李航， 董立春， 方建飞， 丁力， 吕利平

1.重庆大学化学化工学院2.重庆市三峡水务有限责任公司3.长江师范学院化学化工学院

随着“绿水青山就是金山银山”生态环境保护发展理念的提出，全社会对生态环境质量提出了更高的要求，而污水处理作为环境质量改善的重要举措，其目的也已从单一的满足排放现状较为排放标准升级，其中，氮、磷等营养元素的去除是影响标准升级的一大障碍。为此，全国范围内掀起了提标改造的热潮，但大部分污水处理厂经提标改造后，仍存在氮、磷等指标高位运行的问题，其主要原因是生物池进水C/N偏低。20世纪90年代以来，新建的大部分污水处理厂在预处理段几乎都设置了初沉池，其主要目的是通过重力沉降作用尽可能去除原水中的颗粒污染物，以减轻后续生物处理单元的运行负荷。但在颗粒污染物沉降去除的同时，附着的大量有机碳源被同步去除，使得厌氧释磷与反硝化脱氮均缺乏足够的碳源，从而导致生物脱氮除磷效率不高[1-3]。

当前，针对脱氮除磷所需碳源不足的问题[4-5]，普遍做法是通过外加碳源的方式来实现氮、磷的深度去除[6-9]，但高昂的外加碳源费用在一定程度上抬高了污水处理成本，导致该方法难以规模化推广应用。黄庆涛等[10]针对低C/N城市污水开展了外加碳源强化脱氮除磷研究，发现当乙酸钠投加量为60 mg/L 时，对磷酸盐的去除率较未投加乙酸钠提高了18%，而出水总氮浓度降低了16.9%。顾学林[11]针对因进水C/N不足而导致的总氮不能稳定达标的问题，通过采取外加碳源的方式将进水C/N 提升至5.8以上，成功将出水总氮浓度稳定在12 mg/L以内，去除率显著提升至64%以上。可以看出，采取外加碳源的方式的确可以强化出水氮、磷指标的可控性，但外加碳源所带来的高昂运行成本却是实际生产运行中一个无法回避的问题。

初沉池优化运行是指将原水部分或全部超越初沉池，充分利用原水中的碳源进行厌氧释磷与反硝化脱氮，从而达到仅依靠进水碳源实现氮、磷稳定去除的目的。但在实际生产运行中，如何对初沉池的运行进行合理优化，以实现水质与效益的双赢，成为困扰工程技术人员的一大难题。

在改良型A2/O工艺基础上，针对脱氮除磷对碳源依赖性较高的实际情况[12-13]，笔者在具体工程实例中探讨了初沉池优化运行对脱氮除磷效果的影响，以期为初沉池在污水处理厂运行中的优化控制提供案例支撑。

1 材料与方法

1.1 污水处理厂概况

重庆市某污水处理厂设计规模为3×104m3/d，采用改良型A2/O+滤布滤池工艺，工程占地1.83×104m2，总投资约1.34亿元，其具体工艺流程如图1所示。

图1 污水处理工艺流程Fig.1 Process flow chart of sewage treatment

1.2 试验水质

试验期间进水水质如图2所示，该工程出水水质执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。

图2 试验期间进水水质Fig.2 Raw water quality during the test period

1.3 试验背景

该工程自建成投运以来，出水总氮常年在12.0～14.0 mg/L，快超过一级A标准浓度限值，存在严重的水质风险。为增强指标的可控性，该工程采取了外加碳源的方式来强化生物脱氮除磷，但高昂的碳源投加费用大大提升了运行成本，使得其工艺控制模式难以复制与推广。

1.4 设计参数与试验安排

对改良型A2/O工艺中原水进入初沉池与超越初沉池直接进入生物池流量分配比进行研究，其中初沉池与生物池设计参数如表1所示。根据工艺需要，稳定外回流比为60%～80%，内回流比为250%～300%，MLVSS/MLSS为0.481～0.515。调整原水进入初沉池与超越初沉池直接进入生物池的流量分配比，分别为：工况Ⅰ,10∶0；工况Ⅱ,8∶2；工况Ⅲ,6∶4；工况Ⅳ,4∶6；工况Ⅴ,2∶8；工况Ⅵ,0∶10。以此探讨初沉池优化运行对改良型A2/O 工艺脱氮除磷效果的影响。

表1 初沉池与生物池设计参数Table 1 Design parameters of primary sedimentation tank and biological tank

