1、前言
基于活性污泥法的廢水生物處理技術(shù)是現(xiàn)有的污水廠普遍采用的重要工程技術(shù)手段之一。國
內(nèi)的活性污泥系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行大多基于穩(wěn)態(tài)，而城市污水廠的實際運(yùn)行表明實際運(yùn)行中存在很多問題和困難：污水廠的進(jìn)水水質(zhì)、水量隨晝夜交替、季節(jié)變換、居民生活習(xí)慣等因素變化而變化，活性污泥的生物活性及沉降性能一旦發(fā)生變化需要很長的時間才能恢復(fù)正常。這不但造成了污水處理的效率降低，處理效果的不穩(wěn)定，而且還造成了一些處理設(shè)施及電力的浪費。
2007 年6 月，太湖梅梁灣西部水域出現(xiàn)了大規(guī)模的藍(lán)藻聚集情況。而隨著夏季氣溫的升高，
太湖的水溫超過30℃后又再次爆發(fā)藍(lán)藻爆發(fā)，以致無錫部分地區(qū)水質(zhì)受到嚴(yán)重影響，居民用水岌岌可危。藍(lán)藻的爆發(fā)就是由于太湖水N、P 含量超高而產(chǎn)生富營養(yǎng)化。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴(kuò)大 人口也隨之增長，生活污水產(chǎn)生量還將上升。因此政府提出了對于太湖流域水質(zhì)的新排放標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定于2008 年6 月底前，太湖流域所有城鎮(zhèn)都必須建設(shè)符合標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠，完善管網(wǎng)鋪設(shè)，做到不直接向太湖或流域內(nèi)的河流排污水；已經(jīng)建成的污水處理廠，完善配套措施，增加脫氮、脫磷設(shè)施，有條件的污水廠要進(jìn)行尾水處理。
蘇州市工業(yè)園區(qū)主要收集處理該園區(qū)內(nèi)的城市生活污水和工業(yè)廢水，污水處理總規(guī)模為50 萬m3/d。處理廠采用全面規(guī)劃分期建設(shè)，一期工程為10 萬噸，已于1998 年建成，采用A2/O 法生物脫氮除磷工藝，處理后尾水排入?yún)卿两�；二期擴(kuò)建10 萬噸，采用相同工藝于2006 年建成投產(chǎn)。
蘇州工業(yè)園區(qū)第一污水廠尾水受納水體吳淞江為IV 類水體，但由于此工程位于太湖流域，太湖流域的河流COD 要求逐步達(dá)到III/IV 類標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。因此，該污水處理廠尾水污染物排放執(zhí)行DB32 標(biāo)準(zhǔn)。與以前要求相比，新標(biāo)準(zhǔn)提高了磷、氨氮的排放要求，因此對污水生物處理工藝提高了要求，也對污水廠的節(jié)能降耗和優(yōu)化運(yùn)行提出了更高的要求。
本文主要是通過工藝優(yōu)化診斷技術(shù)，找出污水處理廠工藝達(dá)標(biāo)的“瓶頸口”，提供相應(yīng)的工
藝改進(jìn)和調(diào)整措施，為穩(wěn)定達(dá)到太湖流域排放標(biāo)準(zhǔn)，提供最佳的技術(shù)方案和建議。任務(wù)包括：
（1）利用ABAM（高級生物活性測定儀）對污水處理廠一、二期的生物池污泥進(jìn)行好氧速率、
