低碳氮比下的主流短程脱氮方案研究——HRSD案例分享
HRSD全称Hampton Roads Sanitation District （汉普顿路卫生事业局）成立于1940年，位于佛吉尼亚州南部，毗邻切萨皮克湾 （Chesapeake Bay），是真正的区域性实体机构，不受任何司法管辖区控制。作为佛吉尼亚州政府下属的独立分支机构，HRSD由州长直接任命官员进行监督，主要为佛吉尼亚州东部和南部片区18个城镇，约170万人口（弗吉尼亚州1/5的人口）提供污水处理服务。服务区域拥有完全的雨污分流系统，每个汉普顿路社区都有各自的雨水管理计划。目前，HRSD运营着9座大型污水处理厂和7座小型污水处理厂，总日处理量为250MGD（约95万吨）。污水收集管线总长约805公里，拥有泵站超过100座。
图. HRSD运营污水厂分布图
切萨皮克湾 (Chesapeake Bay) 是美国第一大海湾，其流域涉及多个行政州。由于长期面临水体富营养化、生态功能退化、渔业减产等环境问题，美国联邦政府与海湾流域内各州政府在1983年成立了跨区域治理的切萨皮克湾项目 (Chesapeake Bay Program)，负责切萨皮克湾流域治理的协调与监督。2010年12月29日，EPA（美国环保署）颁布了Chesapeake Bay TMDL（total maximum daily load），规定了切萨皮克湾每个流域段的营养物负荷分配，要求各州在2025年完成所规定的针对氮，磷和沉积物的减排任务（2017年完成60%，2025年完成100%）。
HRSD运营的污水处理厂出水主要排入詹姆斯河（James River），约克河（York River）和拉帕汉诺克河（Rappahannock River），最终流入切萨皮克湾。因此联邦政府强制要求HRSD污水处理厂减少向切萨皮克湾排放营养物。TMDL颁布后，HRSD投资了1.43亿美金用于营养物减排计划。此外还升级了两座大型污水处理厂的营养物去除设施来满足2017年中期要求。其中Army Base 污水厂耗资1.23亿美金进行升级改造，包括深度营养物去除（Enhanced Nutrient Removal, ENR）设施，每年能够减少约204吨总氮排入詹姆斯河下游区域；VIP污水厂也耗资1.53亿美金，计划每年减少每年182吨总氮排放。HRSD所做的工作和投资使弗吉尼亚州在2018年就提前完成了2025年的目标。
纵观HRSD发展史，不断变化、日趋严格的法规一直在敦促HRSD寻找、开发和实施创新解决方案，以满足新标准对服务区域的水质要求。污水厂的处理过程已从初级发展到二级，再到目前的三级处理（营养去除）。每一次的法规变更都需要HRSD在新的处理工艺上进行大量投资。
HRSD也从事大量的研发工作，积极在国际上发声，深入与高校和水司的（跨国）合作，寻找具有成本效益、可实际应用的新的营养物去除解决方案。
现阶段，HRSD污水厂的出水已经非常干净，甚至优于地表水，只要再经过一些处理便可达到饮用水水质标准。面对种种挑战，如切萨皮克湾生态修复、地下水储量枯竭，海平面上升以及沿海地区地下水海水污染等，HRSD考虑投资更多的工艺深度处理污水至饮用水水质标准，稳定减少排入切萨皮克湾的营养物，降低排放压力，同时补充地下蓄水层，提供可持续的地下水源。
2016年，HRSD提出SWIFT（the Sustainable Water Initiative for Tomorrow）水处理创新计划，将原本要排入伊丽莎白河、詹姆斯河以及约克河（最终汇入切萨皮克湾）的7座污水厂尾水进行深度处理生成“SWIFT WaterTM“，即达到饮用水水质标准的水。SWIFT WaterTM将用于补充波托马克含水层（Potomac Aquifer）——HRSD服务区域内最大的地下水源，减缓由于过度抽取地下水而导致的地面沉降速度，并通过加压来阻止海水入侵淡水屏障。
表 基于20MGD处理能力的投资运行成本对比
之后，HRSD在位于萨福克市的南塞蒙德污水处理厂（Nansemond WWTP）内建立了一个日处理量为4000立方米的研究中心，来验证该规模运行项目下的 SWIFT WaterTM符合基本饮用水标准并且与能够补给马克含水层。根据之前的中试项目运行结果对比，臭氧/活性炭处理工艺因其系统性能好，成本与RO工艺比较低，无需处理和排放盐水，且最终出水预计能与天然地下水兼容，因此被选为研究中心项目的处理工艺。
SWIFT 研究中心项目于2018年开始运行，每天向波托马克含水层补充约4000立方米的SWIFT WaterTM。SWIFT计划2020至2032年期间在5座污水厂实现共40万吨日产量的SWIFT WaterTM。（http://swiftva.com/）
图. SWIFT研究中心
图. SWIFT研究中心项目处理工艺流程图
1. SWIFT WaterTM水质监管——总氮
