2020年美國(guó)水環(huán)境聯(lián)盟(WEF)將當(dāng)年的杰出項(xiàng)目獎(jiǎng)(ProjectExcellenceAward)頒給了科羅拉多Pueblo城污水處理廠。獲獎(jiǎng)理由是它用既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又可持續(xù)發(fā)展的方式完成升級(jí)改造，以應(yīng)對(duì)科羅拉多州更嚴(yán)格的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。所謂的又便宜又好的方法是他們利用一套自控系統(tǒng)在傳統(tǒng)的活性污泥工藝系統(tǒng)里養(yǎng)出了好氧顆粒污泥。近日，相關(guān)團(tuán)隊(duì)將項(xiàng)目成果發(fā)表于IWA期刊《WaterResearch》。

圖.JD再生水廠鳥瞰圖|圖源：BrownandCaldwell

JD再生水廠概況

Pueblo是科羅拉多州下屬的一個(gè)城市，人口約10萬。當(dāng)?shù)匚ㄒ坏某鞘形鬯�處理廠叫JamesR.DilorioWaterReclamationFacility(本文簡(jiǎn)稱JD再生水廠)，設(shè)計(jì)規(guī)模約60000m³/天，實(shí)際處理量約35000m³/天。這個(gè)污水廠有兩條平行處理線，采用Johannesburg工藝（因由南非約翰內(nèi)斯堡大學(xué)創(chuàng)立，簡(jiǎn)稱JHB工藝）。JHB工藝是針對(duì)碳源不足而提出的改良A2/O工藝——二沉池出來的回流污泥先經(jīng)過預(yù)缺氧池進(jìn)行去氧(deoxygenation)和反硝化，并且和初沉池出水混合，隨后進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)進(jìn)行生物除磷，然后再進(jìn)入一個(gè)缺氧池進(jìn)行反硝化。缺氧區(qū)和好氧區(qū)有一個(gè)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，為反硝化提供硝氮。該廠在改造前已經(jīng)是一個(gè)再生水廠，出水經(jīng)過UV消毒后排入阿肯薩斯河，并有污泥厭氧消化處理，污泥經(jīng)處理后可做農(nóng)用。

圖.JD再生水廠的工藝流程簡(jiǎn)圖：該廠JHB工藝段總SRT為10-12天，其中好氧SRT為7-8天。厭氧區(qū)占約14%，缺氧區(qū)占18%|圖源：ScienceDirect

更嚴(yán)的出水標(biāo)準(zhǔn)

為了減少州內(nèi)湖泊、河流和溪流的藻華問題，科羅拉多州于2012年出臺(tái)了新的點(diǎn)源營(yíng)養(yǎng)物排放標(biāo)準(zhǔn)，并分兩個(gè)階段完成：在第一階段設(shè)定了一個(gè)需要近期達(dá)到的水平(出水總氮年均<15mg/L，總磷年均<1mg/L)，然后在2027年會(huì)有一個(gè)更低的標(biāo)準(zhǔn)(出水總氮年均<2.01mg/L，總磷年均<0.17mg/L）。JD再生水廠需要在2021年4月前完成第一階段的要求，而且如果水廠能越早完成第一階段的目標(biāo)，可以獲得更長(zhǎng)的時(shí)間豁免來實(shí)現(xiàn)第二階段的目標(biāo)

圖.科羅拉多已有污水廠和新廠目前要執(zhí)行的氮磷出水標(biāo)準(zhǔn)|圖源：USEPA

解決方案

滿足新的出水標(biāo)準(zhǔn)并不困難，但如果常規(guī)的升級(jí)手段，需要購(gòu)置大量設(shè)備/設(shè)施，成本可能在2500-3000萬美元。這對(duì)Pueblo的水務(wù)部門來說太貴了，畢竟Pueblo城有超過1/4的市民生活在聯(lián)邦貧困線下，因此他們希望有更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的選擇。

