应国家和江苏省太湖流域水污染防治工作的要求，苏州地区污水处理厂面临执行“苏州特别排放限值”的新要求。苏州发布的《关于高质量推进城乡生活污水治理三年行动计划的实施意见》的通知中明确了“先优化运行，后工程改造”的提标改造原则，即优先考虑调整系统的工艺参数和运行模式，发挥工艺优化运行的潜力，再施行工程改造措施。通过历年数据分析、功能区模拟测试分析等工作，找出工艺管理和工程提标的关键要点，提出针对性优化运行措施和工程改造措施，节约污水厂运行成本，提高污水处理厂运行稳定性和效率。

苏州某污水处理厂原设计为工业废水处理厂，分五期建成，其中二期于2014年改造为生活污水处理厂。生活污水处理厂设计处理规模为3.0万t/d，处理工艺采用“曝气沉砂池+改良AAO+反应沉淀+转鼓过滤+紫外消毒”，工艺流程如图 1所示。

表 1为现设计进出水水质及苏州特别排放限值的要求。

对2018年1月—2019年7月期间污水厂进出水水质水量进行了统计分析，结果见表 2。

该污水厂进水水量有逐渐增加的趋势，在1.5~2.0万t/d，负荷率为50%~60%；由表 2可以看出，出水水质能够满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A排放标准，但若执行“苏州特别排放限值”，COD、SS、NH₃-N、TP指标无法达到排放标准，其中NH₃-N超标风险最大，为81.1%，COD超标风险为16.3%，SS超标风险为5.5%，TP存在22.1%的概率超过排放指标。

对于要求具有脱氮除磷功能的污水处理厂，氮磷的去除效果与有机污染物的可生化性指标密切相关，包括BOD₅/COD、BOD₅/TN等。因此统计了该污水处理厂2018年1月—2019年7月期间的BOD₅/COD、BOD₅/TN变化情况，分析污染物去除难度，核算分析进水中的生物脱氮所需的碳源水平。结果表明，BOD₅/COD均值0.332，污水生化性处于正常水平；BOD₅/TN小于2.86时^〔1〕，反硝化难以进行，现状BOD₅/TN均值2.52，BOD₅/TN处于较低水平，影响生物处理单元的脱氮能力，因此对TN的去除能力还有进一步的挖掘空间。

对整个污水处理流程的沿程布点进行了分析，主要污染物的沿程变化特征如图 2所示。对系统不同功能区（如厌氧区、缺氧区和好氧区）污染物的去除效果进行测试，分析主要污染物指标的沿程变化特征，进而分析工艺运行各环节是否处于最佳运行状况^〔2〕。

通过现场实测，A₂O工艺内缺氧段DO控制良好，基本控制在0.5 mg/L以下；由于存在NO₃^--N，厌氧池DO为0~0.3 mg/L，ORP为-50~-80 mV，厌氧环境相对良好。好氧池DO和ORP分别沿程上升至2.63 mg/L和140 mV，属于正常的参数范围^〔3〕。好氧池污泥质量浓度基本维持在3 000~4 000 mg/L左右，污泥浓度控制较好。

进水的COD为223 mg/L，SCOD/COD比值为77.6%，可溶解性COD占比较大，经过细格栅处理后，COD与SCOD分别降至172 mg/L和165 mg/L，SCOD/COD比值为96%，可溶性COD占比升高，有利于后续生物工艺段的脱氮除磷反应进行。

厌氧池进水COD与曝气沉砂池出水基本一致。缺氧池外回流（回流比100%）COD为55 mg/L，缺氧池内回流COD为53 mg/L（回流比为100%），实测缺氧池COD为101 mg/L。经过缺氧池和厌氧池中微生物的利用，进水中易降解利用碳源被有效利用，出水COD为33.9 mg/L，能达到一级A排放限值，但不能满足苏州特别排放限值要求（30 mg/L），好氧池对COD的去除效率需进一步提高。

从图 2可看出，进水中TN为27.49 mg/L，NH₃-N为25.8 mg/L，占比约93.85%。TN及NH₃-N在预处理段去除量较少，主要在生化段被去除。进入生化段后，由于稀释作用，TN降至16.56 mg/L。好氧池末端NH₃-N降至1.6 mg/L左右，硝化效果较好；缺氧池末端TN为7.14 mg/L，其中主要为NO₃^--N，约5.3 mg/L，占比约74.3%。

