全流程測試是基于各類污水處理工藝不同的的脫氮除磷功能設(shè)計原理，通過對污水處理工藝全過程進行布點、采樣、檢測、診斷，形成完善的整體性優(yōu)化運行方案的一項工作。通過全流程測試，可充分了解不同功能區(qū)主要污染物的構(gòu)成，對污染物組分特性進行分析，結(jié)合活性污泥性能參數(shù)，進行工藝參數(shù)調(diào)整和運行模式優(yōu)化，充分發(fā)揮工藝的脫氮除磷潛力，節(jié)約運行成本，提高日常運行的穩(wěn)定性與調(diào)控的精準(zhǔn)性。因此可將其作為污水處理廠定期進行工藝評估與診斷的手段。
以山西省某污水處理廠為研究對象，該廠前置缺氧A2/O+AO工藝日常運行中存在脫氮效果不穩(wěn)定、生物除磷效果不明顯等問題，基于常規(guī)檢測掌握的進、出水水質(zhì)組分與生化池脫氮除磷過程變化指標(biāo)所進行的優(yōu)化方案效果不明顯，難以提出較完善的針對性解決方案。筆者通過全流程測試，充分了解了該廠的運行現(xiàn)狀與存在的問題，并提出針對性優(yōu)化措施：通過調(diào)整多點進水的比例，合理優(yōu)化碳源分配與投加，調(diào)整生化池外回流比，優(yōu)化好氧區(qū)曝氣狀況，平衡各功能區(qū)在生物脫氮方面的關(guān)系，充分發(fā)揮生物除磷潛能，提高工藝整體的脫氮除磷效果及穩(wěn)定性，并將全流程測試作為該廠定期進行工藝診斷與優(yōu)化的手段，制定和完善針對性強、操作性好的優(yōu)化策略，形成高效運行模式，使管理運行更加精細(xì)化，提高其脫氮除磷效率。
1、方法與工藝
1.1 污水廠概況
該污水處理廠工藝流程見圖1。
前置缺氧A2/O+AO工藝污水處理總量為15×104m3/d，其預(yù)處理包括粗格柵及進水泵房、細(xì)格柵及曝氣沉砂池，生化處理單元由預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)、后缺氧區(qū)、后好氧區(qū)6個功能區(qū)組成，后接二沉池+高密度沉淀池+V型濾池。污水廠出水水質(zhì)執(zhí)行《山西省城鎮(zhèn)污水處理廠運行監(jiān)督管理辦法（試行）》規(guī)定，在滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，COD、NH3-N、TP三項指標(biāo)需達到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。
1.2 全流程測試工作內(nèi)容
①對該廠至少一年的歷史進、出水水質(zhì)數(shù)據(jù)進行分析。通過對該廠歷年日進、出水?dāng)?shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，掌握氮、磷、有機物等污染物指標(biāo)的變化規(guī)律，研究其進水水質(zhì)特征與變化規(guī)律。
②工藝全流程測試。通過對整個污水處理系統(tǒng)進行全流程布點、取樣、檢測，分析主要污染物指標(biāo)在整個生化處理過程中的變化特征，通過各功能區(qū)的污染物去除情況及沿程變化規(guī)律分析其脫氮除磷能力，評價工藝運行中各環(huán)節(jié)的工況狀態(tài)。
③活性污泥各項功能指標(biāo)測試。通過燒杯實驗進行活性污泥功能測試，對硝化反硝化速率和潛力、厭氧釋磷速率和潛力、耗氧速率等功能指標(biāo)進行測定，判斷活性污泥本身的脫氮除磷能力。
④對污水處理工藝運行現(xiàn)狀進行診斷分析。針對前述測試結(jié)果，確定優(yōu)化關(guān)鍵點，結(jié)合污水處理工藝實際情況，改變運行工況，形成針對性的優(yōu)化運行方案，探索最佳運行工況，并通過后續(xù)測試結(jié)果驗證優(yōu)化措施的可行性，完善最終的優(yōu)化方案。
1.3 全流程測試方法
全流程測試取樣點選在各功能區(qū)污水混合較為均勻的物理末端，盡量靠近采樣斷面的中心，同時取樣位置要注意避開泡沫、浮泥、漩渦、內(nèi)外回流點、藥劑投加點、死角、返流等特殊點位，同一取樣點應(yīng)進行3次取樣并將水樣充分混合。將前一功能區(qū)的末端視為下一功能區(qū)的前端，通過相鄰兩取樣點的水質(zhì)指標(biāo)及相應(yīng)工況參數(shù)來分析該功能區(qū)的生化反應(yīng)情況。
