图1 旋流式工艺去除污染物。

污水厂在实施深度处理、营养物强化去除（Enhanced Nutrient Removal，ENR）工艺过程中将会遇到诸多问题，包括出水超标、设计能力过大以及水量波动等问题，而如果采用实时监测系统对污水厂进行在线监测和控制将有效地避免这些问题所造成的影响，能够稳定出水水质、提高氨氮、硝酸盐和磷的去除率、快速恢复进水水质、水量变化造成的紊乱，同时能够为污水厂带来一些潜在的利益，包括降低曝气成本、减小剩余污泥量、取消或降低化学药剂和碳源投加量以及人力成本等等。

污水深度处理工艺的执行给污水处理厂的设计者以及管理人员带来了巨大的挑战，其出水要求接近当前污水厂处理工艺的最低出水浓度，这需要污水处理厂必须在任何时候都能保持最佳的运行状态以确保处理可靠性。为了使出水达到氮磷排放要求，有的污水厂只是单一地通过增加处理设施来降低氮磷不达标的风险，但这种方法意味着更高的人力成本、化学药剂成本和能耗，而采用实时监测系统对污水厂实施监控不仅可以提高污水厂运行效率，而且能够有效地避免成本增加，例如污水厂常常采用新建调节池的方法降低水质水量波动造成的影响，而不是安装实时监测设备来稳定水质水量；或者是在处理生物工艺出水的沙滤池中加入反硝化滤池，而不是对已存在的反硝化过程进行优化。

实施深度处理面临的问题

表1概括了典型的污水深度处理（Advanced wastewater treatment，AWT）出水要求和均值期限，考虑到上述标准要求的出水污染物浓度极低，在规划确保满足出水要求时，均值期限将有着重要的影响。

图2  改造后的Yarra Glen污水厂工艺配置图。

生物处理过程中一个小的失败都将导致表1中的水质指标（不包括pH）超标，例如一个月中29天的TP出水都为0.08 mg/l，而只有一天出水为1.5 mg/l，则TP出水月均值将达到0.127 mg/l，超过0.1 mg/l的出水标准；另外，如果有一周的出水TP皆为1.5 mg/l，那么不仅仅当月出水TP不达标，而且也将超过0.1 mg/l的年均值标准，尽管当年其余时间出水TP保持在0.08 mg/l，全年TP依然是不达标排放。更为普遍的是，少量的、持续几天的超标可能不仅超过月均值，而且将导致最大值超标，类似的情况TN去除时也可能会发生，特别是当硝化反应完全失败时，即使是部分失败，仍可能导致TN的月均出水浓度超标，举个例子，假设一个月中有3天出水TN为8 mg/l，而其余27天为2.5 mg/l，那么当硝化失败时，NH3-N将占TN中绝大部分，这将导致出水NH3-N和TN都超标。如果超标排放罚金是针对每一个水质指标的，这将给处理厂将带来巨大的损失和成本。几年前，美国南部某大城市一个污水厂的出水TP仅仅超标了两天，却导致整个城市范围出水TP超标，罚款高达250000美元，罚款的金额随着出水浓度超标部分的增加而增加。值得注意的是：如果对生物处理过程进行实时监测，而不是反馈或者不完全监测，那么出水超标的概率是否能够得到极大地降低？

设计能力过大造成的影响

复杂的处理工艺可能导致出水超过氮磷排放标准。污水厂处理能力是按照未来20年或者更长时间来设计，因此其设计处理能力远远大于其现有实际流量，而且由于其按照最大月均值进行设计，这就使得污水厂在一年中大多数时间实际水量都小于设计能力，而每天水质水量的变化更是增加了系统的复杂性。由于偏大的设计有利于保持出水稳定和污染物去除能力，因此当出水仅仅考虑BOD、TSS和NH3几个指标时，只需要很少的监测设备就可以在绝大部分时间里使出水达标，但是对于深度处理工艺、小型污水厂和循环式工艺，达标工作并不如此简单。

