摘要：深圳市某污水處理廠(chǎng)采用多級AO工藝，出水水質(zhì)執行《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準。隨著(zhù)城市水環(huán)境治理的深入推進(jìn)，該污水廠(chǎng)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(lèi)標準。近一年的運行數據表明，該廠(chǎng)出水COD、BOD5和SS穩定達到地表水準Ⅳ類(lèi)標準，出水NH4+-N、TN和TP基本滿(mǎn)足標準要求，達標保障率在80%以上?；趯?shí)際運行效果，結合現狀構筑物提標改造潛力，提出通過(guò)優(yōu)化運行管理以滿(mǎn)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氨氮設定目標值為0.5～1mg/L、精確進(jìn)水配比為1∶1∶1或5∶3∶2、三級內回流比為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(chǎng)提標改造工程方案，用于指導下一步提標改造工作。

深圳市某污水處理廠(chǎng)是市政府近年來(lái)規劃建設的首座半地下式大型市政污水處理廠(chǎng)，服務(wù)面積62.43km²，主要處理福田區和南山區部分區域的城鎮生活污水。該廠(chǎng)一期工程設計規模40×10⁴m³/d，占地14.58hm²，采用多級AO工藝，出水水質(zhì)執行《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準。隨著(zhù)珠江流域水環(huán)境綜合治理的不斷推進(jìn)，深圳特區內城市水系和近海海域水環(huán)境質(zhì)量要求顯著(zhù)提升。根據深圳市治水提質(zhì)行動(dòng)方案要求，現有污水處理廠(chǎng)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(lèi)標準（TN除外）。為此，該污水處理廠(chǎng)需進(jìn)行水質(zhì)提升以滿(mǎn)足新的排放要求。目前主要通過(guò)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(chǎng)進(jìn)行提標改造，但是地下式污水處理廠(chǎng)受柱網(wǎng)及布局的限制，建成后再通過(guò)工程措施進(jìn)行提標改造的難度較大。通過(guò)對該污水處理廠(chǎng)歷史數據統計分析，結合現狀構筑物的提標改造潛力，提出通過(guò)優(yōu)化運行管理以滿(mǎn)足地表水準Ⅳ類(lèi)標準要求，以期為同類(lèi)污水處理廠(chǎng)建設和提標改造提供參考。

01 設計水質(zhì)及工藝流程

該污水處理廠(chǎng)一期工程設計規模40×10⁴m³/d，設計進(jìn)水水質(zhì)按90%保證率確定，出水水質(zhì)執行一級A標準，升級改造后出水水質(zhì)需穩定達到地表水準Ⅳ類(lèi)標準，具體指標見(jiàn)表1。

污水處理采用多級AO工藝，具體流程見(jiàn)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(jìn)入生物池厭氧段和兩個(gè)缺氧段，形成多級AO串聯(lián)形式。生物池各級均設置內回流，可通過(guò)各級內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(shí)兼顧傳統生物除磷作用，實(shí)現了碳源的高效利用。這是因為好氧段產(chǎn)生的硝態(tài)氮不僅可以通過(guò)內回流進(jìn)入缺氧段進(jìn)行反硝化脫氮，也可以進(jìn)入后續缺氧段反硝化脫氮，從而實(shí)現更好的脫氮效果。此外，前置厭氧區為聚磷菌的生長(cháng)繁殖提供了有利條件，從而在一定程度上實(shí)現了生物除磷作用。

02 生化池設計參數

多級AO生化單元主要設計參數如下：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(shí)間為14.8h，其中厭氧區、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(shí)間分別為1、1.8、1.8、2.3、2.3、2.8、2.8h，進(jìn)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處理能力設計，單座生化池尺寸長(cháng)為122.9m，寬為75.7m，高為9.25m，設計有效水深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(chǎng)一期工程自2016年10月正式運行以來(lái)，處理水量逐年上升，2018年日均處理水量達36×104m3/d，現狀處理污水量已接近滿(mǎn)負荷。2018年7月—2019年6月該廠(chǎng)全年進(jìn)、出水水質(zhì)及達標率如表2所示。

