今年八月底，美國的水環(huán)境聯(lián)合會(Water Environment Federation)公布了今年運(yùn)行設(shè)計杰出獎的獲獎名單，一共有三個獲獎項(xiàng)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(qū)衛(wèi)生委員會水務(wù)部(WSSC Water)公司運(yùn)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(wù)人口超過190 萬。WSSC Water運(yùn)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(chǎn)約75萬m3的飲用水。

雖然Seneca WRRF長期都滿足或優(yōu)于嚴(yán)格的出水標(biāo)準(zhǔn)( TN<4 mg/L, TP<0.27 mg/L)，但背后也付出了大量能量和化學(xué)品消耗的代價。

傳統(tǒng)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(shè)計理念僵化，沒有因地制宜，僅憑過往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行基本調(diào)整，缺乏對不同氧化還原條件下的碳轉(zhuǎn)化過程的了解，而且大多污水廠運(yùn)行人員對生物除磷知之甚少。為了能采用更低耗環(huán)保的工藝，并且應(yīng)對日后可能更嚴(yán)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(xiàng)目，探索對現(xiàn)有BNR污水廠進(jìn)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(xué)(Northwestern University)共同參與此項(xiàng)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(qū)，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(yán)格的氮磷出水要求。

污水廠有五條平行處理線。2021年春天，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將其中一條處理線用來進(jìn)行測試，并對做出以下改動：

1) 內(nèi)部混合液循環(huán) (IMLR) 將進(jìn)水流量從400%降至200%

2) 安裝基于氨氮的曝氣控制系統(tǒng) (ABAC) ，對所有曝氣區(qū)的溶解氧 (DO)進(jìn)行控制，包括后曝氣。好氧區(qū)末端的氨設(shè)定點(diǎn)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(qū)的甲醇投加

4) 將后缺氧區(qū)體積從17%減至9%

項(xiàng)目目標(biāo)

1) 盡可能地利用進(jìn)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(jié)合，以實(shí)現(xiàn)高效的完全生物脫氮除磷

3) 運(yùn)用部分反硝化+厭氧氨氧化(PdNA)進(jìn)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(yùn)行條件發(fā)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(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)計缺乏絕對嚴(yán)謹(jǐn)性，但受限于實(shí)際條件也只能接受。

他們的實(shí)驗(yàn)計劃包括：

- 每周采集兩個樣品（含上/下午），分析指標(biāo)包含進(jìn)水和出水的氨氨、有機(jī)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(diǎn)位于曝氣區(qū)末端、后缺氧區(qū)前；

- 監(jiān)測測試處理線和其余處理線的曝氣速率；

- 收集DNA樣本進(jìn)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(qū)的反硝化的碳轉(zhuǎn)化過程。

項(xiàng)目結(jié)果

結(jié)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(jìn)二沉池前，他們?nèi)詴都由倭苛蛩徜X對磷酸作進(jìn)一步去除)。

他們認(rèn)為同步硝化反硝化以及后缺氧區(qū)的反硝化是測試處理線的脫氮率進(jìn)一步改善的關(guān)鍵。這得益于低DO的運(yùn)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(jié)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(qū)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(dāng)。單位反硝化速率 (SDNR) 測試顯示，低 DO 條件對反硝化率的貢獻(xiàn)高于因內(nèi)源呼吸產(chǎn)生的反硝化反應(yīng)。這說明，后置反硝化很可能是依靠進(jìn)水的內(nèi)在碳源驅(qū)動的。

總之，他們對這個出水效果已相當(dāng)滿意，足以讓W(xué)SSC Water其他5個污水廠進(jìn)行效仿。

厭氧氨氧化潛力

此外，示范項(xiàng)目還正在考察厭氧氨氧化對進(jìn)一步降低出水總氮的可行性。

因?yàn)椴糠址聪趸瘯?dǎo)致亞硝氮的積累，而由于后缺氧區(qū)的水力停留時間(HRT)較短，這可能會加劇亞硝氮的積累。數(shù)據(jù)顯示這部分的亞硝氮濃度約為0.8mgN/L。他們認(rèn)為如果能發(fā)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(qū)、好氧區(qū)末端和后缺氧區(qū)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(nèi)碳源產(chǎn)生的亞硝氮能否用于厭氧氨氧化反應(yīng)，并通過16S rRNA基因測序進(jìn)行微生物群落分析?？上【幠壳皶簳r沒法找到關(guān)于這部分測試結(jié)果的公開信息。

小結(jié)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(shí)施應(yīng)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(jié)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(jù)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(jié)省575000美元的費(fèi)用。WSSC Water已經(jīng)計劃將此技術(shù)應(yīng)用到另外5座WRRF中，這最終將對切薩皮克灣環(huán)境保護(hù)做出重要貢獻(xiàn)。