1、前言
基于活性污泥法的废水生物处理技术是现有的污水厂普遍采用的重要工程技术手段之一。国
内的活性污泥系统的设计和运行大多基于稳态，而城市污水厂的实际运行表明实际运行中存在很多问题和困难：污水厂的进水水质、水量随昼夜交替、季节变换、居民生活习惯等因素变化而变化，活性污泥的生物活性及沉降性能一旦发生变化需要很长的时间才能恢复正常。这不但造成了污水处理的效率降低，处理效果的不稳定，而且还造成了一些处理设施及电力的浪费。
2007 年6 月，太湖梅梁湾西部水域出现了大规模的蓝藻聚集情况。而随着夏季气温的升高，
太湖的水温超过30℃后又再次爆发蓝藻爆发，以致无锡部分地区水质受到严重影响，居民用水岌岌可危。蓝藻的爆发就是由于太湖水N、P 含量超高而产生富营养化。随着城镇化进程的加快，城镇规模不断扩大 人口也随之增长，生活污水产生量还将上升。因此政府提出了对于太湖流域水质的新排放标准，并规定于2008 年6 月底前，太湖流域所有城镇都必须建设符合标准的污水处理厂，完善管网铺设，做到不直接向太湖或流域内的河流排污水；已经建成的污水处理厂，完善配套措施，增加脱氮、脱磷设施，有条件的污水厂要进行尾水处理。
苏州市工业园区主要收集处理该园区内的城市生活污水和工业废水，污水处理总规模为50 万m3/d。处理厂采用全面规划分期建设，一期工程为10 万吨，已于1998 年建成，采用A2/O 法生物脱氮除磷工艺，处理后尾水排入吴淞江；二期扩建10 万吨，采用相同工艺于2006 年建成投产。
苏州工业园区第一污水厂尾水受纳水体吴淞江为IV 类水体，但由于此工程位于太湖流域，太湖流域的河流COD 要求逐步达到III/IV 类标准（见表1）。因此，该污水处理厂尾水污染物排放执行DB32 标准。与以前要求相比，新标准提高了磷、氨氮的排放要求，因此对污水生物处理工艺提高了要求，也对污水厂的节能降耗和优化运行提出了更高的要求。
本文主要是通过工艺优化诊断技术，找出污水处理厂工艺达标的“瓶颈口”，提供相应的工
艺改进和调整措施，为稳定达到太湖流域排放标准，提供最佳的技术方案和建议。任务包括：
（1）利用ABAM（高级生物活性测定仪）对污水处理厂一、二期的生物池污泥进行好氧速率、
硝化速率，以及其他生物指标的测定。为了提高污水处理效率和更有效地发挥污水厂一期、二期现有设备功效，用数学模型构建一期二期联合运行工艺，根据其各自的运行性能来优化一期、二期的进水配比参数。
（2）通过便携式DO 分析仪对曝气池DO 进行全面测定，并在分析每廊道末端COD、氨氮和磷
酸盐降解的基础上，利用模型对DO 分布研究分析，找出最佳曝气量和曝气方式。
（3）对进水生物池出水投加不同絮凝剂浓度，考察不同加药地点、不同加药浓度对其除磷性能的影响；找出最佳投药量，节省加药成本，节省剩余污泥处理成本。
除了帮助污水厂在达标排放的基础上进一步节能降耗，同时提升污水处理厂的环境和经济效
益，这对苏州工业园区第一污水处理厂未来发展，以及太湖流域其他污水处理厂的运行管理，都提供了一些新的思路和解决方案。此外，对太湖流域水环境质量的提高，以及对太湖流域水质的改善也具有重要的意义。另外，将国外先进的污水处理技术和管理经验引入到苏州市污水处理厂的运行和管理中，提升管理和技术人员的业务素养，从而提高污水厂的运行和管理水平。
2 活性污泥性能ABAM 测试试验
微生物活性测定仪（ABAM）是由美国生化科技公司的工程师研发的专业仪器，主要用来测量
活性污泥的一些最重要的反应速率，可以分析污水处理厂的可生物降解性、生物降解的难易程度，以及在特定情况下，活性污泥的耗氧速率、硝化速率等情况。
2.1 活性污泥性能指标
2.1.1耗氧速率及硝化速率
OUR 试验目的是考察污水处理厂易降解有机物的含量，并考察是否存在毒性物质，会对活性
污泥的降解性能造成抑制。试验中取总进水4L加入ABAM 反应器，ABAM DO 控制设置在2.0～
4.0mg/L，溶解氧从最高点跌到最低点的时间用来计算OUR。同时在该试验中，测得的反应器中的混合液悬浮固体浓度MLSS 一期为2800mg/L、二期为2480mg/L，混合液挥发性悬浮固体VSS 一期为1700mg/ｌ，二期为1450mg/L。因而可以计算出比耗氧速率SOUR 的大小。从表2 表示该厂一期和二期耗氧速率相对较高，活性污泥降解性好，不受毒性物质干扰。