较大的处理能力意味着高的曝气能耗，尽管通过安装实时监测系统可以降低运行成本，而且较少的污泥处理费用也可以抵消部分能耗，但是当使用生物营养物去除（BNR）工艺时，例如强化生物除磷（EBPR）工艺和反硝化过程，偏大的设计能力将会导致处理能力降低，其严重性通常将会随着污水厂的规模、工艺、反硝化途径以及设计流量和实际流量之间的差异的变化而变化，这是因为过量的曝气将降低细胞糖原质储存能力并导致电子受体DO和硝酸盐的过量回流，因此，有必要在曝气池和回流系统中安装大量的精准在线监测系统来降低设计能力过大对系统的潜在的有害影响，并使出水达到氮磷排放标准。

表1 典型AWT出水要求

对于拥有的多廊道（四个或更多）的大型的污水处理厂来说，可以通过廊道增减达到或接近设计流量和荷载，因此，大的处理能力并没有影响系统去除效率，但是对于小厂来说，例如只有两个廊道的，增加一个廊道就极大地增加处理能力，这将会导致污水厂出现严重的问题，而试图在稳定的进水条件下运行一个廊道也有可能会导致处理效率下降或者运行失败，因此，当污水厂需要满足氮磷排放标准时，必须要慎重考虑廊道的增减，如果使用在线实时监测系统而不是反馈控制系统，则可使大多数规模不同的污水厂达到持续稳定的处理目标。

图3  改造后Bowie污水厂工艺配置图。

设计处理能力过大造成的问题不仅会出现在连续流的活性污泥BNR系统中，也会在没有实时监测系统的SBR、好氧/缺氧交互式系统（AAA）、氧化沟、Schreiber工艺系统和其他一些固定循环系统中出现。但是，需要注意的是，如果使用实时监测系统，比如通过测定NH3-N和NOX-N浓度控制曝气，任何循环式反应系统都能够很容易达到运行上的最优化；如果通过循环周期时间和鼓风机控制曝气，则可以在进水流量和负荷变化的条件下准确地控制曝气量（氧气转移量）。通过在线监测DO、溶解态磷、碱度、SS等水质指标控制污染物去除已经在一些污水厂开始应用，尽管反馈控制也可用于污水厂运行控制，但后续试验显示前控制和现场（例如在线）控制可使出水达到更严格的标准。

水量波动造成的影响

进水流量的日变化、周末流量变化以及暴雨期的流量和渗透（I&I）影响处理效率，导致出水水质波动。在进水流量稳定、电子受体很少或没有的反应器中，有足够且不过量的可利用BOD，EBPR和反硝化过程能够很好地进行，但是在早上进水负荷较低时候，出水水质将会降低，周末时同样如此，期间进水负荷将随着不同地方的工业区、商业区和居民区比重的不同而发生变化，因此，周末或者星期一的污水厂出水水质也将会下降，具体取决于周末进水负荷比平常高还是低。

需要注意的是出水SS和BOD也有可能会不满足深度处理标准。比如反硝化滤池，除非使用实时监测系统，否则当进水流量和负荷都很低的时候，外加碳源极有可能会过量，从而导致出水BOD超标，而如果进水负荷过高，则又可能会导致微生物从生物膜脱落，除非采取频繁的反冲洗，否则出水SS极容易超标。

实时监测技术的潜在经济效益

降低曝气成本

深度处理工艺的实施虽然增加了污水厂基建投资成本，但却可以使出水水质提高到氮磷排放标准，这可以通过回顾BNR的实施经验来分享。

表2 Basingstoke污水厂改造前后工艺性能对照表

BNR的实施可能需要增加建设成本或改进处理工艺，但却可以降低运行成本，例如增加内回流除氮，运行成本将会得到降低。英国伦敦郊区的Basingstoke污水厂两个平行的曝气池被改造为有缺氧区的旋流式系统（图1）。

通过改造以后，尽管出水硝酸盐浓度仍然为7mg/l，但与改造前相比曝气池能耗降低了22%（见表2），如果把搅拌器能耗算进去，使用旋流式系统的总能耗将降低19%，如果通过提高回流比使更多的硝酸盐用于反硝化以降低BOD，则可能会进一步地节省成本。但需要注意的是，这需要水头较低的回流泵，否则会使得效益递减，此外还必须对硝酸盐浓度进行监测，以便对回流比进行自动控制，实现曝气量的最小化。

