多級AO工藝在某高排放標準污水廠的優(yōu)化探討

摘要：深圳市某污水處理廠采用多級AO工藝，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準。隨著城市水環(huán)境治理的深入推進，該污水廠出水水質(zhì)標準需提高到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）準Ⅳ類標準。近一年的運行數(shù)據(jù)表明，該廠出水COD、BOD5和SS穩(wěn)定達到地表水準Ⅳ類標準，出水NH4+-N、TN和TP基本滿足標準要求，達標保障率在80%以上?；趯嶋H運行效果，結(jié)合現(xiàn)狀構(gòu)筑物提標改造潛力，提出通過優(yōu)化運行管理以滿足高排放標準要求。采取的優(yōu)化措施主要包括精確曝氣控制系統(tǒng)氨氮設(shè)定目標值為0.5～1mg/L、精確進水配比為1∶1∶1或5∶3∶2、三級內(nèi)回流比為50%、化學(xué)除磷藥劑投加量為35～40mg/L及生物除磷污泥齡為19.3d。提出的措施已納入該污水廠提標改造工程方案，用于指導(dǎo)下一步提標改造工作。

深圳市某污水處理廠是市政府近年來規(guī)劃建設(shè)的首座半地下式大型市政污水處理廠，服務(wù)面積62.43km²，主要處理福田區(qū)和南山區(qū)部分區(qū)域的城鎮(zhèn)生活污水。該廠一期工程設(shè)計規(guī)模40×10⁴m³/d，占地14.58hm²，采用多級AO工藝，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準。隨著珠江流域水環(huán)境綜合治理的不斷推進，深圳特區(qū)內(nèi)城市水系和近海海域水環(huán)境質(zhì)量要求顯著提升。根據(jù)深圳市治水提質(zhì)行動方案要求，現(xiàn)有污水處理廠出水水質(zhì)需提高到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）Ⅳ類標準（TN除外）。為此，該污水處理廠需進行水質(zhì)提升以滿足新的排放要求。目前主要通過優(yōu)化運行管理和工程措施（如深度處理）兩種方式對污水廠進行提標改造，但是地下式污水處理廠受柱網(wǎng)及布局的限制，建成后再通過工程措施進行提標改造的難度較大。通過對該污水處理廠歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，結(jié)合現(xiàn)狀構(gòu)筑物的提標改造潛力，提出通過優(yōu)化運行管理以滿足地表水準Ⅳ類標準要求，以期為同類污水處理廠建設(shè)和提標改造提供參考。

01 設(shè)計水質(zhì)及工藝流程

該污水處理廠一期工程設(shè)計規(guī)模40×10⁴m³/d，設(shè)計進水水質(zhì)按90%保證率確定，出水水質(zhì)執(zhí)行一級A標準，升級改造后出水水質(zhì)需穩(wěn)定達到地表水準Ⅳ類標準，具體指標見表1。

污水處理采用多級AO工藝，具體流程見圖1。其中，多級AO生物池共分為三級七段，如圖2所示。污水分段進入生物池厭氧段和兩個缺氧段，形成多級AO串聯(lián)形式。生物池各級均設(shè)置內(nèi)回流，可通過各級內(nèi)回流強化反硝化效果。

多級AO工藝強化了反硝化脫氮作用，同時兼顧傳統(tǒng)生物除磷作用，實現(xiàn)了碳源的高效利用。這是因為好氧段產(chǎn)生的硝態(tài)氮不僅可以通過內(nèi)回流進入缺氧段進行反硝化脫氮，也可以進入后續(xù)缺氧段反硝化脫氮，從而實現(xiàn)更好的脫氮效果。此外，前置厭氧區(qū)為聚磷菌的生長繁殖提供了有利條件，從而在一定程度上實現(xiàn)了生物除磷作用。

02 生化池設(shè)計參數(shù)

多級AO生化單元主要設(shè)計參數(shù)如下：污泥齡為19.3d，污泥負荷為0.06kgBOD5/（kgMLSS·d），容積負荷為0.252kgBOD5/（m3·d），平均污泥濃度為4200mg/L，總水力停留時間為14.8h，其中厭氧區(qū)、缺氧Ⅰ段、好氧Ⅰ段、缺氧Ⅱ段、好氧Ⅱ段、缺氧Ⅲ段、好氧Ⅲ段水力停留時間分別為1、1.8、1.8、2.3、2.3、2.8、2.8h，進水配比Q1、Q2、Q3為0～50%（典型值為33.3%），污泥回流比為50%~100%，混合液回流比為0～50%，好氧段DO控制在2mg/L左右。

