在过去几年，美国许多小型污水处理厂都积极向生物脱氮除磷工艺升级转型。然而，新系统的出水常常不如预期，甚至不能满足 NPDES(National Pollutant Discharge Elimination System)的要求。
原因何在？
原来，进水强度不够是美国小型污水厂进行生物除磷的常见问题。那是不是意味着这些污水厂不能实现生物除磷呢？
俄亥俄州环保署(Ohio EPA)的Jon van Dommelen并不这么认为。2021年6月，他和Black&Veatch的工艺工程师Rob Smith，联名在WEFTEC的杂志《Water Environment & Technology (WE&T)》上发表了一篇题为《Weak-In Worked Out》。顾名思义，就是低浓度进水同样可以实现生物除磷。
Jon van Dommelen目前任职于Ohio EPA的合规援助单元(Compliance Assistance Unit，简称CAU)。该团队主要为当地污水厂提供现场“问诊”的服务。他已在这组里工作超过20年了，接触过的污水厂规模从几立方米到几万立方米不等。可以说绝对是小型污水厂生物脱氮除磷方面的专家。
在本期的《水星专栏》，小编和大家一起看看这个老师如何帮助美国的中小型污水厂实现生物除磷。
低浓度进水？没问题！
在小型无数厂中实现生物除磷的一个常见问题是弱进水(weak effluent)。传统的生物脱氮除磷(BNR) 是将硝态氮转化为氮气，和将溶解性磷酸盐变成沉淀物，这需要进水中有充足的易降解的有机物。但实际上很多废水的碳不足以完成这些生化反应。怎样才能克服这个难题，避免出水不达标呢？这就需要高效的工艺控制，对反应池条件进行适当的调整了。
生物脱氮除磷通常由三个区组成，包括了厌氧、缺氧和好氧区。如果工艺控制不到位，可能会造成厌氧区实际是缺氧区的情况。这就需要对溶解氧和硝态氮进行监测，除此以外，还可以测量正磷酸盐浓度和氧化还原电位等参数。
系统诊断
在工艺工程师看来，生化反应池的人为分区并不可靠。如果去现场进行故障排查，他们首先会做的事情就是亲自鉴定各分区的生化情况，采样(grab samples)参数包括氨氮、硝态氮和正磷酸盐。使用便携式的多参数光度计，在两个小时内就能得到结果。更理想的情况是建立实时数据记录监控系统，对每个反应区的情况进行监测，特别是对污水厂无人值守的时段，例如半夜或者昼夜流量高峰的时段。
监测系统通常包括三套传感器，缺氧、厌氧和好氧区分别安放一套，每套都包含铵离子、硝酸盐和溶解氧的测量。在线监控可以快速、持续地显示或分析任何变化产生的影响，这不仅便于在事故发生后进行溯源，也便于运行人员对做出的调整的效果进行客观评估。在线监测系统不仅可以大大加快故障排除的速度，还使运行人员能够直接观察变化的影响，为出水达标提供信息支持。
如果污水厂已经装有这样的监测系统，BNR 系统最常见的工艺控制响应措施包括对曝气、剩余污泥和混合液回流比的调整。如果没有这样的内置系统，补救措施将受到限制。
小厂案例
作者们介绍了俄亥俄州的两个污水厂的案例，第一是Bradford村的污水厂。该污水厂出水总磷遇到了麻烦——在投产运行的前53个月里，只有9个月的总磷数据达标(＜1mg/L)。
Bradford污水厂采用氧化沟系统，包含两个较小的串联厌氧池、一个较大的缺氧池，以及一个氧化沟。氧化沟有两个曝气器(20马力)，并配有变频驱动器 (VFD)。
该厂设计规模为1817m³/天，实际日平均流量却高达2080m³/天，进水的碳质生化需氧量(cBOD5)平均值为95mg/L。如上图所示，进水(RAW)和回流污泥(RAS)先进入厌氧池，再进入缺氧池，硝态氮回流液会通过好氧池的末端进入缺氧区，硝态氮在缺氧区进行反硝化反应。这样的设计有个优点：便于调节曝气控制和混合液循环控制。
