2020年美国水环境联盟(WEF)将当年的杰出项目奖(ProjectExcellenceAward)颁给了科罗拉多Pueblo城污水处理厂。获奖理由是它用既经济实惠又可持续发展的方式完成升级改造，以应对科罗拉多州更严格的水质标准。所谓的又便宜又好的方法是他们利用一套自控系统在传统的活性污泥工艺系统里养出了好氧颗粒污泥。近日，相关团队将项目成果发表于IWA期刊《WaterResearch》。
图.JD再生水厂鸟瞰图|图源：BrownandCaldwell
JD再生水厂概况
Pueblo是科罗拉多州下属的一个城市，人口约10万。当地唯一的城市污水处理厂叫JamesR.DilorioWaterReclamationFacility(本文简称JD再生水厂)，设计规模约60000m³/天，实际处理量约35000m³/天。这个污水厂有两条平行处理线，采用Johannesburg工艺（因由南非约翰内斯堡大学创立，简称JHB工艺）。JHB工艺是针对碳源不足而提出的改良A2/O工艺——二沉池出来的回流污泥先经过预缺氧池进行去氧(deoxygenation)和反硝化，并且和初沉池出水混合，随后进入厌氧区进行生物除磷，然后再进入一个缺氧池进行反硝化。缺氧区和好氧区有一个内循环系统，为反硝化提供硝氮。该厂在改造前已经是一个再生水厂，出水经过UV消毒后排入阿肯萨斯河，并有污泥厌氧消化处理，污泥经处理后可做农用。
图.JD再生水厂的工艺流程简图：该厂JHB工艺段总SRT为10-12天，其中好氧SRT为7-8天。厌氧区占约14%，缺氧区占18%|图源：ScienceDirect
更严的出水标准
为了减少州内湖泊、河流和溪流的藻华问题，科罗拉多州于2012年出台了新的点源营养物排放标准，并分两个阶段完成：在第一阶段设定了一个需要近期达到的水平(出水总氮年均<15mg/L，总磷年均<1mg/L)，然后在2027年会有一个更低的标准(出水总氮年均<2.01mg/L，总磷年均<0.17mg/L）。JD再生水厂需要在2021年4月前完成第一阶段的要求，而且如果水厂能越早完成第一阶段的目标，可以获得更长的时间豁免来实现第二阶段的目标
图.科罗拉多已有污水厂和新厂目前要执行的氮磷出水标准|图源：USEPA
解决方案
满足新的出水标准并不困难，但如果常规的升级手段，需要购置大量设备/设施，成本可能在2500-3000万美元。这对Pueblo的水务部门来说太贵了，毕竟Pueblo城有超过1/4的市民生活在联邦贫困线下，因此他们希望有更经济实惠的选择。
面对这个新的挑战，JD再生水厂征集到了9种不同的方案，最后BrownandCaldwell公司的Ntensify脱颖而出。因为后者说只要一套叫AvN的曝气控制系统和一个叫InDense的旋流分离器，就能实现甲方的需求。
Ntensify
在这个项目里，JD再生水厂安装了两套inDENSE单元，如下图所示每个单元有四个旋流分离器(每个处理量为10m³/h)。约6%的回流污泥会先经过inDENSE的处理。
图.JD再生水厂安装的旋流分离器的上方外观|图源：municipalwaterleader.com
其实IWA在之前的推送就介绍过inDENSE工艺，它是DEMON厌氧氨氧化工艺使用的水力旋流器（hydrocyclone）的延伸应用，它对二沉池排出的污泥进行筛选，将沉降性能好的污泥颗粒回流到生物反应器中。在不改变原工艺的条件下（如传统的连续式活性污泥工艺），inDENSE大大提高污泥容积指数（SVI）的表现，无需新增二沉池就能解决混合悬浮固体沉降性差的问题。另外，这项技术还附带强化生物除磷（EBPR）的作用，解决传统活性污泥工艺常见的污泥膨胀问题，提高污水厂的实际处理能力。
图.InDENSE的工艺流程简图
JD再生水厂在安装inDENSE单元后的三周内，污泥容积指数（SVI）将很快从180mm降至约90mm。SRT也从6天提升至超过10天。
表.JD再生水厂不同时期的SRT和SVI比较
