1、污水廠概況
廣東珠海某污水處理廠設計規(guī)模為8×104m3/d，主體工藝采用改良A2/O氧化溝+轉盤濾池，生物池功能區(qū)設計依次為回流污泥反硝化區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)，總水力停留時間（HRT）為17h，各功能區(qū)HRT分別為0.5、1.5、3.5和11.5h。該廠出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A標準和廣東省《水污染物排放限值》（DB44/26—2001）的第二時段一級標準的較嚴者，TN、TP排放標準分別為15、0.5mg/L。
2、存在的問題
該廠屬于典型的南方污水廠，以2019年為例，全年進水BOD5可達101mg/L左右，但存在旱季、雨季進水有機物濃度差別很大的情況。每年雨季，進水BOD5月平均最低為50~60mg/L，導致全年進水BOD5/TN在2.5~5.5之間波動，影響生物脫氮的穩(wěn)定性。以2019年5月為例，該月進、出水TN平均值分別為19.4、10.2mg/L，去除率未超過50%，且日出水TN最高為11.6mg/L，在線瞬時值最高可達13.9mg/L，存在超標風險，同時出水硝態(tài)氮平均為6.97mg/L，出水硝態(tài)氮/TN約為68.4%，說明反硝化效率不高是出水TN較高的主要原因。
根據生物脫氮除磷的原理可知，除磷菌和反硝化菌之間存在著對快速易降解碳源的爭奪，這是A2/O工藝本身存在的矛盾。由于TN的降解只能通過生物途徑，所以進水有機物濃度較低時，生物脫氮效率會明顯降低，宏觀表現為系統(tǒng)出水的硝態(tài)氮逐步升高。此時，通過補充外部碳源（乙酸）到缺氧段可以迅速提高反硝化效率，降低硝態(tài)氮，進而降低TN，但會增加藥劑投加成本。如何經濟有效地提高工藝脫氮除磷效率，是該廠面臨的一大問題。
3、工藝調控優(yōu)化
對該廠工藝全流程進行分析，通過對主要污染物沿程濃度變化及功能微生物反應速率監(jiān)測，在中微觀層面對活性污泥處理效率和工藝問題進行精準把脈，可為生產問題的解決和工藝優(yōu)化提供科學有效的指導。此次分析時間為2020年6月，已進入南方汛期，當月進水COD平均值為145mg/L，BOD5為55mg/L，屬于典型的低有機物濃度進水時段。
3.1 污染物濃度沿程變化
3.1.1 COD去除變化特征
COD的沿程變化曲線總體符合一般的A2/O工藝變化規(guī)律。在該廠設計中，生物池進水約85%直接進到厭氧池，另有15%平均分配到預反硝化池和缺氧池，屬于多點進水設計。由于進水濃度較低，因此COD在生物池中的變化幅度很小，但預反硝化、厭氧、缺氧、好氧區(qū)還是有一個較小的遞減變化趨勢，平均值分別為31、50、30、22mg/L，說明隨著進水有機污染物在生物池中逐漸混合并推流前進，有機污染物逐步發(fā)生降解。
3.1.2 TN去除變化特征
進水TN在預處理段及厭氧段的占比變化不大，而在生物池中，TN主要成分從厭氧池、缺氧池到好氧池，逐步從以氨氮為主變?yōu)橄跛猁}氮為主，顯示出生物系統(tǒng)沿程依次發(fā)生了硝化和反硝化作用。
