廢水處理設(shè)施一直在尋找方法優(yōu)化其流程和節(jié)省運營支出。

近年來，氨基曝氣控制（ABAC）已成為曝氣控制技術(shù)的新發(fā)展方向。使用ABAC后，設(shè)施的鼓風(fēng)機使用量大幅減少，與溶氧量的控制相比，節(jié)能約10-20%，包括減少碳投放量和堿度需求量等其他好處。氨基曝氣控制概念很簡單，利用連續(xù)的銨（NH3/NH4+）測量來實時控制曝氣，以維持銨設(shè)定值。提供給曝氣池的空氣量剛好足以滿足NPDES允許限值，同時消除過度曝氣的情況。

“我相信這個數(shù)字。當(dāng)傳感器放置到保持傳感器靈敏位置時，它們非常準(zhǔn)確！"

實現(xiàn)氨基曝氣控制系統(tǒng)的一個關(guān)鍵方面是銨傳感器的放置。控制傳感器應(yīng)在活性污泥池進(jìn)口附近、還是活性污泥池出水處，還介于在兩者之間？這是馬薩諸塞州布羅克頓高級水回收設(shè)施（AWRF）團(tuán)隊在為其設(shè)施升級而著手解決的問題。Dave Norton（工廠主管）、CDM（工程顧問）和John Downey（儀器經(jīng)理）準(zhǔn)備升級它們的曝氣網(wǎng)格，并分三個階段實施ABAC。首先，該團(tuán)隊希望通過對三家制造商的離子選擇性電極（ISE）銨傳感器進(jìn)行為期18個月的試驗，確定哪種ISE傳感器他們的應(yīng)用。其次，在接下來的12個月內(nèi)安裝新的曝氣設(shè)備和YSI傳感器。最后一個階段是通過在七個月時間內(nèi)，評估ISE傳感器在活性污泥池不同階段的性能來優(yōu)化ABAC。

一對一的試驗

在18個月的試驗中，Dave Norton將WTW的ISE傳感器進(jìn)行了評估。首先，當(dāng)應(yīng)用正確時，ISE傳感器技術(shù)可以有效控制氨基曝氣控制策略中的曝氣。當(dāng)這些傳感器在維護(hù)良好情況下和環(huán)境中的銨濃度高于1.0 mg/L NH 4-N時，它們可連續(xù)準(zhǔn)確地測量。其次，與濕化學(xué)分析儀相比，ISE傳感器對ABAC有幾個優(yōu)點。與濕式化學(xué)分析儀相比ISE的響應(yīng)時間更快、更經(jīng)濟(jì)實惠，并且在大多數(shù)應(yīng)用中更容易維護(hù)。該團(tuán)隊希望將所有WTW傳感器用于其活性污泥工藝。

安裝歷時

七個布羅克頓AWRF污泥池的修復(fù)和安裝WTW IQ SensorNet系統(tǒng)的安裝歷時12個月。除了降低過度曝氣外，該設(shè)施還旨在通過升級提高總氮（TN）去除。因此，在所有污泥池均設(shè)置了預(yù)缺氧區(qū)，包括第二缺氧區(qū)，以進(jìn)一步反硝化和去除TN。

每個污泥池都有自己的WTW IQ SensorNet系統(tǒng)，包括三個溶解氧傳感器、一個pH傳感器、一個銨ISE傳感器和兩個UV硝酸鹽傳感器。在七個污泥池全部上線后，每個污泥池的WTW傳感器將會立即顯示它們的價值。即使水流均勻地流回污泥池，每個污泥池均有其環(huán)境，具有不同容量、速度和生物，導(dǎo)致硝化作用的差異。為了評估這些差異，并在每個污泥池實施氨基曝氣控制，John Downey的任務(wù)是在接下來的7個月內(nèi)優(yōu)化該流程，并對銨傳感器位置進(jìn)行實驗，以實現(xiàn)最佳曝氣控制。

流程優(yōu)化期

7個月的流程優(yōu)化期揭示了活性污泥池中每個銨測量位置的許多優(yōu)點和缺點。由于幾個原因，活性污泥池的出水位置被證明效率低。從理論上講，這個位置對傳感器的安裝是很有吸引的，因為操作員可準(zhǔn)確知道有多少銨流到澄清池，而且這個反饋策略在控制邏輯中是非常常見的。在此位置，可通過銨測量值進(jìn)行控制，能根據(jù)傳感器值自動調(diào)整傳感器上游的鼓風(fēng)機輸出。然而，使用這種方式的傳感器放置時，經(jīng)常會有接近零的銨值讀數(shù)，這會導(dǎo)致幾個問題。從數(shù)據(jù)角度來看，總是讀數(shù)為零傳感器不一定能提供有價值的數(shù)據(jù)。