硝化速率，以及其他生物指標(biāo)的測定。為了提高污水處理效率和更有效地發(fā)揮污水廠一期、二期現(xiàn)有設(shè)備功效，用數(shù)學(xué)模型構(gòu)建一期二期聯(lián)合運(yùn)行工藝，根據(jù)其各自的運(yùn)行性能來優(yōu)化一期、二期的進(jìn)水配比參數(shù)。
（2）通過便攜式DO 分析儀對曝氣池DO 進(jìn)行全面測定，并在分析每廊道末端COD、氨氮和磷
酸鹽降解的基礎(chǔ)上，利用模型對DO 分布研究分析，找出最佳曝氣量和曝氣方式。
（3）對進(jìn)水生物池出水投加不同絮凝劑濃度，考察不同加藥地點、不同加藥濃度對其除磷性能的影響；找出最佳投藥量，節(jié)省加藥成本，節(jié)省剩余污泥處理成本。
除了幫助污水廠在達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上進(jìn)一步節(jié)能降耗，同時提升污水處理廠的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效
益，這對蘇州工業(yè)園區(qū)第一污水處理廠未來發(fā)展，以及太湖流域其他污水處理廠的運(yùn)行管理，都提供了一些新的思路和解決方案。此外，對太湖流域水環(huán)境質(zhì)量的提高，以及對太湖流域水質(zhì)的改善也具有重要的意義。另外，將國外先進(jìn)的污水處理技術(shù)和管理經(jīng)驗引入到蘇州市污水處理廠的運(yùn)行和管理中，提升管理和技術(shù)人員的業(yè)務(wù)素養(yǎng)，從而提高污水廠的運(yùn)行和管理水平。
2 活性污泥性能ABAM 測試試驗
微生物活性測定儀（ABAM）是由美國生化科技公司的工程師研發(fā)的專業(yè)儀器，主要用來測量
活性污泥的一些最重要的反應(yīng)速率，可以分析污水處理廠的可生物降解性、生物降解的難易程度，以及在特定情況下，活性污泥的耗氧速率、硝化速率等情況。
2.1 活性污泥性能指標(biāo)
2.1.1耗氧速率及硝化速率
OUR 試驗?zāi)康氖强疾煳鬯幚韽S易降解有機(jī)物的含量，并考察是否存在毒性物質(zhì)，會對活性
污泥的降解性能造成抑制。試驗中取總進(jìn)水4L加入ABAM 反應(yīng)器，ABAM DO 控制設(shè)置在2.0～
4.0mg/L，溶解氧從最高點跌到最低點的時間用來計算OUR。同時在該試驗中，測得的反應(yīng)器中的混合液懸浮固體濃度MLSS 一期為2800mg/L、二期為2480mg/L，混合液揮發(fā)性懸浮固體VSS 一期為1700mg/ｌ，二期為1450mg/L。因而可以計算出比耗氧速率SOUR 的大小。從表2 表示該廠一期和二期耗氧速率相對較高，活性污泥降解性好，不受毒性物質(zhì)干擾。
硝化速率直接反映了活性污泥中硝化菌的的活性，或者數(shù)量的多寡。試驗分別模擬實際生物
池在高溫和低溫條件下的硝化效果，并進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)蘇州第一污水廠一、二期的硝化速率均較高，分別為6.07mgNH3-N/g SS·h、2.40 mg NH3-N/g SS·h。其中，一期的活性污泥硝化速率比二期高，污泥中硝化菌活性較好。
2.1.2磷的釋放及吸收
從統(tǒng)計資料分析表明，污水廠初沉池對進(jìn)水總磷的去除效率較高達(dá)到50％，其中很大一部分
是顆粒態(tài)磷的沉降去除。而對生物反應(yīng)池出水的分析，得到PO4-P 的總?cè)コ蔬_(dá)到97％。為了進(jìn)一步說明蘇州污水廠的生物除磷的實際狀況，進(jìn)行了磷的釋放及吸收試驗。