生化池共分為4座8組，每座（兩組）按10×10⁴m³/d處理能力設(shè)計，單座生化池尺寸長為122.9m，寬為75.7m，高為9.25m，設(shè)計有效水深7.5m，單座生化池有效容積為61666m³。每座生化池共設(shè)32套潛水攪拌器，布置于厭氧和缺氧段，混合液回流泵16套，設(shè)于每級好氧段末端。

03 運行效果及提標改造分析

3.1 運行效果

該污水處理廠一期工程自2016年10月正式運行以來，處理水量逐年上升，2018年日均處理水量達36×104m3/d，現(xiàn)狀處理污水量已接近滿負荷。2018年7月—2019年6月該廠全年進、出水水質(zhì)及達標率如表2所示。

由表2可以看出，進水COD、BOD5、NH4+-N、TN、TP和SS平均濃度分別為249.9、128.2、22.54、28.85、3.07和161.7mg/L，出水平均濃度分別為13.6、2.1、0.60、8.56、0.22和5mg/L，出水水質(zhì)優(yōu)于一級A標準，達標率為100%。這表明該污水處理廠運行狀況良好，符合設(shè)計預(yù)期。

3.2 提標改造潛力

根據(jù)深圳市新一輪水質(zhì)提升方案，現(xiàn)狀執(zhí)行一級A標準的城鎮(zhèn)污水處理廠需逐步提高到地表水準Ⅳ類標準，因此該污水處理廠面臨提標改造的需要。該廠位于深圳市核心區(qū)域，采用半地下式結(jié)構(gòu)，受柱網(wǎng)及布局的限制，難以再通過工程化措施實施提標改造，因此優(yōu)先選擇優(yōu)化運行管理方式進行原位提標改造。

分析近一年運行數(shù)據(jù)，對比地表水準Ⅳ類標準限值，發(fā)現(xiàn)出水水質(zhì)指標平均值均滿足地表水準Ⅳ類標準。其中，出水COD、BOD5和SS達標保障率均為100%，意味著現(xiàn)狀運行下COD、BOD5和SS指標已穩(wěn)定達到高排放標準，但是NH₄⁺-N、TN和TP部分時段超過新標準限值。出水NH₄⁺-N的達標保障率為99.5%，因此易于通過優(yōu)化運行滿足新標準要求。出水TN和TP的達標保障率分別為83.2%和81.9%，經(jīng)出水水質(zhì)達標難度等級評估，該等級處于“一般”水平，意味著可優(yōu)先采用優(yōu)化運行管理，當優(yōu)化運行后無法達標時，再采取工程化措施。綜上，本項目提標改造關(guān)鍵指標為NH4+-N、TN和TP。

實施提標改造即提高關(guān)鍵指標的達標保障率，對現(xiàn)狀出水NH₄⁺-N、TN和TP的統(tǒng)計分析見圖3。

由圖3可看出，出水NH₄⁺-N≤1.5mg/L的比例為99.5%，全年僅有2d超過新標準限值，且最大值僅為1.78mg/L，意味著現(xiàn)狀出水NH₄⁺-N基本達到新標準要求，僅需要加強運行管理即可穩(wěn)定達標。現(xiàn)狀出水TN≤10mg/L的比例為83.2%，意味著出水TN僅有16.8%達不到新標準要求，且出水TN≤11mg/L和12mg/L的比例分別為97.3%和99.7%，也就是說出水TN濃度降低1～2mg/L即可穩(wěn)定達標?，F(xiàn)狀出水TP不高于0.3、0.35和0.4mg/L的比例分別為81.9%、95.1%和100%，意味著出水TP濃度降低0.1mg/L即可穩(wěn)定達標。