面對(duì)這個(gè)新的挑戰(zhàn)，JD再生水廠征集到了9種不同的方案，最后BrownandCaldwell公司的Ntensify脫穎而出。因?yàn)楹笳哒f只要一套叫AvN的曝氣控制系統(tǒng)和一個(gè)叫InDense的旋流分離器，就能實(shí)現(xiàn)甲方的需求。

Ntensify

在這個(gè)項(xiàng)目里，JD再生水廠安裝了兩套inDENSE單元，如下圖所示每個(gè)單元有四個(gè)旋流分離器(每個(gè)處理量為10m³/h)。約6%的回流污泥會(huì)先經(jīng)過inDENSE的處理。

圖.JD再生水廠安裝的旋流分離器的上方外觀|圖源：municipalwaterleader.com

其實(shí)IWA在之前的推送就介紹過inDENSE工藝，它是DEMON厭氧氨氧化工藝使用的水力旋流器（hydrocyclone）的延伸應(yīng)用，它對(duì)二沉池排出的污泥進(jìn)行篩選，將沉降性能好的污泥顆�；亓鞯缴�物反應(yīng)器中。在不改變?cè)�工藝的條件下（如傳統(tǒng)的連續(xù)式活性污泥工藝），inDENSE大大提高污泥容積指數(shù)（SVI）的表現(xiàn)，無需新增二沉池就能解決混合懸浮固體沉降性差的問題。另外，這項(xiàng)技術(shù)還附帶強(qiáng)化生物除磷（EBPR）的作用，解決傳統(tǒng)活性污泥工藝常見的污泥膨脹問題，提高污水廠的實(shí)際處理能力。

圖.InDENSE的工藝流程簡(jiǎn)圖

JD再生水廠在安裝inDENSE單元后的三周內(nèi)，污泥容積指數(shù)（SVI）將很快從180mm降至約90mm。SRT也從6天提升至超過10天。

表.JD再生水廠不同時(shí)期的SRT和SVI比較

圖.A)安裝旋流分流器前后的SVI對(duì)比；B)安裝旋流分離器后的SVI30/SVI5趨勢(shì)

除了inDENSE，AvN系統(tǒng)也是另一個(gè)重要組成。AvN全稱是AmmoniavsNOx。顧名思義，它是調(diào)控各種形態(tài)的氮的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它具有極大的靈活性，能夠幫助污水廠滿足出水氨氮和總氮的排放標(biāo)準(zhǔn)。

BrownandCaldwell公司稱這是目前全球首個(gè)連續(xù)式的AvN系統(tǒng)，和此前的間歇式有所不同——前者基于不斷變化的溶解氧水平(DO)，后者則是對(duì)好氧和缺氧條件的轉(zhuǎn)換次數(shù)(曝氣時(shí)間控制器)。在連續(xù)式的AvN里，氨氮傳感器測(cè)得的濃度會(huì)與好氧池出水的NOx濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，確保出水的NH4-N和NOx-N比例維持在1:1的水平。這套連續(xù)式AvN包括了在線的DO傳感器、亞硝氮/硝氮UV傳感器和氨氮傳感器。

生物除磷

JD再生水廠在這次改造前就已經(jīng)有強(qiáng)化生物除磷(EBPR)，但為了由于碳源不足，他們會(huì)在厭氧區(qū)添加乙酸促進(jìn)PAO的生長(zhǎng)。盡管如此，出水不能穩(wěn)定滿足TP<1mg/L的要求。安裝旋流分離器三個(gè)月后，如下圖所示，出水TP有顯著降低，并穩(wěn)定保持在1mg/L以下。歷史數(shù)據(jù)顯示EBPR在冬季期間(12月-3月)波動(dòng)更大，導(dǎo)致除了外加碳源，還需要化學(xué)除磷，也就意味著要使用聚合氯化鋁(PAC)。引入Ntensify后，EBPR能順利度過冬季考驗(yàn)，也無需添加乙酸和PAC了。