試驗時，考慮到釋磷反應(yīng)很快，因此分別取污水廠初沉出水堰的原水2L與外回流的原水2L，
混合后攪拌，保持?jǐn)嚢?0min，在30min 后開始進(jìn)行曝氣，維持DO 2～4mg/L，分別模擬厭氧釋磷和好氧吸磷的狀態(tài)，來監(jiān)測過程中磷酸鹽的變化。
測試結(jié)果見圖1。
圖1 表明，蘇州污水廠二期的活性污泥具有較好的除磷功能。聚磷菌在厭氧不利條件下（0～
30min），分解體內(nèi)積聚的聚磷，PO4-P 濃度隨之升高，達(dá)到一個最高值；隨著好氧反應(yīng)的開始（30～200min），PO4-P 濃度逐漸下降，聚磷菌吸收污水中的磷酸鹽并不斷釋放能量供聚磷菌繁殖；厭氧釋磷的現(xiàn)象越明顯，其好氧吸磷效果也越好；最終的PO4-P 去除率很高，除磷效果好。
2.2 水力負(fù)荷優(yōu)化
選擇國際水協(xié)推薦的ASM2D 模型，并通過GPS-X 軟件開發(fā)設(shè)計，構(gòu)建一、二期聯(lián)合運(yùn)行工藝，
根據(jù)其各自的運(yùn)行性能來優(yōu)化一期、二期的進(jìn)水配比參數(shù)。
蘇州工業(yè)園區(qū)第一污水廠不同進(jìn)水量的出水結(jié)果。表4 中結(jié)果顯示：工業(yè)園區(qū)污水廠由于設(shè)
計時充分考慮水力負(fù)荷波動的影響，生物池容積能夠滿足HRT 縮短所造成的影響，因此，即使在進(jìn)水水量增加到36 萬噸時，出水除TP 依然能夠保持良好的去除效率，但是必須要注意的是，水量的增加的同時必須要考慮到進(jìn)水泵、污泥回流泵、內(nèi)回流泵和剩余污泥泵的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，還必須考慮到高水量下的高加藥成本，因此污水廠在處理進(jìn)水水量時必須要綜合考慮多種因素。
由在上述五種水量分配比例條件下出水結(jié)果可知，出水水質(zhì)除TP 外基本都能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)，
其中隨著一期水量的增加，出水COD、BOD、SS 等呈逐漸增加趨勢，這說明一期工藝對碳類污染物和懸浮物去除效果較差，而氮類污染物處理效果幾乎一樣；TP 隨一期水量的增加也呈逐漸增加趨勢，這說明二期TP 處理效果要好于一期，因此為降低加藥成本，可以增加二期水量。
3 生物池DO 優(yōu)化
3.1 生物池DO 監(jiān)測數(shù)據(jù)
美國生化公司利用便攜式DO 分析儀測試蘇州工業(yè)園區(qū)第一污水處理廠一期、二期的DO 值，
結(jié)果如圖2、3 所示。
從圖2、3 中數(shù)據(jù)可知，一期兩組相同的對稱生物池的DO 分布差距較大，其中南面一組好氧
曝氣量較大，末端DO 達(dá)到5.5mg/L，DO 值偏高。二期兩組DO 分布差值較大，左邊這組DO 值偏低，右邊偏高，總體而言，蘇州工業(yè)園區(qū)二期曝氣效果好于一期，曝氣較充分。如此高的DO不僅會造成出水SS、TP 偏高，而且，通過DO 外回流至厭氧池也會影響厭氧段的反應(yīng)，從而無法達(dá)到厭氧釋磷作用。造成兩組的偏差原因可能是：①兩組進(jìn)水量不同，在相同曝氣情況下造成差異；②由于兩組生物池的曝氣管道等因素造成的曝氣不均等。
為了進(jìn)一步探究其原因，對一期好氧段三個廊道末端的BOD、氨氮和磷酸鹽進(jìn)行了分析（見
圖4）。在廊道四末端，耗氧污染物已經(jīng)基本降解完全，從而導(dǎo)致廊道五DO較高，這種狀況不僅會破壞絮凝體，也會導(dǎo)致微生物提早進(jìn)入內(nèi)源呼吸期，因此，好氧段的供氣分布需要重新進(jìn)行調(diào)整。