全流程測試水質(zhì)分析項目中COD、NH3-N、NO3--N、TN、PO43--P、TP、MLSS和MLVSS采用國家標(biāo)準(zhǔn)分析方法與快速測定方法相結(jié)合進行測定，ORP和DO采用哈希HQ40D便攜式水質(zhì)分析儀進行現(xiàn)場測定。
取樣點布置及編號見表1。
2、結(jié)果與分析
2.1 進、出水水質(zhì)分析
設(shè)計進水水質(zhì)與現(xiàn)行出水水質(zhì)要求如表2所示。
對2020年4月—2021年3月污水廠進、出水水質(zhì)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表3。
由表3可知，該廠目前進水主要污染物指標(biāo)未超過設(shè)計進水水質(zhì)，仍在設(shè)計處理范圍之內(nèi)，對照表2可知出水水質(zhì)已能滿足排放限值要求。但出水NH3-N最高值與最低值相差7倍，波動范圍較大；出水NH3-N、BOD5最高值均出現(xiàn)在冬季，但對出水水質(zhì)進行分析并未發(fā)現(xiàn)二者有直接關(guān)聯(lián)：出水NH3-N峰值出現(xiàn)在一年中氣溫最低的時期，分析是由低溫引起的活性污泥硝化速率下降所致；出水SS、COD、BOD5峰值出現(xiàn)于一年中好氧區(qū)活性污泥膨脹最嚴(yán)重的時期，分析是由污泥膨脹造成的污泥沉降性變差、出水懸浮物增多、有機物處理能力變?nèi)踉斐傻�。進水B/C值為0.36~0.46，均值為0.42，表明進水可生化性較好，C/N（BOD5/TN）為2.12~3.30，均值為2.98，較設(shè)計進水值偏低，在實際運行中一般B/N>5才能滿足脫氮要求�？梢娫搹S進水碳源不足的問題較明顯，對缺氧反硝化與厭氧釋磷的限制比較大。進水碳源不足是目前污水廠普遍面臨的問題，是影響生化池脫氮除磷效果的重要因素。
2.2 工藝全流程測試情況
對該工藝進行全流程診斷測試，對各單元主要特征指標(biāo)（DO、ORP、NH3-N、NO3--N、PO43--P）進行沿程變化規(guī)律分析，判斷工藝各功能區(qū)的實際運行情況。
2.2.1 沿程DO、ORP變化
在生化處理系統(tǒng)中，DO是控制生物脫氮除磷效能的重要指標(biāo)，ORP能夠綜合其他水質(zhì)指標(biāo)來反映污水處理系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境情況。沿程DO及ORP變化情況如圖2所示。
三期曝氣沉砂池出水DO達到2.6mg/L，會對預(yù)缺氧區(qū)的缺氧環(huán)境造成一定沖擊，同時易造成原水碳源的損耗。厭氧區(qū)、缺氧區(qū)的DO能夠基本控制在0.2mg/L以下，滿足厭氧釋磷與缺氧反硝化所需的條件。一般來說，厭氧區(qū)ORP值宜為-250mV以下，目前厭氧區(qū)ORP均值為-8.1mV，說明厭氧環(huán)境不夠充分，對釋磷效果會有較大影響；缺氧段、后缺氧區(qū)ORP均為正值，表明進水中缺乏還原性有機物，反硝化脫氮易受到碳源缺乏的影響。因現(xiàn)狀工況MLSS偏高（約6g/L），曝氣系統(tǒng)需維持在較高強度來保證好氧區(qū)正常功能，致使好氧區(qū)某廊道DO飆升至5.43mg/L，整個好氧區(qū)DO為3.1~6.02mg/L，一般情況下，好氧區(qū)DO應(yīng)維持在2mg/L以上，最高不超過3mg/L，這表明目前好氧區(qū)曝氣強度過高。在實際運行中，需根據(jù)具體進水情況控制DO值，如果進水負(fù)荷較低，可適當(dāng)降低曝氣強度。好氧區(qū)過量曝氣不但會增加耗電量，而且會使回流硝化液DO偏高，從而影響缺氧區(qū)內(nèi)進行的反硝化反應(yīng)。過高的DO也會使后缺氧池大部分池容被消氧過程占用，進而影響其內(nèi)源反硝化效果。
2.2.2 沿程NH3-N變化
預(yù)處理階段對NH3-N的去除量通常很低，其主要去除過程依靠生化段硝化效果。三期生化池沿程NH3-N變化情況如圖3所示。
