小錢辦大事！進水BOD71mg/L也能生物脫氮除磷？
在過去幾年，美國許多小型污水處理廠都積極向生物脫氮除磷工藝升級轉(zhuǎn)型。然而，新系統(tǒng)的出水常常不如預(yù)期，甚至不能滿足 NPDES(National Pollutant Discharge Elimination System)的要求。
原因何在？
原來，進水強度不夠是美國小型污水廠進行生物除磷的常見問題。那是不是意味著這些污水廠不能實現(xiàn)生物除磷呢？
俄亥俄州環(huán)保署(Ohio EPA)的Jon van Dommelen并不這么認為。2021年6月，他和Black&Veatch的工藝工程師Rob Smith，聯(lián)名在WEFTEC的雜志《Water Environment & Technology (WE&T)》上發(fā)表了一篇題為《Weak-In Worked Out》。顧名思義，就是低濃度進水同樣可以實現(xiàn)生物除磷。
Jon van Dommelen目前任職于Ohio EPA的合規(guī)援助單元(Compliance Assistance Unit，簡稱CAU)。該團隊主要為當?shù)匚鬯畯S提供現(xiàn)場“問診”的服務(wù)。他已在這組里工作超過20年了，接觸過的污水廠規(guī)模從幾立方米到幾萬立方米不等?？梢哉f絕對是小型污水廠生物脫氮除磷方面的專家。
在本期的《水星專欄》，小編和大家一起看看這個老師如何幫助美國的中小型污水廠實現(xiàn)生物除磷。
低濃度進水？沒問題！
在小型無數(shù)廠中實現(xiàn)生物除磷的一個常見問題是弱進水(weak effluent)。傳統(tǒng)的生物脫氮除磷(BNR) 是將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮氣，和將溶解性磷酸鹽變成沉淀物，這需要進水中有充足的易降解的有機物。但實際上很多廢水的碳不足以完成這些生化反應(yīng)。怎樣才能克服這個難題，避免出水不達標呢？這就需要高效的工藝控制，對反應(yīng)池條件進行適當?shù)恼{(diào)整了。
生物脫氮除磷通常由三個區(qū)組成，包括了厭氧、缺氧和好氧區(qū)。如果工藝控制不到位，可能會造成厭氧區(qū)實際是缺氧區(qū)的情況。這就需要對溶解氧和硝態(tài)氮進行監(jiān)測，除此以外，還可以測量正磷酸鹽濃度和氧化還原電位等參數(shù)。
系統(tǒng)診斷
在工藝工程師看來，生化反應(yīng)池的人為分區(qū)并不可靠。如果去現(xiàn)場進行故障排查，他們首先會做的事情就是親自鑒定各分區(qū)的生化情況，采樣(grab samples)參數(shù)包括氨氮、硝態(tài)氮和正磷酸鹽。使用便攜式的多參數(shù)光度計，在兩個小時內(nèi)就能得到結(jié)果。更理想的情況是建立實時數(shù)據(jù)記錄監(jiān)控系統(tǒng)，對每個反應(yīng)區(qū)的情況進行監(jiān)測，特別是對污水廠無人值守的時段，例如半夜或者晝夜流量高峰的時段。
監(jiān)測系統(tǒng)通常包括三套傳感器，缺氧、厭氧和好氧區(qū)分別安放一套，每套都包含銨離子、硝酸鹽和溶解氧的測量。在線監(jiān)控可以快速、持續(xù)地顯示或分析任何變化產(chǎn)生的影響，這不僅便于在事故發(fā)生后進行溯源，也便于運行人員對做出的調(diào)整的效果進行客觀評估。在線監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以大大加快故障排除的速度，還使運行人員能夠直接觀察變化的影響，為出水達標提供信息支持。
如果污水廠已經(jīng)裝有這樣的監(jiān)測系統(tǒng)，BNR 系統(tǒng)最常見的工藝控制響應(yīng)措施包括對曝氣、剩余污泥和混合液回流比的調(diào)整。如果沒有這樣的內(nèi)置系統(tǒng)，補救措施將受到限制。
小廠案例
作者們介紹了俄亥俄州的兩個污水廠的案例，第一是Bradford村的污水廠。該污水廠出水總磷遇到了麻煩——在投產(chǎn)運行的前53個月里，只有9個月的總磷數(shù)據(jù)達標(＜1mg/L)。
Bradford污水廠采用氧化溝系統(tǒng)，包含兩個較小的串聯(lián)厭氧池、一個較大的缺氧池，以及一個氧化溝。氧化溝有兩個曝氣器(20馬力)，并配有變頻驅(qū)動器 (VFD)。
