小钱办大事!进水BOD71mg/L也能生物脱氮除磷?
发布时间：2022-09-19整理：成都科林环保有限公司
过去几年，美国许多小型污水处理厂积极升级生物脱氮除磷工艺。然而，新系统的出水量往往低于预期，甚至不能满足要求 NPDES(National Pollutant Discharge Elimination System)的要求。
原因何在？
原来，进水强度不足是美国小型污水厂生物除磷的常见问题。这是否意味着这些污水厂无法实现生物除磷？
俄亥俄州环保署(Ohio EPA)的Jon van Dommelen不这么认为。2021年6月，他和Black&Veatch工艺工程师Rob Smith，联名在WEFTEC的杂志《Water Environment & Technology (WE&T)》上面发表了一篇题为《Weak-In Worked Out》。顾名思义，低浓度进水也能实现生物除磷。
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咨询服务。他在这个小组工作了20多年，接触过的污水厂从几立方米到几万立方米不等。是小型污水厂生物脱氮除磷专家。
本期《水星专栏》，小编将与大家一起来看看这位老师如何帮助美国中小型污水厂实现生物除磷。
低浓度进水？没问题！
弱进水是无数小工厂实现生物除磷的常见问题(weak effluent)。传统的生物脱氮除磷(BNR) 将硝氮转化为氮，将溶解性磷酸盐转化为沉淀物，需要在水中有足够的可降解有机物。但事实上，许多废水的碳不足以完成这些生化反应。如何克服这个问题，避免出水不达标？这就需要的工艺控制，适当调整反应池条件。
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，生化反应池的人工分区并不可靠。如果去现场进行故障排查，首先要做的就是亲自鉴定各分区的生化情况，采样(grab samples)参数包括氨氮、硝氮和正磷酸盐。使用便携式多参数光度计，可在两小时内得到结果。更理想的情况是建立实时数据记录监控系统，监控各反应区的情况，特别是污水处理厂无人值守的时间，如半夜或昼夜交通高峰。
监测系统通常包括三套传感器，分别放置一套缺氧、厌氧和好氧区域，每套包括铵离子、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的影响，不仅便于事故发生后的可追溯性，而且便于运营商客观评估调整的效果。在线监控系统不仅可以大大加快故障排除，还可以直接观察变化的影响，为出水标准提供信息支持。
若污水厂已配备此类监测系统，BNR 该系统常见的工艺控制响应措施包括调整曝气率、剩余污泥和混合物回流比。如果没有这样的内置系统，补救措施将受到限制。
小厂案例
作者介绍了俄亥俄州两家污水厂的案例。Bradford村里的污水处理厂。污水处理厂出水总磷遇到麻烦——在投产前53个月，只有9个月的总磷数据达到标准(1mg/L)。
Bradford污水处理厂采用氧化沟系统，包括两个小串联厌氧池、一个大缺氧池和一个氧化沟。氧化沟有两个曝气器（20马力）和变频驱动器 (VFD)。
工厂设计规模1817m3/天，实际日平均流量高达2080m3/天，进水碳质生化需氧量(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，硝氮回流液通过好氧池末端进入缺氧区，硝氮在缺氧区反硝化。该设计具有调节曝气控制和混合液循环控制的优点。
CAU根据小组的初步调查结果，三个区的情况几乎相同——硝氮浓度为10-14mg/L之间。好氧区氨氮低于检测限，表明硝化反应非常彻底，但反硝化反应明显不理想，可能是由于碳源不足或硝氮过多。
主管持怀疑态度
污水厂主管Jay Roberts一开始对Jon van Dommelen持怀疑态度。后者在文中坦诚，Roberts和其他小工厂的运营商一样，先生是对的BNR系统没有足够的认知，因此不可能进行正确的过程控制。除了出水，他们通常会测试它DO和污泥沉降性能。事实上，工厂里有一些杂七杂八的事情要处理，所以他们没有时间进行更先进的工艺控制测试。
Jon van Dommelen回忆道：我刚去他们厂的时候，Jay我会跟着整个过程，问很多问题。可见他不欢迎我，尤其是次。但当我得到数据并向他解释我从数据中看到的问题时，他开始消除对我的怀疑。他以前从未见过类似的数据分析，但他很快就明白了它的含义，并开始好奇我将如何对症下药。
很明显，由于后者需要两个条件：
1.严格的厌氧环境不能有氧气和硝酸盐，从而产生释磷反应
2.有足够的好氧环境 DO 支持吸磷反应。
如果厌氧区有硝酸盐，实际上不是厌氧环境。在降低硝酸盐浓度之前，不可能只通过生物手段排出总磷。
解决方案
他们做的件事就是关闭部分好氧区的硝氮回流门，降低硝氮的内循环比，将各区的硝酸盐浓度降低到6mg/L左右。
虽然Bradford是小工厂，但是在Jon van Dommelen工厂的设备似乎相当先进，例如，他们可以使用曝气器VFD调整氧化沟上游曝气器VFD从55 Hz 到 38 Hz(下游的VFD已关闭)。这样做了在氧化沟的另一侧形成同步硝化-反硝化(SND)减少进入缺氧区的硝酸盐。
这种调整使好氧区DO降至低于0.30mg/L，但足以维持硝化反应，尽管好氧区氨氮浓度上升至0左右.3mg/L，但没有超过标准。此时，他们完全关闭了硝酸盐循环的大门。
低DO硝酸盐水平进一步降低，但还有一个问题需要解决——进水没有足够的溶解碳源来支持回流污泥的反硝化和磷释放反应。
这时候就要想办法创造混合液发酵空间。在缺氧区和厌氧区都有搅拌，都配有计时器。将运行时间设置为开0.5小时/关3.5小时的模式，目的是将两个区域变成一个大的发酵区。搅拌机关闭时，反应池底部形成污泥沉降层。这里的硝酸盐会反硝化转化为氮。硝酸盐消耗后，一些细菌细胞会溶解并释放溶解的碳，促进聚磷菌(PAOs)释放磷酸盐。
当月第二次采样时，新的工艺策略看到了结果——总磷低于1mg/L而且这是在不使用铝盐进行化学除磷的情况下取得的效果，这使得污水厂主管非常信服。
改造成效
如今，Bradford污水厂以较低的运行成本获得了较好的出水水质——调整后7个月内，出水总磷排放达标6个月，不达标的月份是因为进水量异常(超过设计规模的两倍)。出水的硝酸盐浓度也降低了，而生物除磷使污水厂每月节省约1000美元的明矾(alum)曝气能耗降低。
赢得污水厂主管的信任是解决方案的关键任务之一。毕竟，他决定改造是否成功。
Jay我很快就开始了。如果出水，他现在可以独立分析系统的氮磷浓度1-2次。TP接近1mg/L对于临界线，他会适当增加采样频率。
Jon van Dommelen表示，正在完成Bradford项目结束后，他还去了其他类型问题的污水厂，大部分都像Bradford这样的小工厂，也有补充水溶性碳源的问题。他的工作帮助这些工厂原位改造，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，是一个相对较大的污水厂， 设计规模为28000m3/天。2017年，工厂扩建，从原氧化沟改造成三个带外部沉淀池的区域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，污水厂主管找到了Jon van Dommelen来帮忙。
在出发前，Jon van Dommelen首先检查污水厂的月报，了解进水水质。不出所料，进水cBOD5常
来源：JIEI创新实验室