該污水處理廠已穩(wěn)定運行3年，設(shè)計進水水質(zhì)與實際進水水質(zhì)對比見表3。

由表3可以看出，實際進水水質(zhì)明顯低于設(shè)計進水水質(zhì)。其中，進水COD、NH₄⁺-N、TN和TP濃度不足設(shè)計值的60%，進水BOD5和SS濃度僅為設(shè)計值的80%，意味著現(xiàn)狀構(gòu)筑物負荷較低，處理能力存在冗余，工藝潛能有待進一步挖掘。

現(xiàn)狀生化單元主要運行參數(shù)：平均水力停留時間為15.7h，平均污泥濃度為6500mg/L，平均泥齡為29.9d，污泥負荷為0.024kgBOD5/（kgMLSS·d），總氮負荷率為0.01kgTN/（kgMLSS·d），污泥回流比為85%，混合液僅在末段回流且回流比為25%，好氧段DO控制在1.8～2.5mg/L。特別是受污泥處理設(shè)施改造產(chǎn)能限制，2019年2月前生化系統(tǒng)污泥濃度明顯較高，自新污泥處理設(shè)施投產(chǎn)后，生化池污泥濃度、污泥齡、排泥量均趨于設(shè)計值。為保證出水TP穩(wěn)定達標，該污水處理廠除利用生物除磷作用外，還采取輔助化學(xué)除磷方式，設(shè)計除磷藥劑PAC投加量為65.8mg/L（質(zhì)量分數(shù)為10%，下同），實際投加量為30mg/L。

通過復(fù)核生化池處理能力發(fā)現(xiàn)，污泥負荷和總氮負荷分別為設(shè)計值的40%和30%，即使扣除排泥不暢的因素，現(xiàn)狀生化系統(tǒng)負荷仍較低，且工藝運行參數(shù)具有較大的優(yōu)化空間。對比關(guān)鍵指標NH4+-N、TN和TP的新增削減量，經(jīng)計算，在目前進水水質(zhì)狀況下，現(xiàn)狀處理構(gòu)筑物能夠保證出水達到地表水準Ⅳ類標準。因此，結(jié)合該污水處理廠運行現(xiàn)狀，采用優(yōu)化運行管理方式進行提標改造。

3.3 關(guān)鍵指標因素分析

該污水處理廠提標改造關(guān)鍵指標為NH4+-N、TN和TP，深入分析其達標影響因素以便梳理優(yōu)化運行措施。其中，出水NH4+-N達標主要受溫度、HRT、DO、污泥濃度等因素影響，對比污水處理廠運行現(xiàn)狀，篩選出重點影響因素為DO。目前，污水處理廠多數(shù)采用精確曝氣控制系統(tǒng)，以降低曝氣量、節(jié)省成本。在滿足一級A標準前提下，污水處理廠運營一般采用低DO模式。因此，可通過優(yōu)化精確曝氣控制系統(tǒng)，提高出水NH4+-N的達標保障率。出水TN達標主要受進水BOD5/TN、進水碳源分配、污泥齡、混合液回流比等因素影響。近一年的進水數(shù)據(jù)顯示，BOD5/TN平均值為4.44，屬于碳源較充足的污水，可滿足系統(tǒng)脫氮需要。經(jīng)與實際運行參數(shù)比較，篩選出TN達標重點影響因素為進水碳源分配和混合液回流比。在一級A及以上排放標準下，出水TP達標受化學(xué)除磷和生物除磷的綜合影響。其中，化學(xué)除磷主要受藥劑種類、投加點、投加量等因素影響；生物除磷主要受進水BOD5/TP、污泥齡、溫度、HRT等因素影響。對比污水處理廠現(xiàn)狀，識別出TP達標重點影響因素為藥劑投加量和污泥齡。

