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型。然而，新系統的出水常常不如預期，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生物除磷呢？
俄亥俄州環保署(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，聯名在WEFTEC的雜志《Water Environment & Technology (WE&T)》上發表了一篇題為《Weak-In Worked Out》。顧名思義，就是低濃度進水同樣可以實現生物除磷。
Jon van Dommelen目前任職于Ohio EPA的合規援助單元(Compliance Assistance Unit，簡稱CAU)。該團隊主要為當地污水廠提供現場“問診”的服務。他已在這組里工作超過20年了，接觸過的污水廠規模從幾立方米到幾萬立方米不等。可以說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生物除磷。
低濃度進水？沒問題！
在小型無數廠中實現生物除磷的一個常見問題是弱進水(weak effluent)。傳統的生物脫氮除磷(BNR) 是將硝態氮轉化為氮氣，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。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，對反應池條件進行適當的調整了。
生物脫氮除磷通常由三個區組成，包括了厭氧、缺氧和好氧區。如果工藝控制不到位，可能會造成厭氧區實際是缺氧區的情況。這就需要對溶解氧和硝態氮進行監測，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。
系統診斷
在工藝工程師看來，生化反應池的人為分區并不可靠。如果去現場進行故障排查，他們首先會做的事情就是親自鑒定各分區的生化情況，采樣(grab samples)參數包括氨氮、硝態氮和正磷酸鹽。使用便攜式的多參數光度計，在兩個小時內就能得到結果。更理想的情況是建立實時數據記錄監控系統，對每個反應區的情況進行監測，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。
監測系統通常包括三套傳感器，缺氧、厭氧和好氧區分別安放一套，每套都包含銨離子、硝酸鹽和溶解氧的測量。在線監控可以快速、持續地顯示或分析任何變化產生的影響，這不僅便于在事故發生后進行溯源，也便于運行人員對做出的調整的效果進行客觀評估。在線監測系統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。
如果污水廠已經裝有這樣的監測系統，BNR 系統最常見的工藝控制響應措施包括對曝氣、剩余污泥和混合液回流比的調整。如果沒有這樣的內置系統，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——在投產運行的前53個月里，只有9個月的總磷數據達標(＜1mg/L)。
Bradford污水廠采用氧化溝系統，包含兩個較小的串聯厭氧池、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)，并配有變頻驅動器 (VFD)。
該廠設計規模為1817m3/天，實際日平均流量卻高達2080m3/天，進水的碳質生化需氧量(cBOD5)平均值為95mg/L。如上圖所示，進水(RAW)和回流污泥(RAS)先進入厭氧池，再進入缺氧池，硝態氮回流液會通過好氧池的末端進入缺氧區，硝態氮在缺氧區進行反硝化反應。這樣的設計有個優點：便于調節曝氣控制和混合液循環控制。
CAU小組的初步調查結果顯示，實際上三個區的情況幾乎一樣——硝態氮濃度都在10-14mg/L之間。好氧區的氨氮低于檢測限，說明硝化反應進行得很徹底，但反硝化反應顯然不理想，原因可能是碳源不足或者硝態氮過多。
持懷疑態度的主管
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：“我剛去他們廠的時候，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。但當我得到數據，并向他解釋我從數據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據分析，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，系統的問題就是到處都是硝態氮，這對生物除磷造成了影響，因為后者需要兩個條件：
1，嚴格的厭氧環境，不能有氧氣和硝酸鹽，這樣才會發生釋磷反應
2，好氧環境里有足夠 DO 支持吸磷反應。
如果厭氧區有硝酸鹽，那實際上它就不是厭氧環境了。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閉部分好氧區的硝態氮回流門，減少硝態氮的內循環比率、這使各區的硝酸鹽濃度降到6mg/L左右。
雖然Bradford是個小廠，但在Jon van Dommelen看來該廠設備還是挺先進的，例如他們可以對曝氣器的VFD進行調節，氧化溝上游的曝氣器的VFD從55 Hz 到 38 Hz(下游的VFD此前已關閉)。這樣做是為了在氧化溝的另一側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的硝酸鹽。
這個調整使好氧區的DO降至低于0.30mg/L，但足以維持硝化反應，雖然好氧區出來的氨氮濃度有所上升，升至約0.3mg/L，但并未超標。這時候他們徹底關掉硝酸鹽內循環的閘門。
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。
此時需要想辦法創造一個混合液發酵的空間。缺氧區和厭氧區都有攪拌器，而且都裝有計時器。他們將運行時間設為“開0.5小時/關3.5小時”的模式，目的是將兩個區變成一個大的發酵區。在攪拌器關閉的時段，反應池底部形成污泥沉降層。這里邊的硝酸鹽會反硝化反應轉化成氮氣。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——在調整后的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(超出設計規模的一倍)。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鍵任務之一，畢竟他決定了改造最終成功與否。
Jay本人也很快就上手，他現在能夠獨立對系統進行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，他還去過其他出現類型問題的污水廠，大多數也是像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，而且是個相對規模更大的污水廠, 設計規模為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BNR系統。
工程于2019年完工后，污水廠進入為期一年的認證期，來證明新系統按能達標排放。然而新系統運行效果不如預期——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。
在出發前，Jon van Dommelen先查看了污水廠的月報，了解進水水質。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，環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——僅僅通過調整攪拌器運作模式，出水總磷就已經得到控制，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”。他認為混合液的發酵甜點(sweet spot)范圍其實很廣，無須死搬他的時間設置，但他的經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，就能實現所謂高大上的“工藝控制系統”。下圖是他的常備工具：
1) 多參數色度計
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博士提出的側流增強生物除磷 (S2EBPR)工藝
關于這個工藝的更多細節，小編強烈推薦各位讀者回看今年1月國際水協會舉行的一場線上研討會“Innovations in Carbon Storage and Optimization in Biological Processes”。據了解，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的，而且已經運行超過4年。
其實美國已經有多家公司實踐S2EBPR技術，且都以類似“花小錢辦大事”的形象突顯這個工藝技術的優點，例如Brown & Caldwell公司甚至在這基礎上推出了低C/N比的好氧顆粒污泥強化脫氮除磷技術
我們總說中國的城鎮污水廠也面臨著進水低碳氮比和嚴格出水標準（營養物）的雙重壓力，同行們是不是應該好好研究一下這套系統在國內的可行性？
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