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低浓度进水?没问题!
在小型无数厂中实现生物除磷的一个常见问题是弱进水(weak effluent)。传统的生物脱氮除磷(BNR) 是将硝态氮转化为氮气,和将溶解性磷酸盐变成沉淀物,这需要进水中有充足的易降解的有机物。但实际上很多废水的碳不足以完成这些生化反应。怎样才能克服这个难题,避免出水不达标呢?这就需要高效的工艺控制,对反应池条件进行适当的调整了。
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,生化反应池的人为分区并不可靠。如果去现场进行故障排查,他们首先会做的事情就是亲自鉴定各分区的生化情况,采样(grab samples)参数包括氨氮、硝态氮和正磷酸盐。使用便携式的多参数光度计,在两个小时内就能得到结果。更理想的情况是建立实时数据记录监控系统,对每个反应区的情况进行监测,特别是对污水厂无人值守的时段,例如半夜或者昼夜流量高峰的时段。
监测系统通常包括三套传感器,缺氧、厌氧和好氧区分别安放一套,每套都包含铵离子、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产生的影响,这不仅便于在事故发生后进行溯源,也便于运行人员对做出的调整的效果进行客观评估。在线监测系统不仅可以大大加快故障排除的速度,还使运行人员能够直接观察变化的影响,为出水达标提供信息支持。
如果污水厂已经装有这样的监测系统,BNR 系统最常见的工艺控制响应措施包括对曝气、剩余污泥和混合液回流比的调整。如果没有这样的内置系统,补救措施将受到限制。
小厂案例
作者们介绍了俄亥俄州的两个污水厂的案例,第一是Bradford村的污水厂。该污水厂出水总磷遇到了麻烦——在投产运行的前53个月里,只有9个月的总磷数据达标(<1mg/L)。
Bradford污水厂采用氧化沟系统,包含两个较小的串联厌氧池、一个较大的缺氧池,以及一个氧化沟。氧化沟有两个曝气器(20马力),并配有变频驱动器 (VFD)。
该厂设计规模为1817m³/天,实际日平均流量却高达2080m³/天,进水的碳质生化需氧量(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,硝态氮回流液会通过好氧池的末端进入缺氧区,硝态氮在缺氧区进行反硝化反应。这样的设计有个优点:便于调节曝气控制和混合液循环控制。
CAU小组的初步调查结果显示,实际上三个区的情况几乎一样——硝态氮浓度都在10-14mg/L之间。好氧区的氨氮低于检测限,说明硝化反应进行得很彻底,但反硝化反应显然不理想,原因可能是碳源不足或者硝态氮过多。
持怀疑态度的主管
污水厂的主管Jay Roberts一开始对Jon van Dommelen的到来持怀疑态度。后者在文中坦诚,Roberts先生和其他小厂的运行人员一样,对BNR系统没有足够的认知,所以不可能进行正确的工艺控制。除了出水之外,他们一般会测一下DO和污泥沉降性能。而实际上,厂里还有一些杂七杂八的事需要他们处理,所以他们也没有时间做那些更高级的工艺控制测试了。
Jon van Dommelen回忆道:“我刚去他们厂的时候,Jay会全程跟随,并且问很多问题。可以看出他很不欢迎我的到来,尤其是第一次。但当我得到数据,并向他解释我从数据里看出的问题的时候,他开始打消对我的怀疑。此前他从未见过类似的数据分析,但他也很快明白个中含义,并开始好奇我将如何对症下药。”
很显然,系统的问题就是到处都是硝态氮,这对生物除磷造成了影响,因为后者需要两个条件:
1,严格的厌氧环境,不能有氧气和硝酸盐,这样才会发生释磷反应
2,好氧环境里有足够 DO 支持吸磷反应。
如果厌氧区有硝酸盐,那实际上它就不是厌氧环境了。在降低硝酸盐浓度之前,仅通过生物手段是不可能使出水总磷达标排放的。
解决方案
他们做的第一件事就是关闭部分好氧区的硝态氮回流门,减少硝态氮的内循环比率、这使各区的硝酸盐浓度降到6mg/L左右。
虽然Bradford是个小厂,但在Jon van Dommelen看来该厂设备还是挺先进的,例如他们可以对曝气器的VFD进行调节,氧化沟上游的曝气器的VFD从55 Hz 到 38 Hz(下游的VFD此前已关闭)。这样做是为了在氧化沟的另一侧形成可以进行同步硝化-反硝化(SND)的条件,从而减少进入缺氧区的硝酸盐。
这个调整使好氧区的DO降至低于0.30mg/L,但足以维持硝化反应,虽然好氧区出来的氨氮浓度有所上升,升至约0.3mg/L,但并未超标。这时候他们彻底关掉硝酸盐内循环的闸门。