04 優(yōu)化運行措施

4.1 多模式精確曝氣控制系統(tǒng)優(yōu)化

該污水處理廠生化池采用多模式精確曝氣控制系統(tǒng)，包括時鐘模式、DO模式及氨氮模式，建立基于三種自動控制模式互為補充的精確曝氣系統(tǒng)，特別是精確曝氣氨氮模式，可將生化池出水氨氮濃度穩(wěn)定控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，保證出水氨氮穩(wěn)定達標，降低出水水質(zhì)超標風險。目前，該污水處理廠精確曝氣氨氮的設(shè)定目標值為1～2mg/L。近一年的運行效果表明，出水氨氮最大值不超過設(shè)定目標值，能夠保證出水氨氮濃度穩(wěn)定達到一級A標準。事實上，出水氨氮濃度明顯低于一級A標準限值。因此，基于精確曝氣氨氮模式的控制系統(tǒng)能夠?qū)⒊鏊钡獫舛瓤刂圃谠O(shè)定的范圍。針對該污水處理廠出水氨氮濃度存在超過新標準限值的風險，可將氨氮設(shè)定目標值降低到0.5～1mg/L，以保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達到地表水準Ⅳ類標準。另外，氨氮在線儀表在低量程范圍（0～1mg/L）內(nèi)測量精度和準確度較低，測量值作為反饋調(diào)節(jié)的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)，直接關(guān)系到污水處理廠的運行穩(wěn)定性和達標保證率。因此，運行管理上需強化在線儀表的維護和校核，保證測量值的準確性和穩(wěn)定性。綜上，基于多模式精確曝氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化，合理設(shè)定氨氮目標值，強化在線儀表維護，能夠保證出水氨氮濃度穩(wěn)定達到高排放標準要求。

4.2 進水分配精確化

多級AO工藝通過多點配水實現(xiàn)碳源的合理分配和有效利用。理論上，若生化池各段進水配比相同，污泥回流比為85%，最后段內(nèi)回流比為25%，根據(jù)相關(guān)計算公式，多級AO工藝脫氮效率可達84.1%。然而，近一年的運行數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)平均TN去除率僅為70.1%，與理論脫氮率仍有不小差距。分析原因，可能是污水處理廠進水配比偏離最優(yōu)區(qū)間，未能充分利用進水碳源，發(fā)揮多級AO工藝強化脫氮的優(yōu)勢。事實上，該污水處理廠多點配水采用配水渠+可調(diào)堰方式，缺少流量計量裝置，實際運行中僅憑感覺調(diào)節(jié)，無法精確獲得各級進水流量，因此難以科學(xué)進行進水流量的高效分配。在高排放標準目標要求下，污水處理廠進水流量必須實現(xiàn)精確控制，以實現(xiàn)進水碳源的有效分配，保證多級AO系統(tǒng)獲得穩(wěn)定高效的脫氮效果。因此在配水渠中加裝明渠流量計及電動堰門控制，以實現(xiàn)各級配水點的精確測量和控制，遠程連接中控室，實時監(jiān)控和調(diào)整各級進水配比，摸索和優(yōu)化最佳碳源分配方式，提高污水處理廠的脫氮除磷效率。實際運行中，多級AO工藝各級進水流量常采取逐級增大、逐級減少或者均勻分配的流量分配方式，以充分利用進水碳源，強化反硝化脫氮效果。根據(jù)模擬小試結(jié)果，進水配比為1∶1∶1或5∶3∶2時，出水TN濃度可穩(wěn)定達到地表水準Ⅳ類標準。因此，精確計量和分配進水流量，優(yōu)化配比，能夠提高系統(tǒng)的脫氮效果，保證出水TN濃度穩(wěn)定達標。

4.3 內(nèi)回流優(yōu)化

理論上，多級AO工藝除最后一級外無需設(shè)置內(nèi)回流，前提是各級好氧段和缺氧段硝化反硝化反應(yīng)充分，各級進水中均有足夠的碳源滿足反硝化需求。事實上，進水水質(zhì)、水量的波動以及活性污泥性狀變化難以實時滿足理論前提。為保證多級AO工藝的生物脫氮效果，工程上各級AO段通常均設(shè)計內(nèi)回流，通過強化硝化液回流來提高系統(tǒng)TN去除效果。該污水處理廠設(shè)計三級內(nèi)回流，回流比為0～50%，其中一級、二級內(nèi)回流設(shè)計為常閉模式，視運行水質(zhì)狀態(tài)開啟。在一級A排放標準下，現(xiàn)狀運行僅在末段進行內(nèi)回流，回流比為25%。為保證出水TN濃度穩(wěn)定達到地表水準Ⅳ類標準，可優(yōu)化提高末端內(nèi)回流比（例如提高到50%），或者在一級、二級AO段開啟內(nèi)回流。工程案例表明，通過實施內(nèi)回流強化反硝化效果以保證出水TN達標的措施是完全可行的。本項目中，平均出水TN濃度為8.56mg/L，出水TN達標保障率為83.2%。根據(jù)現(xiàn)狀出水水質(zhì)與高排放標準要求，出水TN濃度需降低1～2mg/L。研究表明，內(nèi)回流比調(diào)整在一定程度上可提高TN去除率，結(jié)合該污水處理廠運行現(xiàn)狀，調(diào)整內(nèi)回流比仍有較大空間。多級AO工藝中內(nèi)回流強化反硝化效果從末端向前端依次降低，因此內(nèi)回流優(yōu)化措施依次是三級內(nèi)回流（50%）、二級內(nèi)回流（0～50%）、一級內(nèi)回流（0～50%）。根據(jù)模擬小試結(jié)果，三級內(nèi)回流比為50%時能夠保證出水TN穩(wěn)定達標。綜上，通過實施內(nèi)回流優(yōu)化，同時結(jié)合進水碳源有效分配，能夠顯著降低出水TN超標風險，實現(xiàn)達標排放。

