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(qū)環(huán)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(wěn)定達標和運行成本較高等問題，如何使污水處理廠穩(wěn)定運行成為污水處理廠運行人員急需解決的問題。本文創(chuàng)建了一套系統(tǒng)性的污水處理廠優(yōu)化調(diào)控診斷方法，該方法以污水處理廠歷年數(shù)據(jù)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(qū)指標模擬測試和針對性模擬優(yōu)化測試，分析該污水處理廠工藝運行狀態(tài)，得出工藝運行關鍵問題，結合活性污泥建模與優(yōu)化調(diào)控分析，最終提出工藝運行優(yōu)化方案。

1 污水處理廠水質(zhì)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(zhì)數(shù)據(jù)分析，以24 h 進水水質(zhì)數(shù)據(jù)（COD、BOD5、TN、TP、NH3-N、SS）進行統(tǒng)計，分析BOD5/COD、BOD5/TN 和BOD5/TP 等影響氮磷出水穩(wěn)定達標的關鍵指標，對污水處理廠穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響的主要因素進行污染物特征識別，可對達標穩(wěn)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(zhì)數(shù)據(jù)24 h 出水水質(zhì)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，分析出水基本水質(zhì)參數(shù)變化情況，可甄別影響該污水處理廠穩(wěn)定運行的主要水質(zhì)參數(shù)，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(zhì)數(shù)據(jù)可知，目前，污水處理廠歷年進出水水質(zhì)數(shù)據(jù)季節(jié)波動性較為明顯，24 h 進出水水質(zhì)數(shù)據(jù)隨時間波動明顯，因此歷年水質(zhì)數(shù)據(jù)以24 h 水質(zhì)數(shù)據(jù)可作為污水處理廠水質(zhì)分析的重點，了解污水處理廠的水質(zhì)波動情況，可為調(diào)控污水處理工藝奠定基礎。

結合目前進出水水質(zhì)數(shù)據(jù)分析方法，確定所使用的歷年數(shù)據(jù)分析方法為：對污水處理廠的進出水基本水質(zhì)參數(shù)（如COD、BOD5、TN、TP、NH3-N、SS 等）進行統(tǒng)計，得出污水處理廠進出水各基本水質(zhì)參數(shù)的年變化規(guī)律曲線，從而得到各基本水質(zhì)參數(shù)的時間變化規(guī)律（如季節(jié)變化、溫度變化）；對目標污染物進出水數(shù)據(jù)進行統(tǒng)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(tǒng)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(wěn)定運行產(chǎn)生影響的主要因素進行污染物特征識別；通過以上數(shù)據(jù)分析，最終得到不同時間段污水處理廠運行狀態(tài)特征，推測影響出水穩(wěn)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(tài)調(diào)控提供依據(jù)，工藝全流程測試其本質(zhì)是根據(jù)污水處理工藝功能區(qū)的劃分，在每個功能區(qū)進行布點取樣，根據(jù)功能區(qū)所設定的目標污染物設計檢測項目（如厭氧釋磷區(qū)測定TP、PO43--P 濃度，反硝化區(qū)測定TN、NO3--N 濃度），根據(jù)設計檢測項目的濃度變化，對該功能區(qū)進行運行狀態(tài)評價，最終對該工藝提出優(yōu)化運行方案。目前，大多數(shù)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(tài)，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(guī)模1.5 萬t/d，出水執(zhí)行一級A 標準。

2.1 取樣點設置

根據(jù)該廠工藝流程設置的沿程，COD、TN、NO3--N、NH3-N 指標取樣監(jiān)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(shù)據(jù)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(qū)至膜池逐漸降低，說明除了在好氧池發(fā)生硝化反應，污水在進入膜池后仍發(fā)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(jù)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(jù)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(zhì)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(zhì)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(jiān)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(diào)控提供確切的依據(jù)。

3 功能區(qū)指標模擬測試方法的建立

常見功能區(qū)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(qū)部分活性污泥，進行小試試驗，測定這三項指標。因?qū)嶋H工程運行影響的因素復雜性（如進水水質(zhì)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(qū)某污水處理廠A2O-MBR 工藝活性污泥進行功能區(qū)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(shù)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(qū)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(huán)境，因此膜池仍會發(fā)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(qū)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(jīng)測試發(fā)現(xiàn)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(yōu)質(zhì)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(fā)現(xiàn)，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(qū)指標進行靜態(tài)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(tǒng)功能區(qū)實際水力停留時間等指標可核算生物系統(tǒng)的處理潛力，進而對污水處理廠工藝運行狀態(tài)進行評估。

4 針對性模擬優(yōu)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(shù)據(jù)分析、工藝全流程功能測試分析、功能區(qū)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(zhèn)污水處理廠實際運行問題進行研究，筆者發(fā)現(xiàn)，多數(shù)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(xiàn)象進行針對性模擬優(yōu)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(xié)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(fā)現(xiàn)，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(yōu)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(tài)進行模擬，還可為擬進行的工藝優(yōu)化調(diào)控方案進行測試，驗證工藝優(yōu)化方案可行性，從而達到優(yōu)化污水處理工藝運行方式的目的。

5 活性污泥建模與優(yōu)化調(diào)控分析

本文使用廣泛運用于污水處理廠工藝調(diào)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(jù)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(shù)設定。模型的輸入?yún)?shù)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(shù)，進水特征參數(shù)輸入模型。然后，需要確定關鍵參數(shù)，其數(shù)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(shù)值試算使得模擬結果逼近實際情況，從而獲得參數(shù)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(shù)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(zhì)，難以對參數(shù)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(zhì)指標的影響。根據(jù)污水處理廠實際工藝流程、進水水質(zhì)活性污泥基本參數(shù)建立概化模型，由模擬結果來看，春夏季時增大內(nèi)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(nèi)增大內(nèi)回流比會降低出水TN、NH3-N 和COD 濃度，但當內(nèi)回流比達到800%后出水TN 濃度上升，出水總磷則隨內(nèi)回流量的增加呈現(xiàn)升高趨勢。

通過對實際污水處理廠進行活性污泥建模發(fā)現(xiàn)，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(tài)進行評價分析，同時可對無法現(xiàn)場進行的污水處理廠運行模式進行調(diào)控模擬，如更改內(nèi)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(zhèn)污水處理廠調(diào)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(zhì)數(shù)據(jù)為基礎，工藝全流程功能、功能區(qū)指標模擬及針對性模擬優(yōu)化測試為手段，通過分析污水處理廠工藝運行狀態(tài)，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(yōu)化方案。經(jīng)過以上測試分析，人們可以得出影響該工藝穩(wěn)定運行的關鍵問題和可能實施的優(yōu)化運行方案，針對該方案可設計針對性模擬優(yōu)化試驗，最終通過活性污泥建模與優(yōu)化調(diào)控分析，確定工藝優(yōu)化運行方案，提出該污水處理廠工藝穩(wěn)定運行建議。