由于進水COD較低，TN在生物降解過程中發(fā)生了明顯的硝態(tài)氮積累，尤其是從缺氧池到好氧池，硝態(tài)氮和TN的平均濃度分別為6.99、9.61mg/L，硝態(tài)氮/TN達到了81%。而此時該系統(tǒng)的內回流比為250%~300%，出水硝態(tài)氮和缺氧池硝態(tài)氮濃度差別也不大，各功能區(qū)的DO基本都在工藝控制范圍內，缺氧池DO基本在0.3mg/L以下，MLVSS為1.5~1.8g/L，pH也基本在6.8~7.5的正常范圍內。這初步證明，在當前進水條件下，生物系統(tǒng)的硝化能力基本滿足要求，但反硝化能力受到碳源不足的影響。
3.1.3 TP去除變化特征
進水TP為6.32mg/L，但可溶性總磷（STP）/TP達到10.4%，說明進水TP中接近90%為懸浮性磷。該廠進水TP成分與一般的生活污水不同，經初步分析，與該廠進水中約40%~60%為工業(yè)廢水有關；同時正磷酸鹽濃度在各不同功能區(qū)均沒有明顯變化。結合該廠長期投加傳統(tǒng)的除磷藥劑（聚合氯化鋁，PAC）控制TP的實踐可以推斷，進水中的正磷酸鹽進入生物系統(tǒng)后，與PAC發(fā)生化學反應生成沉淀吸附在污泥中，長期使用PAC（投加量100~150mg/L），改變了聚磷菌的工作環(huán)境，厭氧段和好氧段已基本沒有磷的生物釋放和超量吸收發(fā)生，初步推測整個生物系統(tǒng)聚磷菌的數量可能較少。但通過及時分析進、出水中正磷酸鹽的含量，Al/P的物質的量投加比按照3~6控制，科學靈活地調整除磷劑投加量，同時將生物池MLSS嚴格控制在設計濃度（3.5g/L）左右，可將出水TP穩(wěn)定控制在0.3mg/L以下。
3.2 污泥性能分析
從以上主要污染物沿程變化可知，該廠工藝系統(tǒng)的生物脫氮效率一般，除磷效率較好，但主要除磷途徑是化學除磷，未發(fā)現明顯的生物除磷現象。為深入研究分析污泥的脫氮除磷效果，分別測定污泥的硝化、反硝化速率以及厭氧釋磷速率，以期從微觀層面掌握污泥的活性情況。
3.2.1 硝化速率
從該廠生產數據看，2019年—2020年月平均進水氨氮為8.5mg/L左右，出水氨氮基本在0.5mg/L以下，可以穩(wěn)定達標。但進水TN或氨氮一旦有異常升高波動情況，出水氨氮很快就會上升，甚至有超標風險，證明該廠生物系統(tǒng)的硝化效率其實并不高。由于生物池MLSS為4.0g/L左右，在前期硝化速率測試中，試驗數據跳動較大，進行線性擬合后的R2值較低，為保證試驗中硝態(tài)氮濃度變化的穩(wěn)定性和規(guī)律性，提高試驗數據線性擬合度，在硝化速率測定前，對好氧段污泥進行適當濃縮；同時為準確掌握系統(tǒng)污泥的硝化性能，對硝化速率進行了兩次測試。
具體試驗結果分別見圖1、表1。
由試驗結果可知，兩次測定污泥的硝化速率分別為0.424、0.428mgNO3--N/（gVSS·h），而在20～30℃的常溫條件下，正常污水廠的污泥硝化速率為4~6mgNO3--N/（gVSS·h），相比之下，該廠的污泥硝化速率明顯偏低。根據測定的實際硝化速率，結合生物池平均MLVSS（1.952g/L）以及好氧段的水力停留時間（11.5h），經核算后，該廠好氧段實際可去除9.56mg/L左右的氨氮。
根據硝化反應原理可知，影響污泥硝化速率的主要因素有溶解氧、pH、營養(yǎng)物質、水溫、SRT、有毒物質等。結合生產實際可知，該廠進水pH長期在6.4~7.2之間波動，因硝化菌對pH變化較敏感，最適宜的pH為8.0~8.4。有研究表明，當pH<6.6時，短程硝化反應受到明顯抑制。故初步推測，該廠的污泥硝化速率不高可能是進水pH長期偏低所致。