該廠設(shè)計規(guī)模為1817m3/天，實際日平均流量卻高達2080m3/天，進水的碳質(zhì)生化需氧量(cBOD5)平均值為95mg/L。如上圖所示，進水(RAW)和回流污泥(RAS)先進入?yún)捬醭兀龠M入缺氧池，硝態(tài)氮回流液會通過好氧池的末端進入缺氧區(qū)，硝態(tài)氮在缺氧區(qū)進行反硝化反應(yīng)。這樣的設(shè)計有個優(yōu)點：便于調(diào)節(jié)曝氣控制和混合液循環(huán)控制。
CAU小組的初步調(diào)查結(jié)果顯示，實際上三個區(qū)的情況幾乎一樣——硝態(tài)氮濃度都在10-14mg/L之間。好氧區(qū)的氨氮低于檢測限，說明硝化反應(yīng)進行得很徹底，但反硝化反應(yīng)顯然不理想，原因可能是碳源不足或者硝態(tài)氮過多。
持懷疑態(tài)度的主管
污水廠的主管Jay Roberts一開始對Jon van Dommelen的到來持懷疑態(tài)度。后者在文中坦誠，Roberts先生和其他小廠的運行人員一樣，對BNR系統(tǒng)沒有足夠的認知，所以不可能進行正確的工藝控制。除了出水之外，他們一般會測一下DO和污泥沉降性能。而實際上，廠里還有一些雜七雜八的事需要他們處理，所以他們也沒有時間做那些更高級的工藝控制測試了。
Jon van Dommelen回憶道：“我剛?cè)ニ麄儚S的時候，Jay會全程跟隨，并且問很多問題。可以看出他很不歡迎我的到來，尤其是第一次。但當我得到數(shù)據(jù)，并向他解釋我從數(shù)據(jù)里看出的問題的時候，他開始打消對我的懷疑。此前他從未見過類似的數(shù)據(jù)分析，但他也很快明白個中含義，并開始好奇我將如何對癥下藥。”
很顯然，系統(tǒng)的問題就是到處都是硝態(tài)氮，這對生物除磷造成了影響，因為后者需要兩個條件：
1，嚴格的厭氧環(huán)境，不能有氧氣和硝酸鹽，這樣才會發(fā)生釋磷反應(yīng)
2，好氧環(huán)境里有足夠 DO 支持吸磷反應(yīng)。
如果厭氧區(qū)有硝酸鹽，那實際上它就不是厭氧環(huán)境了。在降低硝酸鹽濃度之前，僅通過生物手段是不可能使出水總磷達標排放的。
解決方案
他們做的第一件事就是關(guān)閉部分好氧區(qū)的硝態(tài)氮回流門，減少硝態(tài)氮的內(nèi)循環(huán)比率、這使各區(qū)的硝酸鹽濃度降到6mg/L左右。
雖然Bradford是個小廠，但在Jon van Dommelen看來該廠設(shè)備還是挺先進的，例如他們可以對曝氣器的VFD進行調(diào)節(jié)，氧化溝上游的曝氣器的VFD從55 Hz 到 38 Hz(下游的VFD此前已關(guān)閉)。這樣做是為了在氧化溝的另一側(cè)形成可以進行同步硝化-反硝化(SND)的條件，從而減少進入缺氧區(qū)的硝酸鹽。
這個調(diào)整使好氧區(qū)的DO降至低于0.30mg/L，但足以維持硝化反應(yīng)，雖然好氧區(qū)出來的氨氮濃度有所上升，升至約0.3mg/L，但并未超標。這時候他們徹底關(guān)掉硝酸鹽內(nèi)循環(huán)的閘門。
低DO運行進一步降低了硝酸鹽的水平，但還有一個問題要解決——進水沒有足夠的溶解性碳源支持回流污泥的反硝化和釋磷反應(yīng)。
此時需要想辦法創(chuàng)造一個混合液發(fā)酵的空間。缺氧區(qū)和厭氧區(qū)都有攪拌器，而且都裝有計時器。他們將運行時間設(shè)為“開0.5小時/關(guān)3.5小時”的模式，目的是將兩個區(qū)變成一個大的發(fā)酵區(qū)。在攪拌器關(guān)閉的時段，反應(yīng)池底部形成污泥沉降層。這里邊的硝酸鹽會反硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氮氣。硝酸鹽被消耗光之后，有些細菌細胞會溶解，釋出溶解性的碳，促使聚磷菌(PAOs)釋放磷酸鹽。
新的工藝策略在當月第二次采樣的時候就見到成效——總磷已經(jīng)低于1mg/L了，而且這是在沒有使用鋁鹽進行化學除磷取得的成效，這讓污水廠的主管十分信服。
改造成效
如今，Bradford污水廠用更低的運行成本，獲得了更好的出水水質(zhì)——在調(diào)整后的7個月里，出水總磷有6個月達標排放，不達標的那個月是因為進水量存在異常(超出設(shè)計規(guī)模的一倍)。出水的硝酸鹽濃度也有所下降，而生物除磷則使污水廠每月節(jié)省約1000美元的明礬(alum)的使用量，曝氣能耗有所減少。