在BNR实施之前，绝大多数传统污水厂曝气系统设计一般配备3个相同功率的鼓风机（一个作为备用），因此，希望在升级为BNR后通过关闭或者减小一个鼓风机能耗来降低曝气成本是不可行的，相反，在建立在线参数监测和自动曝气系统控制的基础上，Schreiber逆流曝气系统可以通过配备一系列不同规格的鼓风机和实施单个鼓风机功率的调整最精确地满足实时曝气要求，实现曝气成本的最小化。

减少剩余污泥量

AAA工艺可以通过曝气系统的开关实现硝化和反硝化，降低能耗和控制污泥产量。Ip等对一个延时曝气工艺的污水厂（Yarra Glen）进行了AAA工艺的改造（图2）。结果显示：改造后，曝气能耗可以节省35%，污泥产量降低40%；表3显示了改造前后工艺性能和能耗的对比。

类似的优化结果在Ip等对一个规模较大的延时曝气系统污水厂改造中得到验证，尽管其优化结果略低于Yarra Glen污水厂。然而Ip等对Yarra Glen污水厂的成功改造是在固定的曝气开关时间比例下进行优化，他们不得不研究多个开关时间比例从而获得最佳运行参数，另外该厂处于一个正在发展中的郊区，也需要调整开关时间比例以适应未来的进水负荷的变化。而如果在AAA反应器内安装氨氮和硝酸盐实时监测系统，曝气量将会随进水负载自动进行变化，不需要对曝气开关时间比例进行调整就可获得最佳处理性能。

降低化学药剂投加量

硝化过程需要大量的消耗碱度，而如果需要化学加药除磷时，大量碱度的缺少更会严重地影响系统处理能力，因此必须每天投加药剂以提高系统碱度，而如果在系统前增加反硝化池将会有效弥补曝气池碱度的缺失，这将会降低药剂投加量甚至不需要投加，由于硝化反硝化能够以固定的比例消耗和恢复碱度，因此通过碱度测定能够分析BNR工艺的硝化性能，通过碱度测定监测和控制曝气量的方法已经被成功地应用在Bowie MD污水厂将近二十年。

图4  EBPR和完全硝化工艺BNR 工艺配置图。

Bowie MD污水厂每天流量为220万加仑，处理工艺为氧化沟工艺，工艺前端设置调节池，工艺后端设置好氧池（由一个氧化沟改造而成），处理目标为BOD5和SS，并投加化学药剂以使出水磷降低到1 mg/l以下，而设计较短的SRT可以实现部分反硝化来降低额外的碱度投加量。污水厂于1988年实现了BNR升级改造，改造方案主要是：⑴将两座平衡池中一个改造为厌氧池；⑵去掉两个氧化沟中部分转刷曝气器，改为缺氧区；⑶进水流量分为两部分，其中仅30%进入厌氧池以减小厌氧池体积，EBPR通过在氧化沟中控制曝气量来实现。（工艺配置见图3）。

在改造后的将近20年里，通过适当的监测和曝气控制，污水厂出水TP年平均值小于0.25 mg/l，TN年均值小于4 mg/l，而不需要化学除磷或者别的深度处理方法。例如，出水TP在1997年平均值为0.21 mg/l，2003年为0.16 mg/l，夏季出水TN月均值都小于3 mg/l，而在冬季，除非进水含有有毒化学物质，否则出水TN保持在4mg/l以下。BNR升级改造后不仅污水厂可以停止投加化学药剂和碱度，而且能够降低曝气能耗，每年运行费用可节省67719美元（见表4），考虑到总投资成本仅为230000美元，因此，三年半左右即可收回成本。

表3  Yarra Glen污水厂改造前后工艺性能对照表

Bowie MD污水厂DO和碱度的监测点位于第二个氧化沟出水处，SS取二沉池出水，碱度和SS取样每隔8小时一次，控制系统通过分析监测数据开关缺氧区后第二个转刷曝气器从而实现DO控制，出水DO值和取样点d（见图3）的DO值分别控制在0.3 mg/l和0.5 mg/l以下。出水SS监测主要是分析污水厂EBPR性能——在出水SS升高时降低曝气量。

