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主要污染物的構成，對污染物組分特性進行分析，結合活性污泥性能參數，進行工藝參數調整和運行模式優化，充分發揮工藝的脫氮除磷潛力，節約運行成本，提高日常運行的穩定性與調控的精準性。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定、生物除磷效果不明顯等問題，基于常規檢測掌握的進、出水水質組分與生化池脫氮除磷過程變化指標所進行的優化方案效果不明顯，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狀與存在的問題，并提出針對性優化措施：通過調整多點進水的比例，合理優化碳源分配與投加，調整生化池外回流比，優化好氧區曝氣狀況，平衡各功能區在生物脫氮方面的關系，充分發揮生物除磷潛能，提高工藝整體的脫氮除磷效果及穩定性，并將全流程測試作為該廠定期進行工藝診斷與優化的手段，制定和完善針對性強、操作性好的優化策略，形成高效運行模式，使管理運行更加精細化，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，其預處理包括粗格柵及進水泵房、細格柵及曝氣沉砂池，生化處理單元由預缺氧區、厭氧區、缺氧區、好氧區、后缺氧區、后好氧區6個功能區組成，后接二沉池+高密度沉淀池+V型濾池。污水廠出水水質執行《山西省城鎮污水處理廠運行監督管理辦法（試行）》規定，在滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A標準的基礎上，COD、NH3-N、TP三項指標需達到地表水Ⅴ類標準。
1.2 全流程測試工作內容
①對該廠至少一年的歷史進、出水水質數據進行分析。通過對該廠歷年日進、出水數據進行統計分析，掌握氮、磷、有機物等污染物指標的變化規律，研究其進水水質特征與變化規律。
②工藝全流程測試。通過對整個污水處理系統進行全流程布點、取樣、檢測，分析主要污染物指標在整個生化處理過程中的變化特征，通過各功能區的污染物去除情況及沿程變化規律分析其脫氮除磷能力，評價工藝運行中各環節的工況狀態。
③活性污泥各項功能指標測試。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狀進行診斷分析。針對前述測試結果，確定優化關鍵點，結合污水處理工藝實際情況，改變運行工況，形成針對性的優化運行方案，探索最佳運行工況，并通過后續測試結果驗證優化措施的可行性，完善最終的優化方案。
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、內外回流點、藥劑投加點、死角、返流等特殊點位，同一取樣點應進行3次取樣并將水樣充分混合。將前一功能區的末端視為下一功能區的前端，通過相鄰兩取樣點的水質指標及相應工況參數來分析該功能區的生化反應情況。
全流程測試水質分析項目中COD、NH3-N、NO3--N、TN、PO43--P、TP、MLSS和MLVSS采用國家標準分析方法與快速測定方法相結合進行測定，ORP和DO采用哈希HQ40D便攜式水質分析儀進行現場測定。
取樣點布置及編號見表1。
2、結果與分析
2.1 進、出水水質分析
設計進水水質與現行出水水質要求如表2所示。
對2020年4月—2021年3月污水廠進、出水水質進行統計分析，結果見表3。
由表3可知，該廠目前進水主要污染物指標未超過設計進水水質，仍在設計處理范圍之內，對照表2可知出水水質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最高值均出現在冬季，但對出水水質進行分析并未發現二者有直接關聯：出水NH3-N峰值出現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峰值出現于一年中好氧區活性污泥膨脹最嚴重的時期，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、有機物處理能力變弱造成的。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。可見該廠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（DO、ORP、NH3-N、NO3--N、PO43--P）進行沿程變化規律分析，判斷工藝各功能區的實際運行情況。
2.2.1 沿程DO、ORP變化
