一級A 標準污水處理廠工藝運行診斷方法的構建

顧慰祖

（無錫市錫山區環境科學研究所有限公司，江蘇 無錫 214000）

目前，一級A 標準的污水處理廠運行中存在無法穩定達標和運行成本較高等問題，如何使污水處理廠穩定運行成為污水處理廠運行人員急需解決的問題。本文創建了一套系統性的污水處理廠優化調控診斷方法，該方法以污水處理廠歷年數據為基礎，通過對污水處理廠進行工藝全流程功能測試、功能區指標模擬測試和針對性模擬優化測試，分析該污水處理廠工藝運行狀態，得出工藝運行關鍵問題，結合活性污泥建模與優化調控分析，最終提出工藝運行優化方案。

1 污水處理廠水質分析方法的建立

下面以華東某污水廠作為對象進行分析，通過對污水處理廠的歷史進水水質數據分析，以24 h 進水水質數據（COD、BOD5、TN、TP、NH3-N、SS）進行統計，分析BOD5/COD、BOD5/TN 和BOD5/TP 等影響氮磷出水穩定達標的關鍵指標，對污水處理廠穩定運行產生影響的主要因素進行污染物特征識別，可對達標穩定性難度進行初步分析；通過對污水處理廠的歷史出水水質數據24 h 出水水質數據進行統計分析，分析出水基本水質參數變化情況，可甄別影響該污水處理廠穩定運行的主要水質參數，并得出不同時間段所需要針對的主要污染物，得出污水處理廠不同時間段的針對性運行策略；通過分析水質數據可知，目前，污水處理廠歷年進出水水質數據季節波動性較為明顯，24 h 進出水水質數據隨時間波動明顯，因此歷年水質數據以24 h 水質數據可作為污水處理廠水質分析的重點，了解污水處理廠的水質波動情況，可為調控污水處理工藝奠定基礎。

結合目前進出水水質數據分析方法，確定所使用的歷年數據分析方法為：對污水處理廠的進出水基本水質參數（如COD、BOD5、TN、TP、NH3-N、SS 等）進行統計，得出污水處理廠進出水各基本水質參數的年變化規律曲線，從而得到各基本水質參數的時間變化規律（如季節變化、溫度變化）；對目標污染物進出水數據進行統計，得出目標污染物累計分布特征；對BOD5/COD、BOD5/SS、BOD5/TN 及BOD5/TP 進 行統計，得出進水關鍵指標的累計分布曲線，從而對污水處理廠穩定運行產生影響的主要因素進行污染物特征識別；通過以上數據分析，最終得到不同時間段污水處理廠運行狀態特征，推測影響出水穩定達標因素。

2 工藝全流程測試方法的建立

工藝全流程測試可為污水處理工藝的運行狀態調控提供依據，工藝全流程測試其本質是根據污水處理工藝功能區的劃分，在每個功能區進行布點取樣，根據功能區所設定的目標污染物設計檢測項目（如厭氧釋磷區測定TP、PO43--P 濃度，反硝化區測定TN、NO3--N 濃度），根據設計檢測項目的濃度變化，對該功能區進行運行狀態評價，最終對該工藝提出優化運行方案。目前，大多數工藝流程測試分析針對指標較少，解決污水處理廠某一類問題，不能全面分析污水處理廠工藝的運行狀態，因此需要建立較為全面詳細的全流程分析方法[1]。以華東某污水處理廠A2O-MBR 工藝為例，筆者進行了工藝全流程功能測試分析，該工藝運行規模1.5 萬t/d，出水執行一級A 標準。

2.1 取樣點設置

根據該廠工藝流程設置的沿程，COD、TN、NO3--N、NH3-N 指標取樣監測點如下：旋流沉砂池出水、膜格柵出水、厭氧池、缺氧池、好氧池前端、好氧回流口、好氧末端、膜池、出水。

2.2 TN、NH3-N、NO3--N 沿程變化情況

該污水處理廠工藝沿程中，進水以TN 和NH3-N為主，占95%左右，出水以TN 和NO3--N 為主，占82%左右。由試驗數據可知，TN、NO3--N 在缺氧池明顯下降，說明該廠工藝缺氧段反硝化效果好，脫氮效果明顯，NH3-N 從缺氧區至膜池逐漸降低，說明除了在好氧池發生硝化反應，污水在進入膜池后仍發生硝化反應。

