子選擇電極（ISE）式銨和硝酸鹽組合探頭。控制系統持續讀取DO和VARiON探頭的數據，并根據當前DO讀數和水流量自動調整鼓風機輸出。OSCAR控制系統集成到工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。
真正的成本節約
新設備雖然實現了節能目標，但并沒有達到預期的效果。該項目最初設想采用基于氨的曝氣控制策略。然而，由于系統因負荷不足而幾乎持續處于混合受限狀態，DO水平始終遠高于目標值；按原設計的曝氣系統，無法基于在線銨測量值減少曝氣量。
基于此，賽萊默工程師進一步提供設計方案，可在降低曝氣速率的同時仍滿足混合要求。在單個曝氣池中的短期試驗取得成功后，控制系統被編程為按序執行間歇曝氣——通過較高強度的脈沖式曝氣維持MLSS懸浮狀態，同時使供氣量得以大幅降低（大部分時間）。在序列脈沖曝氣模式下，曝氣系統現可在多數運行時間內維持更低DO水平。“最初難以將DO水平調節到接近目標值，同時又保持足夠的混合，但控制器的新脈沖程序解決了這個問題，”Barlow說。銨探頭在監測方面表現良好，但未納入自動控制系統。
曝氣系統升級及混合工藝的創新方案，使MSD成功實現了水中“廢物”的高效去除。
Barlow指出：“即使在電價較低的情況下，我們現在每月通過新曝氣系統節省的費用也超過5,000美元。2014年，工廠消耗了超過640,000千瓦時的電力，而2016年則剛超過500,000千瓦時。”
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，他們不再需要手動調節鼓風機和12個不同的集管閥門，因為現在一切都是自動化的。操作人員可輕松地增加或減少脈沖間隔時間。系統靈活度極高。”
曼西市污水處理廠的運行效率變得更高。
此外，該設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，能有效促進氮污染物的去除。最直接的效益是通過培養兼性微生物（其生存所需溶解氧更少），可進一步降低曝氣系統的能耗需求。該工藝對特定流域的重要環境效益在于：可減少促進藻類過度繁殖的營養物質。
活性污泥工藝實現高能效與底成本的核心在于根據流量與負荷變化調節曝氣速率的能力。這對許多WRRF而言是一項重大挑戰。然而，通過自動化改造及采用創新的時序脈沖曝氣模式，曼西水污染控制設施成功攻克了這一難題——其曝氣量與進水負荷精準匹配，在穩定達到排放標準的同時，更實現了顯著的節能效益。
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