曝气技术
曝气是水资源回收设施（WRRF）的核心环节之一。它向微生物群落提供生命必需的氧气——这些微生物承担着将污染物转化为无害终产物的主要工作——同时保持微生物与处理水体的充分混合。在最常见的活性污泥工艺（ASP）中，曝气过程需要将空气泵入称为曝气池的处理单元，池内充满被称为混合液悬浮固体（MLSS）的水体微生物悬浮液。由于氧气在水中溶解的物理限制，以及曝气速率与需氧量动态平衡的操作难点，该工艺能耗极高。
空气(氧气)供给系统由称为鼓风机的大型设备构成，它们通过安装在曝气池底部的扩散器、穿孔圆盘或孔板分配系统，将环境空气压入曝气池。过去十年间，鼓风机与扩散器技术的显著进步提升了节能潜力。此外，在线过程监测技术的改进使得曝气自动化更易实现，让水务部门能根据每日、每周及季节性变化的水量与废物负荷来调节供气量。
实现能源和成本的节约
能源也被浪费在处理大量原本无需处理的水上。早期首次建设排水系统时，普遍采用雨污合流制。当时主要目标是将水体快速排离城区以预防疾病。污水处理仅是事后考虑。许多此类合流系统至今仍在运行。此外，地下水、雨水甚至河水的渗入流入（I&I）通过污水管裂缝和雨污管网混接点进入生活污水系统。
WTW IQ SensorNet传感器安装在处理池中提供实时监控
建筑基础排水系统会将更多洁净水引入生活污水管网。这些清洁水被泵送至WRRF既浪费输送能耗，后续循环处理又消耗额外能源。
此外，洁净水的混入会干扰曝气系统的自动控制——因其稀释污水导致需投入更多曝气池运行，最终使得搅拌需求（而非实际需氧量）主导了曝气操作。持续曝气是一种效率极低的混合方式，但却是许多污水处理厂的限制性因素。印第安纳州曼西卫生区（MSD）通过创新的DO自动控制与序列脉冲曝气模式优化曝气，实现比传统方案更显著的节能效益。
在序列脉冲曝气模式下，曝气系统现以更低DO水平运行有效降低能耗。
过程监控
曼西水污染控制设施（WPCF）作为WRRF服务约31,000人口，日均处理2,400万加仑（MGD）污水。该设施自1941年起分阶段建设并逐步改进。该活性污泥曝气系统包含4个曝气池及约9,000个陶瓷微孔曝气头，由3台500马力的定速鼓风机供气。曝气池中安装了在线溶解氧（DO）探头，但其读数仅用于显示，不用于曝气系统的自动控制。
对此，曼西市采用了一种“SneakerNet（人工巡查）”模式——工作人员需步行查看在线DO读数，再步行至控制阀进行手动调节，随后返回探头处确认调节是否使DO值达到预期效果。曼西水污染控制设施主管John Barlow解释道，“我们的操作人员必须手动调高鼓风机，再逐个调整集管阀门。但是，到中班时DO值开始攀升，操作人员又得调低鼓风机并重新设定集管阀门。”最终，Barlow决定停止手动调节曝气阀，让系统全天以高负荷运行。
他解释说，“让鼓风机以更高功率运行，因为维持微生物的需求是首要目标之一，且让操作人员整天来回调节鼓风机和集管阀门是对人力的低效利用”。此外，在当前工艺条件下，若持续以这种波动方式维持最佳溶解氧水平，最终出水水质将出现不稳定问题。”该设施在完成全面升级改造（包括曝气系统自动化）前，长期维持着过高的曝气率。
现有曝气系统的升级包括一台节能涡轮鼓风机、膜片曝气扩散器和一套自动化控制系统。替换的350马力涡轮鼓风机取代了现有的500马力离心鼓风机，提供了更高效的供气方式，能耗降低了10%至20%。
通过采用自动化曝气控制，曼西水污染控制设施现在能够根据流量和生化需氧量（BOD）负荷的变化调整供氧量，为其活性污泥工艺带来了能源效率和性能提升。
新的自动化系统包括Xylem Sanitaire OSCAR工艺性能优化曝气控制系统，其中包括可编程逻辑控制器（PLC）、WTW IQ SensorNet（IQSN）过程监测系统，以及显示曝气系统状态并提供调整手段的图形人机界面（HMI）。过程监测系统包括12个FDO 700型免校准光学溶解氧探头和4个VARiON 700型离子选择电极（ISE）式铵和硝酸盐组合探头。控制系统持续读取DO和VARiON探头的数据，并根据当前DO读数和水流量自动调整鼓风机输出。OSCAR控制系统集成到工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。
真正的成本节约
新设备虽然实现了节能目标，但并没有达到预期的效果。该项目最初设想采用基于氨的曝气控制策略。然而，由于系统因负荷不足而几乎持续处于混合受限状态，DO水平始终远高于目标值；按原设计的曝气系统，无法基于在线铵测量值减少曝气量。
基于此，赛莱默工程师进一步提供设计方案，可在降低曝气速率的同时仍满足混合要求。在单个曝气池中的短期试验取得成功后，控制系统被编程为按序执行间歇曝气——通过较高强度的脉冲式曝气维持MLSS悬浮状态，同时使供气量得以大幅降低（大部分时间）。在序列脉冲曝气模式下，曝气系统现可在多数运行时间内维持更低DO水平。“最初难以将DO水平调节到接近目标值，同时又保持足够的混合，但控制器的新脉冲程序解决了这个问题，”Barlow说。铵探头在监测方面表现良好，但未纳入自动控制系统。
曝气系统升级及混合工艺的创新方案，使MSD成功实现了水中“废物”的高效去除。
Barlow指出：“即使在电价较低的情况下，我们现在每月通过新曝气系统节省的费用也超过5,000美元。2014年，工厂消耗了超过640,000千瓦时的电力，而2016年则刚超过500,000千瓦时。”
除了能源效率，巴洛表示，更精确的曝气控制还大幅提高了人员利用效率。“从操作角度看，如果操作人员想改变DO水平，他们不再需要手动调节鼓风机和12个不同的集管阀门，因为现在一切都是自动化的。操作人员可轻松地增加或减少脉冲间隔时间。系统灵活度极高。”
曼西市污水处理厂的运行效率变得更高。
此外，该设施还显著提升了水中氮污染物的去除率。在曝气池前端（需氧量最高区域），DO浓度仍可维持在接近零的水平——这种被称为“曝气缺氧”的工艺状态，能有效促进氮污染物的去除。最直接的效益是通过培养兼性微生物（其生存所需溶解氧更少），可进一步降低曝气系统的能耗需求。该工艺对特定流域的重要环境效益在于：可减少促进藻类过度繁殖的营养物质。
活性污泥工艺实现高能效与底成本的核心在于根据流量与负荷变化调节曝气速率的能力。这对许多WRRF而言是一项重大挑战。然而，通过自动化改造及采用创新的时序脉冲曝气模式，曼西水污染控制设施成功攻克了这一难题——其曝气量与进水负荷精准匹配，在稳定达到排放标准的同时，更实现了显著的节能效益。
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