由表2可以看出，進(jìn)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(chǎng)運行狀況良好，符合設計預期。

3.2 提標改造潛力

根據深圳市新一輪水質(zhì)提升方案，現狀執行一級A標準的城鎮污水處理廠(chǎng)需逐步提高到地表水準Ⅳ類(lèi)標準，因此該污水處理廠(chǎng)面臨提標改造的需要。該廠(chǎng)位于深圳市核心區域，采用半地下式結構，受柱網(wǎng)及布局的限制，難以再通過(guò)工程化措施實(shí)施提標改造，因此優(yōu)先選擇優(yōu)化運行管理方式進(jìn)行原位提標改造。

分析近一年運行數據，對比地表水準Ⅳ類(lèi)標準限值，發(fā)現出水水質(zhì)指標平均值均滿(mǎn)足地表水準Ⅳ類(lèi)標準。其中，出水COD、BOD5和SS達標保障率均為100%，意味著(zhù)現狀運行下COD、BOD5和SS指標已穩定達到高排放標準，但是NH₄⁺-N、TN和TP部分時(shí)段超過(guò)新標準限值。出水NH₄⁺-N的達標保障率為99.5%，因此易于通過(guò)優(yōu)化運行滿(mǎn)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(zhù)可優(yōu)先采用優(yōu)化運行管理，當優(yōu)化運行后無(wú)法達標時(shí)，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(shí)施提標改造即提高關(guān)鍵指標的達標保障率，對現狀出水NH₄⁺-N、TN和TP的統計分析見(jiàn)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(guò)新標準限值，且最大值僅為1.78mg/L，意味著(zhù)現狀出水NH₄⁺-N基本達到新標準要求，僅需要加強運行管理即可穩定達標?，F狀出水TN≤10mg/L的比例為83.2%，意味著(zhù)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(shuō)出水TN濃度降低1～2mg/L即可穩定達標?，F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(zhù)出水TP濃度降低0.1mg/L即可穩定達標。

該污水處理廠(chǎng)已穩定運行3年，設計進(jìn)水水質(zhì)與實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)對比見(jiàn)表3。

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

現狀生化單元主要運行參數：平均水力停留時(shí)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施改造產(chǎn)能限制，2019年2月前生化系統污泥濃度明顯較高，自新污泥處理設施投產(chǎn)后，生化池污泥濃度、污泥齡、排泥量均趨于設計值。為保證出水TP穩定達標，該污水處理廠(chǎng)除利用生物除磷作用外，還采取輔助化學(xué)除磷方式，設計除磷藥劑PAC投加量為65.8mg/L（質(zhì)量分數為10%，下同），實(shí)際投加量為30mg/L。

通過(guò)復核生化池處理能力發(fā)現，污泥負荷和總氮負荷分別為設計值的40%和30%，即使扣除排泥不暢的因素，現狀生化系統負荷仍較低，且工藝運行參數具有較大的優(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(jìn)水水質(zhì)狀況下，現狀處理構筑物能夠保證出水達到地表水準Ⅳ類(lèi)標準。因此，結合該污水處理廠(chǎng)運行現狀，采用優(yōu)化運行管理方式進(jìn)行提標改造。

3.3 關(guān)鍵指標因素分析

該污水處理廠(chǎng)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(chǎng)運行現狀，篩選出重點(diǎn)影響因素為DO。目前，污水處理廠(chǎng)多數采用精確曝氣控制系統，以降低曝氣量、節省成本。在滿(mǎn)足一級A標準前提下，污水處理廠(chǎng)運營(yíng)一般采用低DO模式。因此，可通過(guò)優(yōu)化精確曝氣控制系統，提高出水NH4+-N的達標保障率。出水TN達標主要受進(jìn)水BOD5/TN、進(jìn)水碳源分配、污泥齡、混合液回流比等因素影響。近一年的進(jìn)水數據顯示，BOD5/TN平均值為4.44，屬于碳源較充足的污水，可滿(mǎn)足系統脫氮需要。經(jīng)與實(shí)際運行參數比較，篩選出TN達標重點(diǎn)影響因素為進(jìn)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(lèi)、投加點(diǎn)、投加量等因素影響；生物除磷主要受進(jìn)水BOD5/TP、污泥齡、溫度、HRT等因素影響。對比污水處理廠(chǎng)現狀，識別出TP達標重點(diǎn)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優(yōu)化

