在過去幾年，美國許多小型污水處理廠都積極向生物脫氮除磷工藝升級轉型。然而，新系統的出水常常不如預期，甚至不能滿足 NPDES(National Pollutant Discharge Elimination System)的要求。

原因何在？

原來，進水強度不夠是美國小型污水廠進行生物除磷的常見問題。那是不是意味著這些污水廠不能實現生物除磷呢？

俄亥俄州環保署(Ohio EPA)的Jon van Dommelen并不這么認為。2021年6月，他和Black&Veatch的工藝工程師Rob Smith，聯名在WEFTEC的雜志《Water Environment & Technology (WE&T)》上發表了一篇題為《Weak-In Worked Out》。顧名思義，就是低濃度進水同樣可以實現生物除磷。

Jon van Dommelen目前任職于Ohio EPA的合規援助單元(Compliance Assistance Unit，簡稱CAU)。該團隊主要為當地污水廠提供現場“問診”的服務。他已在這組里工作超過20年了，接觸過的污水廠規模從幾立方米到幾萬立方米不等。可以說絕對是小型污水廠生物脫氮除磷方面的專家。

低濃度進水？沒問題！

在小型無數廠中實現生物除磷的一個常見問題是弱進水(weak effluent)。傳統的生物脫氮除磷(BNR) 是將硝態氮轉化為氮氣，和將溶解性磷酸鹽變成沉淀物，這需要進水中有充足的易降解的有機物。但實際上很多廢水的碳不足以完成這些生化反應。怎樣才能克服這個難題，避免出水不達標呢？這就需要高效的工藝控制，對反應池條件進行適當的調整了。

生物脫氮除磷通常由三個區組成，包括了厭氧、缺氧和好氧區。如果工藝控制不到位，可能會造成厭氧區實際是缺氧區的情況。這就需要對溶解氧和硝態氮進行監測，除此以外，還可以測量正磷酸鹽濃度和氧化還原電位等參數。

系統診斷

在工藝工程師看來，生化反應池的人為分區并不可靠。如果去現場進行故障排查，他們首先會做的事情就是親自鑒定各分區的生化情況，采樣(grab samples)參數包括氨氮、硝態氮和正磷酸鹽。使用便攜式的多參數光度計，在兩個小時內就能得到結果。更理想的情況是建立實時數據記錄監控系統，對每個反應區的情況進行監測，特別是對污水廠無人值守的時段，例如半夜或者晝夜流量高峰的時段。

監測系統通常包括三套傳感器，缺氧、厭氧和好氧區分別安放一套，每套都包含銨離子、硝酸鹽和溶解氧的測量。在線監控可以快速、持續地顯示或分析任何變化產生的影響，這不僅便于在事故發生后進行溯源，也便于運行人員對做出的調整的效果進行客觀評估。在線監測系統不僅可以大大加快故障排除的速度，還使運行人員能夠直接觀察變化的影響，為出水達標提供信息支持。

如果污水廠已經裝有這樣的監測系統，BNR 系統最常見的工藝控制響應措施包括對曝氣、剩余污泥和混合液回流比的調整。如果沒有這樣的內置系統，補救措施將受到限制。

小廠案例

作者們介紹了俄亥俄州的兩個污水廠的案例，第一是Bradford村的污水廠。該污水廠出水總磷遇到了麻煩——在投產運行的前53個月里，只有9個月的總磷數據達標(＜1mg/L)。

Bradford污水廠采用氧化溝系統，包含兩個較小的串聯厭氧池、一個較大的缺氧池，以及一個氧化溝。氧化溝有兩個曝氣器(20馬力)，并配有變頻驅動器 (VFD)。

該廠設計規模為1817m3/天，實際日平均流量卻高達2080m3/天，進水的碳質生化需氧量(cBOD5)平均值為95mg/L。如上圖所示，進水(RAW)和回流污泥(RAS)先進入厭氧池，再進入缺氧池，硝態氮回流液會通過好氧池的末端進入缺氧區，硝態氮在缺氧區進行反硝化反應。這樣的設計有個優點：便于調節曝氣控制和混合液循環控制。

