在過(guò)去幾年，美國許多小型污水處理廠(chǎng)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(mǎn)足 NPDES(National Pollutant Discharge Elimination System)的要求。

原因何在？

原來(lái)，進(jìn)水強度不夠是美國小型污水廠(chǎng)進(jìn)行生物除磷的常見(jiàn)問(wèn)題。那是不是意味著(zhù)這些污水廠(chǎng)不能實(shí)現生物除磷呢？

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(jìn)水同樣可以實(shí)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(jiǎn)稱(chēng)CAU)。該團隊主要為當地污水廠(chǎng)提供現場(chǎng)“問(wèn)診”的服務(wù)。他已在這組里工作超過(guò)20年了，接觸過(guò)的污水廠(chǎng)規模從幾立方米到幾萬(wàn)立方米不等?？梢哉f(shuō)絕對是小型污水廠(chǎng)生物脫氮除磷方面的專(zhuān)家。

在本期的《水星專(zhuān)欄》，小編和大家一起看看這個(gè)老師如何幫助美國的中小型污水廠(chǎng)實(shí)現生物除磷。

低濃度進(jìn)水？沒(méi)問(wèn)題！

在小型無(wú)數廠(chǎng)中實(shí)現生物除磷的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是弱進(jìn)水(weak effluent)。傳統的生物脫氮除磷(BNR) 是將硝態(tài)氮轉化為氮氣，和將溶解性磷酸鹽變成沉淀物，這需要進(jìn)水中有充足的易降解的有機物。但實(shí)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(gè)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(jìn)行適當的調整了。

生物脫氮除磷通常由三個(gè)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(huì )造成厭氧區實(shí)際是缺氧區的情況。這就需要對溶解氧和硝態(tài)氮進(jìn)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(lái)，生化反應池的人為分區并不可靠。如果去現場(chǎng)進(jìn)行故障排查，他們首先會(huì )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(tài)氮和正磷酸鹽。使用便攜式的多參數光度計，在兩個(gè)小時(shí)內就能得到結果。更理想的情況是建立實(shí)時(shí)數據記錄監控系統，對每個(gè)反應區的情況進(jìn)行監測，特別是對污水廠(chǎng)無(wú)人值守的時(shí)段，例如半夜或者晝夜流量高峰的時(shí)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(xiàn)監控可以快速、持續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(jìn)行溯源，也便于運行人員對做出的調整的效果進(jìn)行客觀(guān)評估。在線(xiàn)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(guān)察變化的影響，為出水達標提供信息支持。

如果污水廠(chǎng)已經(jīng)裝有這樣的監測系統，BNR 系統最常見(jiàn)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(méi)有這樣的內置系統，補救措施將受到限制。

小廠(chǎng)案例

作者們介紹了俄亥俄州的兩個(gè)污水廠(chǎng)的案例，第一是Bradford村的污水廠(chǎng)。該污水廠(chǎng)出水總磷遇到了麻煩——在投產(chǎn)運行的前53個(gè)月里，只有9個(gè)月的總磷數據達標(＜1mg/L)。

Bradford污水廠(chǎng)采用氧化溝系統，包含兩個(gè)較小的串聯(lián)厭氧池、一個(gè)較大的缺氧池，以及一個(gè)氧化溝。氧化溝有兩個(gè)曝氣器(20馬力)，并配有變頻驅動(dòng)器 (VFD)。

該廠(chǎng)設計規模為1817m3/天，實(shí)際日平均流量卻高達2080m3/天，進(jìn)水的碳質(zhì)生化需氧量(cBOD5)平均值為95mg/L。如上圖所示，進(jìn)水(RAW)和回流污泥(RAS)先進(jìn)入厭氧池，再進(jìn)入缺氧池，硝態(tài)氮回流液會(huì )通過(guò)好氧池的末端進(jìn)入缺氧區，硝態(tài)氮在缺氧區進(jìn)行反硝化反應。這樣的設計有個(gè)優(yōu)點(diǎn)：便于調節曝氣控制和混合液循環(huán)控制。