3.2.2 反硝化速率
反硝化速率測試結果見圖2、表2。
根據分析結果可知，該廠反硝化速率分兩個階段，第一階段利用進水中的易降解碳源，反硝化速率為3.640mgNO3--N/（gVSS·h），第二階段利用剩余碳源，反硝化速率下降明顯。一般性能良好的活性污泥的反硝化速率為5~10mgNO3--N/（gVSS·h）。據此可知，該廠污泥反硝化性能不算差，經核算后生物池可降解21.3mg/L左右的硝態(tài)氮，完全滿足20~25mg/L的進水TN去除要求。需注意的是，在反硝化速率測試中碳源為瞬時進水中碳源，在潛力試驗中，加入1g醋酸鈉作為碳源，試驗結果見表3和圖3。另外，該廠污泥的MLVSS占比較低，可能與進水SS長期較高（200~300mg/L），但進水VSS/SS在5%~15%之間波動，有機成分占比較低有關。
根據反硝化潛力試驗結果可知，污泥的反硝化性能在提供快速易降解碳源（乙酸鈉等）后明顯提高，第一階段的反硝化速率達到16.231mgNO3--N/（gVSS·h），與上述反硝化速率第一階段相比，升幅很大，證明制約該廠反硝化效率的主要因素為碳源。
3.2.3 厭氧釋磷速率
厭氧釋磷速率和釋磷潛力測試結果分別見圖4、表4。
上述兩次試驗過程中污泥均進行了適當濃縮，釋磷速率測試的碳源仍為瞬時進水，釋磷潛力測試碳源為乙酸鈉。兩次試驗的釋磷速率分別為0.023、0.029mgPO43--P/（gVSS·h），一般正常情況下的釋磷速率為5~10mgPO43--P/（gVSS·h）。由此可知，該廠釋磷速率處于極低的水平，同時碳源也不是影響釋磷的主要因素。
3.3 脫氮除磷工藝優(yōu)化
根據以上試驗結果，該廠目前生物系統(tǒng)雖然基本滿足當前進水條件下的TN、氨氮去除要求，但污泥硝化速率較低，反硝化速率基本接近正常，由于碳源不足的影響，總體生物脫氮效率并不高，同時生物除磷效率較低，對TP的去除貢獻小，主要依靠投加化學除磷藥劑進行控制。
經過監(jiān)測分析，該廠進水的正磷酸鹽/TP長期在7%~16%之間波動，平均為12%左右，進水正磷酸鹽年平均值為1.2~2mg/L，按照Al/P的物質的量之比約4.5控制PAC投加量，即可將出水正磷酸鹽基本控制在0.13mg/L以下，進而保證出水TP長期穩(wěn)定在0.3mg/L以下。由于該系統(tǒng)幾乎沒有生物除磷，而目前主流的除磷藥劑市場價格平穩(wěn)，化學除磷在工藝調節(jié)和成本管理上完全可控。但在碳源相對不足時，如果投加外部碳源（乙酸和乙酸鈉等），由于外部碳源市場價格長期普遍很高，勢必顯著提高處理成本。因此如何科學高效地分配利用進水中的本體碳源以提高系統(tǒng)的反硝化效率將是工藝調控的重點，尤其是在當前的設計進水分配下，如何改善厭氧池的反硝化作用，將是進一步提高生物脫氮效率的關鍵。
為此，從生物池中任選一組，對缺氧池和二沉池出水的硝態(tài)氮以及TN進行分析，結果見圖5。在正常工藝控制下，二沉池和缺氧池出水的硝態(tài)氮非常接近，且硝態(tài)氮在出水TN中的占比約70%，此時碳源不足應是影響反硝化效率的唯一因素。
為驗證這一推論，分別取該廠一、二期缺氧池末端混合液進行小試，在完全模擬缺氧池環(huán)境下，繼續(xù)運行90min，觀察硝態(tài)氮變化，同時在90min時添加約15%厭氧池上清液，再運行60min后，觀察硝態(tài)氮變化，結果見圖6。由圖6可知，90min時硝態(tài)氮基本無變化，證明設計反硝化池容是足夠的，而150min后硝態(tài)氮分別降低了32%和25%，證明此時外部碳源的加入顯著促進了反硝化。