3.2 DO 優(yōu)化方案
3.2.1 DO＝0.5～4.5mg/L、MLSS＝3.0g/L（一期）、MLSS＝2.5g/L(二期)、IR=100%；
生物池中模擬DO 設(shè)定值參照實際情況進(jìn)行設(shè)定，即DO 呈遞增分布，好氧區(qū)前端進(jìn)水僅為
0.5mg/L,末端出水達(dá)到4.5mg/L。
從表6 中數(shù)據(jù)來看，在冬季情況下，一期和二期出水水質(zhì)總體上能夠達(dá)到DB32標(biāo)準(zhǔn)，盡管溫度較低，但由于溶解氧濃度較高，出水氨氮較低，圖5 為氨氮二期生物池氨氮的降解曲線，從圖中可知，氨氮在進(jìn)入?yún)捬醵魏腿毖醵我院�，由于有機(jī)氮水解作用，濃度會略有上升，但在進(jìn)入好氧區(qū)后，氨氮濃度逐漸降低，最終降到1mg/L 以下。由于二期MLSS 濃度較低，排泥量較高，因此二期出水TP 濃度基本能夠達(dá)到DB32 標(biāo)準(zhǔn)，但一期出水TP 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0.5mg/L 標(biāo)準(zhǔn)，這主要是因為SS 較高，導(dǎo)致顆粒態(tài)磷濃度相對較高，圖6 為磷酸鹽在生物池內(nèi)變化趨勢，可以看出工藝厭氧段和缺氧段都發(fā)生了較明顯的釋磷作用，導(dǎo)致好氧吸磷效果較明顯，生物池出水磷酸鹽為0.46 mg/L。
上述分析結(jié)果表明，現(xiàn)有運(yùn)行參數(shù)條件二期工藝基本能夠達(dá)到DB32 標(biāo)準(zhǔn)，而一期工藝出水TP 不能滿足標(biāo)準(zhǔn)，分析原因是SS 造成的顆粒態(tài)TP 較高（0.8mg/L），這和生物池出水DO 較高有著密切關(guān)系，一期二沉池DO 濃度較高（>3mg/L），影響出水SS 沉降。
在春秋季節(jié)，一期和二期出水水質(zhì)與夏季出水水質(zhì)較為接近，除總磷外基本都可以滿足，二
期出水總磷要好于一期，因此，需要通過DO 分布來提高脫氮除磷效率。而夏季出水SS 有所增加，會導(dǎo)致出水TP 濃度增加。為進(jìn)一步降低出水TP，同時減少運(yùn)行成本，工藝對DO 進(jìn)行調(diào)整。
3.2.2 DO 遞減分布、MLSS＝3.0g/L（一期）、MLSS＝2.5g/L(二期)、IR=100%；
好氧段出水DO 較高，不僅會導(dǎo)致污泥夾帶大量溶氧回流到厭氧區(qū)破壞釋磷效果，而且由于內(nèi)回流含有大量溶氧，也會導(dǎo)致總氮去除效率下降，因此，為提高除磷效率，降低運(yùn)行成本，方案二對生物池各段DO 分配進(jìn)行調(diào)整，從第三章水質(zhì)分析可以知道廊道四末端BOD 和氨氮已經(jīng)基本降解完全，廊道五基本不需要溶氧，這不僅增加運(yùn)行成本，而且過度曝氣會導(dǎo)致微生物內(nèi)源呼吸，導(dǎo)致沉降性能不良，因此有必要調(diào)整廊道五DO 分布，使得生物池出水DO 較低，提高脫氮除磷效率。
具體出水水質(zhì)見表 ，從表8 可知，經(jīng)過DO 調(diào)整以后，不僅降低了曝氣能耗，而且有效的降低出水總磷濃度，減少了化學(xué)藥劑投加成本。
在春秋季節(jié)，經(jīng)調(diào)整DO 后，盡管氨氮濃度有所上升，但是出水TP 得到有效降低，降低了化
學(xué)藥劑投加成本，其中一期停止曝氣的區(qū)域比二期更大。