硝化速率直接反映了活性污泥中硝化菌的的活性，或者数量的多寡。试验分别模拟实际生物
池在高温和低温条件下的硝化效果，并进行分析。结果发现苏州第一污水厂一、二期的硝化速率均较高，分别为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，污泥中硝化菌活性较好。
2.1.2磷的释放及吸收
从统计资料分析表明，污水厂初沉池对进水总磷的去除效率较高达到50％，其中很大一部分
是颗粒态磷的沉降去除。而对生物反应池出水的分析，得到PO4-P 的总去除率达到97％。为了进一步说明苏州污水厂的生物除磷的实际状况，进行了磷的释放及吸收试验。
试验时，考虑到释磷反应很快，因此分别取污水厂初沉出水堰的原水2L与外回流的原水2L，
混合后搅拌，保持搅拌30min，在30min 后开始进行曝气，维持DO 2～4mg/L，分别模拟厌氧释磷和好氧吸磷的状态，来监测过程中磷酸盐的变化。
测试结果见图1。
图1 表明，苏州污水厂二期的活性污泥具有较好的除磷功能。聚磷菌在厌氧不利条件下（0～
30min），分解体内积聚的聚磷，PO4-P 浓度随之升高，达到一个最高值；随着好氧反应的开始（30～200min），PO4-P 浓度逐渐下降，聚磷菌吸收污水中的磷酸盐并不断释放能量供聚磷菌繁殖；厌氧释磷的现象越明显，其好氧吸磷效果也越好；最终的PO4-P 去除率很高，除磷效果好。
2.2 水力负荷优化
选择国际水协推荐的ASM2D 模型，并通过GPS-X 软件开发设计，构建一、二期联合运行工艺，
根据其各自的运行性能来优化一期、二期的进水配比参数。
苏州工业园区第一污水厂不同进水量的出水结果。表4 中结果显示：工业园区污水厂由于设
计时充分考虑水力负荷波动的影响，生物池容积能够满足HRT 缩短所造成的影响，因此，即使在进水水量增加到36 万吨时，出水除TP 依然能够保持良好的去除效率，但是必须要注意的是，水量的增加的同时必须要考虑到进水泵、污泥回流泵、内回流泵和剩余污泥泵的负荷运转状况，还必须考虑到高水量下的高加药成本，因此污水厂在处理进水水量时必须要综合考虑多种因素。
由在上述五种水量分配比例条件下出水结果可知，出水水质除TP 外基本都能够满足标准，
其中随着一期水量的增加，出水COD、BOD、SS 等呈逐渐增加趋势，这说明一期工艺对碳类污染物和悬浮物去除效果较差，而氮类污染物处理效果几乎一样；TP 随一期水量的增加也呈逐渐增加趋势，这说明二期TP 处理效果要好于一期，因此为降低加药成本，可以增加二期水量。
3 生物池DO 优化
3.1 生物池DO 监测数据
美国生化公司利用便携式DO 分析仪测试苏州工业园区第一污水处理厂一期、二期的DO 值，
结果如图2、3 所示。
从图2、3 中数据可知，一期两组相同的对称生物池的DO 分布差距较大，其中南面一组好氧
曝气量较大，末端DO 达到5.5mg/L，DO 值偏高。二期两组DO 分布差值较大，左边这组DO 值偏低，右边偏高，总体而言，苏州工业园区二期曝气效果好于一期，曝气较充分。如此高的DO不仅会造成出水SS、TP 偏高，而且，通过DO 外回流至厌氧池也会影响厌氧段的反应，从而无法达到厌氧释磷作用。造成两组的偏差原因可能是：①两组进水量不同，在相同曝气情况下造成差异；②由于两组生物池的曝气管道等因素造成的曝气不均等。
为了进一步探究其原因，对一期好氧段三个廊道末端的BOD、氨氮和磷酸盐进行了分析（见
图4）。在廊道四末端，耗氧污染物已经基本降解完全，从而导致廊道五DO较高，这种状况不仅会破坏絮凝体，也会导致微生物提早进入内源呼吸期，因此，好氧段的供气分布需要重新进行调整。
3.2 DO 优化方案
3.2.1 DO＝0.5～4.5mg/L、MLSS＝3.0g/L（一期）、MLSS＝2.5g/L(二期)、IR=100%；
生物池中模拟DO 设定值参照实际情况进行设定，即DO 呈递增分布，好氧区前端进水仅为
0.5mg/L,末端出水达到4.5mg/L。