2 结果与讨论

2.1 不同工况对总氮去除效果的影响

试验期间，原水进入初沉池与超越初沉池直接进入生物池的不同流量分配比工况下，改良型A2/O工艺对总氮的去除情况如图3所示。

从图3可以看出，6种工况下进水总氮浓度总体较为稳定，但出水总氮平均浓度分别为13.3、12.3、9.84、8.25、6.98、6.63 mg/L，下降趋势明显。从工况Ⅰ～工况Ⅲ，随着原水进入初沉池流量分配比逐渐减小，出水总氮浓度由快要超过一级A标准浓度限值逐步降至8.79 mg/L，降幅达33.9%；从工况Ⅳ开始，随着原水超越初沉池直接进入生物池流量分配比的进一步增大，出水总氮浓度继续呈下降趋势，并最终稳定于一级A标准浓度限值的45%以内；而其平均去除率也由工况Ⅰ下的65.6%稳步升至工况Ⅵ下的82.9%，提高了17.3个百分点。

图3 试验工况对总氮去除率的影响Fig.3 Effect of test conditions on removal rate of total nitrogen

究其原因，主要是随着原水超越初沉池直接进入生物池流量分配比的增大，进入生物池参与反硝化脱氮的有机碳源逐渐增多，反硝化所需能量及电子供体充足，反应强度逐渐增大，脱氮率呈稳步上升趋势。这一解释从图4初沉池优化运行对初沉池出水和生物池进水BOD5的影响可以看出。

图4 试验工况对初沉池和生物池BOD5的影响Fig.4 Effect of test conditions on BOD5 of primary sedimentation tank and biological tank

试验工况下，初沉池对原水中BOD5的去除率呈上升趋势，由工况Ⅰ下的20.6%逐步上升至工况Ⅴ下的26.9%，这主要是初沉池进水流量分配比的变化对水力停留时间的影响所致。随着初沉池进水流量分配比的减小，原水在初沉池中的停留时间逐渐延长，造成更多有机碳源被沉降去除，但随着超越初沉池直接进入生物池流量分配比的增大，大量有机碳源避免了被初沉池沉降去除，相比较而言，超越初沉池直接进入生物池给反硝化反应引入的有机碳源更多，更有利于生物脱氮的进行。图5中初沉池优化运行对生物池进水C/N和缺氧区出水硝态氮的影响也印证了这一观点，随着超越初沉池直接进入生物池流量分配比的增大，生物池进水C/N呈显著上升趋势，其平均值由工况Ⅰ下的4.32逐渐升至工况Ⅵ下的6.51，涨幅达50.7%。相反，缺氧区出水硝态氮浓度呈明显下降趋势，其平均值由工况Ⅰ下的4.28 mg/L逐渐降至工况Ⅵ下的0.23 mg/L，降幅达94.6%。

图5 试验工况对生物池进水C/N和缺氧区出水硝态氮浓度的影响Fig.5 Effect of test conditions on C/N of biological tank and nitrate nitrogen of anoxic zone

2.2 不同工况对氨氮去除效果的影响

试验期间，原水进入初沉池与超越初沉池直接进入生物池的不同流量分配比工况下，改良型A2/O工艺对氨氮的去除情况如图6所示。

图6 试验工况对氨氮去除率的影响Fig.6 Effect of test conditions on removal rate of ammonia nitrogen

从图6可以看出，6种工况下，出水氨氮浓度稳定较性强，总体维持在0.5 mg/L以内，说明初沉池运行工况的变化对出水氨氮浓度影响较小。究其原因，主要是氨氮的去除集中在好氧阶段，虽然初沉池运行工况的改变会对生物池有机物浓度产生影响，但只要好氧阶段硝化反应进展顺利，溶解氧浓度水平足够满足氨态氮向亚硝态氮、硝态氮的转化，出水氨氮浓度将不会受到影响。试验期间，氨氮平均去除率均维持在99%以上。

2.3 不同工况对总磷去除效果的影响

试验期间，原水进入初沉池与超越初沉池直接进入生物池的不同流量分配比工况下，总磷浓度的沿程变化及生物除磷率如图7所示。

图7 总磷浓度的沿程变化及生物除磷率Fig.7 Variations of total phosphorus concentration along the process flow and biological phosphorus removal rate

