新工艺思路| “Carrousel氧化沟 膜过滤”改造北美小型污水厂
东北河深度污水处理厂（NorthEast River Advanced WWTP，NERAWWTP）位于美国马里兰州塞西尔郡（CecilCounty, Maryland），东北河（North East River）隶属美国马里兰州切萨皮克湾的支流。该厂的出水排入切萨皮克湾，排水水质需要符合切萨皮克湾流域的相关法律规定，每日处理量大于1900立方的污水厂均需要满足总氮4.0mg/L和总磷0.3 mg/L的排放标准。
2003年，该厂进行过一次升级，将传统的活性污泥法改建为四级Carrousel®氧化沟工艺。包括两座4637m3的Carrousel®反应器（卡鲁塞尔氧化沟），两座直径为23m的二级澄清器，四个占地面积为11.9m2的砂滤池。设计处理量为7500吨/天，实际处理量为3780吨/天。增设石灰投加系统提供碱度，除磷采用聚合氯化铝化学沉淀。
▲ NERA污水处理厂2003年改造过程
升级之后，出水总氮可以达到3mg/L。虽然现在的日处理量仅为设计流量的一半，但是随着日处理量逐渐加大，水厂已经开始显现一系列的问题：
（1）进水负荷逐渐超过设计值，导致曝气系统始终处于超负荷运行状态。比如，进水BOD5设计值为225mg/L，而实际值为276mg/L。
（2）设计进水流量峰值是平均流量的三倍，但监测到的实际进水流量峰值是平均流量的六倍。导致在峰值流量阶段，澄清器超负荷运行，无法正常进行过滤。
（3）冬季的实际进水温度远远低于设计值，原始设计最低水温为12℃，但实际监测到的冬季最低水温只有9.1℃。
根据马里兰洲环保局出台的最新要求和《切萨皮克湾流域恢复法》的规定，该洲所有“重点”污水处理厂（处理量大于1900立方/天）都需要升级排水为最新标准——总氮4.0 mg/L，总磷0.3 mg/L。同时，NERA污水处理厂由于服务区域的扩容，也准备将水厂的处理能力扩大到17000吨/天。
在内外因的综合影响下，马里兰洲环保局决定向塞西尔郡提供资金拨款，以援助NERA污水处理厂进行升级。该工程由GHD公司承接。
▲ 2003年改造之后的NERA污水处理厂
在污水厂升级改造之前，GHD团队搭建了中试装置，目的是验证污水厂在冬季能否在现有工况下达到新规中对氮磷的要求。中试装置从2010年11月1日开始运行，一直持续至2011年5月5日，平均处理量为3780立方/天。平均进水温度为12.9℃，最低水温为9.1℃。中试实验表明，当水温低于12℃时，污水厂无法维持正常的硝化和反硝化过程，其原因可能是低温时泥龄不足，导致硝化反应无法充分进行。同时，现有的砂滤工艺也不满足处理需求。在中试过程中还发现，由于进水流量过大，不得不多次进行旁路引流。
通过中试试验，确定了四个升级关键点：
（1）在低温条件下，延长泥龄，以确保硝化和反硝化的充分进行
（2）扩容反硝化阶段，确保出水硝酸盐低于1.0mg/L
（3）增加过滤容量，避免旁路引流
（4）每个反应器内增设备用鼓风机
污水厂的提标改造需要考虑两个重点，一是满足新规对排水中氮磷营养物的限定，二是满足污水厂处理量的扩容需求。基于以上考虑，GHD团队提出了三种备选方案：
方案一：新建两座曝气反应池和两座澄清池，将现有的砂滤池更改为深床反硝化滤池。
方案二：用膜过滤系统（MembraneFiltration System，MFS）替代现有的澄清池和砂滤池，改建现有的曝气反应池，将整体污水处理系统改为一座膜生物反应器（MBR）。
方案三：将氧化沟改建为磁粉强化污水处理工艺（magnetiteballasted reactors system），新建两座澄清池，并取消现有的砂滤池。
▲ NERA污水厂鸟瞰图