原水NH3-N為39.34mg/L，進入預(yù)缺氧區(qū)后，NH3-N因稀釋作用降至15.21mg/L，在缺氧區(qū)NH3-N再次降至6mg/L左右，進入好氧區(qū)后，由于DO充足，在硝化作用下NH3-N顯著降低，至第二廊道末端的NH3-N已降至1mg/L以下，滿足出水排放標(biāo)準(zhǔn)（NH3-N限值為2mg/L）�，F(xiàn)狀工況（MLSS約6g/L）下好氧區(qū)曝氣強度偏高，實際池容利用率不超過50%；在生物池MLSS降至3.5g/L時，核算至好氧區(qū)第三廊道末端NH3-N即可降至1mg/L以下，好氧池的池容利用率不超過75%，池容利用率較低。
2.2.3 沿程NO3--N變化
三期全流程NO3--N變化情況如圖4所示。
缺氧區(qū)2號池出水NO3--N為0.2~5.4mg/L（平均為1.84mg/L），表明現(xiàn)狀實際混合液在缺氧區(qū)的反硝化脫氮并不穩(wěn)定。對缺氧區(qū)進行針對性監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：缺氧區(qū)NO3--N濃度變化情況與缺氧區(qū)ORP和好氧區(qū)末端（內(nèi)回流點）DO有直接關(guān)系，在內(nèi)回流硝化液DO>1mg/L時，缺氧區(qū)脫氮效果會受到明顯影響；目前內(nèi)回流硝化液DO均值為3.1mg/L，內(nèi)回流比約250%，核算內(nèi)回流DO消耗碳源量約為7.75mg/L，缺氧區(qū)外碳源投加量為86.69mg/L，約9%的外加碳源被DO直接消耗；理論上1mg/L的DO對應(yīng)0.35mg/L的硝酸鹽氮去除量，核算內(nèi)回流DO導(dǎo)致NO3--N理論削減量減少約2.7mg/L。可見內(nèi)回流硝化液所攜帶的大量溶解氧是影響缺氧區(qū)反硝化的重要因素。在好氧區(qū)第四廊道所測得的NO3--N較第三廊道有明顯降低，且低于后缺氧區(qū)NO3--N濃度，判斷是因本工藝將內(nèi)回流點設(shè)置在后缺氧區(qū)起點，受內(nèi)回流穿墻泵影響，導(dǎo)致后缺氧區(qū)、缺氧區(qū)混合液返流至好氧區(qū)第四廊道末端，這對生化池反硝化脫氮以及好氧區(qū)硝化作用造成了影響。觀察到的后缺氧區(qū)反硝化效果不明顯，這是因為原水中碳源已消耗完畢，且目前出水TN已達到排放標(biāo)準(zhǔn)，故無需在后缺氧區(qū)投加碳源。此外，還可觀察到污泥回流池NO3--N濃度較后好氧區(qū)出水明顯降低，這表明活性污泥在二沉池及污泥回流池發(fā)生了反硝化反應(yīng)，證明活性污泥具備一定的內(nèi)源反硝化能力，可通過適當(dāng)延長后缺氧區(qū)HRT來滿足強化脫氮需求。
2.2.4 沿程PO43--P變化
三期全流程PO43--P變化情況如圖5所示。
進水中TP/STP/PO43--P為1/0.58/0.51，溶解性磷酸鹽約占總磷的1/2，其余難溶性總磷將沉積至污泥中去除。由圖5可知，生化池進水PO43--P達3.47mg/L，而在預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)分別為3.89、3.15mg/L，通過活性污泥功能指標(biāo)測試證實污泥具備一定的生物除磷和反硝化除磷性能，這表明現(xiàn)狀工況下活性污泥在厭氧區(qū)中的釋磷作用并不穩(wěn)定。同步分析ORP、NO3--N等指標(biāo)發(fā)現(xiàn)：厭氧區(qū)PO43--P變化情況與厭氧區(qū)ORP有直接關(guān)系，厭氧釋磷同時受到厭氧環(huán)境與生化池整體脫氮效果影響，分析是因為生化池整體脫氮效果波動，污泥外回流攜帶的NO3--N整體偏高且濃度不穩(wěn)定，加上預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)碳源不足導(dǎo)致厭氧區(qū)釋磷效果波動。受內(nèi)回流硝化液稀釋作用，缺氧區(qū)1號池PO43--P降至0.53mg/L，在缺氧區(qū)2號池觀察到一定的釋磷現(xiàn)象，可證實現(xiàn)狀工況下反硝化除磷作用未充分利用。通過好氧吸磷與微生物同化作用，PO43--P在好氧區(qū)持續(xù)降至0.32mg/L，同時在后缺氧區(qū)可觀察到一定的反硝化除磷現(xiàn)象。生化池出水PO43--P為0.25mg/L，最終經(jīng)高效沉淀池加藥處理后，清水池中出水TP降至0.18mg/L，PO43--P降至0.08mg/L，可達到排放標(biāo)準(zhǔn)。
