<0.3mg/L！這污水廠靠調低溶解氧 就獲得WEFTEC 2022大獎？
今年八月底，美國的水環境聯合會(Water Environment Federation)公布了今年運行設計杰出獎的獲獎名單，一共有三個獲獎項目。
水資源回收工廠案例
Seneca水資源回收工廠(WRRF)由華盛頓郊區衛生委員會水務部(WSSC Water)公司運營。WSSC Water成立于 1918 年，是目前美國最大的供水和污水處理公司之一，服務人口超過190 萬。WSSC Water運營著6個水資源回收工廠，日處理總量約43萬m3，而其兩個飲用水廠每天可生產約75萬m3的飲用水。
雖然Seneca WRRF長期都滿足或優于嚴格的出水標準( TN<4 mg/L, TP<0.27 mg/L)，但背后也付出了大量能量和化學品消耗的代價。
傳統的生物脫氮除磷污水廠(BNR污水廠)處理效率低下的一大原因是設計理念僵化，沒有因地制宜，僅憑過往經驗進行基本調整，缺乏對不同氧化還原條件下的碳轉化過程的了解，而且大多污水廠運行人員對生物除磷知之甚少。為了能采用更低耗環保的工藝，并且應對日后可能更嚴格的出水要求，WSSC Water和美國水研究基金會(Water Research Foundation - WRF)合作，成了專門的合作示范項目，探索對現有BNR污水廠進行原位效率提升的可行性。他們還找來了Brown and Caldwell(工程咨詢公司)和西北大學(Northwestern University)共同參與此項目。
污水廠概況
Seneca水資源回收工廠位于華盛頓西北邊的郊區，日處理能力約為11萬m3。污水廠采用5段式的Bardenpho工藝 ，再通過二沉池和濾池滿足嚴格的氮磷出水要求。
污水廠有五條平行處理線。2021年春天，項目團隊將其中一條處理線用來進行測試，并對做出以下改動：
1) 內部混合液循環 (IMLR) 將進水流量從400%降至200%
2) 安裝基于氨氮的曝氣控制系統 (ABAC) ，對所有曝氣區的溶解氧 (DO)進行控制，包括后曝氣。好氧區末端的氨設定點為 1.5 mg/L；最小DO為 0.2，最大DO值1.5 mg/L
3) 停止后缺氧區的甲醇投加
4) 將后缺氧區體積從17%減至9%
項目目標
1) 盡可能地利用進水中的碳來脫氮除磷，并減少曝氣量
2) 將生物除磷和同步硝化反硝化(SND)相結合，以實現高效的完全生物脫氮除磷
3) 運用部分反硝化+厭氧氨氧化(PdNA)進一步降低出水的氮濃度
值得一提的是，Brown and Caldwell公司的工程師們也坦承，污水廠沒有初沉池，而測試處理線也沒有專用的二沉池，所以其他四條線的運行條件發生改變的話，微生物的變化情況會影響到測試線，反之亦然。雖然他們知道這會導致實驗設計缺乏絕對嚴謹性，但受限于實際條件也只能接受。
他們的實驗計劃包括：
- 每周采集兩個樣品（含上/下午），分析指標包含進水和出水的氨氨、有機磷、硝氮和亞硝氮；
- 序批式測試確定單位反硝化率（無外加碳源），采樣點位于曝氣區末端、后缺氧區前；
- 監測測試處理線和其余處理線的曝氣速率；
- 收集DNA樣本進行微生物種群分析；
- 收集聚羥基鏈烷酸酯(PHA)樣品來了解后缺氧區的反硝化的碳轉化過程。
項目結果
結果顯示，即使沒有投加碳源，測試線出水的氨氮均值仍小于0.2mg/L，TIN為1.9mg/L，正磷酸鹽小于0.2mg/L(但在進二沉池前，他們仍會投加少量硫酸鋁對磷酸作進一步去除)。
他們認為同步硝化反硝化以及后缺氧區的反硝化是測試處理線的脫氮率進一步改善的關鍵。這得益于低DO的運行條件，這也確保了聚磷菌良好的吸磷效率，所以出水磷濃度很低。
通過基于氨氮的曝氣控制(ABAC)，DO可以維持在0.3mg/L左右的水平，這也大大節省了曝氣成本。與其他處理線相比(DO約為1.5mg/L)，測試線的曝氣量減少30%。
與其他處理線相比(需要碳源)，測試線在后缺氧區通過反硝化作用去除超過4 mg/L的氮，出水硝氮的濃度和其他處理線相當。單位反硝化速率 (SDNR) 測試顯示，低 DO 條件對反硝化率的貢獻高于因內源呼吸產生的反硝化反應。這說明，后置反硝化很可能是依靠進水的內在碳源驅動的。
總之，他們對這個出水效果已相當滿意，足以讓WSSC Water其他5個污水廠進行效仿。
厭氧氨氧化潛力
此外，示范項目還正在考察厭氧氨氧化對進一步降低出水總氮的可行性。
因為部分反硝化會導致亞硝氮的積累，而由于后缺氧區的水力停留時間(HRT)較短，這可能會加劇亞硝氮的積累。數據顯示這部分的亞硝氮濃度約為0.8mgN/L。他們認為如果能發揮厭氧氨氧化的作用，也許能解決這個問題。如下圖所示，他們在前置厭氧區、好氧區末端和后缺氧區都安置了裝有anammox填料的箱子，來考察anammox的活性。
他們將通過這些填料盒，考察好氧段末端由內碳源產生的亞硝氮能否用于厭氧氨氧化反應，并通過16S rRNA基因測序進行微生物群落分析。可惜小編目前暫時沒法找到關于這部分測試結果的公開信息。
小結及展望
總的來說，基于氨氮的曝氣控制(ABAC)貌似非常有吸引力，對于已裝有傳感器的污水廠，只需要一周的時間就能實施應用，員工不難上手。而且改造效果也很顯著，例如低溶解氧條件(<0.3mg/L)可節省約30%的曝氣能耗，還帶來良好的生物脫氮除磷效果——在沒有外加碳源的條件下，出水的TIN和正磷酸鹽(OP)分別＜2mg/L和0.2mg/L。據估算，Seneca水資源回收工廠的5條平行處理線如果都完成升級改造，可為污水廠每年節省575000美元的費用。WSSC Water已經計劃將此技術應用到另外5座WRRF中，這最終將對切薩皮克灣環境保護做出重要貢獻。
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