全流程出水NH₃-N质量浓度1.91 mg/L，TN在8 mg/L以内，能够达到一级A标准，但不能满足苏州特别排放限值要求。部分原因是实验时间为秋季，水温约18 ℃，活性污泥菌群活性不高。进入冬季后，低温条件下硝化菌活性会进一步大幅降低，通常水温每降低5 ℃，活性污泥代谢能力降低一半，因此执行NH₃-N < 1.5 mg/L会存在一定风险。

好氧池末端与缺氧池NH₃-N质量浓度差值为4.3 mg/L，好氧池NO₃^--N浓度大于缺氧池，这表明通过调节回流比有进一步提升脱氮的可能，可适当提高内回流比^〔4〕来进一步提高脱氮效果。

从图 2可以看出，进水TP为1.04 mg/L，PO₄^3--P（正磷酸盐）为0.59 mg/L，PO₄^3--P/TP为56.7%，进水中少部分为难溶性总磷，可通过物理拦截的方式去除。

厌氧池TP为0.5 mg/L左右，好氧池TP为0.2 mg/L左右，厌氧释磷效果明显。受到内外回流稀释作用的影响，厌氧池TP下降至0.5 mg/L左右。缺氧池中TP升高至0.7 mg/L左右。通过生物同化和好氧磷吸收作用，TP在好氧池中降至0.2 mg/L左右。最终经混凝沉淀池加药处理后，出水中TP为0.1 mg/L，可稳定达到苏州特别排放限值（0.3 mg/L）。

对不同功能区内功能菌进行性能测试，在污水厂内各功能池取样进行小试实验。测试活性污泥的硝化速率、反硝化速率以及厌氧释磷速率等污泥活性特征，分析活性污泥对各污染物的去除效果，确定功能区运行效果及潜力。

试验期间，详细测定了活性污泥的硝化过程、反硝化过程、污泥释磷的速率，结果表明该污水厂污泥活性很好，能够满足脱氮除磷要求。

（1）硝化速率（以单位VSS计去除的NH₃-N）。该厂活性污泥硝化速率为2.35 mg/（g·h），正常情况下好氧池硝化速率为2~6 mg/（g·h），处于正常范围下限。经实验测得该污水厂好氧池MLSS为3 142 mg/L，按照规范要求，生活污水MLVSS/MLSS一般取值为0.7，假定好氧池MLVSS为2 200 mg/L，根据测定的硝化速率，在给予充分的DO条件下，经核算曝气阶段理论最高去除50.6 mg/L左右的氨氮，实际最大进水氨氮为25.8 mg/L，理论上可以达标。

（2）反硝化速率（以单位VSS计去除的NO₃^--N）及潜力。实验结果如表 3所示。该厂反硝化速率分为2段，第一段反硝化菌利用该部分易降解的快速碳源进行反硝化，反硝化速率约为4.1 mg/（g·h），反硝化性能良好；该部分易降解碳源在反硝化过程第0.5 h左右时即被消耗完。第二段利用进水中的缓释碳源，反硝化速率下降至0.23 mg/（g·h）左右，反硝化效果较好，该过程可维持2 h左右；在反硝化潜力实验中，投加2 g醋酸钠作为碳源，可测得反硝化潜力在3.8 mg/（g·h）左右，第二段潜力在0.35 mg/（g·h）左右。这表明增加碳源的投加量，可强化反硝化性能，增强硝氮的去除能力^〔5〕。

（3）厌氧释磷速率及潜力。根据全流程磷浓度变化测试分析可知，该厂进水磷酸盐质量浓度为1.05 mg/L，经生化处理后出水TP约0.3 mg/L，TP去除率约71%，生化除磷效率尚可。试验对活性污泥的厌氧释磷速率及潜力进行分析，结果见表 4。

由表 4可知，厌氧池释磷速率在0.45 mg/（g·h）左右，释磷潜力为1.7 mg/（g·h）左右，处于较低水平〔正常释磷速率应为4~8 mg/（g·h）〕^〔6〕。

