Ntensify：InDENSE旋流分離+AvN曝氣控制——低C/N比下的好氧顆粒污泥強化脫氮除磷技術
2020年美國水環(huán)境聯盟(WEF)將當年的杰出項目獎(ProjectExcellenceAward)頒給了科羅拉多Pueblo城污水處理廠。獲獎理由是它用既經濟實惠又可持續(xù)發(fā)展的方式完成升級改造，以應對科羅拉多州更嚴格的水質標準。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，相關團隊將項目成果發(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城市，人口約10萬。當地唯一的城市污水處理廠叫JamesR.DilorioWaterReclamationFacility(本文簡稱JD再生水廠)，設計規(guī)模約60000m³/天，實際處理量約35000m³/天。這個污水廠有兩條平行處理線，采用Johannesburg工藝（因由南非約翰內斯堡大學創(chuàng)立，簡稱JHB工藝）。JHB工藝是針對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過預缺氧池進行去氧(deoxygenation)和反硝化，并且和初沉池出水混合，隨后進入厭氧區(qū)進行生物除磷，然后再進入一個缺氧池進行反硝化。缺氧區(qū)和好氧區(qū)有一個內循環(huán)系統(tǒng)，為反硝化提供硝氮。該廠在改造前已經是一個再生水廠，出水經過UV消毒后排入阿肯薩斯河，并有污泥厭氧消化處理，污泥經處理后可做農用。
圖.JD再生水廠的工藝流程簡圖：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
更嚴的出水標準
為了減少州內湖泊、河流和溪流的藻華問題，科羅拉多州于2012年出臺了新的點源營養(yǎng)物排放標準，并分兩個階段完成：在第一階段設定了一個需要近期達到的水平(出水總氮年均<15mg/L，總磷年均<1mg/L)，然后在2027年會有一個更低的標準(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，可以獲得更長的時間豁免來實現第二階段的目標
圖.科羅拉多已有污水廠和新廠目前要執(zhí)行的氮磷出水標準|圖源：USEPA
解決方案
滿足新的出水標準并不困難，但如果常規(guī)的升級手段，需要購置大量設備/設施，成本可能在2500-3000萬美元。這對Pueblo的水務部門來說太貴了，畢竟Pueblo城有超過1/4的市民生活在聯邦貧困線下，因此他們希望有更經濟實惠的選擇。
面對這個新的挑戰(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。因為后者說只要一套叫AvN的曝氣控制系統(tǒng)和一個叫InDense的旋流分離器，就能實現甲方的需求。
Ntensify
在這個項目里，JD再生水廠安裝了兩套inDENSE單元，如下圖所示每個單元有四個旋流分離器(每個處理量為10m³/h)。約6%的回流污泥會先經過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）的延伸應用，它對二沉池排出的污泥進行篩選，將沉降性能好的污泥顆�；亓鞯缴锓磻髦�。在不改變原工藝的條件下（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（SVI）的表現，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，這項技術還附帶強化生物除磷（EBPR）的作用，解決傳統(tǒng)活性污泥工藝常見的污泥膨脹問題，提高污水廠的實際處理能力。
圖.InDENSE的工藝流程簡圖
JD再生水廠在安裝inDENSE單元后的三周內，污泥容積指數（SVI）將很快從180mm降至約90mm。SRT也從6天提升至超過10天。
表.JD再生水廠不同時期的SRT和SVI比較
圖.A)安裝旋流分流器前后的SVI對比；B)安裝旋流分離器后的SVI30/SVI5趨勢
除了inDENSE，AvN系統(tǒng)也是另一個重要組成。AvN全稱是AmmoniavsNOx。顧名思義，它是調控各種形態(tài)的氮的自動控制系統(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準。
BrownandCaldwell公司稱這是目前全球首個連續(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)，后者則是對好氧和缺氧條件的轉換次數(曝氣時間控制器)。在連續(xù)式的AvN里，氨氮傳感器測得的濃度會與好氧池出水的NOx濃度進行實時比較，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有強化生物除磷(EBPR)，但為了由于碳源不足，他們會在厭氧區(qū)添加乙酸促進PAO的生長。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。歷史數據顯示EBPR在冬季期間(12月-3月)波動更大，導致除了外加碳源，還需要化學除磷，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，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的對比
為什么會這樣呢？污水處理界的絲狀菌研究鼻祖DavidJenkins教授的學生、現任新墨西哥大學土木及環(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，促進了好氧顆粒污泥的形成和EBPR的穩(wěn)定性。
另外研究團隊還考察了低DO(0.2mgO2/L)對生物除磷的影響，結果顯示EBPR表現不會受此影響，而且在缺氧區(qū)存在的很有可能是DPAO(反硝化聚磷菌)，也就是能同時脫氮除磷的微生物——這些微生物也有助于減少進入后續(xù)曝氣池的碳負荷，從而對降低能耗做出貢獻。
Commamox
改造后出水中總無機氮(TIN)的濃度約為11mg/L，遠低于15mg/L標準。改造前水廠的出水TIN在15-20mg/L之間浮動。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，水廠需要兩臺曝氣風機(每臺8374Nm³/h)，安裝了AvN系統(tǒng)只需一臺風機就夠了，甚至一臺風機都嫌過量了，這就已經意味著能省下50%的曝氣能耗。更有趣的是，研究團隊測出這些能適應低DO條件的硝化菌為comammox（完全氨氧化菌）。
更廣的應用前景
據JD再生水廠負責人NancyKeller女士介紹，這次升級改造只花了他們200萬美元不到的費用，在出水滿足標準的同時，水廠每年可以在化學品和能耗上分別節(jié)省30萬和15萬美元的經費，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)的資金調整預算(capitalimprovementsbudget)就能支付項目費用。
美國水環(huán)境聯盟(WEF)也對項目成果表示認可，他們給這套低DO的生物脫氮除磷系統(tǒng)20萬美元的資助，連同幾個水務局提供的80萬經費，項目總金額達100萬美元。這個項目由Brown&Caldwell、堪薩斯大學和Black&Veatch的專家為主建立研究團隊，探索低DO生物脫氮除磷的管理方法，闡明工藝機制，協助水務公司制定決策樹，編寫設計/運行/建模指南。
中國城鎮(zhèn)污水廠也面臨著也進水低碳氮比和嚴格出水標準（營養(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，中國同行也可以關注如何通過實時在線曝氣調控來控制生物途徑，實現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。
近期發(fā)表
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