該污水處理廠(chǎng)生化池采用多模式精確曝氣控制系統，包括時(shí)鐘模式、DO模式及氨氮模式，建立基于三種自動(dòng)控制模式互為補充的精確曝氣系統，特別是精確曝氣氨氮模式，可將生化池出水氨氮濃度穩定控制在設定的范圍內，保證出水氨氮穩定達標，降低出水水質(zhì)超標風(fēng)險。目前，該污水處理廠(chǎng)精確曝氣氨氮的設定目標值為1～2mg/L。近一年的運行效果表明，出水氨氮最大值不超過(guò)設定目標值，能夠保證出水氨氮濃度穩定達到一級A標準。事實(shí)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能夠將出水氨氮濃度控制在設定的范圍。針對該污水處理廠(chǎng)出水氨氮濃度存在超過(guò)新標準限值的風(fēng)險，可將氨氮設定目標值降低到0.5～1mg/L，以保證出水水質(zhì)穩定達到地表水準Ⅳ類(lèi)標準。另外，氨氮在線(xiàn)儀表在低量程范圍（0～1mg/L）內測量精度和準確度較低，測量值作為反饋調節的關(guān)鍵輸入參數，直接關(guān)系到污水處理廠(chǎng)的運行穩定性和達標保證率。因此，運行管理上需強化在線(xiàn)儀表的維護和校核，保證測量值的準確性和穩定性。綜上，基于多模式精確曝氣控制系統的優(yōu)化，合理設定氨氮目標值，強化在線(xiàn)儀表維護，能夠保證出水氨氮濃度穩定達到高排放標準要求。

4.2 進(jìn)水分配精確化

多級AO工藝通過(guò)多點(diǎn)配水實(shí)現碳源的合理分配和有效利用。理論上，若生化池各段進(jìn)水配比相同，污泥回流比為85%，最后段內回流比為25%，根據相關(guān)計算公式，多級AO工藝脫氮效率可達84.1%。然而，近一年的運行數據顯示，系統平均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(chǎng)進(jìn)水配比偏離最優(yōu)區間，未能充分利用進(jìn)水碳源，發(fā)揮多級AO工藝強化脫氮的優(yōu)勢。事實(shí)上，該污水處理廠(chǎng)多點(diǎn)配水采用配水渠+可調堰方式，缺少流量計量裝置，實(shí)際運行中僅憑感覺(jué)調節，無(wú)法精確獲得各級進(jìn)水流量，因此難以科學(xué)進(jìn)行進(jìn)水流量的高效分配。在高排放標準目標要求下，污水處理廠(chǎng)進(jìn)水流量必須實(shí)現精確控制，以實(shí)現進(jìn)水碳源的有效分配，保證多級AO系統獲得穩定高效的脫氮效果。因此在配水渠中加裝明渠流量計及電動(dòng)堰門(mén)控制，以實(shí)現各級配水點(diǎn)的精確測量和控制，遠程連接中控室，實(shí)時(shí)監控和調整各級進(jìn)水配比，摸索和優(yōu)化最佳碳源分配方式，提高污水處理廠(chǎng)的脫氮除磷效率。實(shí)際運行中，多級AO工藝各級進(jìn)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(jìn)水碳源，強化反硝化脫氮效果。根據模擬小試結果，進(jìn)水配比為1∶1∶1或5∶3∶2時(shí)，出水TN濃度可穩定達到地表水準Ⅳ類(lèi)標準。因此，精確計量和分配進(jìn)水流量，優(yōu)化配比，能夠提高系統的脫氮效果，保證出水TN濃度穩定達標。

