目前国内大多数城镇污水处理厂排放标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GBl8918-2002）一级A，甚至更高，对污水厂脱氮除磷的要求也随之变高，同时伴随着碳源、化学除磷药剂使用量的大幅增加以及能耗的提高，污水厂的运行管理，除了保证稳定达标排放，对提高处理效率、减少能耗的要求也日益提高。
我国污水处理厂的工艺主要分为四类：A2/O工艺、氧化沟工艺、SBR工艺、生物膜法工艺。A2/O工艺及其改良工艺作为较为简单的同步脱氮除磷工艺，被广泛应用于国内外大型污水处理厂的实际运行当中。笔者以福州市某城镇污水处理厂A2/O工艺为研究对象，利用全流程分析，进行脱氮除磷的工艺优化，通过改变内回流运行方式和配水方式，在不外加碳源的情况下，优化脱氮除磷的同时，达到节能降耗的目的，节省运行成本。
1、全流程分析试验
(1)试验对象概况
该污水处理厂位于福州市东区，其中一组处理系统设计规模为10万t/d，采用A2/O加深床滤池工艺，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。该项目预处理采用转鼓细格栅和旋流沉砂工艺，生化处理采用多模式A2/O工艺，并投加PAC去除TP，二沉池出水经微絮凝反硝化深床滤池工艺深度处理和紫外消毒后排入城市内河水体。该项目生化池分为两个池子，每池5万t/d，可单独运行。具体工艺流程见图1。
(2)分析方法
本试验以该项目其中一组A2/O生化池为研究对象，该生化池的结构见图2，主要工艺参数如下：厌氧段、缺氧段和好氧段的HRT分别为1.5h、3.0h、6.5h，内回流比为100%，外回流比为70%，污泥龄为18～25d，污泥浓度为3000～5000mg/L。
全流程分析从生化池进水至紫外出水共监测11个取样点（0#～10#），取样点布置见图2，其中A1～A6为厌缺氧池，O1～O3为好氧池。除0#和10#水样不做处理外，其余水样沉淀15min后取上清液，采用0.45μm滤纸过滤后再检测水质指标，水样检测指标包括TN、NH4+-N、NO3--N和TP等。
(3)试验工况
以生产现场为依托，通过调整回流比和多点配水，监测各个工况下的脱氮性能和除磷效果。试验工况如表1所示。
(4)全流程分析
①工况一条件下的分析工况一为试验开始阶段的工艺，该工艺兼顾脱氮除磷。图3为工况一条件下A2/O生化池的脱氮效果，因进水点为A1、A2和A5，因此A5和A6池NH4+-N浓度有所升高，随后O1段开始明显下降，至O2段NH4+-N已基本降解完全；因内回流点为A3、且A2和A5进水补充碳源，因此A3-A5池发生反硝化反应，NO3--N浓度下降；生化池末端出水的TN与污水厂总出水口的TN接近，TN的去除率为52.4%。
从图3、图4可知，A1和A2池均存在5mg/L以上的硝态氮，厌氧环境不佳，生物释磷没有发生，因A5有进水，A6池释磷效果比较明显，TP上升；好氧段生物吸磷效果比较明显，TP下降。通过生化池末端投加PAC，TP浓度进一步降低，出水TP浓度约0.2mg/L。
②工况二条件下的分析
工况二为强化脱氮工艺。图5为工况二条件下A2/O生化池的脱氮效果，内回流点为A1，NO3--N浓度上升，A2进水点供应进水碳源，A2发生反硝化反应，NO3--N浓度下降趋势，但A3-A6反硝化反应不明显。系统的TN去除率为54.5%。
从图6可以看出，在工况二的条件下，生物除磷基本没有发生，只有A1池TP明显下降，除了内、外回流混合液的稀释作用，因为PAC药剂在系统中循环也去除了一部分TP
③工况三条件下的分析
工况三为强化除磷工艺。图7为工况三条件下A2/O生化池的脱氮效果，在没有内回流的情况下，回流到A1池的外回流液携带少量NO3--N，至A2池NO3--N浓度下降到0.39mg/L，且A1为进水点，说明来自外回流的NO3--N在A1池内已经基本被反硝化，因此从A2～O1段NO3--N处于很低的水平；NH4+-N在系统中呈逐渐下降趋势。系统的TN去除率只有28%。
从图8可以看出，在工况三的条件下，A池生物释磷明显，TP浓度上升；在好氧段，生物吸磷作用发生，TP浓度下降。说明该工况生物除磷的作用较为明显。
从全流程分析结果可以看出，工况一（即单点内回流、多点配水）的情况下，生物脱氮和除磷均有一定效果；工况二（单点进水、单点内回流）的情况下，系统基本没有生物除磷作用，反硝化效果较好，有利于生物脱氮；工况三（单点进水，没有内回流）的情况下，系统反硝化作用较低，但生物除磷效果最佳，可以在不投加PAC的情况下实现除磷目标。
