南京经济技术开发区位于南京主城区北部，紧邻长江，2002年经国务院批准为国家级开发区，2012年被授予国家级生态工业示范园区。南京经开区对高污染、高能耗、高排放企业的进驻进行严格限制，重点排污企业须按环保要求建设运行污水处理设施，排放污水需满足接管标准。南京经开区污水处理厂主要负责处理园区150余家企事业单位日常排放的工业废水和生活污水，排水企业涉及生物医药、电子制造、机械装配等行业，工业废水约占60%。2017年南京市响应长江大保护方针，开始实施该提标改造工程，提标改造前后设计处理能力不变，为4×10⁴ m³·d⁻¹。

污水厂进水水质指标(括弧内为当地规定的接管标准)为：COD值84.1~318.3 mg·L⁻¹(≤500 mg·L⁻¹)，TP值0.744~3.441 mg·L⁻¹(≤3 mg·L⁻¹)，TN值10.22~26.74 mg·L⁻¹(未要求)，NH₃-N值6.03~16.27 mg·L⁻¹(≤35 mg·L⁻¹)，SS值20~202 mg·L⁻¹(≤400 mg·L⁻¹)，pH 6.31~8.65(6~9)。

工艺提标前为粗细格栅+曝气沉砂池+CASS池，出水执行GB 8978-1996一级标准。提标改造后为粗细格栅+曝气沉砂池+AAO+高效沉淀池+滤布滤池+消毒，出水执行GB 18918-2002一级A标准。提标前后的工艺流程见图1和图2。

建设单位在项目可研和设计阶段充分论证了提标后工艺流程的合理性。首先，预处理工艺一直运行较为稳定，保持不变；其次，重点针对来水污染物浓度不高、可生化性偏低及提标前CASS工艺运行中有脱氮除磷能力不足的问题，决定改CASS工艺为两点进水前置加药AAO+二沉池工艺。进水可选择部分或全部越过厌氧池进入缺氧池，强化反硝化脱氮，在好氧池池末端，前置投加除磷药剂的环节，不仅辅助去除一定COD、TP，还有强化二沉池污泥压缩、泥水分离的效果。同时通过辅助碳源的投加，在运行中可针对来水水质变化，增加易降解污染物浓度，提高可生化性，工艺调整手段相对灵活。最后，为确保出水持续稳定达标，增加一套占地面积小、处理效果稳定的高效沉淀池+滤布滤池+消毒三级处理工艺，可全面控制出水COD、TP、SS和粪大肠菌群数，从而满足一级A标准要求。另外，为优化高程布置，在二沉池后新建中间提升泵房，以保证污水在后续工艺段实现顺利自流。最终形成粗细格栅+曝气沉砂池+AAO+高效沉淀池+滤布滤池+消毒的污水处理工艺。在提标改造过程中，按环保监管的要求，对全厂污水处理预处理段、生化厌氧段及污泥处置段全部加盖，通过管道收集气体，经化洗塔+箱式生物滤池工艺进行除臭处理。污泥处置由提标前的袋式压滤改为离心方式，含水率均控制在80%左右，最终处置方式为综合利用。

本研究设置了提标改造前的主要设计工艺参数。预处理工艺：粗格栅间配备2套1.1 kW的机械回转式粗格栅，进水泵房配备4台45 kW的可提升潜水泵；细格栅间配备2套0.75 kW的机械回转式细格栅；曝气沉砂池设计最大水平流速0.1 m·s⁻¹，配备1套0.25 kW的移动式刮砂桥。CASS工艺：由8座尺寸完全一致的矩形钢筋混凝土结构的CASS池组成，每2座为1组，共4组。每座CASS池主反应区尺寸27.0 m×18.0 m×6.8 m，有效容积约2 850 m³，HRT约14 h，在主反应区池底设置微孔管式曝气器，生物选择区尺寸为2.7 m×18.0 m×6.8 m，有效容积约285 m³，HRT约1.4 h。主反应区中段设1台5 kW的污泥回流泵与1台3 kW的剩余污泥泵，主反应区末端设1.1 kW的电机驱动可升降滗水器。生物选择区内设2台5 kW的机械搅拌器。CASS工艺设计进水液位为5.8 m，设计滗水液位为4.3 m。4组CASS池交替切换，对应CASS工艺反应的4个阶段，整个工艺可实现连续进水间歇排水。

