“廢水"一詞實(shí)際是誤用。準(zhǔn)確來(lái)講，應(yīng)該將其稱為資源水。因?yàn)閺乃堫^中獲取水后用于飲用、衛(wèi)生、娛樂或工業(yè)領(lǐng)域，再通過排水溝返回，這一過程中水作為嵌入式資源發(fā)揮效用。例如，研究人員發(fā)現(xiàn)，廢水中可能產(chǎn)生的能量是處理廢水所需能量的 5 倍。因此，廢水處理被正名為水資源回收。

與此相反，許多其它資源被當(dāng)前用于取水和將水返回環(huán)境的低效設(shè)計(jì)和操作實(shí)踐所浪費(fèi)。水資源回收過程會(huì)產(chǎn)生大量碳足跡。可消耗美國(guó)總能源的 0.6%。

 曝氣技術(shù)

曝氣是水資源回收設(shè)施（WRRF）的關(guān)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(jìn)行混合。這一過程中，微生物群完成了將污染轉(zhuǎn)化為無(wú)害產(chǎn)物的大量工作。在最常見的配置，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(zhàn)，該過程十分耗能。空氣（氧氣）供應(yīng)系統(tǒng)由鼓風(fēng)機(jī)等大型機(jī)器組成，鼓風(fēng)機(jī)通過安裝在曝氣池底部的擴(kuò)散器，即帶孔的盤或板，將環(huán)境空氣泵入曝氣池。鼓風(fēng)機(jī)和擴(kuò)散器技術(shù)在過去 10 年中都有了顯著的改進(jìn)，也讓我們可以進(jìn)一步減少能耗。此外，改進(jìn)的在線過程監(jiān)測(cè)技術(shù)使曝氣過程的自動(dòng)化更容易實(shí)現(xiàn)，讓設(shè)備更容易實(shí)現(xiàn)空氣供應(yīng)率和氧氣需求的平衡，并且可以隨著每天、每周和季節(jié)性的水和廢水的產(chǎn)生而進(jìn)行調(diào)節(jié)。

這是復(fù)合要求。但是，這又決定了中西部許多老化且過時(shí)的設(shè)施的通氣率。

節(jié)省能源，節(jié)約成本

處理大量水會(huì)浪費(fèi)能源，而這些水本來(lái)就不需要處理。在 20 世紀(jì)早期，中西部地區(qū)的社區(qū)鋪設(shè)下水道，而當(dāng)時(shí)的常見做法是將衛(wèi)生用水和雨水排水系統(tǒng)相結(jié)合。其主要目的是將水從城區(qū)排出流向下游，以預(yù)防疾病。處理污水是后來(lái)才想到的。許多這樣的組合系統(tǒng)仍在使用。此外，地下水、雨水甚至有時(shí)是河水通過衛(wèi)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(wèi)生排水系統(tǒng)。建筑物的地基排水溝讓更多的清潔水進(jìn)入下水道。在將干凈的水泵送到水資源回收設(shè)施（WRRF）這一環(huán)節(jié)能源被浪費(fèi)，一旦凈水到達(dá)那里，就將其泵送到周圍并進(jìn)行處理。

此外，清潔水使曝氣的自動(dòng)控制復(fù)雜化，因?yàn)樗♂屃诵枰嗥貧獬夭拍苓\(yùn)行的廢水，因此，復(fù)合要求決定了曝氣操作而非氧氣需求。連續(xù)曝氣是一種非常低效的復(fù)合方法，但卻是許多設(shè)施的限制因素。這正是印第安納州曼西衛(wèi)生區(qū)（MSD）所面臨的切實(shí)挑戰(zhàn)。自動(dòng)化 DO 控制的創(chuàng)新系統(tǒng)和按順序脈沖曝氣的運(yùn)行模式能夠優(yōu)化曝氣，且與傳統(tǒng)解決方案相比，更能節(jié)省能源，節(jié)約成本。

過程監(jiān)測(cè)與控制

曼西水污染控制設(shè)備（WPCF）是能為大約 31000 人服務(wù)的水資源回收設(shè)施 （WRRF），平均每天處理量達(dá)到 2400 萬(wàn)加侖（MGD）。該系統(tǒng)從 1941 年開始分階段建造和改善。活性污泥曝氣系統(tǒng) 由四個(gè)曝氣池和大約9000 個(gè)陶瓷細(xì)泡曝氣擴(kuò)散器組成，這些擴(kuò)散器將三臺(tái) 500hp 的恒速鼓風(fēng)機(jī)提供的空氣進(jìn)行擴(kuò)散。在線溶解氧（DO）探頭安裝在曝氣池中，但僅顯示讀數(shù)，并不用于自動(dòng)曝氣。

曼西使用 SneakerNet 版本，出去觀察在線 DO 讀數(shù)，然后到控制閥進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，然后回到探頭處檢查所做調(diào)整是否對(duì) DO 讀數(shù)產(chǎn)生了預(yù)期效果。曼西 WPCF 負(fù)責(zé)人 John Barlow 解釋道：“我們的操作人員必須手動(dòng)打開鼓風(fēng)機(jī)，然后調(diào)節(jié)各個(gè)總管閥。但是，在順序脈沖曝氣運(yùn)行模式下，曝氣系統(tǒng)現(xiàn)在在較低的 DO 水平下運(yùn)行，從而減少了能耗在下午換班的時(shí)候，DO 將開始爬升，操作員將不得不再次關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)并重新調(diào)節(jié)總管閥。"最終，Barlow 決定停止手動(dòng)調(diào)節(jié)曝氣閥門，讓系統(tǒng)全天高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