从表6 中数据来看，在冬季情况下，一期和二期出水水质总体上能够达到DB32标准，尽管温度较低，但由于溶解氧浓度较高，出水氨氮较低，图5 为氨氮二期生物池氨氮的降解曲线，从图中可知，氨氮在进入厌氧段和缺氧段以后，由于有机氮水解作用，浓度会略有上升，但在进入好氧区后，氨氮浓度逐渐降低，最终降到1mg/L 以下。由于二期MLSS 浓度较低，排泥量较高，因此二期出水TP 浓度基本能够达到DB32 标准，但一期出水TP 远远超过0.5mg/L 标准，这主要是因为SS 较高，导致颗粒态磷浓度相对较高，图6 为磷酸盐在生物池内变化趋势，可以看出工艺厌氧段和缺氧段都发生了较明显的释磷作用，导致好氧吸磷效果较明显，生物池出水磷酸盐为0.46 mg/L。
上述分析结果表明，现有运行参数条件二期工艺基本能够达到DB32 标准，而一期工艺出水TP 不能满足标准，分析原因是SS 造成的颗粒态TP 较高（0.8mg/L），这和生物池出水DO 较高有着密切关系，一期二沉池DO 浓度较高（>3mg/L），影响出水SS 沉降。
在春秋季节，一期和二期出水水质与夏季出水水质较为接近，除总磷外基本都可以满足，二
期出水总磷要好于一期，因此，需要通过DO 分布来提高脱氮除磷效率。而夏季出水SS 有所增加，会导致出水TP 浓度增加。为进一步降低出水TP，同时减少运行成本，工艺对DO 进行调整。
3.2.2 DO 递减分布、MLSS＝3.0g/L（一期）、MLSS＝2.5g/L(二期)、IR=100%；
好氧段出水DO 较高，不仅会导致污泥夹带大量溶氧回流到厌氧区破坏释磷效果，而且由于内回流含有大量溶氧，也会导致总氮去除效率下降，因此，为提高除磷效率，降低运行成本，方案二对生物池各段DO 分配进行调整，从第三章水质分析可以知道廊道四末端BOD 和氨氮已经基本降解完全，廊道五基本不需要溶氧，这不仅增加运行成本，而且过度曝气会导致微生物内源呼吸，导致沉降性能不良，因此有必要调整廊道五DO 分布，使得生物池出水DO 较低，提高脱氮除磷效率。
具体出水水质见表 ，从表8 可知，经过DO 调整以后，不仅降低了曝气能耗，而且有效的降低出水总磷浓度，减少了化学药剂投加成本。
在春秋季节，经调整DO 后，尽管氨氮浓度有所上升，但是出水TP 得到有效降低，降低了化
学药剂投加成本，其中一期停止曝气的区域比二期更大。
夏季由于水温较高，硝化细菌对氨氮的降解能力上增强，因此，可以进一步降低好氧区域，
减少曝气能耗。从模拟结果显示：尽管大幅度的降低了曝气区域，但出水水质仍然可以满足标准，TP 浓度有所下降，这说明在保证出水水质达标的基础上降低好氧区后端DO 不仅可以有效降低曝气能耗还可以削减加药成本。
3.3 曝气费用分析
根据DO 优化方案，用模型计算能耗，但仅仅包括生物池和二沉池运行能耗，不包括加药费用和污泥处理费用，得到表9。按不同季节计算污水厂一期、二期的能耗节省状况，从结果可知，春秋季、夏季节省费用较多，分别节省现在运行费用的15.4％、20.2％。
4 加药除磷效能分析
4.1 加药试验过程
利用美国生化公司专用设备ABAM，根据当前污水厂实际投加比例，通过投加不同浓度的硫酸
铝检测出加药前后磷的浓度，从而判别最佳投药量。同时，对不同加药点投加药剂（后置投药和进水投药），来检测最终磷的浓度，以此找出更为适合的加药点。加药试验是在1 个4L的反应器里进行的，由于当前污水厂投加比例为污水量的万分之二，即在反应器里投加0.8mL药剂即可模拟实际情况，同时逐渐递减投药量，找出最适合的投加比例。 图7 为投加不同浓度药剂并搅拌的示意图。
注：试验1 是在生物池出水中投加不同比例的硫酸铝溶液；试验2 是在总进水中按照万分之二比例投加药剂，考察去除PO4-P 效果。此次加药试验是在总磷达标的情况下所做的测定分析，二沉出水为0.374mg/L。
试验主要过程为投加药剂后取不同时间段的磷酸盐进行测定，磷酸盐检测使用HACH2400 仪器进行抗坏血酸法实验测量，测量每隔15 分钟取样一次，需做两次平行样，取平均值。为了保证试验的准确性，取磷酸盐标液，稀释至1mg/L，利用仪器测得的数值为0.95mg/L。计算可得误差为5%，在允许误差的范围内。同时配制了空白样，进行校零。同时由该厂实验人员对所取样进行TP测定。