在生化處理系統中，DO是控制生物脫氮除磷效能的重要指標，ORP能夠綜合其他水質指標來反映污水處理系統的生態環境情況。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，會對預缺氧區的缺氧環境造成一定沖擊，同時易造成原水碳源的損耗。厭氧區、缺氧區的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ORP值宜為-250mV以下，目前厭氧區ORP均值為-8.1mV，說明厭氧環境不夠充分，對釋磷效果會有較大影響；缺氧段、后缺氧區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。因現狀工況MLSS偏高（約6g/L），曝氣系統需維持在較高強度來保證好氧區正常功能，致使好氧區某廊道DO飆升至5.43mg/L，整個好氧區DO為3.1~6.02mg/L，一般情況下，好氧區DO應維持在2mg/L以上，最高不超過3mg/L，這表明目前好氧區曝氣強度過高。在實際運行中，需根據具體進水情況控制DO值，如果進水負荷較低，可適當降低曝氣強度。好氧區過量曝氣不但會增加耗電量，而且會使回流硝化液DO偏高，從而影響缺氧區內進行的反硝化反應。過高的DO也會使后缺氧池大部分池容被消氧過程占用，進而影響其內源反硝化效果。
2.2.2 沿程NH3-N變化
預處理階段對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，進入預缺氧區后，NH3-N因稀釋作用降至15.21mg/L，在缺氧區NH3-N再次降至6mg/L左右，進入好氧區后，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，滿足出水排放標準（NH3-N限值為2mg/L）。現狀工況（MLSS約6g/L）下好氧區曝氣強度偏高，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2號池出水NO3--N為0.2~5.4mg/L（平均為1.84mg/L），表明現狀實際混合液在缺氧區的反硝化脫氮并不穩定。對缺氧區進行針對性監測發現：缺氧區NO3--N濃度變化情況與缺氧區ORP和好氧區末端（內回流點）DO有直接關系，在內回流硝化液DO>1mg/L時，缺氧區脫氮效果會受到明顯影響；目前內回流硝化液DO均值為3.1mg/L，內回流比約250%，核算內回流DO消耗碳源量約為7.75mg/L，缺氧區外碳源投加量為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0.35mg/L的硝酸鹽氮去除量，核算內回流DO導致NO3--N理論削減量減少約2.7mg/L。可見內回流硝化液所攜帶的大量溶解氧是影響缺氧區反硝化的重要因素。在好氧區第四廊道所測得的NO3--N較第三廊道有明顯降低，且低于后缺氧區NO3--N濃度，判斷是因本工藝將內回流點設置在后缺氧區起點，受內回流穿墻泵影響，導致后缺氧區、缺氧區混合液返流至好氧區第四廊道末端，這對生化池反硝化脫氮以及好氧區硝化作用造成了影響。觀察到的后缺氧區反硝化效果不明顯，這是因為原水中碳源已消耗完畢，且目前出水TN已達到排放標準，故無需在后缺氧區投加碳源。此外，還可觀察到污泥回流池NO3--N濃度較后好氧區出水明顯降低，這表明活性污泥在二沉池及污泥回流池發生了反硝化反應，證明活性污泥具備一定的內源反硝化能力，可通過適當延長后缺氧區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，而在預缺氧區、厭氧區分別為3.89、3.15mg/L，通過活性污泥功能指標測試證實污泥具備一定的生物除磷和反硝化除磷性能，這表明現狀工況下活性污泥在厭氧區中的釋磷作用并不穩定。同步分析ORP、NO3--N等指標發現：厭氧區PO43--P變化情況與厭氧區ORP有直接關系，厭氧釋磷同時受到厭氧環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定，加上預缺氧區、厭氧區碳源不足導致厭氧區釋磷效果波動。受內回流硝化液稀釋作用，缺氧區1號池PO43--P降至0.53mg/L，在缺氧區2號池觀察到一定的釋磷現象，可證實現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在好氧區持續降至0.32mg/L，同時在后缺氧區可觀察到一定的反硝化除磷現象。生化池出水PO43--P為0.25mg/L，最終經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，可達到排放標準。
2.3 活性污泥功能指標測試
2.3.1 測試方案
對生化池各功能區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，分析活性污泥的脫氮除磷能力，結合生物系統的實際HRT等指標核算各功能區的運行效果及潛力。
2.3.2 測試結果
①硝化速率
一般情況下，好氧區活性污泥硝化速率為2~6mg/（g·h），經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，表明好氧區活性污泥硝化能力良好。經核算，好氧區理論狀態下NH3-N去除量可達138mg/L，實際進水NH3-N最高為57mg/L，理論上在好氧區第二廊道即可完全去除，這也與全流程測試結果相符。
②反硝化速率
取缺氧區活性污泥進行小試，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，結果見表4。