图.A)安装旋流分流器前后的SVI对比；B)安装旋流分离器后的SVI30/SVI5趋势
除了inDENSE，AvN系统也是另一个重要组成。AvN全称是AmmoniavsNOx。顾名思义，它是调控各种形态的氮的自动控制系统。它具有极大的灵活性，能够帮助污水厂满足出水氨氮和总氮的排放标准。
BrownandCaldwell公司称这是目前全球首个连续式的AvN系统，和此前的间歇式有所不同——前者基于不断变化的溶解氧水平(DO)，后者则是对好氧和缺氧条件的转换次数(曝气时间控制器)。在连续式的AvN里，氨氮传感器测得的浓度会与好氧池出水的NOx浓度进行实时比较，确保出水的NH4-N和NOx-N比例维持在1:1的水平。这套连续式AvN包括了在线的DO传感器、亚硝氮/硝氮UV传感器和氨氮传感器。
生物除磷
JD再生水厂在这次改造前就已经有强化生物除磷(EBPR)，但为了由于碳源不足，他们会在厌氧区添加乙酸促进PAO的生长。尽管如此，出水不能稳定满足TP<1mg/L的要求。安装旋流分离器三个月后，如下图所示，出水TP有显著降低，并稳定保持在1mg/L以下。历史数据显示EBPR在冬季期间(12月-3月)波动更大，导致除了外加碳源，还需要化学除磷，也就意味着要使用聚合氯化铝(PAC)。引入Ntensify后，EBPR能顺利度过冬季考验，也无需添加乙酸和PAC了。
图.A)2019年6月安装旋流分离器后出水TP的情况;；B)改造前后污水厂在冬季的出水TP的对比
为什么会这样呢？污水处理界的丝状菌研究鼻祖DavidJenkins教授的学生、现任新墨西哥大学土木及环境工程系教授的AndrewSchuler早在2002年就在IWA的另一期刊《WaterScience&Technology》上发表过文章研究其原因。他们认为PAO菌本身就比其他丝状菌要更重、更致密，旋流分离器能有效将它们和其他丝状菌分离并回流到系统中，促进了好氧颗粒污泥的形成和EBPR的稳定性。
另外研究团队还考察了低DO(0.2mgO2/L)对生物除磷的影响，结果显示EBPR表现不会受此影响，而且在缺氧区存在的很有可能是DPAO(反硝化聚磷菌)，也就是能同时脱氮除磷的微生物——这些微生物也有助于减少进入后续曝气池的碳负荷，从而对降低能耗做出贡献。
Commamox
改造后出水中总无机氮(TIN)的浓度约为11mg/L，远低于15mg/L标准。改造前水厂的出水TIN在15-20mg/L之间浮动。更可喜的是，这是在初沉池出水低C/N比(6.0±1.6)的条件取得的效果，这说明脱氮表现十分良好。
在过去，JD再生水厂的DO一般在>2mgO2/L，水厂需要两台曝气风机(每台8374Nm³/h)，安装了AvN系统只需一台风机就够了，甚至一台风机都嫌过量了，这就已经意味着能省下50%的曝气能耗。更有趣的是，研究团队测出这些能适应低DO条件的硝化菌为comammox（完全氨氧化菌）。
更广的应用前景
据JD再生水厂负责人NancyKeller女士介绍，这次升级改造只花了他们200万美元不到的费用，在出水满足标准的同时，水厂每年可以在化学品和能耗上分别节省30万和15万美元的经费，污水厂的处理能力还提高了约30%。污水厂甚至不需要借钱，仅仅通过水厂常规的资金调整预算(capitalimprovementsbudget)就能支付项目费用。
美国水环境联盟(WEF)也对项目成果表示认可，他们给这套低DO的生物脱氮除磷系统20万美元的资助，连同几个水务局提供的80万经费，项目总金额达100万美元。这个项目由Brown&Caldwell、堪萨斯大学和Black&Veatch的专家为主建立研究团队，探索低DO生物脱氮除磷的管理方法，阐明工艺机制，协助水务公司制定决策树，编写设计/运行/建模指南。
中国城镇污水厂也面临着也进水低碳氮比和严格出水标准（营养物）的双重压力。随着这套AvN系统在全球各地案例的积累，中国同行也可以关注如何通过实时在线曝气调控来控制生物途径，实现低碳氮比的生物脱氮，甚至培养出自可以生物除磷的颗粒污泥。