水质中基于铵离子的控制

废水氨基曝气控制
基于离子选择电极 (ISE) 技术的简单、可靠且经济实惠的原位传感器的引入为更先进的活性污泥控制策略提供了机会。例如，除溶解氧 (DO) 之外或代替溶解氧 (DO)，使用氨作为响应变量的曝气控制。许多水资源回收设施已经实施了基于铵的曝气控制。还有更多人想知道这是否适合他们。简单的答案是，基于铵测量的曝气自动化对许多设施都是有益的。然而，适用于特定设施的控制策略取决于具体因素，包括系统配置、性能要求（排放限制）和废水特性。
 
在这里，我们确定了几种控制策略。所描述的方法提供了提高处理性能、降低运营成本的潜力，在某些情况下，甚至可以从营养信用中产生收入。公用事业公司已经根据反馈和前馈策略实施了基于铵的曝气控制。反馈控制基于响应的测量，而前馈控制基于扰动的测量。反馈控制在水行业中更为常见，但在废水处理等高度动态的系统中可能存在局限性。前馈控制具有更大的复杂性，但提供了以最低的能源成本实现最佳出水质量的潜力。最简单的方法是根据铵测量的反馈直接控制曝气。在这种方法中，曝气率直接根据在线铵测量值进行控制。宾夕法尼亚州怀俄明河谷卫生局 (WVSA) 使用在线铵 ISE 测量来确保硝化作用完成并最大限度地去除氮气。 使用铵盐直接控制的缺点是无法控制 DO 浓度。未能同时优化 DO 会导致效率低下，因为 DO 比氨变化更快，因此可能上升或下降到不希望的水平。硝化速率随 DO 浓度成比例增加，最高可达约 1.5 至 2.0 mg DO/L。然而，当 DO 超过 2.0 mg/L 时，硝化速率仅略有增加（见图 1）。此外，高于所需的溶解氧不利于反硝化。因此，如果 DO 没有优化，硝化能力就会受到限制，或者反硝化能力也会受到限制，从而造成能源浪费。硝化作用和溶解氧浓度都在级联控制安排中得到优化。铵控制器将测量的铵与铵设定值进行比较，并计算转发给 DO 控制器的 DO 设定值。DO 控制器将测得的 DO 浓度与计算出的设定值进行比较，并计算出所需的气流，并将其转发给气流控制器。铵传感器的正确位置为活塞流 (PF) 反应器带来了额外的复杂性。在CM 配置中，传感器位置有些无关紧要，因为整个反应器中的浓度相同。前馈曝气控制基于上游氨浓度。需要一个模型来根据上游测量预测所需的曝气率。在最极端的情况下，这将包括计算进水铵浓度和废水流量的负荷。更简单的版本将包括测量生物反应器上游部分的铵浓度和控制下游曝气速率。
 
一种特殊的控制策略基于单程曝气池头部的铵测量值的鼓风机输出。高于设定点浓度时，鼓风机输出与铵浓度成正比。否则，鼓风机保持最小气流以维持混合。气流密切跟随上游铵浓度，并且 DO 浓度大部分时间保持在 2.0 mg/L 附近。该策略实现了最低的单位气流需求，比 DO 反馈控制低 11%，实现了减少能源使用的主要目标。前馈控制的既定优势是系统对干扰的反应更快，消除了短期流出物峰值并允许更平稳的控制。事实上，预测的好坏取决于它们所基于的模型，而模型并不完美。因此，还建议使用流出铵传感器的反馈来纠正模型中的错误。一些人指出，在大多数情况下，前馈曝气控制的好处并不比反馈控制提供实质性好处，因此额外的成本和复杂性是不合理的。然而，在峰值负载很大和/或很快并且流出物限制非常严格的情况下，前馈控制可能会提供一种实用的解决方案。无论如何，在线监测废水铵和 COD 将提供非常有用的废水动态信息，无论信息是否直接输入控制回路，这些信息都可以改善处理。