4.2 加药试验结果分析
注：横坐标0min 代表原液（即不加药的水样）经过搅拌后未经沉降，直接取30mL 水样测得其中的PO4-P 浓度；15min、30min、45min 分别代表加药后沉降15min、30min、45min 取的水样测得的PO4-P 浓度。
从图8 可知，不同加药浓度在经过15min 的沉降后，PO4-P 浓度下降显著，其中加药0.72mL
和加药0.56mL 水样中的PO4-P 浓度最低，均为0.12mg/L；而在30min 这一时间段内，各曲线都呈现一定的反弹趋势，即水样中的PO4-P 浓度均有回升趋势，该现象可能由于污泥中微生物影响，或外界环境因素导致，至于其内在的反应机制或形成原因还需要进一步研究。
从四种不同药剂量的效果分析，可知：加药0.72mL 水样中的PO4-P 浓度最低为0.07，比原液PO4-P 浓度0.43mg/l 下降了0.36mg/l，去除率达84%，去除效果是最明显的；加药0.64mL 和加药0.56mL 水样中PO4-P 浓度几乎相同，分别为0.11mg/l 和0.13mg/l;而以现污水厂的药剂投加比例，其水样中PO4-P 浓度为0.21mg/l,比其他投加药剂都要高。因此我们认为，加入药剂越多，其去除水体中的PO4-P 效果未必越好，适当的加药量不仅可以达到最好的去除效果，而且有助于降低成功。
本试验同时选取了两个药剂投加点，即进水加药和生物池出水加药，来比较两者去除水样中的PO4-P 浓度效果，以期寻找到最佳的药剂投加点，节省药剂投加量，从而降低运行成本（见图9）。
从图9 可知，在进水处加药0.8mL，水体中的磷浓度经过15min 后，能从7.4mg/L 很快降到
0.16mg/L，去除率高达98％；但进水处加药曲线随沉降时间的变化不明显，从15～45min，水体中的磷浓度波动不大，最终降到0.13mg/L。在好氧出水处加药0.8mL，水体中的磷浓度随沉降时间变化不大，45min 后最终降到0.21mg/L。从总体上而言，两者最终都能达到较一致的良好去除效果，能有效地去除水体中的磷，总进水处加药比好氧出水处加药的去除效果稍微好。但从后期影响上说，进水处加药虽然降低了磷浓度，但形成的胶体絮凝物可能会对生物池工艺产生影响，投加药剂中的Fe、Al 等金属离子如果浓度较高的话也可能会对后期生物池中的微生物产生不良影响。
4.3 药剂费用分析
加药试验结果表明，加入小于0.8mL 的 Al2（SO4）3 一样可达到相同或更好的除磷效果，所以可减少污水处理厂的药剂投量。例如加入0.56mL药剂，在总磷达标以及最终相同效果的基础上从药剂成本看：该厂进水量为10 万吨/天，投加药量为万分之二，药剂费为750,000 元/月。其药剂上的费用支出为： 900 万元/年；0.5mL 加药该厂一年可节约成本270万元。可知，若投加0.5mL药剂，每年能节约270 万元，同时能达到排放标准。这对整个污水厂而言，是极为可观的一笔费用。
4 结论
针对苏州工业园区第一污水处理厂的运行现状进行了全面分析，通过活性污泥性能分析、生
物池DO 优化分析、加药除磷效能分析等任务，获得了许多重要结论和成果，简要如下：
① 工业园区第一污水厂一期和二期处理效果较好，出水除TP 外可以稳定达到DB32 标准。
模型模拟结果表明：污水厂处理能力较大，进水流量达到36 万吨时仍然可以有效达标；其中随着一期水量的增加，出水COD、BOD、SS 等呈逐渐增加趋势；TP 随一期水量的增加也呈逐渐增加趋势。
② 一期和二期两组曝气池DO 分布不均匀，出水DO 较高，廊道五曝气过量会使紊动加剧，破坏絮体，影响出水SS，较高的SS 会增加总磷浓度，降低紫外线效率，同时，DO 通过回流会影响厌氧释磷和反硝化；模型模拟结果显示：曝气池DO 由均匀分布调整到递减分布不仅降低了曝气能耗，而且有效的降低出水总磷浓度，减少了化学药剂投加成本。
③ 通过加药可以使出水TP 达到DB32 标准，但投加量可以适当降低，较低的投加量不仅可以使总磷满足出水标准，而且可以降低污泥处理成本。