CAU小组的初步调查结果显示，实际上三个区的情况几乎一样——硝态氮浓度都在10-14mg/L之间。好氧区的氨氮低于检测限，说明硝化反应进行得很彻底，但反硝化反应显然不理想，原因可能是碳源不足或者硝态氮过多。
持怀疑态度的主管
污水厂的主管Jay Roberts一开始对Jon van Dommelen的到来持怀疑态度。后者在文中坦诚，Roberts先生和其他小厂的运行人员一样，对BNR系统没有足够的认知，所以不可能进行正确的工艺控制。除了出水之外，他们一般会测一下DO和污泥沉降性能。而实际上，厂里还有一些杂七杂八的事需要他们处理，所以他们也没有时间做那些更高级的工艺控制测试了。
Jon van Dommelen回忆道：“我刚去他们厂的时候，Jay会全程跟随，并且问很多问题。可以看出他很不欢迎我的到来，尤其是第一次。但当我得到数据，并向他解释我从数据里看出的问题的时候，他开始打消对我的怀疑。此前他从未见过类似的数据分析，但他也很快明白个中含义，并开始好奇我将如何对症下药。”
很显然，系统的问题就是到处都是硝态氮，这对生物除磷造成了影响，因为后者需要两个条件：
1，严格的厌氧环境，不能有氧气和硝酸盐，这样才会发生释磷反应
2，好氧环境里有足够 DO 支持吸磷反应。
如果厌氧区有硝酸盐，那实际上它就不是厌氧环境了。在降低硝酸盐浓度之前，仅通过生物手段是不可能使出水总磷达标排放的。
解决方案
他们做的第一件事就是关闭部分好氧区的硝态氮回流门，减少硝态氮的内循环比率、这使各区的硝酸盐浓度降到6mg/L左右。
虽然Bradford是个小厂，但在Jon van Dommelen看来该厂设备还是挺先进的，例如他们可以对曝气器的VFD进行调节，氧化沟上游的曝气器的VFD从55 Hz 到 38 Hz(下游的VFD此前已关闭)。这样做是为了在氧化沟的另一侧形成可以进行同步硝化-反硝化(SND)的条件，从而减少进入缺氧区的硝酸盐。
这个调整使好氧区的DO降至低于0.30mg/L，但足以维持硝化反应，虽然好氧区出来的氨氮浓度有所上升，升至约0.3mg/L，但并未超标。这时候他们彻底关掉硝酸盐内循环的闸门。
低DO运行进一步降低了硝酸盐的水平，但还有一个问题要解决——进水没有足够的溶解性碳源支持回流污泥的反硝化和释磷反应。
此时需要想办法创造一个混合液发酵的空间。缺氧区和厌氧区都有搅拌器，而且都装有计时器。他们将运行时间设为“开0.5小时/关3.5小时”的模式，目的是将两个区变成一个大的发酵区。在搅拌器关闭的时段，反应池底部形成污泥沉降层。这里边的硝酸盐会反硝化反应转化成氮气。硝酸盐被消耗光之后，有些细菌细胞会溶解，释出溶解性的碳，促使聚磷菌(PAOs)释放磷酸盐。
新的工艺策略在当月第二次采样的时候就见到成效——总磷已经低于1mg/L了，而且这是在没有使用铝盐进行化学除磷取得的成效，这让污水厂的主管十分信服。
改造成效
如今，Bradford污水厂用更低的运行成本，获得了更好的出水水质——在调整后的7个月里，出水总磷有6个月达标排放，不达标的那个月是因为进水量存在异常(超出设计规模的一倍)。出水的硝酸盐浓度也有所下降，而生物除磷则使污水厂每月节省约1000美元的明矾(alum)的使用量，曝气能耗有所减少。
赢得污水厂主管的信任是解决方案的关键任务之一，毕竟他决定了改造最终成功与否。
Jay本人也很快就上手，他现在能够独立对系统进行1-2次的氮磷浓度分析，如果出水TP接近1mg/L的临界线，他会适当增加采样频次。
