與此相反，許多其它資源被當前用于取水和將水返回環(huán)境的低效設計和操作實踐所浪費。水資源回收過程會產(chǎn)生碳足跡。可消耗美國總能源的 0.6%。

▲日處理量為 24 MGD 的曼西活性污泥廢水處理廠可服務約 31000 人。

曝氣是水資源回收設施（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行混合。這一過程中，微生物群完成了將污染轉(zhuǎn)化為無害產(chǎn)物的工作。在常見的配置，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）供應系統(tǒng)由鼓風機等大型機器組成，鼓風機通過安裝在曝氣池底部的擴散器，即帶孔的盤或板，將環(huán)境空氣泵入曝氣池。鼓風機和擴散器技術(shù)在過去 10 年中都有了顯著的改進，也讓我們可以進一步減少能耗。此外，改進的在線過程監(jiān)測技術(shù)使曝氣過程的自動化更容易實現(xiàn)，讓設備更容易實現(xiàn)空氣供應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)生而進行調(diào)節(jié)。

這是復合要求。但是，這又決定了中西部許多老化且過時的設施的通氣率。

處理水會浪費能源，而這些水本來就不需要處理。在 20 世紀早期，中西部地區(qū)的社區(qū)鋪設下水道，而當時的常見做法是將衛(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，以預防疾病。處理污水是后來才想到的。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入下水道。在將干凈的水泵送到水資源回收設施（WRRF）這一環(huán)節(jié)能源被浪費，一旦凈水到達那里，就將其泵送到周圍并進行處理。

此外，清潔水使曝氣的自動控制復雜化，因為它稀釋了需要更多曝氣池才能運行的廢水，因此，復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合方法，但卻是許多設施的限制因素。這正是印第安納州曼西衛(wèi)生區(qū)（MSD）所面臨的切實挑戰(zhàn)。自動化 DO 控制的系統(tǒng)和按順序脈沖曝氣的運行模式能夠優(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。

▲為了支持實時監(jiān)控，在曝氣池安裝了WTW IQ SensorNet 傳感器

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

▲在順序脈沖曝氣運行模式下，曝氣系統(tǒng)現(xiàn)在在較低的 DO 水平下運行，從而減少了能耗

他解釋說:“我之所以決定提高鼓風機的運行速度，是因為滿足微生物的要求是我們的首要目標，再加上整天讓我們的操作員上下調(diào)節(jié)鼓風機，調(diào)整總管閥，沒有對人力實現(xiàn)高效利用。而且，我們終處理過的廢水質(zhì)量跟在我們的工藝條件下試圖保持溶解氧的不斷變化的動作是不一致的。"該設施一直保持過高的曝氣率，直到 2014 年開展重大升級，對其曝氣系統(tǒng)進行了升級和自動化改造。

▲通過采用自動曝氣控制，曼西水污染控制設施現(xiàn)在有能力改變供應的氧氣，以滿足流量和 BOD 負荷的變化，為其活性污泥工藝賦能并提升性能。

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

▲曼西市污水處理廠

新的自動化系統(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)以及圖形化人機界面（HMI），該界面用于顯示操作員的狀態(tài)，并提供進行調(diào)整的手段。過程監(jiān)控系統(tǒng)包括 12 個 FDO 700 型免校準光學 DO 探頭和 4 個 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)當前的 DO 讀數(shù)和水流量自動調(diào)節(jié)鼓風機輸出。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)置的人機界面（HMI）顯示探頭讀數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)。

新的設備實現(xiàn)了節(jié)能目標，但沒有達到預期的效果。該項目初的構(gòu)想是基于氨氮濃度的曝氣控制策略。由于負荷不足，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高于目標值。根據(jù)設計的曝氣系統(tǒng)的在線氨氮測量值來看，沒有減少曝氣的機會。

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

“起初，我們的DO水平很難達到我們希望的水平，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問題"Barlow 說。氨氮探頭可以很好地用于監(jiān)視，但其并不屬于自動控制系統(tǒng)。

滿足混合要求的曝氣升級和的解決方案使 MSD 能夠從水中得到一些“廢物"。Barlow 說:“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，而且電費很低。2014 年，該污水處理廠的耗電量超過 64 萬千瓦時，而 2016 年耗電僅超過 50 萬千瓦時。"

Barlow 表示，除了提高能效外，通過更的曝氣控制，員工的工作效率也大大提高。“從操作的角度來看，如果我們的操作員想要更改 DO，不再需要手動轉(zhuǎn)動鼓風機，再調(diào)整 12 種不同的總管閥，因為現(xiàn)在這一切都是自動化的。操作管理員可以非常輕松地延長或縮短脈沖之間的持續(xù)時間。這是一個非常靈活的系統(tǒng)。"

此外，該設施從水中去除更多的氮。在需氧量的曝氣池前端，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)需要較少溶解氧來維持生存的兼性生物，可以進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性能的基礎，是能夠改變曝氣速率以滿足不斷變化的流量和負荷條件。對于許多水資源回收設施（WRRF）來說，這是一個挑戰(zhàn)。但是，通過自動化并采用順序脈沖曝氣模式的新穎方法，曼西 WPCF 坦然應對這一挑戰(zhàn)，將曝氣與負荷相匹配，提供符合排放限值的穩(wěn)定廢水質(zhì)量，并節(jié)省了能源。