从图7可以看出，6种工况下随着原水超越初沉池直接进入生物池流量分配比的增大，厌氧区总磷浓度总体呈上升趋势。在工况Ⅰ和工况Ⅱ下，厌氧区总磷平均浓度较低，分别为5.30和5.76 mg/L，这主要是由于工况Ⅰ和工况Ⅱ下，大量原水经初沉池重力沉降后再进入生物池，使得原水中大部分有机物在初沉池便被附带沉降去除，厌氧区因有机碳源不足而出现释磷不充分现象，从而导致上述工况下厌氧区总磷浓度较低；在工况Ⅲ下，厌氧区总磷浓度呈现急剧上升趋势，到工况Ⅲ后期，平均浓度达7.32 mg/L，较工况Ⅰ上涨了38.1%；从工况Ⅳ～工况Ⅵ，厌氧区总磷平均浓度继续上涨，但上涨趋势逐渐放缓。这主要是由于随着初沉池进水流量分配比的逐渐减小，有更多的有机物直接进入生物池参与生化反应，厌氧释磷表现出强大的动力，使得厌氧区总磷浓度上升明显。

好氧区总磷浓度水平体现了生物除磷率的高低。6种工况下，好氧区总磷平均浓度分别为0.85、0.67、0.34、0.20、0.18、0.16 mg/L，呈明显下降趋势，其生物除磷率由工况Ⅰ的85.9%升至工况Ⅵ的97.3%，增幅达11.4%。究其原因，随着原水超越初沉池直接进入生物池流量分配比的增大，进入厌氧区有机物浓度逐渐升高，而聚磷菌(PAOs)的厌氧释磷以及聚-β-羟丁酸(poly-β-hydroxybutyrate,PHB)的同化作用随着厌氧区有机物浓度的升高得到了强化，这为好氧区的吸磷反应创造了良好先决条件。

2.4 污泥浓度与电耗分析

污水处理厂属高电耗企业。据统计，其电耗成本一般占运行成本的比例达30%～60%，而其中用于好氧区的供氧电耗成本占总电耗成本的比例更是高达50%～70%[17]。电耗的高低与生物池中污泥浓度和有机物浓度水平直接相关。当污泥浓度与有机物浓度较低时，微生物数量较少，其代谢活性较弱，电耗较低；当污泥浓度与有机物浓度较高时，微生物数量较多，其代谢活性较强，电耗较高。试验期间系统污泥浓度如图8所示，电耗情况如图9所示。

图8 试验工况对污泥浓度的影响Fig.8 Effect of test conditions on sludge concentration

图9 试验工况对电耗的影响Fig.9 Effect of test conditions on power consumption

从图8和图9可以看出，随着原水超越初沉池直接进入生物池流量分配比的逐渐增大，系统污泥浓度与电耗均呈明显上升趋势。为保证整个试验期间工艺运行稳定，随着工况的变化，需不断提高系统污泥浓度，以确保MLVSS/MLSS相对平稳。6种工况下平均污泥浓度分别为 4 660、4 752、4 903、5 085、5 518、6 053 mg/L，从工况Ⅱ开始，各工况下污泥浓度分别较前一工况上涨了1.97%、3.18%、3.71%、8.52%、9.70%，涨幅逐渐增大；整个试验期间，MLVSS/MLVV总体维持为0.5左右。从工况Ⅰ～工况Ⅲ，平均电耗分别为0.320、0.327、0.337 kW·h/m3，分别较前一工况上涨了2.19%和3.06%，涨幅较小；但从工况Ⅳ开始，平均电耗分别为0.367、0.405、0.453 kW·h/m3，分别较前一工况上涨了8.90%、10.4%、11.9%，涨幅较工况Ⅰ～工况Ⅲ明显增大。说明原水超越初沉池直接进入生物池流量分配比进一步增大后，由于系统污泥浓度和有机物浓度的增加，会显著提升污水处理厂电耗。

3 结论

(1) 原水进入初沉池与超越初沉池直接进入生物池流量分配比对出水总氮浓度和生物除磷率具有显著影响，而对出水氨氮浓度影响较小。

(2) 改良型A2/O工艺中存在反硝化除磷现象，且反硝化除磷率与原水超越初沉池直接进入生物池流量分配比呈正相关。

(3) 基于6种工况，较为优化的原水进入初沉池与超越初沉池直接进入生物池流量分配比为6∶4。该工况后期出水总氮平均浓度为8.79 mg/L，较原工况降低了33.9%，氨氮浓度低于0.5 mg/L，好氧区总磷平均浓度为0.34 mg/L，满足一级A排放标准，电耗为0.337 kW·h/m3，仅比原工况上涨了5.31%，涨幅较小。相比于原工况而言，虽然电耗出现了轻微上涨，但出水水质可控性得到了进一步强化，且显著优于一级A排放标准。