低DO运行进一步降低了硝酸盐的水平,但还有一个问题要解决——进水没有足够的溶解性碳源支持回流污泥的反硝化和释磷反应。
此时需要想办法创造一个混合液发酵的空间。缺氧区和厌氧区都有搅拌器,而且都装有计时器。他们将运行时间设为“开0.5小时/关3.5小时”的模式,目的是将两个区变成一个大的发酵区。在搅拌器关闭的时段,反应池底部形成污泥沉降层。这里边的硝酸盐会反硝化反应转化成氮气。硝酸盐被消耗光之后,有些细菌细胞会溶解,释出溶解性的碳,促使聚磷菌(PAOs)释放磷酸盐。
新的工艺策略在当月第二次采样的时候就见到成效——总磷已经低于1mg/L了,而且这是在没有使用铝盐进行化学除磷取得的成效,这让污水厂的主管十分信服。
改造成效
如今,Bradford污水厂用更低的运行成本,获得了更好的出水水质——在调整后的7个月里,出水总磷有6个月达标排放,不达标的那个月是因为进水量存在异常(超出设计规模的一倍)。出水的硝酸盐浓度也有所下降,而生物除磷则使污水厂每月节省约1000美元的明矾(alum)的使用量,曝气能耗有所减少。
赢得污水厂主管的信任是解决方案的关键任务之一,毕竟他决定了改造最终成功与否。
Jay本人也很快就上手,他现在能够独立对系统进行1-2次的氮磷浓度分析,如果出水TP接近1mg/L的临界线,他会适当增加采样频次。
Jon van Dommelen表示,在做完Bradford的项目后,他还去过其他出现类型问题的污水厂,大多数也是像Bradford这样的小厂,而且也存在进水的溶解性碳源补足的问题。他的工作帮助这些厂原位改造,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,而且是个相对规模更大的污水厂, 设计规模为28000m³/天。2017年,该厂进行扩建,从原有的氧化沟改造成带有外置沉淀池的三区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,污水厂的主管找到了Jon van Dommelen来帮忙。
在出发前,Jon van Dommelen先查看了污水厂的月报,了解进水水质。不出所料,进水的cBOD5常<100mg/L(平均71.5mg/L),没有足够的溶解性碳源进行生物脱氮除磷。
在Niles污水厂,Jon van Dommelen几乎就是重复了在Bradford做的措施。有趣的是,Niles污水厂反而没有Bradford先进——曝气器没有VFDs,搅拌器没有计时器,幸好他们厂区24小时有人值班,所以主管让值班操作工对搅拌器手动进行“开0.5小时/关3.5小时“的模式。,
一周之后,俄亥俄州也开始进入新冠防疫状态,环保署要求员工居家工作,因此Jon van Dommelen不能再去污水厂,他们只能通过手机、邮件保持远程沟通。
但Jon也不需要再去污水厂了——仅仅通过调整搅拌器运作模式,出水总磷就已经得到控制,而且从2020年4月开始就保持达标,和Bradford一样,不需要添加化学剂。
值得一提的是,Niles污水厂的主管很快也给污水厂的搅拌器配上了计时器。
一招鲜吃遍天?
Jon van Dommelen先生的“开0.5小时/关3.5小时”的搅拌模式,已在其他污水厂得到充分验证,可谓“一招鲜吃遍天”。他认为混合液的发酵甜点(sweet spot)范围其实很广,无须死搬他的时间设置,但他的经验无疑是其他同行一个很好的参照起点。
最让他自豪的,还是他不需要污水厂投入太多钱,就能实现所谓高大上的“工艺控制系统”。下图是他的常备工具:
1) 多参数色度计
2) 溶解氧计
3) 碱度测试套件
4) 污水离心机
5) 沉降计
6) 取样器
S2EBPR
话说WEFTEC这篇文章,之所以除了Jon van Dommelen,还有来自Black&Veatch的工程师,是因为Jon van Dommelen做的工作,其实就是在实践Black&Veatch公司著名的“BNR之父”James Barnard博士提出的侧流增强生物除磷 (S2EBPR)工艺
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其实美国已经有多家公司实践S2EBPR技术,且都以类似“花小钱办大事”的形象突显这个工艺技术的优点,例如Brown & Caldwell公司甚至在这基础上推出了低C/N比的好氧颗粒污泥强化脱氮除磷技术
我们总说中国的城镇污水厂也面临着进水低碳氮比和严格出水标准(营养物)的双重压力,同行们是不是应该好好研究一下这套系统在国内的可行性?
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