夏季由于水溫較高，硝化細(xì)菌對氨氮的降解能力上增強(qiáng)，因此，可以進(jìn)一步降低好氧區(qū)域，
減少曝氣能耗。從模擬結(jié)果顯示：盡管大幅度的降低了曝氣區(qū)域，但出水水質(zhì)仍然可以滿足標(biāo)準(zhǔn)，TP 濃度有所下降，這說明在保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上降低好氧區(qū)后端DO 不僅可以有效降低曝氣能耗還可以削減加藥成本。
3.3 曝氣費用分析
根據(jù)DO 優(yōu)化方案，用模型計算能耗，但僅僅包括生物池和二沉池運(yùn)行能耗，不包括加藥費用和污泥處理費用，得到表9。按不同季節(jié)計算污水廠一期、二期的能耗節(jié)省狀況，從結(jié)果可知，春秋季、夏季節(jié)省費用較多，分別節(jié)省現(xiàn)在運(yùn)行費用的15.4％、20.2％。
4 加藥除磷效能分析
4.1 加藥試驗過程
利用美國生化公司專用設(shè)備ABAM，根據(jù)當(dāng)前污水廠實際投加比例，通過投加不同濃度的硫酸
鋁檢測出加藥前后磷的濃度，從而判別最佳投藥量。同時，對不同加藥點投加藥劑（后置投藥和進(jìn)水投藥），來檢測最終磷的濃度，以此找出更為適合的加藥點。加藥試驗是在1 個4L的反應(yīng)器里進(jìn)行的，由于當(dāng)前污水廠投加比例為污水量的萬分之二，即在反應(yīng)器里投加0.8mL藥劑即可模擬實際情況，同時逐漸遞減投藥量，找出最適合的投加比例。 圖7 為投加不同濃度藥劑并攪拌的示意圖。
注：試驗1 是在生物池出水中投加不同比例的硫酸鋁溶液；試驗2 是在總進(jìn)水中按照萬分之二比例投加藥劑，考察去除PO4-P 效果。此次加藥試驗是在總磷達(dá)標(biāo)的情況下所做的測定分析，二沉出水為0.374mg/L。
試驗主要過程為投加藥劑后取不同時間段的磷酸鹽進(jìn)行測定，磷酸鹽檢測使用HACH2400 儀器進(jìn)行抗壞血酸法實驗測量，測量每隔15 分鐘取樣一次，需做兩次平行樣，取平均值。為了保證試驗的準(zhǔn)確性，取磷酸鹽標(biāo)液，稀釋至1mg/L，利用儀器測得的數(shù)值為0.95mg/L。計算可得誤差為5%，在允許誤差的范圍內(nèi)。同時配制了空白樣，進(jìn)行校零。同時由該廠實驗人員對所取樣進(jìn)行TP測定。
4.2 加藥試驗結(jié)果分析
注：橫坐標(biāo)0min 代表原液（即不加藥的水樣）經(jīng)過攪拌后未經(jīng)沉降，直接取30mL 水樣測得其中的PO4-P 濃度；15min、30min、45min 分別代表加藥后沉降15min、30min、45min 取的水樣測得的PO4-P 濃度。
從圖8 可知，不同加藥濃度在經(jīng)過15min 的沉降后，PO4-P 濃度下降顯著，其中加藥0.72mL
和加藥0.56mL 水樣中的PO4-P 濃度最低，均為0.12mg/L；而在30min 這一時間段內(nèi)，各曲線都呈現(xiàn)一定的反彈趨勢，即水樣中的PO4-P 濃度均有回升趨勢，該現(xiàn)象可能由于污泥中微生物影響，或外界環(huán)境因素導(dǎo)致，至于其內(nèi)在的反應(yīng)機(jī)制或形成原因還需要進(jìn)一步研究。
從四種不同藥劑量的效果分析，可知：加藥0.72mL 水樣中的PO4-P 濃度最低為0.07，比原液PO4-P 濃度0.43mg/l 下降了0.36mg/l，去除率達(dá)84%，去除效果是最明顯的；加藥0.64mL 和加藥0.56mL 水樣中PO4-P 濃度幾乎相同，分別為0.11mg/l 和0.13mg/l;而以現(xiàn)污水廠的藥劑投加比例，其水樣中PO4-P 濃度為0.21mg/l,比其他投加藥劑都要高。因此我們認(rèn)為，加入藥劑越多，其去除水體中的PO4-P 效果未必越好，適當(dāng)?shù)募铀幜坎粌H可以達(dá)到最好的去除效果，而且有助于降低成功。