圖.A)2019年6月安裝旋流分離器后出水TP的情況;；B)改造前后污水廠在冬季的出水TP的對(duì)比

為什么會(huì)這樣呢？污水處理界的絲狀菌研究鼻祖DavidJenkins教授的學(xué)生、現(xiàn)任新墨西哥大學(xué)土木及環(huán)境工程系教授的AndrewSchuler早在2002年就在IWA的另一期刊《WaterScience&Technology》上發(fā)表過文章研究其原因。他們認(rèn)為PAO菌本身就比其他絲狀菌要更重、更致密，旋流分離器能有效將它們和其他絲狀菌分離并回流到系統(tǒng)中，促進(jìn)了好氧顆粒污泥的形成和EBPR的穩(wěn)定性。

另外研究團(tuán)隊(duì)還考察了低DO(0.2mgO2/L)對(duì)生物除磷的影響，結(jié)果顯示EBPR表現(xiàn)不會(huì)受此影響，而且在缺氧區(qū)存在的很有可能是DPAO(反硝化聚磷菌)，也就是能同時(shí)脫氮除磷的微生物——這些微生物也有助于減少進(jìn)入后續(xù)曝氣池的碳負(fù)荷，從而對(duì)降低能耗做出貢獻(xiàn)。

Commamox

改造后出水中總無機(jī)氮(TIN)的濃度約為11mg/L，遠(yuǎn)低于15mg/L標(biāo)準(zhǔn)。改造前水廠的出水TIN在15-20mg/L之間浮動(dòng)。更可喜的是，這是在初沉池出水低C/N比(6.0±1.6)的條件取得的效果，這說明脫氮表現(xiàn)十分良好。

在過去，JD再生水廠的DO一般在>2mgO2/L，水廠需要兩臺(tái)曝氣風(fēng)機(jī)(每臺(tái)8374Nm³/h)，安裝了AvN系統(tǒng)只需一臺(tái)風(fēng)機(jī)就夠了，甚至一臺(tái)風(fēng)機(jī)都嫌過量了，這就已經(jīng)意味著能省下50%的曝氣能耗。更有趣的是，研究團(tuán)隊(duì)測(cè)出這些能適應(yīng)低DO條件的硝化菌為comammox（完全氨氧化菌）。

更廣的應(yīng)用前景

據(jù)JD再生水廠負(fù)責(zé)人NancyKeller女士介紹，這次升級(jí)改造只花了他們200萬美元不到的費(fèi)用，在出水滿足標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，水廠每年可以在化學(xué)品和能耗上分別節(jié)省30萬和15萬美元的經(jīng)費(fèi)，污水廠的處理能力還提高了約30%。污水廠甚至不需要借錢，僅僅通過水廠常規(guī)的資金調(diào)整預(yù)算(capitalimprovementsbudget)就能支付項(xiàng)目費(fèi)用。

美國(guó)水環(huán)境聯(lián)盟(WEF)也對(duì)項(xiàng)目成果表示認(rèn)可，他們給這套低DO的生物脫氮除磷系統(tǒng)20萬美元的資助，連同幾個(gè)水務(wù)局提供的80萬經(jīng)費(fèi)，項(xiàng)目總金額達(dá)100萬美元。這個(gè)項(xiàng)目由Brown&Caldwell、堪薩斯大學(xué)和Black&Veatch的專家為主建立研究團(tuán)隊(duì)，探索低DO生物脫氮除磷的管理方法，闡明工藝機(jī)制，協(xié)助水務(wù)公司制定決策樹，編寫設(shè)計(jì)/運(yùn)行/建模指南。

中國(guó)城鎮(zhèn)污水廠也面臨著也進(jìn)水低碳氮比和嚴(yán)格出水標(biāo)準(zhǔn)（營(yíng)養(yǎng)物）的雙重壓力。隨著這套AvN系統(tǒng)在全球各地案例的積累，中國(guó)同行也可以關(guān)注如何通過實(shí)時(shí)在線曝氣調(diào)控來控制生物途徑，實(shí)現(xiàn)低碳氮比的生物脫氮，甚至培養(yǎng)出自可以生物除磷的顆粒污泥。