今年八月底，美國的水環(huán)境聯(lián)合會(huì )(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(gè)獲獎項目。

水資源回收工廠(chǎng)案例

Seneca水資源回收工廠(chǎng)(WRRF)由華盛頓郊區衛生委員會(huì )水務(wù)部(WSSC Water)公司運營(yíng)。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(guò)190 萬(wàn)。WSSC Water運營(yíng)著(zhù)6個(gè)水資源回收工廠(chǎng)，日處理總量約43萬(wàn)m3，而其兩個(gè)飲用水廠(chǎng)每天可生產(chǎn)約75萬(wàn)m3的飲用水。

雖然Seneca WRRF長(cháng)期都滿(mǎn)足或優(yōu)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(xué)品消耗的代價(jià)。

傳統的生物脫氮除磷污水廠(chǎng)(BNR污水廠(chǎng))處理效率低下的一大原因是設計理念僵化，沒(méi)有因地制宜，僅憑過(guò)往經(jīng)驗進(jìn)行基本調整，缺乏對不同氧化還原條件下的碳轉化過(guò)程的了解，而且大多污水廠(chǎng)運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，并且應對日后可能更嚴格的出水要求，WSSC Water和美國水研究基金會(huì )(Water Research Foundation - WRF)合作，成了專(zhuān)門(mén)的合作示范項目，探索對現有BNR污水廠(chǎng)進(jìn)行原位效率提升的可行性。他們還找來(lái)了Brown and Caldwell(工程咨詢(xún)公司)和西北大學(xué)(Northwestern University)共同參與此項目。

污水廠(chǎng)概況

Seneca水資源回收工廠(chǎng)位于華盛頓西北邊的郊區，日處理能力約為11萬(wàn)m3。污水廠(chǎng)采用5段式的Bardenpho工藝 ，再通過(guò)二沉池和濾池滿(mǎn)足嚴格的氮磷出水要求。

污水廠(chǎng)有五條平行處理線(xiàn)。2021年春天，項目團隊將其中一條處理線(xiàn)用來(lái)進(jìn)行測試，并對做出以下改動(dòng)：

1) 內部混合液循環(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 (ABAC) ，對所有曝氣區的溶解氧 (DO)進(jìn)行控制，包括后曝氣。好氧區末端的氨設定點(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(jìn)水中的碳來(lái)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(shí)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(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(chǎng)沒(méi)有初沉池，而測試處理線(xiàn)也沒(méi)有專(zhuān)用的二沉池，所以其他四條線(xiàn)的運行條件發(fā)生改變的話(huà)，微生物的變化情況會(huì )影響到測試線(xiàn)，反之亦然。雖然他們知道這會(huì )導致實(shí)驗設計缺乏絕對嚴謹性，但受限于實(shí)際條件也只能接受。

他們的實(shí)驗計劃包括：

- 每周采集兩個(gè)樣品（含上/下午），分析指標包含進(jìn)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(wú)外加碳源），采樣點(diǎn)位于曝氣區末端、后缺氧區前；

- 監測測試處理線(xiàn)和其余處理線(xiàn)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(lái)了解后缺氧區的反硝化的碳轉化過(guò)程。

項目結果

結果顯示，即使沒(méi)有投加碳源，測試線(xiàn)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，他們仍會(huì )投加少量硫酸鋁對磷酸作進(jìn)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(xiàn)的脫氮率進(jìn)一步改善的關(guān)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(guò)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(xiàn)相比(DO約為1.5mg/L)，測試線(xiàn)的曝氣量減少30%。

與其他處理線(xiàn)相比(需要碳源)，測試線(xiàn)在后缺氧區通過(guò)反硝化作用去除超過(guò)4 mg/L的氮，出水硝氮的濃度和其他處理線(xiàn)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(chǎn)生的反硝化反應。這說(shuō)明，后置反硝化很可能是依靠進(jìn)水的內在碳源驅動(dòng)的。

總之，他們對這個(gè)出水效果已相當滿(mǎn)意，足以讓W(xué)SSC Water其他5個(gè)污水廠(chǎng)進(jìn)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(jìn)一步降低出水總氮的可行性。

因為部分反硝化會(huì )導致亞硝氮的積累，而由于后缺氧區的水力停留時(shí)間(HRT)較短，這可能會(huì )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(fā)揮厭氧氨氧化的作用，也許能解決這個(gè)問(wèn)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(lái)考察anammox的活性。

他們將通過(guò)這些填料盒，考察好氧段末端由內碳源產(chǎn)生的亞硝氮能否用于厭氧氨氧化反應，并通過(guò)16S rRNA基因測序進(jìn)行微生物群落分析?？上【幠壳皶簳r(shí)沒(méi)法找到關(guān)于這部分測試結果的公開(kāi)信息。

小結及展望

總的來(lái)說(shuō)，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(chǎng)，只需要一周的時(shí)間就能實(shí)施應用，員工不難上手。而且改造效果也很顯著(zhù)，例如低溶解氧條件(<0.3mg/L)可節省約30%的曝氣能耗，還帶來(lái)良好的生物脫氮除磷效果——在沒(méi)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(chǎng)的5條平行處理線(xiàn)如果都完成升級改造，可為污水廠(chǎng)每年節省575000美元的費用。WSSC Water已經(jīng)計劃將此技術(shù)應用到另外5座WRRF中，這最終將對切薩皮克灣環(huán)境保護做出重要貢獻。