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在線放置銨傳感器改善氨基曝氣控制

廢水處理設施一直在尋找方法優化其流程和節省運營支出

近年來，氨基曝氣控制（ABAC）已成為曝氣控制技術的新發展方向。使用 ABAC 后，設施的鼓風機使用量大幅減少，與溶氧量的控制相比，節能約 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，利用連續的銨（NH3/NH4+）測量來實時控制曝氣，以維持銨設定值。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。

實現氨基曝氣控制系統的一個關鍵方面是銨傳感器的放置。控制傳感器應在活性污泥池進口附近、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施（AWRF）團隊在為其設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（儀器經理）準備升級它們的曝氣網格，并分三個階段實施 ABAC。首先，該團隊希望通過對三家制造商的離子選擇性電極（ISE）銨傳感器進行為期 18 個月的試驗，確定哪種 ISE 傳感器更適合他們的應用。其次，在接下來的 12 個月內安裝新的曝氣設備和 WTW 傳感器。最后一個階段是通過在七個月時間內，評估 ISE 傳感器在活性污泥池不同階段的性能來優化 ABAC。

（John Downey，布羅克頓高級水回收設施儀器經理）

一、一對一試驗

在 18 個月的試驗中，Dave Norton 將 WTW ISE 傳感器進行評估，并得出結論。首先，當應用正確時，ISE 傳感器技術可以有效控制氨基曝氣控制策略中的曝氣。當這些傳感器在維護良好情況下和環境中的銨濃度高于 1.0 mg/L NH 4-N 時，它們可連續準確地測量。其次，與濕化學分析儀相比，ISE 傳感器對 ABAC 有幾個優點。與濕式化學分析儀相比 ISE 的響應時間更快、更經濟實惠，并且在大多數應用中更容易維護。

二、安裝歷時

七個布羅克頓 AWRF 污泥池的修復和安裝 WTW IQ SensorNet 系統的安裝歷時 12 個月。除了降低過度曝氣外，該設施還旨在通過升級提高總氮（TN）去除。因此，在所有污泥池均設置了預缺氧區，包括第二缺氧區，以進一步反硝化和去除 TN。

每個污泥池都有自己的 WTW IQ SensorNet 系統，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其價值。即使水流均勻地流回污泥池，每個污泥池均有其他不一樣的環境，具有不同容量、速度和生物，導致硝化作用的差異。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 的任務是在接下來的 7 個月內優化該流程，并對銨傳感器位置進行實驗，以實現最佳曝氣控制。

三、流程優化期

7 個月的流程優化期揭示了活性污泥池中每個銨測量位置的優缺點。從理論上講，活性污泥池的出水位置對傳感器的安裝是很有吸引的，因為操作員可準確知道有多少銨流到澄清池，而這個反饋策略在控制邏輯中是非常常見的。在此位置，可通過銨測量值進行控制，能根據傳感器值自動調整傳感器上游的鼓風機輸出。然而，使用這種方式的傳感器放置時，經常會有接近零的銨值讀數，這會導致幾個問題。從數據角度來看，總是讀數為零傳感器不一定能提供有價值的數據。

（圖1：放置曝氣污泥池出水附近的傳感器可能會引起幾個問題。該圖表明，傳感器讀數可能接近零，但操作人員不知道硝化在哪里完成。）

雖然操作人員可以確認出水銨接近于零，但他們無法確定上游硝化的完成程度，導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，可能提供出不準確的數據。準確度可能是 ISE 技術在低濃度下的一個的限制因素，校準至接近零意味著當傳感器在偶爾暴露于較高濃度銨時，可能不會對其產生反應。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值變化的位置，通常能為氨基曝氣控制提供更好的優化，并維持傳感器性能。

活性污泥池進水位置優于其出水位置。該位置提供了更有價值的數據來優化曝氣，并能夠監測進入污泥池的日流量和銨負荷。此外，由于傳感器始終在較高的數值下測量，傳感器更可靠、更準確，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整下游鼓風機輸出。該傳感器位置離上游過遠，因此無法確保出水銨滿足流出水許可控制的精細調整是很困難的，因為污泥池內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 發現進水處的銨值越高，使用參考抓取的樣品來校準 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 之間波動的區域。ISE 傳感器在該位置表現出色，并通過實時銨測量提供數據來最佳優化曝氣。在下午和晚上的負荷高峰時段，銨的測量值將上升到 4-5 mg/L NH 4-N，此時，鼓風機被提升更高，為需氧區提供更多空氣。然后，過夜后，當負荷下降時，鼓風機輸出降至zui低或都關閉，以進行更多的反硝化，從而更好地去除 TN 并節約能源（圖2）。布羅克頓 AWRF 團隊進行了大量工作，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zui有效的位置。John 還發現了硝化作用完成的季節差異。在夏季，因為硝化作用發生得更快，傳感器可能需要放置更上游的區域，，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，證明了尋找適當位置的工作是合理的。來自銨 ISE 傳感器的日負荷趨勢提供了關于硝化速率和優化數據的有價值信息，以精細調整曝氣輸出。該位置允許合理的銨設定值，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）。

（圖2：放置硝化作用接近完成的位置（1-5 mg/L NH4-N）的銨傳感器是控制曝氣的最佳位置。）

結論

1、對于布羅克頓 AWRF 團隊而言，最重要的決定因素之一是 WTW 在試驗期間提供的專業知識和支持，協助調試每個污泥池，并定期跟進，確保系統良好運行。

2、WTW AmmoLyt（NH 4+）傳感器提供的一列排放銨態氮的每日趨勢。每臺傳感器均顯示在白天中的高負荷期間的銨增加，隨后顯示在過夜后的銨減少。

3、WTW 傳感器可靠、準確、易于維護。現場需要維護 50 多個 WTW 傳感器，傳感器可靠性是確保布羅克頓 AWRF 達到其處理目的重要因素。