CAU小組的初步調查結果顯示，實際上三個區的情況幾乎一樣——硝態氮濃度都在10-14mg/L之間。好氧區的氨氮低于檢測限，說明硝化反應進行得很徹底，但反硝化反應顯然不理想，原因可能是碳源不足或者硝態氮過多。

持懷疑態度的主管

污水廠的主管Jay Roberts一開始對Jon van Dommelen的到來持懷疑態度。后者在文中坦誠，Roberts先生和其他小廠的運行人員一樣，對BNR系統沒有足夠的認知，所以不可能進行正確的工藝控制。除了出水之外，他們一般會測一下DO和污泥沉降性能。而實際上，廠里還有一些雜七雜八的事需要他們處理，所以他們也沒有時間做那些更高級的工藝控制測試了。

Jon van Dommelen回憶道：“我剛去他們廠的時候，Jay會全程跟隨，并且問很多問題。可以看出他很不歡迎我的到來，尤其是第一次。但當我得到數據，并向他解釋我從數據里看出的問題的時候，他開始打消對我的懷疑。此前他從未見過類似的數據分析，但他也很快明白個中含義，并開始好奇我將如何對癥下藥。”

很顯然，系統的問題就是到處都是硝態氮，這對生物除磷造成了影響，因為后者需要兩個條件：

1，嚴格的厭氧環境，不能有氧氣和硝酸鹽，這樣才會發生釋磷反應

2，好氧環境里有足夠 DO 支持吸磷反應。

如果厭氧區有硝酸鹽，那實際上它就不是厭氧環境了。在降低硝酸鹽濃度之前，僅通過生物手段是不可能使出水總磷達標排放的。

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他們做的第一件事就是關閉部分好氧區的硝態氮回流門，減少硝態氮的內循環比率、這使各區的硝酸鹽濃度降到6mg/L左右。

雖然Bradford是個小廠，但在Jon van Dommelen看來該廠設備還是挺先進的，例如他們可以對曝氣器的VFD進行調節，氧化溝上游的曝氣器的VFD從55 Hz 到 38 Hz(下游的VFD此前已關閉)。這樣做是為了在氧化溝的另一側形成可以進行同步硝化-反硝化(SND)的條件，從而減少進入缺氧區的硝酸鹽。

這個調整使好氧區的DO降至低于0.30mg/L，但足以維持硝化反應，雖然好氧區出來的氨氮濃度有所上升，升至約0.3mg/L，但并未超標。這時候他們徹底關掉硝酸鹽內循環的閘門。

低DO運行進一步降低了硝酸鹽的水平，但還有一個問題要解決——進水沒有足夠的溶解性碳源支持回流污泥的反硝化和釋磷反應。

此時需要想辦法創造一個混合液發酵的空間。缺氧區和厭氧區都有攪拌器，而且都裝有計時器。他們將運行時間設為“開0.5小時/關3.5小時”的模式，目的是將兩個區變成一個大的發酵區。在攪拌器關閉的時段，反應池底部形成污泥沉降層。這里邊的硝酸鹽會反硝化反應轉化成氮氣。硝酸鹽被消耗光之后，有些細菌細胞會溶解，釋出溶解性的碳，促使聚磷菌(PAOs)釋放磷酸鹽。

新的工藝策略在當月第二次采樣的時候就見到成效——總磷已經低于1mg/L了，而且這是在沒有使用鋁鹽進行化學除磷取得的成效，這讓污水廠的主管十分信服。

改造成效

如今，Bradford污水廠用更低的運行成本，獲得了更好的出水水質——在調整后的7個月里，出水總磷有6個月達標排放，不達標的那個月是因為進水量存在異常(超出設計規模的一倍)。出水的硝酸鹽濃度也有所下降，而生物除磷則使污水廠每月節省約1000美元的明礬(alum)的使用量，曝氣能耗有所減少。