Jon van Dommelen表示，在做完Bradford的项目后，他还去过其他出现类型问题的污水厂，大多数也是像Bradford这样的小厂，而且也存在进水的溶解性碳源补足的问题。他的工作帮助这些厂原位改造，实现生物脱氮除磷。
大厂的改造
俄亥俄州的Niles污水厂是另一个案例，而且是个相对规模更大的污水厂, 设计规模为28000m³/天。2017年，该厂进行扩建，从原有的氧化沟改造成带有外置沉淀池的三区BNR系统。
工程于2019年完工后，污水厂进入为期一年的认证期，来证明新系统按能达标排放。然而新系统运行效果不如预期——49次出水总磷采样只有13个低于1mg/L。2020年2月底，污水厂的主管找到了Jon van Dommelen来帮忙。
在出发前，Jon van Dommelen先查看了污水厂的月报，了解进水水质。不出所料，进水的cBOD5常<100mg/L(平均71.5mg/L)，没有足够的溶解性碳源进行生物脱氮除磷。
在Niles污水厂，Jon van Dommelen几乎就是重复了在Bradford做的措施。有趣的是，Niles污水厂反而没有Bradford先进——曝气器没有VFDs，搅拌器没有计时器，幸好他们厂区24小时有人值班，所以主管让值班操作工对搅拌器手动进行“开0.5小时/关3.5小时“的模式。，
一周之后，俄亥俄州也开始进入新冠防疫状态，环保署要求员工居家工作，因此Jon van Dommelen不能再去污水厂，他们只能通过手机、邮件保持远程沟通。
但Jon也不需要再去污水厂了——仅仅通过调整搅拌器运作模式，出水总磷就已经得到控制，而且从2020年4月开始就保持达标，和Bradford一样，不需要添加化学剂。
值得一提的是，Niles污水厂的主管很快也给污水厂的搅拌器配上了计时器。
一招鲜吃遍天？
Jon van Dommelen先生的“开0.5小时/关3.5小时”的搅拌模式，已在其他污水厂得到充分验证，可谓“一招鲜吃遍天”。他认为混合液的发酵甜点(sweet spot)范围其实很广，无须死搬他的时间设置，但他的经验无疑是其他同行一个很好的参照起点。
最让他自豪的，还是他不需要污水厂投入太多钱，就能实现所谓高大上的“工艺控制系统”。下图是他的常备工具：
1) 多参数色度计
2) 溶解氧计
3) 碱度测试套件
4) 污水离心机
5) 沉降计
6) 取样器
S2EBPR
话说WEFTEC这篇文章，之所以除了Jon van Dommelen，还有来自Black&Veatch的工程师，是因为Jon van Dommelen做的工作，其实就是在实践Black&Veatch公司著名的“BNR之父”James Barnard博士提出的侧流增强生物除磷 (S2EBPR)工艺
关于这个工艺的更多细节，小编强烈推荐各位读者回看今年1月国际水协会举行的一场线上研讨会“Innovations in Carbon Storage and Optimization in Biological Processes”。据了解，美国堪萨斯州的一个污水厂采用此工艺后，出水总磷可以低至0.1-0.20mg/L(中国一级A标准为0.5mg/L)，也是在不加铁盐或外加碳源下实现的，而且已经运行超过4年。
其实美国已经有多家公司实践S2EBPR技术，且都以类似“花小钱办大事”的形象突显这个工艺技术的优点，例如Brown & Caldwell公司甚至在这基础上推出了低C/N比的好氧颗粒污泥强化脱氮除磷技术
37000cm威尼斯总说中国的城镇污水厂也面临着进水低碳氮比和严格出水标准（营养物）的双重压力，同行们是不是应该好好研究一下这套系统在国内的可行性？
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