“污水”這個術語是一個誤稱。更準確的說法是應該是“資源水”，因為它包含所有有價值的潛在資源，指的是從水龍頭取用后，用于飲用、衛(wèi)生、娛樂和工業(yè)用途，再通過排水系統(tǒng)返回的水。

例如，研究人員計算出污水蘊含的能源潛力是其處理所需能量的五倍。因此，污水處理正在被重新定義為水資源回收。相反，許多其他資源正因當前低效的水資源提取與回用方式而被浪費。

曼西2,400萬加侖每日的活性污泥污水處理廠為約31,000人口提供服務。

曝氣技術

曝氣是水資源回收設施（WRRF）的核心環(huán)節(jié)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(chǎn)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(nèi)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(tài)平衡的操作難點，該工藝能耗極高。

空氣(氧氣)供給系統(tǒng)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(tǒng)，將環(huán)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(jié)能潛力。此外，在線過程監(jiān)測技術的改進使得曝氣自動化更易實現(xiàn)，讓水務部門能根據(jù)每日、每周及季節(jié)性變化的水量與廢物負荷來調節(jié)供氣量。 

實現(xiàn)能源和成本的節(jié)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(tǒng)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(qū)以預防疾病。污水處理僅是事后考慮。許多此類合流系統(tǒng)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(wǎng)混接點進入生活污水系統(tǒng)。

WTW IQ SensorNet傳感器安裝在處理池中提供實時監(jiān)控

建筑基礎排水系統(tǒng)會將更多潔凈水引入生活污水管網(wǎng)。這些清潔水被泵送至WRRF既浪費輸送能耗，后續(xù)循環(huán)處理又消耗額外能源。

此外，潔凈水的混入會干擾曝氣系統(tǒng)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(xù)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(wèi)生區(qū)（MSD）通過創(chuàng)新的DO自動控制與序列脈沖曝氣模式優(yōu)化曝氣，實現(xiàn)比傳統(tǒng)方案更顯著的節(jié)能效益。

在序列脈沖曝氣模式下，曝氣系統(tǒng)現(xiàn)以更低DO水平運行有效降低能耗。

過程監(jiān)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(tǒng)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(shù)僅用于顯示，不用于曝氣系統(tǒng)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(shù)，再步行至控制閥進行手動調節(jié)，隨后返回探頭處確認調節(jié)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(jié)曝氣閥，讓系統(tǒng)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(jié)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(xù)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(xiàn)不穩(wěn)定問題。”該設施在完成全面升級改造（包括曝氣系統(tǒng)自動化）前，長期維持著過高的曝氣率。

現(xiàn)有曝氣系統(tǒng)的升級包括一臺節(jié)能渦輪鼓風機、膜片曝氣擴散器和一套自動化控制系統(tǒng)。替換的350馬力渦輪鼓風機取代了現(xiàn)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(xiàn)在能夠根據(jù)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(tǒng)包括Xylem Sanitaire OSCAR工藝性能優(yōu)化曝氣控制系統(tǒng)，其中包括可編程邏輯控制器（PLC）、WTW IQ SensorNet（IQSN）過程監(jiān)測系統(tǒng)，以及顯示曝氣系統(tǒng)狀態(tài)并提供調整手段的圖形人機界面（HMI）。過程監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)持續(xù)讀取DO和VARiON探頭的數(shù)據(jù)，并根據(jù)當前DO讀數(shù)和水流量自動調整鼓風機輸出。OSCAR控制系統(tǒng)集成到工廠現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中，并通過其內(nèi)置的人機界面（HMI）顯示探頭讀數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)。

真正的成本節(jié)約

新設備雖然實現(xiàn)了節(jié)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(tǒng)因負荷不足而幾乎持續(xù)處于混合受限狀態(tài)，DO水平始終遠高于目標值；按原設計的曝氣系統(tǒng)，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(tǒng)被編程為按序執(zhí)行間歇曝氣——通過較高強度的脈沖式曝氣維持MLSS懸浮狀態(tài)，同時使供氣量得以大幅降低（大部分時間）。

編輯：徐冰冰