4.4 強化化學(xué)/生物除磷能力

生物除磷很難使出水TP<1.0mg/L，在一級A標準甚至地表水準Ⅳ類標準要求下，必須輔助化學(xué)除磷。該污水處理廠通過在生化池末端投加30mg/L的PAC保證出水TP穩(wěn)定達到一級A標準，平均出水TP為0.22mg/L。為滿足地表水準Ⅳ類標準，出水TP需降低0.1mg/L。根據(jù)設(shè)計規(guī)范計算，需增加2.5mg/L的PAC，考慮出水達標的安全系數(shù)，增加5～10mg/L的PAC能夠滿足高排放標準要求。因此，將現(xiàn)有除磷藥劑PAC的投加量調(diào)整到35～40mg/L，可保證出水TP濃度穩(wěn)定達到地表水準Ⅳ類標準。生物除磷系統(tǒng)主要通過及時排出剩余污泥來實現(xiàn)除磷，因此對污泥齡的有效控制是發(fā)揮生物除磷能力的關(guān)鍵。本項目生化池設(shè)計污泥齡為19.3d，然而由于污泥處理設(shè)施改造產(chǎn)能限制，導(dǎo)致該污水處理廠生化池排泥不暢，統(tǒng)計期內(nèi)實際平均污泥齡達29.9d，明顯高于設(shè)計值。生化池污泥齡過長，一方面會使污泥活性降低，另一方面污泥趨于老化，導(dǎo)致系統(tǒng)除磷效率下降。污水處理廠出水TP分布數(shù)據(jù)顯示，出水TP>0.3mg/L時段系統(tǒng)基本處于排泥受阻期。因此，合理控制污泥齡，保證充分的剩余污泥排出，能夠有效發(fā)揮生物除磷功能，減少化學(xué)除磷藥劑的投加。綜上，通過強化系統(tǒng)化學(xué)除磷（增加PAC投加量）和充分發(fā)揮生物除磷能力（控制污泥齡），能夠保證出水TP濃度穩(wěn)定達到高排放標準要求。

05 結(jié)語

深圳市某污水處理廠采用多級AO工藝，出水水質(zhì)執(zhí)行一級A標準。鑒于高排放標準水質(zhì)提升要求，通過分析歷史運行數(shù)據(jù)，復(fù)核現(xiàn)狀構(gòu)筑物的處理能力，提出基于優(yōu)化運行管理來滿足地表水準Ⅳ類標準。運行數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)狀出水水質(zhì)均優(yōu)于設(shè)計標準，部分指標達到高排放標準要求。提標改造潛力分析表明，通過充分挖掘工藝潛能，能夠保證出水穩(wěn)定達標。針對工藝潛能挖掘，通過實施精確曝氣控制系統(tǒng)優(yōu)化、精確進水分配、優(yōu)化內(nèi)回流及強化化學(xué)/生物除磷能力等措施，能夠保證出水穩(wěn)定達到升級后的標準要求。提出的運行措施已部分應(yīng)用于該污水處理廠日常運行，取得了良好的運行效果。下一步將結(jié)合該污水處理廠的提標改造進展，綜合評估措施的實施效果，以期為同類污水處理廠的提標改造提供實踐參考。