弗吉尼亚州联邦政府未对SWIFT研究中心UIC（Underground Injection Control）项目授权，由美国EPA直接授权监管。但是在整个过程中，EPA一直征求弗吉尼亚州卫生局（VDH）和弗吉尼亚州环境质量局（DEQ）的意见。自项目启动以来，HRSD已与所有监管利益相关者（EPA/VDH/DEQ）及各地区利益相关者举行了公开研讨会，以确保各方一致认该项目的战略计划。
SWIFT研究中心通过EPA UIC（Underground Injection Control）项目批准，产生的SWIFT WaterTM可用于补充托马克含水层。UIC项目专门为保护地下水饮用水源而设立，因此SWIFT WaterTM必须要满足UIC项目对其设定的水质目标，特别是总氮（TN），MCL（maximum contaminant level）必须要满足月均值（monthly average）在5 mgN/L以内且日最高值（daily maximum）为8 mgN/L，此外，项目由于重要性和特殊性，还明确要求上游污水厂的二级出水总无机氮（TIN）的瞬时浓度（on an instantaneous base）必须保持5 mgN/L及以下。Charles博士提到，HRSD污水厂的出水总氮（TN）平均在4-8 mgN/L之间，而且SWIFT深度处理过程又会给出水增加1 mgN/L的氨氮，因此必须要保证污水厂二级出水的总氮浓度月均在3.5 mgN/L及以下才有可能满足要求。
表. SWIFT WaterTM水质（无机物）现状及标准
因此，除了SWIFT项目设施的设计与建造外，HRSD还需要对现有污水处理厂进行改进，保证二级出水稳定达标，特别是总氮。
2. HRSD污水厂现状（南塞蒙德污水厂）
HRSD运营的污水厂处理工艺主要分为一级处理、二级处理以及三级处理。一级处理主要包括格栅、沉砂池及初沉池；二级处理为活性污泥法生物除COD和二沉池；三级处理包括脱氮除磷和后续的消毒等过程。Charles博士以SWIFT研究中心所在的南塞蒙德污水处理厂为例，详细介绍了主流脱氮工艺改进的研究历程。
南塞蒙德污水处理厂日处理量为12万吨，采用5级巴颠甫工艺（Bardenpho）。在脱氮单元，主要采用基于氨氮的曝气控制（ammonia-based aeration control, ABAC）优化出水氨氮浓度并减少能耗和药耗；以及根据出水硝酸盐浓度来调控甲醇投加量。
Charles博士也提到过去几年针对主流短程脱氮PNA工艺的研究比比皆是，但是真正能够应用的却寥寥无几。因此，HRSD也逐渐将研究重心由原来的主流PNA工艺转移到稍微“迂回“的PdN-AnAOB工艺。
1. 中试厂
HRSD于2011年在切萨皮克-伊丽莎白污水厂（Chesapeake-Elizabeth WWTP）建立了一个中试厂，主流采用A/B工艺。A/B工艺是双污泥系统，其重点在于A段的碳吸附和捕获，以及B段的生物脱氮。A段是高速活性污泥系统，好氧反应器中的HRT为30分钟，SRT为6小时，DO浓度低于0.5 mg O2/L。A段可以有效捕获碳并将其从系统中除去，同时还可以为B段提供稳定的进水COD/N。B段由多个串联的CSTR反应池组成，间歇性曝气以提供有氧区和缺氧区，可以通过调控SRT和HRT来优化提高脱氮效率。B段工艺，也是该研究的核心，由AvN调控的Nitrite-shunt工艺（短程硝化反硝化，即nitritation-denitritation）后接深度脱氮AnAOB MBBR工艺组成。
图. 中试研究工艺示意图
自明确了主流PdN-AnAOB的研究之后，HRSD近期主要研究目标为在降低能耗和药耗的情况下仍能实现和传统生物脱氮工艺一样的脱氮效率：
(1) 在不增加投加碳源或降低投加碳源的条件（低碳氮比）下，提高TIN去除率：
抑制完全反硝化，优化厌氧氨氧化过程脱氮；
主要通过AvN段调控以及MBBR段出水硝酸盐调控
(2) 测试不同碳源对系统部分反硝化能力的影响：
测试碳源为：丙三醇、乙酸盐和甲醇；
提出设想：相较于甲醇，丙三醇和乙酸盐更有利于部分反硝化的发生
（1） 'AvN+'工艺中试装置
图. AvN段曝气调控示意图以及MBBR反应器装置图
曝气池通过AvN调控以及好氧SRT调控实现间歇性曝气并缩短好氧区，以此来抑制NOB活性（非主要目的），同时调控进入MBBR段的NOx/NH4比。
(2) 系统参数设置及运行结果
在之前DC Water的研究中提到，COD/NO3--N比值并不直接影响PdN的发生，实则反应池内的硝酸盐浓度是PdN路径的开关。HRSD同样也做了以丙三醇为碳源的MBBR反应器的PdN实验室测试，同样发现系统内硝酸盐浓度低于2 mg N/L的时候，PdN开始转为FdN。
