一级A 标准污水处理厂工艺运行诊断方法的构建

顾慰祖

（无锡市锡山区环境科学研究所有限公司，江苏 无锡 214000）

目前，一级A 标准的污水处理厂运行中存在无法稳定达标和运行成本较高等问题，如何使污水处理厂稳定运行成为污水处理厂运行人员急需解决的问题。本文创建了一套系统性的污水处理厂优化调控诊断方法，该方法以污水处理厂历年数据为基础，通过对污水处理厂进行工艺全流程功能测试、功能区指标模拟测试和针对性模拟优化测试，分析该污水处理厂工艺运行状态，得出工艺运行关键问题，结合活性污泥建模与优化调控分析，最终提出工艺运行优化方案。

1 污水处理厂水质分析方法的建立

下面以华东某污水厂作为对象进行分析，通过对污水处理厂的历史进水水质数据分析，以24 h 进水水质数据（COD、BOD5、TN、TP、NH3-N、SS）进行统计，分析BOD5/COD、BOD5/TN 和BOD5/TP 等影响氮磷出水稳定达标的关键指标，对污水处理厂稳定运行产生影响的主要因素进行污染物特征识别，可对达标稳定性难度进行初步分析；通过对污水处理厂的历史出水水质数据24 h 出水水质数据进行统计分析，分析出水基本水质参数变化情况，可甄别影响该污水处理厂稳定运行的主要水质参数，并得出不同时间段所需要针对的主要污染物，得出污水处理厂不同时间段的针对性运行策略；通过分析水质数据可知，目前，污水处理厂历年进出水水质数据季节波动性较为明显，24 h 进出水水质数据随时间波动明显，因此历年水质数据以24 h 水质数据可作为污水处理厂水质分析的重点，了解污水处理厂的水质波动情况，可为调控污水处理工艺奠定基础。

结合目前进出水水质数据分析方法，确定所使用的历年数据分析方法为：对污水处理厂的进出水基本水质参数（如COD、BOD5、TN、TP、NH3-N、SS 等）进行统计，得出污水处理厂进出水各基本水质参数的年变化规律曲线，从而得到各基本水质参数的时间变化规律（如季节变化、温度变化）；对目标污染物进出水数据进行统计，得出目标污染物累计分布特征；对BOD5/COD、BOD5/SS、BOD5/TN 及BOD5/TP 进 行统计，得出进水关键指标的累计分布曲线，从而对污水处理厂稳定运行产生影响的主要因素进行污染物特征识别；通过以上数据分析，最终得到不同时间段污水处理厂运行状态特征，推测影响出水稳定达标因素。

2 工艺全流程测试方法的建立

工艺全流程测试可为污水处理工艺的运行状态调控提供依据，工艺全流程测试其本质是根据污水处理工艺功能区的划分，在每个功能区进行布点取样，根据功能区所设定的目标污染物设计检测项目（如厌氧释磷区测定TP、PO43--P 浓度，反硝化区测定TN、NO3--N 浓度），根据设计检测项目的浓度变化，对该功能区进行运行状态评价，最终对该工艺提出优化运行方案。目前，大多数工艺流程测试分析针对指标较少，解决污水处理厂某一类问题，不能全面分析污水处理厂工艺的运行状态，因此需要建立较为全面详细的全流程分析方法[1]。以华东某污水处理厂A2O-MBR 工艺为例，笔者进行了工艺全流程功能测试分析，该工艺运行规模1.5 万t/d，出水执行一级A 标准。

2.1 取样点设置

根据该厂工艺流程设置的沿程，COD、TN、NO3--N、NH3-N 指标取样监测点如下：旋流沉砂池出水、膜格栅出水、厌氧池、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 沿程变化情况

该污水处理厂工艺沿程中，进水以TN 和NH3-N为主，占95%左右，出水以TN 和NO3--N 为主，占82%左右。由试验数据可知，TN、NO3--N 在缺氧池明显下降，说明该厂工艺缺氧段反硝化效果好，脱氮效果明显，NH3-N 从缺氧区至膜池逐渐降低，说明除了在好氧池发生硝化反应，污水在进入膜池后仍发生硝化反应。