贏得污水廠主管的信任是解決方案的關(guān)鍵任務(wù)之一，畢竟他決定了改造最終成功與否。
Jay本人也很快就上手，他現(xiàn)在能夠獨立對系統(tǒng)進行1-2次的氮磷濃度分析，如果出水TP接近1mg/L的臨界線，他會適當增加采樣頻次。
Jon van Dommelen表示，在做完Bradford的項目后，他還去過其他出現(xiàn)類型問題的污水廠，大多數(shù)也是像Bradford這樣的小廠，而且也存在進水的溶解性碳源補足的問題。他的工作幫助這些廠原位改造，實現(xiàn)生物脫氮除磷。
大廠的改造
俄亥俄州的Niles污水廠是另一個案例，而且是個相對規(guī)模更大的污水廠, 設(shè)計規(guī)模為28000m3/天。2017年，該廠進行擴建，從原有的氧化溝改造成帶有外置沉淀池的三區(qū)BNR系統(tǒng)。
工程于2019年完工后，污水廠進入為期一年的認證期，來證明新系統(tǒng)按能達標排放。然而新系統(tǒng)運行效果不如預(yù)期——49次出水總磷采樣只有13個低于1mg/L。2020年2月底，污水廠的主管找到了Jon van Dommelen來幫忙。
在出發(fā)前，Jon van Dommelen先查看了污水廠的月報，了解進水水質(zhì)。不出所料，進水的cBOD5常<100mg/L(平均71.5mg/L)，沒有足夠的溶解性碳源進行生物脫氮除磷。
在Niles污水廠，Jon van Dommelen幾乎就是重復(fù)了在Bradford做的措施。有趣的是，Niles污水廠反而沒有Bradford先進——曝氣器沒有VFDs，攪拌器沒有計時器，幸好他們廠區(qū)24小時有人值班，所以主管讓值班操作工對攪拌器手動進行“開0.5小時/關(guān)3.5小時“的模式。，
一周之后，俄亥俄州也開始進入新冠防疫狀態(tài)，環(huán)保署要求員工居家工作，因此Jon van Dommelen不能再去污水廠，他們只能通過手機、郵件保持遠程溝通。
但Jon也不需要再去污水廠了——僅僅通過調(diào)整攪拌器運作模式，出水總磷就已經(jīng)得到控制，而且從2020年4月開始就保持達標，和Bradford一樣，不需要添加化學劑。
值得一提的是，Niles污水廠的主管很快也給污水廠的攪拌器配上了計時器。
一招鮮吃遍天？
Jon van Dommelen先生的“開0.5小時/關(guān)3.5小時”的攪拌模式，已在其他污水廠得到充分驗證，可謂“一招鮮吃遍天”。他認為混合液的發(fā)酵甜點(sweet spot)范圍其實很廣，無須死搬他的時間設(shè)置，但他的經(jīng)驗無疑是其他同行一個很好的參照起點。
最讓他自豪的，還是他不需要污水廠投入太多錢，就能實現(xiàn)所謂高大上的“工藝控制系統(tǒng)”。下圖是他的常備工具：
1) 多參數(shù)色度計
2) 溶解氧計
3) 堿度測試套件
4) 污水離心機
5) 沉降計
6) 取樣器
S2EBPR
話說WEFTEC這篇文章，之所以除了Jon van Dommelen，還有來自Black&Veatch的工程師，是因為Jon van Dommelen做的工作，其實就是在實踐Black&Veatch公司著名的“BNR之父”James Barnard博士提出的側(cè)流增強生物除磷 (S2EBPR)工藝
關(guān)于這個工藝的更多細節(jié)，小編強烈推薦各位讀者回看今年1月國際水協(xié)會舉行的一場線上研討會“Innovations in Carbon Storage and Optimization in Biological Processes”。據(jù)了解，美國堪薩斯州的一個污水廠采用此工藝后，出水總磷可以低至0.1-0.20mg/L(中國一級A標準為0.5mg/L)，也是在不加鐵鹽或外加碳源下實現(xiàn)的，而且已經(jīng)運行超過4年。
其實美國已經(jīng)有多家公司實踐S2EBPR技術(shù)，且都以類似“花小錢辦大事”的形象突顯這個工藝技術(shù)的優(yōu)點，例如Brown & Caldwell公司甚至在這基礎(chǔ)上推出了低C/N比的好氧顆粒污泥強化脫氮除磷技術(shù)
我們總說中國的城鎮(zhèn)污水廠也面臨著進水低碳氮比和嚴格出水標準（營養(yǎng)物）的雙重壓力，同行們是不是應(yīng)該好好研究一下這套系統(tǒng)在國內(nèi)的可行性？
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