他解釋說(shuō):“我之所以決定提高鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行速度，是因?yàn)闈M足微生物的要求是我們的首要目標(biāo)，再加上整天讓我們的操作員上下調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)，調(diào)整總管閥，沒有對(duì)人力實(shí)現(xiàn)高效利用。而且，我們最終處理過的廢水質(zhì)量跟在我們的工藝條件下試圖保持最佳溶解氧的不斷變化的動(dòng)作是不一致的。"該設(shè)施一直保持過高的曝氣率，直到 2014 年開展重大升級(jí)，對(duì)其曝氣系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)和自動(dòng)化改造。

現(xiàn)有曝氣系統(tǒng)的升級(jí)包括采用節(jié)能渦輪鼓風(fēng)機(jī)、膜盤曝氣擴(kuò)散器和自動(dòng)控制系統(tǒng)。使用 350hp 渦輪鼓風(fēng)機(jī)取代了現(xiàn)有的 500hp 離心鼓風(fēng)機(jī)，使空氣供應(yīng)更為高效，能耗降低了 10％ 到 20％。6000 個(gè)陶瓷空氣擴(kuò)散器被替換為塞萊默 Sanitaire Silver Series II 圓盤膜擴(kuò)散器，從而形成了細(xì)微而均勻的氣泡模式，用于氧氣的轉(zhuǎn)移。并對(duì)其余 3000 個(gè)陶瓷擴(kuò)散器進(jìn)行了拆除或封堵。

新的自動(dòng)化系統(tǒng)由賽萊默 Sanitaire OSCAR 工藝性能優(yōu)化器曝氣控制系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)包括可編程邏輯控制器（PLC），WTW IQ SensorNet（IQSN）過程監(jiān)控系統(tǒng)以及圖形化人機(jī)界面（HMI），該界面用于顯示操作員的狀態(tài)，并提供進(jìn)行調(diào)整的手段。過程監(jiān)控系統(tǒng)包括 12 個(gè) FDO 700 型免校準(zhǔn)光學(xué) DO 探頭和 4 個(gè) 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(tǒng)連續(xù)讀取，控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的 DO 讀數(shù)和水流量自動(dòng)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)輸出。OSCAR™ 控制系統(tǒng)集成到污水處理廠現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中，并通過其內(nèi)置的人機(jī)界面（HMI）顯示探頭讀數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)。

真正的節(jié)省成本

新的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目標(biāo)，但沒有達(dá)到預(yù)期的效果。該項(xiàng)目最初的構(gòu)想是基于氨氮濃度的曝氣控制策略。由于負(fù)荷不足，該系統(tǒng)幾乎受到連續(xù)混合的限制，這一發(fā)現(xiàn)意味著溶解氧水平仍遠(yuǎn)高于目標(biāo)值。根據(jù)設(shè)計(jì)的曝氣系統(tǒng)的在線氨氮測(cè)量值來(lái)看，沒有減少曝氣的機(jī)會(huì)。

因此，賽萊默 Sanitaire 的設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)了另一種方法來(lái)降低曝氣速率并仍然能夠達(dá)到混合要求。在一個(gè)曝氣池中進(jìn)行了短暫的試驗(yàn)，成功之后，將一系列的曝氣脈沖編程到控制系統(tǒng)中，使空氣供應(yīng)速率明顯降低（大部分時(shí)間），同時(shí)保持 MLSS 以更高的速度處于間歇性的曝氣脈沖狀態(tài)。在順序脈沖曝氣運(yùn)行模式下，曝氣系統(tǒng)現(xiàn)在大部分時(shí)間以較低的溶解氧水平運(yùn)行。

“起初，我們的DO水平很難達(dá)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(gè)問題"Barlow 說(shuō)。氨氮探頭可以很好地用于監(jiān)視，但其并不屬于自動(dòng)控制系統(tǒng)。

滿足混合要求的曝氣升級(jí)和創(chuàng)新的解決方案使 MSD 能夠從水中得到一些“廢物"。Barlow 說(shuō):“現(xiàn)在，使用新的曝氣系統(tǒng)，我們每月可以節(jié)省超過 5000 美元，而且電費(fèi)很低。2014 年，該污水處理廠的耗電量超過 64 萬(wàn)千瓦時(shí)，而 2016 年耗電僅超過 50 萬(wàn)千瓦時(shí)。"

Barlow 表示，除了提高能效外，通過更精確的曝氣控制，員工的工作效率也大大提高。“從操作的角度來(lái)看，如果我們的操作員想要更改 DO，不再需要手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，再調(diào)整 12 種不同的總管閥，因?yàn)楝F(xiàn)在這一切都是自動(dòng)化的。操作管理員可以非常輕松地延長(zhǎng)或縮短脈沖之間的持續(xù)時(shí)間。這是一個(gè)非常靈活的系統(tǒng)。"

此外，該設(shè)施從水中去除更多的氮。在需氧量最高的曝氣池前端，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(yǎng)需要較少溶解氧來(lái)維持生存的兼性生物，可以進(jìn)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(gè)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(zhǎng)的養(yǎng)分較少，上游養(yǎng)分的輸入造成了缺氧死區(qū)。

任何活性污泥工藝的能效和最佳性能的基礎(chǔ)，是能夠改變曝氣速率以滿足不斷變化的流量和負(fù)荷條件。對(duì)于許多水資源回收設(shè)施（WRRF）來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。但是，通過自動(dòng)化并采用順序脈沖曝氣模式的新穎方法，曼西 WPCF 坦然應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，將曝氣與負(fù)荷相匹配，提供符合排放限值的穩(wěn)定廢水質(zhì)量，并節(jié)省了大量能源。