由表4可知，在120min反應時間內，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，反硝化速率明顯降低，為0.205mg/（g·h），而理論上，當反硝化速率達到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，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，結合全流程測試分析，應營造良好的厭氧釋磷環境，充分發揮生物除磷能力。
3、優化運行建議與措施
針對全流程測試結果，結合工藝特點協同調整工藝運行參數：
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境的沖擊，提高好氧區的池容利用率，降低能耗。
②建議將碳源投加點位置后移，避開內回流點，提高碳源利用率，進一步增強缺氧區反硝化效果。
③協同調整進水配比與污泥回流比：將預缺氧區進水配比由15％提高至30％；將外回流比由100％降低至85％。通過為預缺氧區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境的沖擊，提高厭氧區釋磷效果，充分發揮生物除磷能力；降低外回流比還能夠減少回流污泥NO3--N濃度波動對厭氧環境的影響，維持工藝運行穩定。
4、優化運行結果
經過全流程測試，穩定運行后進行了跟蹤監測，以DO、ORP、NH3-N、NO3--N、PO43--P等指標的全流程變化來對優化后的工況進行評價，進一步挖掘可優化空間。工藝優化后跟蹤監測結果見圖6。
由DO、ORP指標可見，相關功能區厭氧、缺氧環境得到明顯改善；好氧區硝化能力穩定，出水NH3-N為0.45mg/L，依然能夠保證達標；預缺氧區與缺氧區的反硝化效果良好，缺氧池末端NO3--N降至0.8mg/L，生化池出水NO3--N為7.55mg/L，較優化前明顯降低；同時厭氧區釋磷效果明顯增強，良好的釋磷效果保證了好氧區的生物除磷能力，生化池出水PO43--P為0.05mg/L，能夠確保出水穩定達標。
通過對出水水質進行核算發現：全流程測試優化后出水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％。對各功能區脫氮效能進行核算發現：全流程測試優化后預缺氧區NO3--N去除率維持在79.22％~90.99％，脫氮效果良好；缺氧區NO3--N去除量由17.49mg/L提高至21.01mg/L，其脫氮貢獻較優化前提高10.03％；后缺氧區受碳源限制，NO3--N去除量、去除率變化不大。三個主要脫氮功能區的脫氮穩定性較優化前都有明顯提升。
實施好氧區曝氣量優化調控+消氧區策略后，內回流硝化液DO均值由優化前的3.1mg/L降至1mg/L，結合內回流比250%，缺氧區節省碳源5mg/L；后缺氧區脫氮量增加0.71mg/L，利用內碳源反硝化脫氮節省碳源2.03mg/L以上，該工藝處理規模為15×104m3/d，外加碳源為乙酸鈉（COD當量為0.68kgCOD/kg），共節省乙酸鈉1551kg/d，按乙酸鈉價格為3000元/t核算，共節省碳源費用14萬元/月，經濟效益明顯。
5、結論與建議
①通過全流程測試，發現該廠前置缺氧A2/O+AO工藝好氧區曝氣過度，好氧區池容利用率偏低，內回流點位于后缺氧區起點，與碳源投加點距離過近，導致碳源被內回流攜帶的DO大量消耗，對缺氧區、后缺氧區的缺氧環境造成沖擊，因此生化池整體反硝化脫氮受到影響、厭氧區釋磷效能受限，各單元運行效果不穩定，脫氮除磷效能波動。
②針對發現的問題，對工藝運行提出優化措施與建議：降低曝氣強度，將好氧區第四廊道改為消氧處理；后移碳源投加點；協同調整外回流比與進水配比。優化后，生化池脫氮效果得到改善，并且厭氧區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％。主要脫氮功能區的脫氮穩定性較優化前都有明顯提升：預缺氧區NO3--N去除率保持良好；缺氧區NO3--N去除量由17.49mg/L提高至21.01mg/L，其脫氮貢獻較優化前提高了10.03％。此外，日常運行可節省乙酸鈉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生的內源反硝化也是生物脫氮的重要組成部分。在保證生化系統高效運行的條件下，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，是之后實際運行調控需要關注的問題。
④通過全流程測試能夠發現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節，根據結果可采取針對性的調控措施，提高日常管理運行效率，在確保出水穩定達標的同時，還可降低污水廠日常藥耗與能耗。因各廠進水水質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、操作性好的優化策略，使管理運行更加精細化。（來源：太原理工大學環境科學與工程學院，山西正陽污水凈化有限公司，中國市政工程華北設計研究總院有限公司）