由于生物池來水主要進入厭氧池，根據以上試驗結果，如果將富含硝態(tài)氮的外回流混合液盡可能多地調至厭氧池，理論上可以提高該廠進水碳源利用率和脫氮效率。為此，將外回流至缺氧池的閥門關閉，同時提高外回流比至150%，由于預反硝化池的水力停留時間很短（0.5h），此時大量含有硝態(tài)氮的混合液會很快進入厭氧池（水力停留時間為1.5h）。
圖7截取了工藝優(yōu)化調整前、后出水TN在線儀表數值，紅線對應工藝調整時間點，此時正值7月底8月初，屬于典型的南方雨季時節(jié)，進水BOD5/TN值在80%概率以上時段為4以下，調整期間進水TN穩(wěn)定保持在20~24mg/L。但從圖7可以明顯發(fā)現從工藝調整點開始，在進水條件基本一致而未增加外部碳源的情況下，出水瞬時TN很快從11~13mg/L穩(wěn)步降到10mg/L以下，出水TN平均值從調整前的11.8mg/L降至7.55mg/L，降低約36%，削減絕對值為4.25mg/L，按處理水量為8×104m3/d計算，每年需投加碳源（按乙酸計）7個月，乙酸BOD5轉化率為60%，乙酸單價按照當年市價8000元/t計，則節(jié)約碳源費用約273萬元/a。
截至當前，在保持該工藝運行模式下，該廠出水在線TN實時監(jiān)測值從未超過10mg/L，基本維持在8mg/L以下，證明這種運行模式下的脫氮效果比較好。從工藝控制角度可以認為已由原來的改良A2/O調整為缺氧好氧（AO）工藝模式。
同時，為進一步分析工藝優(yōu)化前后的硝態(tài)氮沿程變化，對調整前后二期生物池各段硝態(tài)氮變化依次采樣分析，硝態(tài)氮的具體變化見圖8。
根據圖8可知，從預反硝化池到厭氧池，系統(tǒng)確實發(fā)生了明顯的反硝化脫氮反應，且在工藝調整后，厭氧池硝態(tài)氮比調整前明顯升高，證明此時的厭氧池發(fā)生了較充分的反硝化反應，而缺氧池和外回流以及好氧末端的污泥硝態(tài)氮濃度基本接近，說明此時的缺氧池反硝化效能基本達到極限，也再次證明碳源對反硝化的重要性。
4、結論
該南方污水處理廠通過開展全流程分析，對工藝系統(tǒng)脫氮除磷效率問題進行精準把脈，并借此指導工藝優(yōu)化調控，在實際運行中進一步提高外回流比，充分挖掘提升厭氧池的反硝化功能和效率，在保持較高內外回流比的同時，靈活調整工藝運行模式，將缺氧反硝化的停留時間從設計的4h提高至5.5h，在不增加外部碳源的情況下，充分高效地利用進水中的內部碳源進行反硝化脫氮，取得了較好的處理效果。傳統(tǒng)的生物脫氮是污水廠目前最主要的除氮途徑，而碳源是制約生物脫氮效率的主要因素，所以優(yōu)先將進水中的碳源用于脫氮是一種比較科學務實的工藝選擇。
由于目前市場上的外部碳源（乙酸和乙酸鈉等）的單價普遍是除磷藥劑單價的10倍以上，所以投加外部碳源是當前污水廠處理成本居高不下的主要原因之一。目前改良A2/O工藝在污水廠使用普遍，而南方地區(qū)污水廠又大多面臨雨季系統(tǒng)碳源相對不足的問題，根據該廠的研究，通過靈活調控工藝，在生產運行中優(yōu)先選擇化學除磷，充分挖掘和提高內部碳源在當前工藝生物脫氮上的利用效率，在工藝管理和成本控制上具有明顯的優(yōu)勢，可為其他類似污水廠的工藝優(yōu)化提供參考。（來源：珠海市城市排水有限公司）