2.3 沿程COD 去除情況

工藝沿程中，旋流沉砂池和膜格柵出水COD 分別為436 mg/L、434 mg/L，SCOD為178 mg/L、152 mg/L，這說明該廠進水不溶性COD 較多，COD 到厭氧池迅速降至80 mg/L 左右，從厭氧池到缺氧池COD 下降較快，而從缺氧池到好氧池COD 下降較慢，這說明生化反應先消耗易降解的COD，而難降解COD 較難分解提供生化反應的能量，下降速率比較慢，該廠碳源不足，需要外加碳源。

2.4 測試過程

通過以上測試分析，可確定全流程測試方法：根據污水處理工藝進行沿程采樣布點，從一級處理工藝開始，至二級處理工藝、三級處理工藝等，最終至出水，每個處理工藝單元取1～4 個采樣點（根據實際情況酌情考慮，一般一級、三級處理前后取1 個點，二級處理每個工藝段取2～4 個點）；采樣后按照所需研究目標進行水質檢測，如需要對工藝進行全面檢測，則需要對工藝單元進行COD、SCOD、TN、STN、TP、STP、NH3-N、NO3--N、PO43--P 等水質指標測定，通過對目標污水處理廠的沿程COD、TN、NO3--N、NH3-N 指標的監測，可很清晰地了解污水處理廠各污染物的降解速度和進程，從而給工藝調控提供確切的依據。

3 功能區指標模擬測試方法的建立

常見功能區指標模擬測試指標為硝化速率、反硝化速率及釋磷速率，目前常用測定方法有兩種，一種為實際工程中利用進出水NH3-N、NO3--N、PO43--P濃度情況，結合水利停留時間算出活性污泥硝化速率、反硝化速率及釋磷速率；另一種為取出相應功能區部分活性污泥，進行小試試驗，測定這三項指標。因實際工程運行影響的因素復雜性（如進水水質變化、回流量變化等），計算實際活性污泥硝化速率、反硝化速率及釋磷速率誤差較大，因此大部分學者使用第二種方法。對華東地區某污水處理廠A2O-MBR 工藝活性污泥進行功能區指標模擬測試分析，主要測定硝化速率、反硝化速率和釋磷速率，分別考察該工藝活性污泥的硝化能力、反硝化能力和生物除磷能力。

3.1 硝化速率

該污水處理廠的活性污泥硝化速率，數值為 3.58 mgNO3--N/gVSS·h，表明該污水處理廠活性污泥硝化效果略低于正常水平（該地區污水處理廠活性污泥硝化速率一般為4～6mgNO3--N/gVSS·h），但因進入膜池的NH3-N 濃度相對較高，膜池提供了良好的硝化環境，因此膜池仍會發生硝化反應，降低NH3-N 濃度。

3.2 反硝化速率

該污水處理廠活性污泥反硝化速率，第一段反硝化速率為1.52 mgNO3--N/gVSS·h，第二段為 0.74 mgNO3--N/gVSS·h，該廠反硝化速率較低（該地區污水處理廠反硝化速率一般為4～6 mgNO3-- N/gVSS·h），可能是因進水碳源較少導致反硝化速率較低，第二時段易降解碳源被利用完，碳源更少導致反硝化速率進一步降低，故該廠可能需要外加碳源以提高工藝反硝化能力。

3.3 釋磷速率

該廠污泥釋磷速率，第一段釋磷速率為6.83 mgPO43-- P/gVSS·h，第 二 段 釋 磷 速 率 為0.62 mgPO43-- P/gVSS·h。經測試發現該污水處理廠生物釋磷速率較高，生物除磷效果較好；加進水的釋磷速率一開始較高，后來降低，原因是進水中的優質碳源被利用完，厭氧釋磷只能利用難降解碳源，因此釋磷速率降低。

3.4 測試過程

通過以上測試發現，對活性污泥進行硝化速率、反硝化速率、厭氧釋磷特性等功能區指標進行靜態試驗，人們可判斷污水處理廠活性污泥微生物的脫氮除磷能力，結合生物系統功能區實際水力停留時間等指標可核算生物系統的處理潛力，進而對污水處理廠工藝運行狀態進行評估。

