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。
“我相信这个数字。当传感器放置到保持传感器灵敏位置时，它们非常准确！”
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YSI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。
一对一的试验
在18个月的试验中，Dave Norton将WTW的ISE传感器进行了评估。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。该团队希望将所有WTW传感器用于其活性污泥工艺。
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它们的价值。即使水流均匀地流回污泥池，每个污泥池均有其环境，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。
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许多优点和缺点。由于几个原因，活性污泥池的出水位置被证明效率低。从理论上讲，这个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，而且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。
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，鼓风机输出降至仰低点或关闭，以进行更多的反硝化，从而更好地去除TN并节约能源（如下图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）。
结论
因其性能及易用性，布罗克顿AWRF选择WTW传感器。优化期间，John Downey在WTW专家的指导下维护了传感器，了解了ISE传感器获得可靠数据的要求。当被问及对传感器的印象时，John表示：“我相信这个数字。当传感器放置在传感器保持灵敏位置时，传它们会非常精确！”John也喜欢维护传感器的简单性。WTW的铵ISE传感器有空气清洁压缩机，使电极保持无固体附着，每隔几个月，当传感器偏离验证测量值时，John还会执行一次基质调整（通过匹配实验室样品进行校准），这就像输入传感器测量值去匹配实验室编号一样简单。最后，更换电极很容易，使用所提供的工具将电极拧入传感器即可。