表4 Bowie，MD污水厂改造前后费用对照表

生物处理工艺能够正常运行是基于维持系统内电子的平衡，比如可利用的电子受体（DO和NOX-N）与和电子供体（BOD等）之间的平衡，由于HRT较长，因此考察系统内氧的传递效率和基质利用率意义并不大，而通过DO控制就可以同时实现BOD去除、硝化反硝化以及EBPR多用的进行，如果将监测设备与计算机连接起来可进一步降低能耗。需要注意的是，很多试验表明大多数BOD在厌氧区就得到降解，这也进一步降低了能耗，但是对于Bowie，MD污水厂，由于混合样回流将产生一定的能耗，这种效果并不明显。

降低Schreiber工艺的人力成本

基于在线自动监测和计算机控制的Schreiber工艺能够有效地降低运行成本。Schreiber工艺是一个在生化池中实现厌氧、缺氧和好氧等环境交替运行的活性污泥反应器，其中曝气池混合液的搅拌混合与曝气可以交替独自进行，并可通过计算机实时分析所监测的硝酸盐、氨氮、磷和SS等指标控制曝气时间，实现BOD、氮和磷等污染物的去除。利用完全自动供氧的Schreiber工艺不仅仅可以节省曝气和化学药剂投加费用，而且可以减少人力成本，例如德国一座完全自控化污水厂的员工仅为美国马里兰州一座没有实现完全自控的相同流量的Schreiber工艺污水厂员工的1/3。

实时监测在深度处理工艺控制中的应用

BNR工艺（例如：TN<8mg/l，TP<1mg/l）的执行可以为设计者提供很多机会去降低运行成本，但是如果升级到深度处理则就需要提高运行和基建成本，比如增加额外的处理设施或者投加化学药剂等等，而采用实时监测系统可以避免费用增加。执行深度处理需要设计一个更可靠的处理系统以在达到严格的出水目标的同时能够最大程度地降低投资成本和运行成本，这就需要在系统设计之前对费用进行评价，而最好的方法就是将一个传统BNR工艺污水厂改造为深度处理工艺，并以最小的成本进行运行。

图4是典型的完全BNR工艺配置。这种配置的工艺系统只要能够运行正常，出水即可满足BNR标准，这是因为尽管有时候出水会不达标，但是由于大部分时间出水能够低于标准，因此出水平均值基本满足标准。但是如果有一天的出水值超过标准很多倍，那么就需要几天低于标准值的出水来平均，这需要通过安装实时监测系统避免这种情况发生。

图5  五段生物处理工艺。

如果出水标准提高到深度处理要求，那么图4工艺配置需要增加新的缺氧区和好氧区，或者新的处理单元，例如反硝化滤池、化学除磷、曝气生物滤池(BAFS)和移动床生物膜反应器MBBRS等，一个使用较多而又相对简单的方法是将其三段工艺改为五段工艺和增加后续的砂滤工艺（图5）。这种改造有时候不需要新建构筑物，但是大的污水厂大多数采用短HRT的连续流工艺而不是长HRT的循环式工艺，这使得采用实时监测系统将更加具有挑战性，但也能带来一些好处，例如，图5显示的五段工艺系统需要对进水、出水、回流等处进行连续的在线DO、氨氮、硝酸盐、磷酸盐的监测和二沉池的MLSS等指标进行监测，此外24小时混合样的监测也是必要的。

结论

深度处理的严格要求使得污水厂必须保持运行稳定，而实时的监测信息将有利于决策者作出快速而准确的决定，并且可以降低出水超过氮磷排放标准的风险。传统的反馈控制无法及时地提供监测信息，而实时监测系统却可以克服这一缺点而不是提供“过时”的影响，由于工艺参数调整完全可以自动化运行，因此实时监测系统能够确保最快速的反应和稳定持续的处理效率。

污水生物处理工艺设计时采用的是最大流量和负荷，但是在实际过程中污水厂大部分时间都是在低于最大流量情况下运行。污水厂每天水量都会变化，为了满足深度处理出水标准，常常采用建造调节池来最大程度降低每天水量波动产生的影响，但采用这种方法与可利用廊道的数量和当前流量占设计流量的比例有着密切的关系。

实时监测系统能够为污水厂带来一些潜在的利益，包括降低曝气能耗、提高氨氮、硝酸盐和磷的去除率、取消或减少化学药剂投加、取消或减少碳源投加、提高处理能力、增强处理稳定性、实现由于进水水质水量变化造成的系统紊乱的快速恢复等等。