同时，根据AnAOB进行厌氧氨氧化的化学反应，可以知道，每消耗1 mol氨氮需要1.32 mol的亚硝酸盐氮，同时生成0.26 mol的硝酸盐氮，理论上，进入AnAOB MBBR段的NO3—N/NH4+ -N比值应设定为1.06（=1.32-0.26）。因此HRSD调控AvN段出水氨氮浓度等于硝酸盐氮浓度（不考虑NOB抑制和亚硝酸盐的积累）。
在中试运行期间，HRSD测试三种碳源的PdN转化率及TIN去除，发现在系统稳定运行并实现前端有效AvN调控的情况下，系统的出水TIN能够保持在5 mg N/L以下。其中丙三醇和乙酸盐均能实现较高的PdN转化率，能达到90%以及上；甲醇也能实现近74%的PdN转化率，并且能够在较高进水TIN的情况下仍能保持较低的出水TIN。
图. MBBR段不同碳源投加下的TIN去除和PdN转化率
（3） 药耗成本分析
表. 不同碳源下的传统生物脱氮工艺与PdN-AnAOB工艺药耗成本对比
经过中试研究，HRSD认为如果能够将AnAOB维持在系统内（比如MBBR系统），同时对前端AvN段进行严格有效的调控，并对MBBR段的出水硝酸盐进行调控来投加碳源，能够很好地实现PdN转化率并且耦合厌氧氨氧化去除TIN。Charles博士表示接下来的研究工作主要集中在污水厂MBBR系统的启动以实现PdN-AnAOB工艺。
4. PdN-AnAOB在反硝化深床滤池中的应用
HRSD运营的York River污水厂日处理量为13 MGD（约5万立方米），进水COD为330 mg/L，总凯氏氮为34 mg/L。初级出水COD为225 mg/L。HRSD将该污水厂原有的反硝化滤池（deep-bed denitrification filters）改造成为PdN-AnAOB工艺，通过控制系统内硝酸盐浓度来严格反馈调控碳源投加（该案例中仍为原来的甲醇），并对前端间歇曝气池进行严格的AvN调控，同时减少反冲洗（backwash）和气体冲刷（air scour）来维持系统内的AnAOB。
运行结果显示（图33），在现阶段的运行条件下，反应池内氨氮去除可以达到2-3 mg N/L，有时候可以达到4-5 mg N/L。从图中可以看出，氨氮的去除主要受限于AnAOB在系统内的活性。经过对比，PdN-AnAOB工艺的甲醇投加量与硝酸盐去除量的比值（COD/NO3 rem）在2.5-3，而完全反反硝化工艺的比值约为4.8，由此可见，PdN-AnAOB的确可以大大减少碳源消耗。
图. York River污水厂处理单元以及深床滤池结构图
图. PdN-AnAOB工艺与完全反硝化工艺碳源投加对比
六. 小结
主流短程脱氮工艺的发展代表了废水处理的模式转变，由单纯的废物处理向可持续脱氮，能源中和甚至能源正向的方向发展，为的大幅降低处理成本提供了机会。结合DC Water悬浮生长系统和HRSD附着生长系统下PdN-AnAOB工艺的研究，主要结果总结如下：
（1） 系统内硝酸盐残留浓度是实现有效PdN路径的关键因素
控制PdN途径与底物的利用率（COD added/N）无关，仅取决于硝酸盐残留浓度。PdN段通过设定系统内残留硝酸盐浓度（> 1.5-2 mg N / L）来调控碳源投加；
当系统内残留硝酸盐浓度较低时（低于转折浓度），微生物仍保持进行FdN的能力。这样可以减少由于工艺不稳定造成出水TN超标的风险。PdN路径调控可以管理微生物的新陈代谢，但并没有趋于驯化出某一特定微生物种群，使得PdN-AnAOB工艺的实际应用变得简单灵活。
（2） 碳源评估和工艺性能证明
在DC Water和HRSD中试研究中，经过不同碳源的测试和系统运行，PdN转化率平均能分别达到85±18％和90±11％，出水TIN水平也能保持低于5 mg N/L。
（3） PdN-AnAOB工艺与NOB抑制策略相结合
DC Water研究中为单一混合悬浮污泥系统：AvN调控下，总氮去除率能达到30-50%，PdN-AnAOB段总氮去除率能达到35%；
HRSD研究为两段式污泥系统，其中PdN-AnAOB段为附着生长）：AvN调控下，总氮去除率能达到49%，PdN-AnAOB段总氮去除率能达到13-40%；
两种工艺结构和配置均能实现出水总氮小于5mg N/L。
PdN-AnAOB概念的发展是污水处理在线过程控制（online process control）以选择和管理微生物来实现可持续处理的一个很好的例子。对于DC Water和HRSD来说，将这些知识转化为实际、全面的应用是一项至关重要的持续工作。据估计，如果再Blue Plains污水厂全面实施这些概念，每年可以节省300万至600万美元的运营成本。HRSD将在James River污水厂和York River污水厂升级改造脱氮工艺，全面实施PdN-AnAOB（York River污水厂已初步实施运营，需进一步优化），这是优化系统脱氮性能和提高稳定性的重要部分，为支持SWIFT计划提供了更加可靠稳定的水源。