4 針對性模擬優化測試分析方法的建立

不同污水處理廠因進水、工藝和運行管理間的差異，存在不同的問題，因此需通過歷年數據分析、工藝全流程功能測試分析、功能區指標模擬測試分析找出該廠特定的問題，并對這些問題尋找解決方案。通過對一級A 標準城鎮污水處理廠實際運行問題進行研究，筆者發現，多數污水處理廠存在氮磷去除效果不佳等問題，以華東某污水處理廠A2O-MBR 工藝為例，對該污水處理廠存在化學除磷效果不佳現象進行針對性模擬優化測試分析，運用化學除磷藥劑篩選試驗，針對該廠篩選最佳化學除磷藥劑，同時確定最佳投藥量。

由試驗可知，該污水處理廠化學除磷協同生物除磷試驗中上清液PO43--P 的濃度隨投藥量的增加而減少，化學除磷藥劑仍對PO43--P 的去除具有較明顯的效果。對比發現，聚合硫酸鐵除磷效果最佳，聚合氯化鋁次之，而聚合氯化鋁鐵去除效果最差。通過計算可知，投加相同量的除磷藥劑，聚合硫酸鐵比聚合氯化鋁的去除率高16.1%，建議該污水處理廠使用聚合硫酸鐵作為化學除磷藥劑。

將模擬優化測試分析方法運用于實際污水處理廠，可對污水處理廠的工藝運行狀態進行模擬，還可為擬進行的工藝優化調控方案進行測試，驗證工藝優化方案可行性，從而達到優化污水處理工藝運行方式的目的。

5 活性污泥建模與優化調控分析

本文使用廣泛運用于污水處理廠工藝調控的BioWIN 模型對污水處理廠進行活性污泥建模，首先需要根據污水處理廠工藝實際情況建立模擬工藝的概化模型，并進行參數設定。模型的輸入參數包括構筑物尺寸、有效水深、污泥回流量、剩余污泥量、溶解氧等參數，進水特征參數輸入模型。然后，需要確定關鍵參數，其數值的確定方法有兩種，一種是通過試驗進行測定；另一種是通過數值試算使得模擬結果逼近實際情況，從而獲得參數的估測值。從原理上看，前一種方法較為準確，但活性污泥模型中的許多參數的測試方法迄今仍不夠成熟；后一種方法能夠獲得較好的模擬效果，但具備一定程度的灰箱性質，難以對參數值的確定作出具體解釋[2]。因此，實際模擬過程中往往對這兩種方法結合使用。

以華東某污水處理廠A2O 工藝為例進行建模分析，主要分析回流比對各出水水質指標的影響。根據污水處理廠實際工藝流程、進水水質活性污泥基本參數建立概化模型，由模擬結果來看，春夏季時增大內回流比能有效降低出水COD、TN、NH3-N 和TP 濃度；增大外回流比能降低出水TN、NH3-N 濃度，但會導致出水TP、COD 濃度升高，且外回流增大到100%時，出水TP 濃度超過0.3 mg/L。秋冬季時增大外回流比能有效降低出水TN、NH3-N 濃度，但出水TP、COD濃度會隨之上升；在一定范圍內增大內回流比會降低出水TN、NH3-N 和COD 濃度，但當內回流比達到800%后出水TN 濃度上升，出水總磷則隨內回流量的增加呈現升高趨勢。

通過對實際污水處理廠進行活性污泥建模發現，使用BioWIN 模型進行活性污泥建模，可對污水處理廠的工藝運行狀態進行評價分析，同時可對無法現場進行的污水處理廠運行模式進行調控模擬，如更改內外回流比、池容、進水條件等，通過模擬后可得出污水處理廠最佳運行方式。

6 結語

通過對一級A 標準城鎮污水處理廠調研，b 筆者建立了一套一級A 標準污水處理廠工藝運行診斷方法。該方法以污水處理廠水質數據為基礎，工藝全流程功能、功能區指標模擬及針對性模擬優化測試為手段，通過分析污水處理廠工藝運行狀態，得出工藝運行關鍵問題，結合活性污泥模型分析，最終提出工藝運行優化方案。經過以上測試分析，人們可以得出影響該工藝穩定運行的關鍵問題和可能實施的優化運行方案，針對該方案可設計針對性模擬優化試驗，最終通過活性污泥建模與優化調控分析，確定工藝優化運行方案，提出該污水處理廠工藝穩定運行建議。