2.3 沿程COD 去除情况

工艺沿程中，旋流沉砂池和膜格栅出水COD 分别为436 mg/L、434 mg/L，SCOD为178 mg/L、152 mg/L，这说明该厂进水不溶性COD 较多，COD 到厌氧池迅速降至80 mg/L 左右，从厌氧池到缺氧池COD 下降较快，而从缺氧池到好氧池COD 下降较慢，这说明生化反应先消耗易降解的COD，而难降解COD 较难分解提供生化反应的能量，下降速率比较慢，该厂碳源不足，需要外加碳源。

2.4 测试过程

通过以上测试分析，可确定全流程测试方法：根据污水处理工艺进行沿程采样布点，从一级处理工艺开始，至二级处理工艺、三级处理工艺等，最终至出水，每个处理工艺单元取1～4 个采样点（根据实际情况酌情考虑，一般一级、三级处理前后取1 个点，二级处理每个工艺段取2～4 个点）；采样后按照所需研究目标进行水质检测，如需要对工艺进行全面检测，则需要对工艺单元进行COD、SCOD、TN、STN、TP、STP、NH3-N、NO3--N、PO43--P 等水质指标测定，通过对目标污水处理厂的沿程COD、TN、NO3--N、NH3-N 指标的监测，可很清晰地了解污水处理厂各污染物的降解速度和进程，从而给工艺调控提供确切的依据。

3 功能区指标模拟测试方法的建立

常见功能区指标模拟测试指标为硝化速率、反硝化速率及释磷速率，目前常用测定方法有两种，一种为实际工程中利用进出水NH3-N、NO3--N、PO43--P浓度情况，结合水利停留时间算出活性污泥硝化速率、反硝化速率及释磷速率；另一种为取出相应功能区部分活性污泥，进行小试试验，测定这三项指标。因实际工程运行影响的因素复杂性（如进水水质变化、回流量变化等），计算实际活性污泥硝化速率、反硝化速率及释磷速率误差较大，因此大部分学者使用第二种方法。对华东地区某污水处理厂A2O-MBR 工艺活性污泥进行功能区指标模拟测试分析，主要测定硝化速率、反硝化速率和释磷速率，分别考察该工艺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

该污水处理厂的活性污泥硝化速率，数值为 3.58 mgNO3--N/gVSS·h，表明该污水处理厂活性污泥硝化效果略低于正常水平（该地区污水处理厂活性污泥硝化速率一般为4～6mgNO3--N/gVSS·h），但因进入膜池的NH3-N 浓度相对较高，膜池提供了良好的硝化环境，因此膜池仍会发生硝化反应，降低NH3-N 浓度。

3.2 反硝化速率

该污水处理厂活性污泥反硝化速率，第一段反硝化速率为1.52 mgNO3--N/gVSS·h，第二段为 0.74 mgNO3--N/gVSS·h，该厂反硝化速率较低（该地区污水处理厂反硝化速率一般为4～6 mgNO3-- N/gVSS·h），可能是因进水碳源较少导致反硝化速率较低，第二时段易降解碳源被利用完，碳源更少导致反硝化速率进一步降低，故该厂可能需要外加碳源以提高工艺反硝化能力。

3.3 释磷速率

该厂污泥释磷速率，第一段释磷速率为6.83 mgPO43-- P/gVSS·h，第 二 段 释 磷 速 率 为0.62 mgPO43-- P/gVSS·h。经测试发现该污水处理厂生物释磷速率较高，生物除磷效果较好；加进水的释磷速率一开始较高，后来降低，原因是进水中的优质碳源被利用完，厌氧释磷只能利用难降解碳源，因此释磷速率降低。

3.4 测试过程

通过以上测试发现，对活性污泥进行硝化速率、反硝化速率、厌氧释磷特性等功能区指标进行静态试验，人们可判断污水处理厂活性污泥微生物的脱氮除磷能力，结合生物系统功能区实际水力停留时间等指标可核算生物系统的处理潜力，进而对污水处理厂工艺运行状态进行评估。

