在线放置铵传感器改善氨基曝气控制

废水处理设施一直在寻找方法优化其流程和节省运营支出

近年来，氨基曝气控制（ABAC）已成为曝气控制技术的新发展方向。使用 ABAC 后，设施的鼓风机使用量大幅减少，与溶氧量的控制相比，节能约 10-20%，包括减少碳投放量和碱度需求量等其他好处。氨基曝气控制概念很简单，利用连续的铵（NH3/NH4+）测量来实时控制曝气，以维持铵设定值。提供给曝气池的空气量刚好足以满足 NPDES 允许限值，同时消除过度曝气的情况。

实现氨基曝气控制系统的一个关键方面是铵传感器的放置。控制传感器应在活性污泥池进口附近、还是活性污泥池出水处，还介于在两者之间？这是马萨诸塞州布罗克顿高级水回收设施（AWRF）团队在为其设施升级而着手解决的问题。Dave Norton（工厂主管）、CDM（工程顾问）和 John Downey（仪器经理）准备升级它们的曝气网格，并分三个阶段实施 ABAC。首先，该团队希望通过对三家制造商的离子选择性电极（ISE）铵传感器进行为期 18 个月的试验，确定哪种 ISE 传感器更适合他们的应用。其次，在接下来的 12 个月内安装新的曝气设备和 WTW 传感器。最后一个阶段是通过在七个月时间内，评估 ISE 传感器在活性污泥池不同阶段的性能来优化 ABAC。

（John Downey，布罗克顿高级水回收设施仪器经理）

一、一对一试验

在 18 个月的试验中，Dave Norton 将 WTW ISE 传感器进行评估，并得出结论。首先，当应用正确时，ISE 传感器技术可以有效控制氨基曝气控制策略中的曝气。当这些传感器在维护良好情况下和环境中的铵浓度高于 1.0 mg/L NH 4-N 时，它们可连续准确地测量。其次，与湿化学分析仪相比，ISE 传感器对 ABAC 有几个优点。与湿式化学分析仪相比 ISE 的响应时间更快、更经济实惠，并且在大多数应用中更容易维护。

二、安装历时

七个布罗克顿 AWRF 污泥池的修复和安装 WTW IQ SensorNet 系统的安装历时 12 个月。除了降低过度曝气外，该设施还旨在通过升级提高总氮（TN）去除。因此，在所有污泥池均设置了预缺氧区，包括第二缺氧区，以进一步反硝化和去除 TN。

每个污泥池都有自己的 WTW IQ SensorNet 系统，包括三个溶解氧传感器、一个 pH 传感器、一个铵 ISE 传感器和两个 UV 硝酸盐传感器。在七个污泥池全部上线后，每个污泥池的 WTW 传感器将会立即显示其价值。即使水流均匀地流回污泥池，每个污泥池均有其他不一样的环境，具有不同容量、速度和生物，导致硝化作用的差异。为了评估这些差异，并在每个污泥池实施氨基曝气控制，John Downey 的任务是在接下来的 7 个月内优化该流程，并对铵传感器位置进行实验，以实现最佳曝气控制。

三、流程优化期

7 个月的流程优化期揭示了活性污泥池中每个铵测量位置的优缺点。从理论上讲，活性污泥池的出水位置对传感器的安装是很有吸引的，因为操作员可准确知道有多少铵流到澄清池，而这个反馈策略在控制逻辑中是非常常见的。在此位置，可通过铵测量值进行控制，能根据传感器值自动调整传感器上游的鼓风机输出。然而，使用这种方式的传感器放置时，经常会有接近零的铵值读数，这会导致几个问题。从数据角度来看，总是读数为零传感器不一定能提供有价值的数据。

（图1：放置曝气污泥池出水附近的传感器可能会引起几个问题。该图表明，传感器读数可能接近零，但操作人员不知道硝化在哪里完成。）

虽然操作人员可以确认出水铵接近于零，但他们无法确定上游硝化的完成程度，导致额外曝气和能源浪费（图1）。从传感器角度来看，出水的测量位置也有问题的。离子选择性电极传感器一直因为难以维护而声名不佳，并且在浓度低于 0.5 mg/L NH 4-N 时，可能提供出不准确的数据。准确度可能是 ISE 技术在低浓度下的一个的限制因素，校准至接近零意味着当传感器在偶尔暴露于较高浓度铵时，可能不会对其产生反应。同样，类似离子的干扰，如钾离子（K+）在接近零铵时的干扰影响更大。选择一个具有可以测量和数值变化的位置，通常能为氨基曝气控制提供更好的优化，并维持传感器性能。

活性污泥池进水位置优于其出水位置。该位置提供了更有价值的数据来优化曝气，并能够监测进入污泥池的日流量和铵负荷。此外，由于传感器始终在较高的数值下测量，传感器更可靠、更准确，并最大限度地延长电极寿命。然而 John 注意到在这个位置有两个潜在困难，第一个是在进水口处使用带有单个传感器的前馈 ABAC。前馈是一种控制策略，其中上游传感器会自动调整下游鼓风机输出。该传感器位置离上游过远，因此无法确保出水铵满足流出水许可控制的精细调整是很困难的，因为污泥池内的几个因素可能会影响下游硝化作用，而且操作人员并不知道这些情况。

其次，John 发现进水处的铵值越高，使用参考抓取的样品来校准 ISE 传感器就越困难，因为可用的测试范围需要样品稀释才能得到数值。

对 ABAC有效的 ISE 传感器位置是曝气污泥池中部，特别是铵浓度每日在 1-5 mg/L NH 4-N 之间波动的区域。ISE 传感器在该位置表现出色，并通过实时铵测量提供数据来最佳优化曝气。在下午和晚上的负荷高峰时段，铵的测量值将上升到 4-5 mg/L NH 4-N，此时，鼓风机被提升更高，为需氧区提供更多空气。然后，过夜后，当负荷下降时，鼓风机输出降至zui低或都关闭，以进行更多的反硝化，从而更好地去除 TN 并节约能源（图2）。布罗克顿 AWRF 团队进行了大量工作，以确定放置传感器的正确位置，使用抓取样品和短期试验来找到zui有效的位置。John 还发现了硝化作用完成的季节差异。在夏季，因为硝化作用发生得更快，传感器可能需要放置更上游的区域，，但在较冷月份，传感器将被放置更下游的地方。然而，这种传感器放置的益处，证明了寻找适当位置的工作是合理的。来自铵 ISE 传感器的日负荷趋势提供了关于硝化速率和优化数据的有价值信息，以精细调整曝气输出。该位置允许合理的铵设定值，确保出水铵仍低于允许限值，并有足够的铵使传感器工作良好（高于 1 mg/L NH 4-N）。

（图2：放置硝化作用接近完成的位置（1-5 mg/L NH4-N）的铵传感器是控制曝气的最佳位置。）

结论

1、对于布罗克顿 AWRF 团队而言，最重要的决定因素之一是 WTW 在试验期间提供的专业知识和支持，协助调试每个污泥池，并定期跟进，确保系统良好运行。

2、WTW AmmoLyt（NH 4+）传感器提供的一列排放铵态氮的每日趋势。每台传感器均显示在白天中的高负荷期间的铵增加，随后显示在过夜后的铵减少。

3、WTW 传感器可靠、准确、易于维护。现场需要维护 50 多个 WTW 传感器，传感器可靠性是确保布罗克顿 AWRF 达到其处理目的重要因素。