雖然操作人員可以確認(rèn)出水銨接近于零，但他們無法確定上游硝化的完成程度，導(dǎo)致額外曝氣和能源浪費（圖1）。從傳感器角度來看，出水的測量位置也有問題的。離子選擇性電極傳感器一直因為難以維護(hù)而聲名不佳，并且在濃度低于0.5 mg/L NH 4-N時，可能提供出不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。準(zhǔn)確度可能是ISE技術(shù)在低濃度下的一個的限制因素，校準(zhǔn)至接近零意味著當(dāng)傳感器在偶爾暴露于較高濃度銨時，可能不會對其產(chǎn)生反應(yīng)。同樣，類似離子的干擾，如鉀離子（K+）在接近零銨時的干擾影響更大。選擇一個具有可以測量和數(shù)值變化的位置，通常能為氨基曝氣控制提供更好的優(yōu)化，并維持傳感器性能。

活性污泥池進(jìn)水位置優(yōu)于其出水位置。該位置提供了更有價值的數(shù)據(jù)來優(yōu)化曝氣，并能夠監(jiān)測進(jìn)入污泥池的日流量和銨負(fù)荷。此外，由于傳感器始終在較高的數(shù)值下測量，傳感器更可靠、更準(zhǔn)確，并最大限度地延長電極壽命。然而John注意到在這個位置有兩個潛在困難，第一個是在進(jìn)水口處使用帶有單個傳感器的前饋ABAC。前饋是一種控制策略，其中上游傳感器會自動調(diào)整下游鼓風(fēng)機輸出。該傳感器位置離上游過遠(yuǎn)，因此無法確保出水銨滿足流出水許可控制的精細(xì)調(diào)整是很困難的，因為污泥池內(nèi)的幾個因素可能會影響下游硝化作用，而且操作人員并不知道這些情況。

其次，John發(fā)現(xiàn)進(jìn)水處的銨值越高，使用參考抓取的樣品來校準(zhǔn)ISE傳感器就越困難，因為可用的測試范圍需要樣品稀釋才能得到數(shù)值。

對ABAC有效的ISE傳感器位置是曝氣污泥池中部，特別是銨濃度每日在1-5 mg/L NH 4-N之間波動的區(qū)域。ISE傳感器在該位置表現(xiàn)出色，并通過實時銨測量提供數(shù)據(jù)來最佳優(yōu)化曝氣。在下午和晚上的負(fù)荷高峰時段，銨的測量值將上升到4-5 mg/L NH 4-N，此時，鼓風(fēng)機被提升更高，為需氧區(qū)提供更多空氣。然后，過夜后，當(dāng)負(fù)荷下降時，鼓風(fēng)機輸出降至仰低點或關(guān)閉，以進(jìn)行更多的反硝化，從而更好地去除TN并節(jié)約能源（如下圖2）。布羅克頓AWRF團(tuán)隊進(jìn)行了大量工作，以確定放置傳感器的正確位置，使用抓取樣品和短期試驗來找到有效的位置。John還發(fā)現(xiàn)了硝化作用完成的季節(jié)差異。在夏季，因為硝化作用發(fā)生得更快，傳感器可能需要放置更上游的區(qū)域，，但在較冷月份，傳感器將被放置更下游的地方。然而，這種傳感器放置的益處，證明了尋找適當(dāng)位置的工作是合理的。來自銨ISE傳感器的日負(fù)荷趨勢提供了關(guān)于硝化速率和優(yōu)化數(shù)據(jù)的有價值信息，以精細(xì)調(diào)整曝氣輸出。該位置允許合理的銨設(shè)定值，確保出水銨仍低于允許限值，并有足夠的銨使傳感器工作良好（高于1 mg/L NH 4-N）。

結(jié)論

因其性能及易用性，布羅克頓AWRF選擇WTW傳感器。優(yōu)化期間，John Downey在WTW專家的指導(dǎo)下維護(hù)了傳感器，了解了ISE傳感器獲得可靠數(shù)據(jù)的要求。當(dāng)被問及對傳感器的印象時，John表示：“我相信這個數(shù)字。當(dāng)傳感器放置在傳感器保持靈敏位置時，傳它們會非常精確！"John也喜歡維護(hù)傳感器的簡單性。WTW的銨ISE傳感器有空氣清潔壓縮機，使電極保持無固體附著，每隔幾個月，當(dāng)傳感器偏離驗證測量值時，John還會執(zhí)行一次基質(zhì)調(diào)整（通過匹配實驗室樣品進(jìn)行校準(zhǔn)），這就像輸入傳感器測量值去匹配實驗室編號一樣簡單。最后，更換電極很容易，使用所提供的工具將電極擰入傳感器即可。