节能降耗 | 污水处理还是水资源回收？

“污水”这个术语是一个误称。更准确的说法是应该是“资源水”，因为它包含所有有价值的潜在资源，指的是从水龙头取用后，用于饮用、卫生、娱乐和工业用途，再通过排水系统返回的水。

例如，研究人员计算出污水蕴含的能源潜力是其处理所需能量的五倍。因此，污水处理正在被重新定义为水资源回收。相反，许多其他资源正因当前低效的水资源提取与回用方式而被浪费。

曼西2,400万加仑每日的活性污泥污水处理厂为约31,000人口提供服务。

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）。

编辑：徐冰冰