节省能源 节约成本｜ 赛莱默助力水资源回用

“废水”一词实际是误用。准确来讲，应该将其称为资源水。因为从水龙头中获取水后用于饮用、卫生、娱乐或工业领域，再通过排水沟返回，这一过程中水作为嵌入式资源发挥效用。例如，研究人员发现，废水中可能产生的能量是处理废水所需能量的 5 倍。因此，废水处理被正名为水资源回收。

与此相反，许多其它资源被当前用于取水和将水返回环境的低效设计和操作实践所浪费。水资源回收过程会产生大量碳足迹。可消耗美国总能源的 0.6%。

 曝气技术

曝气是水资源回收设施（WRRF）的关键组成部分。它向微生物群提供维持生命的氧气，并使这些微生物与被处理的水进行混合。这一过程中，微生物群完成了将污染转化为无害产物的大量工作。在最常见的配置，活性污泥法（ASP）中，曝气需要将空气泵入称为曝气池的池中，池中充满悬浮在水中的微生物，称为混合液悬浮固体（MLSS）。由于将氧气溶解到水中的物理限制和平衡曝气速率与氧气需求的操作挑战，该过程十分耗能。空气（氧气）供应系统由鼓风机等大型机器组成，鼓风机通过安装在曝气池底部的扩散器，即带孔的盘或板，将环境空气泵入曝气池。鼓风机和扩散器技术在过去 10 年中都有了显著的改进，也让我们可以进一步减少能耗。此外，改进的在线过程监测技术使曝气过程的自动化更容易实现，让设备更容易实现空气供应率和氧气需求的平衡，并且可以随着每天、每周和季节性的水和废水的产生而进行调节。

这是复合要求。但是，这又决定了中西部许多老化且过时的设施的通气率。

节省能源，节约成本

处理大量水会浪费能源，而这些水本来就不需要处理。在 20 世纪早期，中西部地区的社区铺设下水道，而当时的常见做法是将卫生用水和雨水排水系统相结合。其主要目的是将水从城区排出流向下游，以预防疾病。处理污水是后来才想到的。许多这样的组合系统仍在使用。此外，地下水、雨水甚至有时是河水通过卫生排水管中的裂缝以及与雨水排水管的交叉连接处渗透和流入（I＆I）卫生排水系统。建筑物的地基排水沟让更多的清洁水进入下水道。在将干净的水泵送到水资源回收设施（WRRF）这一环节能源被浪费，一旦净水到达那里，就将其泵送到周围并进行处理。

此外，清洁水使曝气的自动控制复杂化，因为它稀释了需要更多曝气池才能运行的废水，因此，复合要求决定了曝气操作而非氧气需求。连续曝气是一种非常低效的复合方法，但却是许多设施的限制因素。这正是印第安纳州曼西卫生区（MSD）所面临的切实挑战。自动化 DO 控制的创新系统和按顺序脉冲曝气的运行模式能够优化曝气，且与传统解决方案相比，更能节省能源，节约成本。

过程监测与控制

曼西水污染控制设备（WPCF）是能为大约 31000 人服务的水资源回收设施 （WRRF），平均每天处理量达到 2400 万加仑（MGD）。该系统从 1941 年开始分阶段建造和改善。活性污泥曝气系统 由四个曝气池和大约9000 个陶瓷细泡曝气扩散器组成，这些扩散器将三台 500hp 的恒速鼓风机提供的空气进行扩散。在线溶解氧（DO）探头安装在曝气池中，但仅显示读数，并不用于自动曝气。

曼西使用 SneakerNet 版本，出去观察在线 DO 读数，然后到控制阀进行手动调整，然后回到探头处检查所做调整是否对 DO 读数产生了预期效果。曼西 WPCF 负责人 John Barlow 解释道：“我们的操作人员必须手动打开鼓风机，然后调节各个总管阀。但是，在顺序脉冲曝气运行模式下，曝气系统现在在较低的 DO 水平下运行，从而减少了能耗在下午换班的时候，DO 将开始爬升，操作员将不得不再次关闭鼓风机并重新调节总管阀。”最终，Barlow 决定停止手动调节曝气阀门，让系统全天高速运转。