2、生产性试验
针对全流程分析结果，在实际生产过程开展生产性试验。试验时间为2020年3月19日～2020年8月17日，其中2020年3月28日～4月7日因进水水质异常低不纳入统计，工况三试验期间开启内回流的时段而不纳入统计。试验期间各种工况下进水平均COD浓度分别为127mg/L、121mg/L和134mg/L，均未外加补充碳源。
(1) 不同工况下TN的去除效果
图9为不同工况下A2/O工艺对TN的去除效果：工况一条件下，进水TN为14.1～27.8mg/L（平均值为20.4mg/L），出水TN为5.45～14.3mg/L（平均值为9.65mg/L），TN的平均去除率为51.8%；工况二条件下，进水TN为11.1～22.1mg/L（平均值为17.5mg/L），出水TN浓度为4.79～10.3mg/L（平均值为6.7mg/L），TN的平均去除率为61.5%；工况三条件下，进水TN为15.4～25.1mg/L（平均值为20.8mg/L），出水TN为3.75～13.3mg/L（平均值为10.0mg/L），TN的去除率为50.6%。
可见，内回流和配水的调整，对生化池的脱氮效果有不同程度的影响，工况二的TN去除率最高，较工况一和工况三分别提高了9.7%和10.9%；在进水水质相当的情况下，工况一较工况三的TN去除率略好些。
(2) 不同工况下TP的去除效果
图10为不同工况下A2/O工艺对TP的去除效果：工况一条件下，进水TP为1.58～4.32mg/L（平均值为2.58mg/L），出水TP为0.25～0.44mg/L（平均值为0.35mg/L），对TP的去除率为85.6%；工况二条件下，进水TP为1.12～4.08mg/L（平均值为2.58mg/L），出水TP浓度为0.18～0.46mg/L（平均值为0.30mg/L），对TP的去除率为87.7%；工况三条件下，进水TP为1.73～4.66mg/L（平均值为2.68mg/L），出水TP为0.08～0.43mg/L（平均值为0.24mg/L），对TP的去除率为90.5%。
试验期间三种工况下平均进水TP基本一致，单位污水PAC投加量分别为44.3mg/L、46.3mg/L和41.5mg/L，工况三的TP去除率最高，且其中有两天实现不投加或少量投加PAC的情况下，出水TP达标。结果与全流程实验一致。
(3) 工况优化选择
从生产性试验可知，工况二对脱氮有强化作用，工况三对生物除磷有强化作用。工况二平均出水TN浓度为7.3mg/L，工况三平均出水TN浓度为10.0mg/L，均满足TN的出水排放标准（15mg/L)），因此在日常生产过程，优先选择工况三，在出水TN可实现达标的情况下，不需要开启内回流，系统以生物除磷为主，也大大降低了PAC的投加量。若工况三不能保证出水TN控制，可根据在线出水硝氮仪的检测结果进行工况二和工况三切换，在保证出水稳定达标的同时，降低能耗，节省成本。
3、能耗分析
(1)电耗分析
该项目共有两组生化池，每组生化池的内回流泵各自独立运行，内回流泵功率为22kW，当2台内回流泵投入生产时，日电耗约1056kW•h。按照电价0.5元/kW•h计，在不开内回流泵的情况下，每年可节省电费约19.3万元。若工况二和工况三切换运行，按照内回流泵半年运行的情况测算，一年也可节省电费9.6万元。
(2)药耗分析
从生产性试验可知，工况三的PAC投加量比工况一和工况二分别下降了6.3%和10.4%，因此采用工况三运行时，每年至少可节约PAC100吨，按照PAC单价650元/吨计，一年大约可节约6.5万元。这个费用虽然不多，但因为生产性试验为工艺调控提供了指导方向，PAC投加量每降低5mg/L，则每年就可节约约12万元。
4、结论
（1）通过全流程实验，对污水厂生化处理过程氮和磷变化进行分析，为污水处理脱氮处理工艺的调控提供指导。
（2）根据生产性试验结果可知，对于该污水厂的A2/O工艺，A2单点配水和A1单点内回流时能够强化脱氮，有效提高生物脱氮效果，使TN平均去除率由51.8%提高到61.5%；A1单点配水且关闭内回流时能够强化生物除磷，可以降低化学除磷药剂的投加量。因此在日常工艺调控时优先选择A1单点配水且关闭内回流运行模式，并根据在线出水硝氮仪的检测结果进行强化生物除磷和强化脱氮模式的切换运行。
（3）根据全流程实验和生产性试验提供的运行工况，可以降低电耗、PAC药耗，每年至少可节省运行成本16万元。
（4）该污水厂可以在生产性试验提供的运行工况下，进一步挖掘系统生物脱氮除磷潜力，降低PAC的药耗量。（来源：福建海峡环保集团股份有限公司）