显然，成本最低和最高分别是第一和第三方案。在第一方案中，每座Carrousel氧化沟内需添加一个机械式曝气器，在冬季时，可将后部缺氧段改为好氧过渡区，从而延长好氧泥龄，确保硝化反应充分进行。除此之外，新建一座具有投碳系统的深床反硝化滤池。
如果综合考虑扩建水厂（至17000立方/天）的投资与生命周期总成本，最佳方案应是方案二。因为膜过滤系统可以接受双倍于Carrousel氧化沟的进水负荷，相当于双倍延长污泥龄，双倍扩容现有的处理单元。有效解决了在有限的地域内，未来水厂扩容的需求。
基于以上综合考虑，GHD团队决定采纳方案二。
改造后工艺布置见下图。每座Carrousel氧化沟增加一台机械曝气器。为了强化系统的脱氮能力，现有的好氧消化区在反应器末端改造为一段转换区。保留化学法除磷。考虑今后水厂将扩容至17000立方 / 天，在每个Carrousel氧化沟前端增设预缺氧区，以减少除磷的化学药剂需求。将澄清池和砂滤池改为两套MFS膜系统，并额外增加两套MFS膜系统以应对进水大流量的突发情况。
▲ NERA污水处理厂改造工艺布置图
Carrousel氧化沟和MFS膜系统的设计标准参见表1。在规划阶段之后，GHD团队开始开展工程实施，制定采购文件以及预选MFS系统的设备。评估团队对成本和技术方法进行评估，综合评估了三家中空纤维膜生产商的建议，最终选择GEZenon的LEAP MBR系统。
▲ NERA污水处理厂的升级设计标准
原有系统的两套氧化沟分两批次进行改建。第一批系统改建时，保留一条Carrousel氧化沟和澄清池继续运行。首批改建完成于2015年秋季，2015年11月7日，第一批新的氧化沟和MFS系统同时启动。接下来，开始第二批系统改建，第二批系统于2016年4月6日投入运行。第一批改建后的氧化沟在历经第一个冬季时，硝化反应运行完全正常，反硝化反应运行基本正常。表2反映了新系统的初始运行数据，启动时，MLSS为5000mg/L，到第二年4月时，MLSS升至设计值8000mg/L。
▲ 改建后的NERA污水厂，改建的Carrousel氧化沟位于图片前部，MFS膜系统位于图中左上角
▲ 污水厂运行之初的进出水数据
2017年，马里兰洲出台《2018年度能源水基础设施计划》，马里兰洲环保局将在2018年内向全洲拨款800万美元，用于支持污水处理厂的能源减排和替代能源项目研究。其中，塞尔西郡政府可获得拨款18.8万美元，用于给NERA污水处理厂安装太阳能光伏板。太阳能光伏板将安装在MFS工艺段的屋顶上，预计完工之后，太阳能光伏板的年发电量为8万千瓦时，可以满足本厂5%的电力需求。
“Carrousel五级氧化沟+膜过滤系统（MSF）”的工艺组合在北美地区非常少见，在切萨皮克湾地区三百多座进行升级改造的污水处理厂的工艺选择中，也是独一无二的。
NERA污水处理厂选择采用“Carrousel五级氧化沟+膜过滤系统（MSF）”的工艺组合进行升级改造，新工艺于2015年底投入使用，实际运行数据表明，该工艺组合完全可以实现新规中总氮＜4.0mg/L，总磷＜0.3mg/L的要求。目前，NERA污水处理厂的处理能力为7500吨/天，因为设计和施工时已经进行了预留，所以该厂未来完全可以在不扩大占地的前提下，将处理能力提高至17000吨/天。该工程的总成本为2610万美元。
参考资料
Thor Young, Wastewater treatment facility upgrade uses combination of technologies to solve nutrient removal challenges, Water Practice & Technology. Vol 12, NO 2, 251-259, DOI:10.2166/wpt.2017.029