4.3 內回流優(yōu)化

理論上，多級AO工藝除最后一級外無(wú)需設置內回流，前提是各級好氧段和缺氧段硝化反硝化反應充分，各級進(jìn)水中均有足夠的碳源滿(mǎn)足反硝化需求。事實(shí)上，進(jìn)水水質(zhì)、水量的波動(dòng)以及活性污泥性狀變化難以實(shí)時(shí)滿(mǎn)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段通常均設計內回流，通過(guò)強化硝化液回流來(lái)提高系統TN去除效果。該污水處理廠(chǎng)設計三級內回流，回流比為0～50%，其中一級、二級內回流設計為常閉模式，視運行水質(zhì)狀態(tài)開(kāi)啟。在一級A排放標準下，現狀運行僅在末段進(jìn)行內回流，回流比為25%。為保證出水TN濃度穩定達到地表水準Ⅳ類(lèi)標準，可優(yōu)化提高末端內回流比（例如提高到50%），或者在一級、二級AO段開(kāi)啟內回流。工程案例表明，通過(guò)實(shí)施內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%。根據現狀出水水質(zhì)與高排放標準要求，出水TN濃度需降低1～2mg/L。研究表明，內回流比調整在一定程度上可提高TN去除率，結合該污水處理廠(chǎng)運行現狀，調整內回流比仍有較大空間。多級AO工藝中內回流強化反硝化效果從末端向前端依次降低，因此內回流優(yōu)化措施依次是三級內回流（50%）、二級內回流（0～50%）、一級內回流（0～50%）。根據模擬小試結果，三級內回流比為50%時(shí)能夠保證出水TN穩定達標。綜上，通過(guò)實(shí)施內回流優(yōu)化，同時(shí)結合進(jìn)水碳源有效分配，能夠顯著(zhù)降低出水TN超標風(fēng)險，實(shí)現達標排放。

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(lèi)標準要求下，必須輔助化學(xué)除磷。該污水處理廠(chǎng)通過(guò)在生化池末端投加30mg/L的PAC保證出水TP穩定達到一級A標準，平均出水TP為0.22mg/L。為滿(mǎn)足地表水準Ⅳ類(lèi)標準，出水TP需降低0.1mg/L。根據設計規范計算，需增加2.5mg/L的PAC，考慮出水達標的安全系數，增加5～10mg/L的PAC能夠滿(mǎn)足高排放標準要求。因此，將現有除磷藥劑PAC的投加量調整到35～40mg/L，可保證出水TP濃度穩定達到地表水準Ⅳ類(lèi)標準。生物除磷系統主要通過(guò)及時(shí)排出剩余污泥來(lái)實(shí)現除磷，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。本項目生化池設計污泥齡為19.3d，然而由于污泥處理設施改造產(chǎn)能限制，導致該污水處理廠(chǎng)生化池排泥不暢，統計期內實(shí)際平均污泥齡達29.9d，明顯高于設計值。生化池污泥齡過(guò)長(cháng)，一方面會(huì )使污泥活性降低，另一方面污泥趨于老化，導致系統除磷效率下降。污水處理廠(chǎng)出水TP分布數據顯示，出水TP>0.3mg/L時(shí)段系統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(guò)強化系統化學(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濃度穩定達到高排放標準要求。

05 結語(yǔ)

深圳市某污水處理廠(chǎng)采用多級AO工藝，出水水質(zhì)執行一級A標準。鑒于高排放標準水質(zhì)提升要求，通過(guò)分析歷史運行數據，復核現狀構筑物的處理能力，提出基于優(yōu)化運行管理來(lái)滿(mǎn)足地表水準Ⅳ類(lèi)標準。運行數據顯示，現狀出水水質(zhì)均優(yōu)于設計標準，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(guò)充分挖掘工藝潛能，能夠保證出水穩定達標。針對工藝潛能挖掘，通過(guò)實(shí)施精確曝氣控制系統優(yōu)化、精確進(jìn)水分配、優(yōu)化內回流及強化化學(xué)/生物除磷能力等措施，能夠保證出水穩定達到升級后的標準要求。提出的運行措施已部分應用于該污水處理廠(chǎng)日常運行，取得了良好的運行效果。下一步將結合該污水處理廠(chǎng)的提標改造進(jìn)展，綜合評估措施的實(shí)施效果，以期為同類(lèi)污水處理廠(chǎng)的提標改造提供實(shí)踐參考。