根据全流程磷浓度变化测试分析可知，该厂进水磷酸盐质量浓度为1.05 mg/L，经生化处理后出水TP约0.3 mg/L，TP去除率约71%，生化除磷效率尚可。

结合污水处理厂近年出水水质分析，TP对标苏州特别排放限值超标风险约22.6%，超标风险较高，需优化工艺运行，优化化学除磷药剂投加，确保出水TP稳定达到苏州特别排放限值。

（4）化学除磷分析。为达到苏州特别排放限值，对该厂进行了除磷药剂投加量的探究试验，目前该污水厂投加聚合氯化铝进行化学除磷，投加点为混凝沉淀池，投加量为5 t/d（进水量2万t/d），该成品PAC的有效物质质量分数为15%，即实际有效投加量为0.75 t/d。为优化氯化铝的投加量，取混凝沉淀池前端进水进行小试实验，研究投加不同浓度药剂后出水PO₄^3--P和TP去除情况。

从图 3可知，投加聚合氯化铝可明显降低P的浓度，去除率在PAC为20 mg/L时趋于稳定，40 mg/L时去除效率最好^〔7〕。经计算，现状PAC有效投加质量浓度为37.5 mg/L，为保障出水TP达标，需提高PAC投加量^〔8〕。

在试验期间（秋季），污水处理系统处于全年较优状态，出水TN等指标的浓度能够达到《特别限值》要求。根据历史数据分析和现场测试分析，考虑管网改善后水质提升、冬季低温影响活性的情景，预计冬季出水COD、TP、NH₃-N不能稳定达到特别排放限值（1.5 mg/L，温度≈12 ℃），出水TN较难稳定达到特别排放限值（10 mg/L，温度 < 12 ℃）。因此需要采取优化运行和工程改造措施。

在诊断工艺问题和痛点的基础上，动态调整运行参数，发挥和挖掘工艺运行的潜力。

（1）COD、NH₃-N优化措施：增加曝气提高好氧区中段DO、减少排泥增加好氧区MLSS。

（2）TN优化措施：提高内外回流比增加脱氮极限、降低好氧末段（内回流点）DO^〔9〕。

（3）TP优化措施：维持厌氧区ORP低于-150 mV使之处于良好厌氧环境，增加好氧区曝气强度、加大排泥量^〔10-11〕，增加化学除磷药剂投加量。

结合污水厂全流程分析及优化运行建议，从几方面提出改造措施。

（1）粉末活性炭前期考虑投加在好氧段^〔12〕，将现状传统活性污泥法改造为PACT工艺，投加量为3.8 t/d；正常运行后粉末活性炭投加主要考虑排放剩余污泥中粉末活性炭含量，投加量为0.32 t/d，保证生化池活性炭达到200 mg/L^〔13〕；粉末活性炭应急投加装置考虑设在二沉池出水处，同时预留投加至好氧池的接口，应急投加质量浓度约20~30 mg/L；

（2）沿缺氧池内布置三处碳源投加点，投加量为11.7 t/d，并在缺氧区出水口增设硝氮仪，好氧池出水口增设氨氮检测仪；

（3）增加自动加药系统，在混凝沉淀池处投加PAC，投加量为6 t/d；

（4）提高内回流比，从100%调整为200%。

经过优化运行调整，对污水厂进出水水质进行持续半年的监测，实际进出水水质见表 5。

该工程投资约328.0万元，包括粉末活性炭投加装置、碳源投加装置、自动加药系统、机械过滤器维修以及构筑物维修、电气、自控、道路绿化等其他费用。

该污水厂通过优化运行提升出水水质，预计运行费用增加0.57元/t，包括增加药耗和电耗两部分，具体估算见表 6^〔14-15〕。

随着苏州特别排放限值标准的实行，出水排放指标越来越严格。污水处理厂的现状运行全流程分析，脱氮除磷性能分析，改变某一运行条件等一系列具有针对性的优化运行建议能够在确保出水水质稳定达标的同时，节约成本，提升污水厂运行效率，优化污水厂工艺，也对同一类型其他污水厂的提标改造具有指导意义。