2020年美國水環境聯盟(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發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在傳統的活性污泥工藝系統里養出了好氧顆粒污泥。近日，相關團隊將項目成果發表于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，隨后進入厭氧區進行生物除磷，然后再進入一個缺氧池進行反硝化。缺氧區和好氧區有一個內循環系統，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。厭氧區占約14%，缺氧區占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，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粒回流到生物反應器中。在不改變原工藝的條件下（如傳統的連續式活性污泥工藝），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，它是調控各種形態的氮的自動控制系統。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式的AvN系統，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，他們會在厭氧區添加乙酸促進PAO的生長。盡管如此，出水不能穩定滿足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境工程系教授的AndrewSchuler早在2002年就在IWA的另一期刊《WaterScience&Technology》上發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中，促進了好氧顆粒污泥的形成和EBPR的穩定性。
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，僅僅通過水廠常規的資金調整預算(capitalimprovementsbudget)就能支付項目費用。
美國水環境聯盟(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。
中國城鎮污水廠也面臨著也進水低碳氮比和嚴格出水標準（營養物）的雙重壓力。隨著這套AvN系統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，甚至培養出自可以生物除磷的顆粒污泥。