2.3 活性污泥功能指標(biāo)測試
2.3.1 測試方案
對生化池各功能區(qū)活性污泥取樣進行燒杯實驗，測定活性污泥的硝化速率、反硝化速率、厭氧釋磷特性等功能指標(biāo)，分析活性污泥的脫氮除磷能力，結(jié)合生物系統(tǒng)的實際HRT等指標(biāo)核算各功能區(qū)的運行效果及潛力。
2.3.2 測試結(jié)果
①硝化速率
一般情況下，好氧區(qū)活性污泥硝化速率為2~6mg/（g·h），經(jīng)燒杯實驗測得該廠活性污泥硝化速率為4.29mg/（g·h），處在正常范圍內(nèi)，表明好氧區(qū)活性污泥硝化能力良好。經(jīng)核算，好氧區(qū)理論狀態(tài)下NH3-N去除量可達138mg/L，實際進水NH3-N最高為57mg/L，理論上在好氧區(qū)第二廊道即可完全去除，這也與全流程測試結(jié)果相符。
②反硝化速率
取缺氧區(qū)活性污泥進行小試，測定該廠活性污泥反硝化速率以了解其活性污泥的反硝化能力，結(jié)果見表4。
由表4可知，在120min反應(yīng)時間內(nèi)，反硝化速率分為2段：第一段活性污泥利用原水中易降解的快碳源進行反硝化脫氮，反硝化速率為3.660mg/（g·h）；第二段為利用原水中的緩釋碳源進行反硝化反應(yīng)，反硝化速率明顯降低，為0.205mg/（g·h），而理論上，當(dāng)反硝化速率達到3~5mg/（g·h）時，才能達到較好的脫氮效果。綜上，該廠活性污泥反硝化速率處于正常范圍內(nèi)，能夠滿足正常生物脫氮要求，但仍有較大提升空間。
③厭氧釋磷速率
活性污泥厭氧釋磷速率分析結(jié)果見表5。
由表5可知，該廠活性污泥厭氧釋磷速率為2.68mg/（g·h），一般城鎮(zhèn)生活污水處理廠活性污泥厭氧釋磷速率為4~8mg/（g·h），這表明該廠活性污泥生物除磷功能受限，結(jié)合全流程測試分析，應(yīng)營造良好的厭氧釋磷環(huán)境，充分發(fā)揮生物除磷能力。
3、優(yōu)化運行建議與措施
針對全流程測試結(jié)果，結(jié)合工藝特點協(xié)同調(diào)整工藝運行參數(shù)：
①逐步降低污泥濃度，將生化池MLSS分階段由6g/L逐步降至3.5g/L；降低好氧區(qū)曝氣強度，將第四廊道進行消氧處理，減少高濃度溶解氧對缺氧環(huán)境的沖擊，提高好氧區(qū)的池容利用率，降低能耗。
②建議將碳源投加點位置后移，避開內(nèi)回流點，提高碳源利用率，進一步增強缺氧區(qū)反硝化效果。
③協(xié)同調(diào)整進水配比與污泥回流比：將預(yù)缺氧區(qū)進水配比由15％提高至30％；將外回流比由100％降低至85％。通過為預(yù)缺氧區(qū)提供充足碳源保證其對回流污泥的反硝化效果，降低回流污泥對厭氧環(huán)境的沖擊，提高厭氧區(qū)釋磷效果，充分發(fā)揮生物除磷能力；降低外回流比還能夠減少回流污泥NO3--N濃度波動對厭氧環(huán)境的影響，維持工藝運行穩(wěn)定。
4、優(yōu)化運行結(jié)果
經(jīng)過全流程測試，穩(wěn)定運行后進行了跟蹤監(jiān)測，以DO、ORP、NH3-N、NO3--N、PO43--P等指標(biāo)的全流程變化來對優(yōu)化后的工況進行評價，進一步挖掘可優(yōu)化空間。工藝優(yōu)化后跟蹤監(jiān)測結(jié)果見圖6。
由DO、ORP指標(biāo)可見，相關(guān)功能區(qū)厭氧、缺氧環(huán)境得到明顯改善；好氧區(qū)硝化能力穩(wěn)定，出水NH3-N為0.45mg/L，依然能夠保證達標(biāo)；預(yù)缺氧區(qū)與缺氧區(qū)的反硝化效果良好，缺氧池末端NO3--N降至0.8mg/L，生化池出水NO3--N為7.55mg/L，較優(yōu)化前明顯降低；同時厭氧區(qū)釋磷效果明顯增強，良好的釋磷效果保證了好氧區(qū)的生物除磷能力，生化池出水PO43--P為0.05mg/L，能夠確保出水穩(wěn)定達標(biāo)。
