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。

“我相信這個數字。當傳感器放置到保持傳感器靈敏位置時，它們非常準確！”

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YSI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。

一對一的試驗

在18個月的試驗中，Dave Norton將WTW的ISE傳感器進行了評估。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。該團隊希望將所有WTW傳感器用于其活性污泥工藝。

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它們的價值。即使水流均勻地流回污泥池，每個污泥池均有其環境，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。

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許多優點和缺點。由于幾個原因，活性污泥池的出水位置被證明效率低。從理論上講，這個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，而且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。

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，鼓風機輸出降至仰低點或關閉，以進行更多的反硝化，從而更好地去除TN并節約能源（如下圖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）。

結論

因其性能及易用性，布羅克頓AWRF選擇WTW傳感器。優化期間，John Downey在WTW專家的指導下維護了傳感器，了解了ISE傳感器獲得可靠數據的要求。當被問及對傳感器的印象時，John表示：“我相信這個數字。當傳感器放置在傳感器保持靈敏位置時，傳它們會非常精確！”John也喜歡維護傳感器的簡單性。WTW的銨ISE傳感器有空氣清潔壓縮機，使電極保持無固體附著，每隔幾個月，當傳感器偏離驗證測量值時，John還會執行一次基質調整（通過匹配實驗室樣品進行校準），這就像輸入傳感器測量值去匹配實驗室編號一樣簡單。最后，更換電極很容易，使用所提供的工具將電極擰入傳感器即可。