贏得污水廠主管的信任是解決方案的關鍵任務之一，畢竟他決定了改造最終成功與否。

Jay本人也很快就上手，他現在能夠獨立對系統進行1-2次的氮磷濃度分析，如果出水TP接近1mg/L的臨界線，他會適當增加采樣頻次。

Jon van Dommelen表示，在做完Bradford的項目后，他還去過其他出現類型問題的污水廠，大多數也是像Bradford這樣的小廠，而且也存在進水的溶解性碳源補足的問題。他的工作幫助這些廠原位改造，實現生物脫氮除磷。

大廠的改造

俄亥俄州的Niles污水廠是另一個案例，而且是個相對規模更大的污水廠, 設計規模為28000m3/天。2017年，該廠進行擴建，從原有的氧化溝改造成帶有外置沉淀池的三區BNR系統。

工程于2019年完工后，污水廠進入為期一年的認證期，來證明新系統按能達標排放。然而新系統運行效果不如預期——49次出水總磷采樣只有13個低于1mg/L。2020年2月底，污水廠的主管找到了Jon van Dommelen來幫忙。

在出發前，Jon van Dommelen先查看了污水廠的月報，了解進水水質。不出所料，進水的cBOD5常在Niles污水廠，Jon van Dommelen幾乎就是重復了在Bradford做的措施。有趣的是，Niles污水廠反而沒有Bradford先進——曝氣器沒有VFDs，攪拌器沒有計時器，幸好他們廠區24小時有人值班，所以主管讓值班操作工對攪拌器手動進行“開0.5小時/關3.5小時“的模式。，

一周之后，俄亥俄州也開始進入新冠防疫狀態，環保署要求員工居家工作，因此Jon van Dommelen不能再去污水廠，他們只能通過手機、郵件保持遠程溝通。

但Jon也不需要再去污水廠了——僅僅通過調整攪拌器運作模式，出水總磷就已經得到控制，而且從2020年4月開始就保持達標，和Bradford一樣，不需要添加化學劑。

值得一提的是，Niles污水廠的主管很快也給污水廠的攪拌器配上了計時器。

Jon van Dommelen先生的“開0.5小時/關3.5小時”的攪拌模式，已在其他污水廠得到充分驗證，可謂“一招鮮吃遍天”。他認為混合液的發酵甜點(sweet spot)范圍其實很廣，無須死搬他的時間設置，但他的經驗無疑是其他同行一個很好的參照起點。

最讓他自豪的，還是他不需要污水廠投入太多錢，就能實現所謂高大上的“工藝控制系統”。下圖是他的常備工具：

1) 多參數色度計

2) 溶解氧計

3) 堿度測試套件

4) 污水離心機

5) 沉降計

6) 取樣器

S2EBPR

話說WEFTEC這篇文章，之所以除了Jon van Dommelen，還有來自Black&Veatch的工程師，是因為Jon van Dommelen做的工作，其實就是在實踐Black&Veatch公司著名的“BNR之父”James Barnard博士提出的側流增強生物除磷 (S2EBPR)工藝

關于這個工藝的更多細節，小編強烈推薦各位讀者回看今年1月國際水協會舉行的一場線上研討會“Innovations in Carbon Storage and Optimization in Biological Processes”。據了解，美國堪薩斯州的一個污水廠采用此工藝后，出水總磷可以低至0.1-0.20mg/L(中國一級A標準為0.5mg/L)，也是在不加鐵鹽或外加碳源下實現的，而且已經運行超過4年。

其實美國已經有多家公司實踐S2EBPR技術，且都以類似“花小錢辦大事”的形象突顯這個工藝技術的優點，例如Brown & Caldwell公司甚至在這基礎上推出了低C/N比的好氧顆粒污泥強化脫氮除磷技術

我們總說中國的城鎮污水廠也面臨著進水低碳氮比和嚴格出水標準（營養物）的雙重壓力，同行們是不是應該好好研究一下這套系統在國內的可行性？