4 针对性模拟优化测试分析方法的建立

不同污水处理厂因进水、工艺和运行管理间的差异，存在不同的问题，因此需通过历年数据分析、工艺全流程功能测试分析、功能区指标模拟测试分析找出该厂特定的问题，并对这些问题寻找解决方案。通过对一级A 标准城镇污水处理厂实际运行问题进行研究，笔者发现，多数污水处理厂存在氮磷去除效果不佳等问题，以华东某污水处理厂A2O-MBR 工艺为例，对该污水处理厂存在化学除磷效果不佳现象进行针对性模拟优化测试分析，运用化学除磷药剂筛选试验，针对该厂筛选最佳化学除磷药剂，同时确定最佳投药量。

由试验可知，该污水处理厂化学除磷协同生物除磷试验中上清液PO43--P 的浓度随投药量的增加而减少，化学除磷药剂仍对PO43--P 的去除具有较明显的效果。对比发现，聚合硫酸铁除磷效果最佳，聚合氯化铝次之，而聚合氯化铝铁去除效果最差。通过计算可知，投加相同量的除磷药剂，聚合硫酸铁比聚合氯化铝的去除率高16.1%，建议该污水处理厂使用聚合硫酸铁作为化学除磷药剂。

将模拟优化测试分析方法运用于实际污水处理厂，可对污水处理厂的工艺运行状态进行模拟，还可为拟进行的工艺优化调控方案进行测试，验证工艺优化方案可行性，从而达到优化污水处理工艺运行方式的目的。

5 活性污泥建模与优化调控分析

本文使用广泛运用于污水处理厂工艺调控的BioWIN 模型对污水处理厂进行活性污泥建模，首先需要根据污水处理厂工艺实际情况建立模拟工艺的概化模型，并进行参数设定。模型的输入参数包括构筑物尺寸、有效水深、污泥回流量、剩余污泥量、溶解氧等参数，进水特征参数输入模型。然后，需要确定关键参数，其数值的确定方法有两种，一种是通过试验进行测定；另一种是通过数值试算使得模拟结果逼近实际情况，从而获得参数的估测值。从原理上看，前一种方法较为准确，但活性污泥模型中的许多参数的测试方法迄今仍不够成熟；后一种方法能够获得较好的模拟效果，但具备一定程度的灰箱性质，难以对参数值的确定作出具体解释[2]。因此，实际模拟过程中往往对这两种方法结合使用。

以华东某污水处理厂A2O 工艺为例进行建模分析，主要分析回流比对各出水水质指标的影响。根据污水处理厂实际工艺流程、进水水质活性污泥基本参数建立概化模型，由模拟结果来看，春夏季时增大内回流比能有效降低出水COD、TN、NH3-N 和TP 浓度；增大外回流比能降低出水TN、NH3-N 浓度，但会导致出水TP、COD 浓度升高，且外回流增大到100%时，出水TP 浓度超过0.3 mg/L。秋冬季时增大外回流比能有效降低出水TN、NH3-N 浓度，但出水TP、COD浓度会随之上升；在一定范围内增大内回流比会降低出水TN、NH3-N 和COD 浓度，但当内回流比达到800%后出水TN 浓度上升，出水总磷则随内回流量的增加呈现升高趋势。

通过对实际污水处理厂进行活性污泥建模发现，使用BioWIN 模型进行活性污泥建模，可对污水处理厂的工艺运行状态进行评价分析，同时可对无法现场进行的污水处理厂运行模式进行调控模拟，如更改内外回流比、池容、进水条件等，通过模拟后可得出污水处理厂最佳运行方式。

6 结语

通过对一级A 标准城镇污水处理厂调研，b 笔者建立了一套一级A 标准污水处理厂工艺运行诊断方法。该方法以污水处理厂水质数据为基础，工艺全流程功能、功能区指标模拟及针对性模拟优化测试为手段，通过分析污水处理厂工艺运行状态，得出工艺运行关键问题，结合活性污泥模型分析，最终提出工艺运行优化方案。经过以上测试分析，人们可以得出影响该工艺稳定运行的关键问题和可能实施的优化运行方案，针对该方案可设计针对性模拟优化试验，最终通过活性污泥建模与优化调控分析，确定工艺优化运行方案，提出该污水处理厂工艺稳定运行建议。