CAU小組的初步調查結果顯示，實(shí)際上三個(gè)區的情況幾乎一樣——硝態(tài)氮濃度都在10-14mg/L之間。好氧區的氨氮低于檢測限，說(shuō)明硝化反應進(jìn)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(tài)氮過(guò)多。

持懷疑態(tài)度的主管

污水廠(chǎng)的主管Jay Roberts一開(kāi)始對Jon van Dommelen的到來(lái)持懷疑態(tài)度。后者在文中坦誠，Roberts先生和其他小廠(chǎng)的運行人員一樣，對BNR系統沒(méi)有足夠的認知，所以不可能進(jìn)行正確的工藝控制。除了出水之外，他們一般會(huì )測一下DO和污泥沉降性能。而實(shí)際上，廠(chǎng)里還有一些雜七雜八的事需要他們處理，所以他們也沒(méi)有時(shí)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(chǎng)的時(shí)候，Jay會(huì )全程跟隨，并且問(wèn)很多問(wèn)題?？梢钥闯鏊懿粴g迎我的到來(lái)，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(wèn)題的時(shí)候，他開(kāi)始打消對我的懷疑。此前他從未見(jiàn)過(guò)類(lèi)似的數據分析，但他也很快明白個(gè)中含義，并開(kāi)始好奇我將如何對癥下藥?！?/p>

很顯然，系統的問(wèn)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(gè)條件：

1，嚴格的厭氧環(huán)境，不能有氧氣和硝酸鹽，這樣才會(huì )發(fā)生釋磷反應

2，好氧環(huán)境里有足夠 DO 支持吸磷反應。

如果厭氧區有硝酸鹽，那實(shí)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(guò)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)閉部分好氧區的硝態(tài)氮回流門(mén)，減少硝態(tài)氮的內循環(huán)比率、這使各區的硝酸鹽濃度降到6mg/L左右。

雖然Bradford是個(gè)小廠(chǎng)，但在Jon van Dommelen看來(lái)該廠(chǎng)設備還是挺先進(jìn)的，例如他們可以對曝氣器的VFD進(jìn)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(guān)閉)。這樣做是為了在氧化溝的另一側形成可以進(jìn)行同步硝化-反硝化(SND)的條件，從而減少進(jìn)入缺氧區的硝酸鹽。

這個(gè)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(lái)的氨氮濃度有所上升，升至約0.3mg/L，但并未超標。這時(shí)候他們徹底關(guān)掉硝酸鹽內循環(huán)的閘門(mén)。

低DO運行進(jìn)一步降低了硝酸鹽的水平，但還有一個(gè)問(wèn)題要解決——進(jìn)水沒(méi)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(shí)需要想辦法創(chuàng )造一個(gè)混合液發(fā)酵的空間。缺氧區和厭氧區都有攪拌器，而且都裝有計時(shí)器。他們將運行時(shí)間設為“開(kāi)0.5小時(shí)/關(guān)3.5小時(shí)”的模式，目的是將兩個(gè)區變成一個(gè)大的發(fā)酵區。在攪拌器關(guān)閉的時(shí)段，反應池底部形成污泥沉降層。這里邊的硝酸鹽會(huì )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(huì )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(shí)候就見(jiàn)到成效——總磷已經(jīng)低于1mg/L了，而且這是在沒(méi)有使用鋁鹽進(jìn)行化學(xué)除磷取得的成效，這讓污水廠(chǎng)的主管十分信服。

