多級AO工藝在某高排放標準污水廠的優化探討
摘要：深圳市某污水處理廠采用多級AO工藝，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準。隨著城市水環境治理的深入推進，該污水廠出水水質標準需提高到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）準Ⅳ類標準。近一年的運行數據表明，該廠出水COD、BOD5和SS穩定達到地表水準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。基于實際運行效果，結合現狀構筑物提標改造潛力，提出通過優化運行管理以滿足高排放標準要求。采取的優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、精確進水配比為1∶1∶1或5∶3∶2、三級內回流比為50%、化學除磷藥劑投加量為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劃建設的首座半地下式大型市政污水處理廠，服務面積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，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準。隨著珠江流域水環境綜合治理的不斷推進，深圳特區內城市水系和近海海域水環境質量要求顯著提升。根據深圳市治水提質行動方案要求，現有污水處理廠出水水質需提高到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅳ類標準（TN除外）。為此，該污水處理廠需進行水質提升以滿足新的排放要求。目前主要通過優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據統計分析，結合現狀構筑物的提標改造潛力，提出通過優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和提標改造提供參考。
01 設計水質及工藝流程
該污水處理廠一期工程設計規模40×104m3/d，設計進水水質按90%保證率確定，出水水質執行一級A標準，升級改造后出水水質需穩定達到地表水準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串聯形式。生物池各級均設置內回流，可通過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，同時兼顧傳統生物除磷作用，實現了碳源的高效利用。這是因為好氧段產生的硝態氮不僅可以通過內回流進入缺氧段進行反硝化脫氮，也可以進入后續缺氧段反硝化脫氮，從而實現更好的脫氮效果。此外，前置厭氧區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處理能力設計，單座生化池尺寸長為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，出水水質優于一級A標準，達標率為100%。這表明該污水處理廠運行狀況良好，符合設計預期。
3.2 提標改造潛力
根據深圳市新一輪水質提升方案，現狀執行一級A標準的城鎮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域，采用半地下式結構，受柱網及布局的限制，難以再通過工程化措施實施提標改造，因此優先選擇優化運行管理方式進行原位提標改造。
分析近一年運行數據，對比地表水準Ⅳ類標準限值，發現出水水質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%，經出水水質達標難度等級評估，該等級處于“一般”水平，意味著可優先采用優化運行管理，當優化運行后無法達標時，再采取工程化措施。綜上，本項目提標改造關鍵指標為NH4+-N、TN和TP。
實施提標改造即提高關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。現狀出水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即可穩定達標。現狀出水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即可穩定達標。
該污水處理廠已穩定運行3年，設計進水水質與實際進水水質對比見表3。
由表3可以看出，實際進水水質明顯低于設計進水水質。其中，進水COD、NH4+-N、TN和TP濃度不足設計值的60%，進水BOD5和SS濃度僅為設計值的80%，意味著現狀構筑物負荷較低，處理能力存在冗余，工藝潛能有待進一步挖掘。
現狀生化單元主要運行參數：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施改造產能限制，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，該污水處理廠除利用生物除磷作用外，還采取輔助化學除磷方式，設計除磷藥劑PAC投加量為65.8mg/L（質量分數為10%，下同），實際投加量為30mg/L。
通過復核生化池處理能力發現，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化空間。對比關鍵指標NH4+-N、TN和TP的新增削減量，經計算，在目前進水水質狀況下，現狀處理構筑物能夠保證出水達到地表水準Ⅳ類標準。因此，結合該污水處理廠運行現狀，采用優化運行管理方式進行提標改造。
3.3 關鍵指標因素分析
該污水處理廠提標改造關鍵指標為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狀，篩選出重點影響因素為DO。目前，污水處理廠多數采用精確曝氣控制系統，以降低曝氣量、節省成本。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。近一年的進水數據顯示，BOD5/TN平均值為4.44，屬于碳源較充足的污水，可滿足系統脫氮需要。經與實際運行參數比較，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達標受化學除磷和生物除磷的綜合影響。其中，化學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 優化運行措施
4.1 多模式精確曝氣控制系統優化
該污水處理廠生化池采用多模式精確曝氣控制系統，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，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，降低出水水質超標風險。目前，該污水處理廠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。針對該污水處理廠出水氨氮濃度存在超過新標準限值的風險，可將氨氮設定目標值降低到0.5～1mg/L，以保證出水水質穩定達到地表水準Ⅳ類標準。另外，氨氮在線儀表在低量程范圍（0～1mg/L）內測量精度和準確度較低，測量值作為反饋調節的關鍵輸入參數，直接關系到污水處理廠的運行穩定性和達標保證率。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定性。綜上，基于多模式精確曝氣控制系統的優化，合理設定氨氮目標值，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%，最后段內回流比為25%，根據相關計算公式，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，可能是污水處理廠進水配比偏離最優區間，未能充分利用進水碳源，發揮多級AO工藝強化脫氮的優勢。事實上，該污水處理廠多點配水采用配水渠+可調堰方式，缺少流量計量裝置，實際運行中僅憑感覺調節，無法精確獲得各級進水流量，因此難以科學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精確控制，以實現進水碳源的有效分配，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堰門控制，以實現各級配水點的精確測量和控制，遠程連接中控室，實時監控和調整各級進水配比，摸索和優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。根據模擬小試結果，進水配比為1∶1∶1或5∶3∶2時，出水TN濃度可穩定達到地表水準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 內回流優化
理論上，多級AO工藝除最后一級外無需設置內回流，前提是各級好氧段和缺氧段硝化反硝化反應充分，各級進水中均有足夠的碳源滿足反硝化需求。事實上，進水水質、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段通常均設計內回流，通過強化硝化液回流來提高系統TN去除效果。該污水處理廠設計三級內回流，回流比為0～50%，其中一級、二級內回流設計為常閉模式，視運行水質狀態開啟。在一級A排放標準下，現狀運行僅在末段進行內回流，回流比為25%。為保證出水TN濃度穩定達到地表水準Ⅳ類標準，可優化提高末端內回流比（例如提高到50%），或者在一級、二級AO段開啟內回流。工程案例表明，通過實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%時能夠保證出水TN穩定達標。綜上，通過實施內回流優化，同時結合進水碳源有效分配，能夠顯著降低出水TN超標風險，實現達標排放。
4.4 強化化學/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類標準。生物除磷系統主要通過及時排出剩余污泥來實現除磷，因此對污泥齡的有效控制是發揮生物除磷能力的關鍵。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能限制，導致該污水處理廠生化池排泥不暢，統計期內實際平均污泥齡達29.9d，明顯高于設計值。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，導致系統除磷效率下降。污水處理廠出水TP分布數據顯示，出水TP>0.3mg/L時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，能夠有效發揮生物除磷功能，減少化學除磷藥劑的投加。綜上，通過強化系統化學除磷（增加PAC投加量）和充分發揮生物除磷能力（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
深圳市某污水處理廠采用多級AO工藝，出水水質執行一級A標準。鑒于高排放標準水質提升要求，通過分析歷史運行數據，復核現狀構筑物的處理能力，提出基于優化運行管理來滿足地表水準Ⅳ類標準。運行數據顯示，現狀出水水質均優于設計標準，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，通過實施精確曝氣控制系統優化、精確進水分配、優化內回流及強化化學/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。
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