他解释说:“我之所以决定提高鼓风机的运行速度，是因为满足微生物的要求是我们的首要目标，再加上整天让我们的操作员上下调节鼓风机，调整总管阀，没有对人力实现高效利用。而且，我们最终处理过的废水质量跟在我们的工艺条件下试图保持最佳溶解氧的不断变化的动作是不一致的。”该设施一直保持过高的曝气率，直到 2014 年开展重大升级，对其曝气系统进行了升级和自动化改造。

现有曝气系统的升级包括采用节能涡轮鼓风机、膜盘曝气扩散器和自动控制系统。使用 350hp 涡轮鼓风机取代了现有的 500hp 离心鼓风机，使空气供应更为高效，能耗降低了 10％ 到 20％。6000 个陶瓷空气扩散器被替换为塞莱默 Sanitaire Silver Series II 圆盘膜扩散器，从而形成了细微而均匀的气泡模式，用于氧气的转移。并对其余 3000 个陶瓷扩散器进行了拆除或封堵。

新的自动化系统由赛莱默 Sanitaire OSCAR 工艺性能优化器曝气控制系统组成，该系统包括可编程逻辑控制器（PLC），WTW IQ SensorNet（IQSN）过程监控系统以及图形化人机界面（HMI），该界面用于显示操作员的状态，并提供进行调整的手段。过程监控系统包括 12 个 FDO 700 型免校准光学 DO 探头和 4 个 VARiON 700 离子选择电极（ISE）型氨氮和硝酸盐组合探头。DO 和 VARiON 探头由控制系统连续读取，控制系统根据当前的 DO 读数和水流量自动调节鼓风机输出。OSCAR™ 控制系统集成到污水处理厂现有的控制系统中，并通过其内置的人机界面（HMI）显示探头读数和系统状态。

真正的节省成本

新的设备实现了节能目标，但没有达到预期的效果。该项目最初的构想是基于氨氮浓度的曝气控制策略。由于负荷不足，该系统几乎受到连续混合的限制，这一发现意味着溶解氧水平仍远高于目标值。根据设计的曝气系统的在线氨氮测量值来看，没有减少曝气的机会。

因此，赛莱默 Sanitaire 的设计师设计了另一种方法来降低曝气速率并仍然能够达到混合要求。在一个曝气池中进行了短暂的试验，成功之后，将一系列的曝气脉冲编程到控制系统中，使空气供应速率明显降低（大部分时间），同时保持 MLSS 以更高的速度处于间歇性的曝气脉冲状态。在顺序脉冲曝气运行模式下，曝气系统现在大部分时间以较低的溶解氧水平运行。

“起初，我们的DO水平很难达到我们希望的水平，但仍能得到足够的混合，但是控制器的新脉冲程序可以解决这个问题”Barlow 说。氨氮探头可以很好地用于监视，但其并不属于自动控制系统。

满足混合要求的曝气升级和创新的解决方案使 MSD 能够从水中得到一些“废物”。Barlow 说:“现在，使用新的曝气系统，我们每月可以节省超过 5000 美元，而且电费很低。2014 年，该污水处理厂的耗电量超过 64 万千瓦时，而 2016 年耗电仅超过 50 万千瓦时。”

Barlow 表示，除了提高能效外，通过更精确的曝气控制，员工的工作效率也大大提高。“从操作的角度来看，如果我们的操作员想要更改 DO，不再需要手动转动鼓风机，再调整 12 种不同的总管阀，因为现在这一切都是自动化的。操作管理员可以非常轻松地延长或缩短脉冲之间的持续时间。这是一个非常灵活的系统。”

此外，该设施从水中去除更多的氮。在需氧量最高的曝气池前端，DO 浓度在所谓的曝气缺氧的条件下可保持接近于零，有利于氮的去除。直接的好处就是，通过培养需要较少溶解氧来维持生存的兼性生物，可以进一步减少曝气所需的能量。该流域和密西西比河流域的一个重要好处在于，可用于支撑下游（其中包括墨西哥湾）藻类过度生长的养分较少，上游养分的输入造成了缺氧死区。

任何活性污泥工艺的能效和最佳性能的基础，是能够改变曝气速率以满足不断变化的流量和负荷条件。对于许多水资源回收设施（WRRF）来说，这是一个挑战。但是，通过自动化并采用顺序脉冲曝气模式的新颖方法，曼西 WPCF 坦然应对这一挑战，将曝气与负荷相匹配，提供符合排放限值的稳定废水质量，并节省了大量能源。