本試驗同時選取了兩個藥劑投加點，即進(jìn)水加藥和生物池出水加藥，來比較兩者去除水樣中的PO4-P 濃度效果，以期尋找到最佳的藥劑投加點，節(jié)省藥劑投加量，從而降低運(yùn)行成本（見圖9）。
從圖9 可知，在進(jìn)水處加藥0.8mL，水體中的磷濃度經(jīng)過15min 后，能從7.4mg/L 很快降到
0.16mg/L，去除率高達(dá)98％；但進(jìn)水處加藥曲線隨沉降時間的變化不明顯，從15～45min，水體中的磷濃度波動不大，最終降到0.13mg/L。在好氧出水處加藥0.8mL，水體中的磷濃度隨沉降時間變化不大，45min 后最終降到0.21mg/L。從總體上而言，兩者最終都能達(dá)到較一致的良好去除效果，能有效地去除水體中的磷，總進(jìn)水處加藥比好氧出水處加藥的去除效果稍微好。但從后期影響上說，進(jìn)水處加藥雖然降低了磷濃度，但形成的膠體絮凝物可能會對生物池工藝產(chǎn)生影響，投加藥劑中的Fe、Al 等金屬離子如果濃度較高的話也可能會對后期生物池中的微生物產(chǎn)生不良影響。
4.3 藥劑費用分析
加藥試驗結(jié)果表明，加入小于0.8mL 的 Al2（SO4）3 一樣可達(dá)到相同或更好的除磷效果，所以可減少污水處理廠的藥劑投量。例如加入0.56mL藥劑，在總磷達(dá)標(biāo)以及最終相同效果的基礎(chǔ)上從藥劑成本看：該廠進(jìn)水量為10 萬噸/天，投加藥量為萬分之二，藥劑費為750,000 元/月。其藥劑上的費用支出為： 900 萬元/年；0.5mL 加藥該廠一年可節(jié)約成本270萬元�？芍�，若投加0.5mL藥劑，每年能節(jié)約270 萬元，同時能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。這對整個污水廠而言，是極為可觀的一筆費用。
4 結(jié)論
針對蘇州工業(yè)園區(qū)第一污水處理廠的運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行了全面分析，通過活性污泥性能分析、生
物池DO 優(yōu)化分析、加藥除磷效能分析等任務(wù)，獲得了許多重要結(jié)論和成果，簡要如下：
① 工業(yè)園區(qū)第一污水廠一期和二期處理效果較好，出水除TP 外可以穩(wěn)定達(dá)到DB32 標(biāo)準(zhǔn)。
模型模擬結(jié)果表明：污水廠處理能力較大，進(jìn)水流量達(dá)到36 萬噸時仍然可以有效達(dá)標(biāo)；其中隨著一期水量的增加，出水COD、BOD、SS 等呈逐漸增加趨勢；TP 隨一期水量的增加也呈逐漸增加趨勢。
② 一期和二期兩組曝氣池DO 分布不均勻，出水DO 較高，廊道五曝氣過量會使紊動加劇，破壞絮體，影響出水SS，較高的SS 會增加總磷濃度，降低紫外線效率，同時，DO 通過回流會影響厭氧釋磷和反硝化；模型模擬結(jié)果顯示：曝氣池DO 由均勻分布調(diào)整到遞減分布不僅降低了曝氣能耗，而且有效的降低出水總磷濃度，減少了化學(xué)藥劑投加成本。
③ 通過加藥可以使出水TP 達(dá)到DB32 標(biāo)準(zhǔn)，但投加量可以適當(dāng)降低，較低的投加量不僅可以使總磷滿足出水標(biāo)準(zhǔn)，而且可以降低污泥處理成本。