通過對出水水質(zhì)進行核算發(fā)現(xiàn)：全流程測試優(yōu)化后出水TN由13.21mg/L降至8.74mg/L，TN去除率由71％提高至79％，PO43--P去除率由82％提高至98％。對各功能區(qū)脫氮效能進行核算發(fā)現(xiàn)：全流程測試優(yōu)化后預(yù)缺氧區(qū)NO3--N去除率維持在79.22％~90.99％，脫氮效果良好；缺氧區(qū)NO3--N去除量由17.49mg/L提高至21.01mg/L，其脫氮貢獻較優(yōu)化前提高10.03％；后缺氧區(qū)受碳源限制，NO3--N去除量、去除率變化不大。三個主要脫氮功能區(qū)的脫氮穩(wěn)定性較優(yōu)化前都有明顯提升。
實施好氧區(qū)曝氣量優(yōu)化調(diào)控+消氧區(qū)策略后，內(nèi)回流硝化液DO均值由優(yōu)化前的3.1mg/L降至1mg/L，結(jié)合內(nèi)回流比250%，缺氧區(qū)節(jié)省碳源5mg/L；后缺氧區(qū)脫氮量增加0.71mg/L，利用內(nèi)碳源反硝化脫氮節(jié)省碳源2.03mg/L以上，該工藝處理規(guī)模為15×104m3/d，外加碳源為乙酸鈉（COD當(dāng)量為0.68kgCOD/kg），共節(jié)省乙酸鈉1551kg/d，按乙酸鈉價格為3000元/t核算，共節(jié)省碳源費用14萬元/月，經(jīng)濟效益明顯。
5、結(jié)論與建議
①通過全流程測試，發(fā)現(xiàn)該廠前置缺氧A2/O+AO工藝好氧區(qū)曝氣過度，好氧區(qū)池容利用率偏低，內(nèi)回流點位于后缺氧區(qū)起點，與碳源投加點距離過近，導(dǎo)致碳源被內(nèi)回流攜帶的DO大量消耗，對缺氧區(qū)、后缺氧區(qū)的缺氧環(huán)境造成沖擊，因此生化池整體反硝化脫氮受到影響、厭氧區(qū)釋磷效能受限，各單元運行效果不穩(wěn)定，脫氮除磷效能波動。
②針對發(fā)現(xiàn)的問題，對工藝運行提出優(yōu)化措施與建議：降低曝氣強度，將好氧區(qū)第四廊道改為消氧處理；后移碳源投加點；協(xié)同調(diào)整外回流比與進水配比。優(yōu)化后，生化池脫氮效果得到改善，并且厭氧區(qū)生物釋磷能力顯著增強：出水TN由13.21mg/L降至8.74mg/L；TN去除率由71％提高至79％；PO43--P去除率由82％提高至98％。主要脫氮功能區(qū)的脫氮穩(wěn)定性較優(yōu)化前都有明顯提升：預(yù)缺氧區(qū)NO3--N去除率保持良好；缺氧區(qū)NO3--N去除量由17.49mg/L提高至21.01mg/L，其脫氮貢獻較優(yōu)化前提高了10.03％。此外，日常運行可節(jié)省乙酸鈉1551kg/d，減少碳源支出14萬元/月。
③在二沉池及回流污泥池中發(fā)生的內(nèi)源反硝化也是生物脫氮的重要組成部分。在保證生化系統(tǒng)高效運行的條件下，如何將這部分TN去除量納入生化池脫氮單元，提高其可控性，是之后實際運行調(diào)控需要關(guān)注的問題。
④通過全流程測試能夠發(fā)現(xiàn)污水廠運行過程中存在的問題及生物脫氮除磷方面的薄弱環(huán)節(jié)，根據(jù)結(jié)果可采取針對性的調(diào)控措施，提高日常管理運行效率，在確保出水穩(wěn)定達標(biāo)的同時，還可降低污水廠日常藥耗與能耗。因各廠進水水質(zhì)水量及活性污泥功能的差異，全流程測試可作為污水處理廠定期進行工藝評估診斷的手段，通過制定針對性強、操作性好的優(yōu)化策略，使管理運行更加精細(xì)化。（來源：太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西正陽污水凈化有限公司，中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司）
