2022/11/29 20:14:51
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(tǒng)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(xiàn)生物除磷呢?
俄亥俄州環(huán)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(lián)名在WEFTEC的雜志《Water Environment & Technology (WE&T)》上發(fā)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(xiàn)生物除磷。
Jon van Dommelen目前任職于Ohio EPA的合規(guī)援助單元(Compliance Assistance Unit,簡稱CAU)。該團隊主要為當?shù)匚鬯畯S提供現(xiàn)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(guī)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。
在本期的《水星專欄》,小編和大家一起看看這個老師如何幫助美國的中小型污水廠實現(xiàn)生物除磷。
低濃度進水?沒問題!
在小型無數(shù)廠中實現(xiàn)生物除磷的一個常見問題是弱進水(weak effluent)。傳統(tǒng)的生物脫氮除磷(BNR) 是將硝態(tài)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?shù)恼{整了。
生物脫氮除磷通常由三個區(qū)組成,包括了厭氧、缺氧和好氧區(qū)。如果工藝控制不到位,可能會造成厭氧區(qū)實際是缺氧區(qū)的情況。這就需要對溶解氧和硝態(tài)氮進行監(jiān)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(shù)。
系統(tǒng)診斷
在工藝工程師看來,生化反應池的人為分區(qū)并不可靠。如果去現(xiàn)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(qū)的生化情況,采樣(grab samples)參數(shù)包括氨氮、硝態(tài)氮和正磷酸鹽。使用便攜式的多參數(shù)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(shù)據(jù)記錄監(jiān)控系統(tǒng),對每個反應區(qū)的情況進行監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)通常包括三套傳感器,缺氧、厭氧和好氧區(qū)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(jiān)控可以快速、持續(xù)地顯示或分析任何變化產生的影響,這不僅便于在事故發(fā)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(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng),BNR 系統(tǒng)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(tǒng),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(shù)據(jù)達標(<1mg/L)。
Bradford污水廠采用氧化溝系統(tǒng),包含兩個較小的串聯(lián)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(guī)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?yún)捬醭?,再進入缺氧池,硝態(tài)氮回流液會通過好氧池的末端進入缺氧區(qū),硝態(tài)氮在缺氧區(qū)進行反硝化反應。這樣的設計有個優(yōu)點:便于調節(jié)曝氣控制和混合液循環(huán)控制。
CAU小組的初步調查結果顯示,實際上三個區(qū)的情況幾乎一樣——硝態(tài)氮濃度都在10-14mg/L之間。好氧區(qū)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(tài)氮過多。
持懷疑態(tài)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(tài)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(tǒng)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??梢钥闯鏊懿粴g迎我的到來,尤其是第一次。但當我得到數(shù)據(jù),并向他解釋我從數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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?!?/p>
很顯然,系統(tǒng)的問題就是到處都是硝態(tài)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(huán)境,不能有氧氣和硝酸鹽,這樣才會發(fā)生釋磷反應
2,好氧環(huán)境里有足夠 DO 支持吸磷反應。
如果厭氧區(qū)有硝酸鹽,那實際上它就不是厭氧環(huán)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。
解決方案
他們做的第一件事就是關閉部分好氧區(qū)的硝態(tài)氮回流門,減少硝態(tài)氮的內循環(huán)比率、這使各區(qū)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(jié),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(qū)的硝酸鹽。
這個調整使好氧區(qū)的DO降至低于0.30mg/L,但足以維持硝化反應,雖然好氧區(qū)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(huán)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(chuàng)造一個混合液發(fā)酵的空間。缺氧區(qū)和厭氧區(qū)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(qū)變成一個大的發(fā)酵區(qū)。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(guī)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(jié)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(xiàn)在能夠獨立對系統(tǒng)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(xiàn)類型問題的污水廠,大多數(shù)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(xiàn)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(guī)模更大的污水廠, 設計規(guī)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(qū)BNR系統(tǒng)。
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(tǒng)按能達標排放。然而新系統(tǒng)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(fā)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<100mg/L(平均71.5mg/L),沒有足夠的溶解性碳源進行生物脫氮除磷。
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(qū)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(tài),環(huán)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。
一招鮮吃遍天?
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(fā)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(xiàn)所謂高大上的“工藝控制系統(tǒng)”。下圖是他的常備工具:
1) 多參數(shù)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(jié),小編強烈推薦各位讀者回看今年1月國際水協(xié)會舉行的一場線上研討會“Innovations in Carbon Storage and Optimization in Biological Processes”。據(jù)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(xiàn)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(yōu)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(zhèn)污水廠也面臨著進水低碳氮比和嚴格出水標準(營養(yǎng)物)的雙重壓力,同行們是不是應該好好研究一下這套系統(tǒng)在國內的可行性?
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