改造成效

如今，Bradford污水廠(chǎng)用更低的運行成本，獲得了更好的出水水質(zhì)——在調整后的7個(gè)月里，出水總磷有6個(gè)月達標排放，不達標的那個(gè)月是因為進(jìn)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(chǎng)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(yíng)得污水廠(chǎng)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，他現在能夠獨立對系統進(jìn)行1-2次的氮磷濃度分析，如果出水TP接近1mg/L的臨界線(xiàn)，他會(huì )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(guò)其他出現類(lèi)型問(wèn)題的污水廠(chǎng)，大多數也是像Bradford這樣的小廠(chǎng)，而且也存在進(jìn)水的溶解性碳源補足的問(wèn)題。他的工作幫助這些廠(chǎng)原位改造，實(shí)現生物脫氮除磷。

大廠(chǎng)的改造

俄亥俄州的Niles污水廠(chǎng)是另一個(gè)案例，而且是個(gè)相對規模更大的污水廠(chǎng), 設計規模為28000m3/天。2017年，該廠(chǎng)進(jìn)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(chǎng)進(jìn)入為期一年的認證期，來(lái)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(gè)低于1mg/L。2020年2月底，污水廠(chǎng)的主管找到了Jon van Dommelen來(lái)幫忙。

在出發(fā)前，Jon van Dommelen先查看了污水廠(chǎng)的月報，了解進(jìn)水水質(zhì)。不出所料，進(jìn)水的cBOD5常<100mg/L(平均71.5mg/L)，沒(méi)有足夠的溶解性碳源進(jìn)行生物脫氮除磷。

在Niles污水廠(chǎng)，Jon van Dommelen幾乎就是重復了在Bradford做的措施。有趣的是，Niles污水廠(chǎng)反而沒(méi)有Bradford先進(jìn)——曝氣器沒(méi)有VFDs，攪拌器沒(méi)有計時(shí)器，幸好他們廠(chǎng)區24小時(shí)有人值班，所以主管讓值班操作工對攪拌器手動(dòng)進(jìn)行“開(kāi)0.5小時(shí)/關(guān)3.5小時(shí)“的模式。，

一周之后，俄亥俄州也開(kāi)始進(jìn)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(chǎng)，他們只能通過(guò)手機、郵件保持遠程溝通。

但Jon也不需要再去污水廠(chǎng)了——僅僅通過(guò)調整攪拌器運作模式，出水總磷就已經(jīng)得到控制，而且從2020年4月開(kāi)始就保持達標，和Bradford一樣，不需要添加化學(xué)劑。

值得一提的是，Niles污水廠(chǎng)的主管很快也給污水廠(chǎng)的攪拌器配上了計時(shí)器。

一招鮮吃遍天？

Jon van Dommelen先生的“開(kāi)0.5小時(shí)/關(guān)3.5小時(shí)”的攪拌模式，已在其他污水廠(chǎng)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(diǎn)(sweet spot)范圍其實(shí)很廣，無(wú)須死搬他的時(shí)間設置，但他的經(jīng)驗無(wú)疑是其他同行一個(gè)很好的參照起點(diǎn)。

最讓他自豪的，還是他不需要污水廠(chǎng)投入太多錢(qián)，就能實(shí)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(huà)說(shuō)WEFTEC這篇文章，之所以除了Jon van Dommelen，還有來(lái)自Black&Veatch的工程師，是因為Jon van Dommelen做的工作，其實(shí)就是在實(shí)踐Black&Veatch公司著(zhù)名的“BNR之父”James Barnard博士提出的側流增強生物除磷 (S2EBPR)工藝

關(guān)于這個(gè)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(xié)會(huì )舉行的一場(chǎng)線(xiàn)上研討會(huì )“Innovations in Carbon Storage and Optimization in Biological Processes”。據了解，美國堪薩斯州的一個(gè)污水廠(chǎng)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(shí)現的，而且已經(jīng)運行超過(guò)4年。

其實(shí)美國已經(jīng)有多家公司實(shí)踐S2EBPR技術(shù)，且都以類(lèi)似“花小錢(qián)辦大事”的形象突顯這個(gè)工藝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，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(shù)

我們總說(shuō)中國的城鎮污水廠(chǎng)也面臨著(zhù)進(jìn)水低碳氮比和嚴格出水標準（營(yíng)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？