同时，本研究还设置了提标改造后主要设计工艺参数。预处理工艺与提标前保持一致，两点进水前置加药AAO工艺由8座CASS池改造而来。打通相邻4座CASS池之间的隔墙，并增加导流墙及内外回流管道，形成厌氧、缺氧及好氧区，得到2组并联的生化池。单组尺寸为73.2 m×30 m×6.8 m，有效水深为6 m，单组生化池厌氧区配备2台7 kW的潜水搅拌器，缺氧区配备2台7 kW的潜水搅拌器和4台4 kW的潜水推流器。生化池设计HRT为13 h，其中厌氧区、缺氧区、好氧区HRT分别为1.5、5、6.5 h。进水可通过阀门控制，分别进入厌氧池或缺氧池。曝气采用微孔管式曝气器底部曝气。在二沉池中建设2座构筑物，单池直径为34 m，深为4.6 m，池边水深为4.1 m，单池配备1套0.37 kW的中心传动刮吸泥机，二沉池的表面负荷为0.92 m³·(m³·h)⁻¹，最大表面负荷为1.29 m³·(m³·h)⁻¹。在高效沉淀池中建设2组构筑物，单组尺寸为13.2 m×19.55 m×7.6 m，有效水深为6.9 m，单组配备1台7.5 kW的快速搅拌器、2台5.5 kW的慢速搅拌器、1套0.37 kW的中心传动刮吸泥机，高效沉淀池中设计HRT为1.5 h，分离区设计表面负荷为1.29 m³·(m³·h)⁻¹。滤布滤池为新建构筑物，建设2组，单组尺寸为12.7 m×9.4 m×4.7 m。单组配备直径3 m的滤布盘片8个。滤布滤池设计HRT为0.1 h，设计滤速≤1.29 m³·(m³·h)⁻¹，有效过滤面积为201.6 m²。综合加药间：包括除磷药剂、消毒药剂及碳源投加系统。除磷药剂投加：设置好氧池末端和高效沉淀池2个加药点，除磷药剂是包含PAC、PFS的复配药剂，其中氧化铝(Al₂O₃)含量≥10%。消毒药剂投加点在高效沉淀池，消毒药剂选用次氯酸钠溶液，其中有效氯≥10%。碳源投加点位于曝气沉砂池末端，碳源选用醋酸钠溶液，其中COD≥1.8×10⁵ mg·L⁻¹。

分析方法采用国家标准方法^[11]。COD采用重铬酸钾法测定；TP采用钼锑抗分光光度法测定；TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定；NH₃-N采用纳氏试剂分光光度法测定；SS采用重量法测定；粪大肠菌群数采用多管发酵法测定；水温采用水银温度计测定；pH采用Sartorius PB-21型pH计测定。

提标改造工程在2016年底开始实施，2017年底工程建设基本完成，2018年1月开始试运行调试，2018年3月份调试基本完成，出水水质稳定。提标前后上游来水企业无明显变化，来水水质基本稳定。本研究在运行稳定情况下，选取1年中相同时间段的运行情况进行比较分析。

提标前运行主要工艺参数：日处理水量2.8×10⁴~3.5×10⁴ t，单池进水时间约100 min，曝气时间约120 min，静置时间约60 min，滗水时间约60 min，实际进水液位(5.8±0.05) m，实际滗水液位((3.7~4.6)±0.05) m，污泥浓度约3 g·L⁻¹，污泥龄15~25 d，水温16~30 ℃。提标后运行主要工艺参数：日处理水量约3.3×10⁴ t，曝气量在2 000~5 000 m³·h⁻¹，内、外回流比分别控制在100%~300%、30%~80%，污泥浓度为2.5~5 g·L⁻¹，污泥龄为15~30 d，水温为16~30 ℃。除磷药剂投加量为40~100 mg·L⁻¹，消毒药剂投加量为5~10 mg·L⁻¹，在水温低于22 ℃时，按提高进水COD (10~20 mg·L⁻¹)的比例投加碳源。

对近2年中相同月份提标前后进出水COD、TP进行了统计分析，以考察COD和TP的去除效果。由图3和图4可知，提标改造前后的进水COD基本未有变化，平均约为160.0 mg·L⁻¹，提标后的出水COD由37.9 mg·L⁻¹左右下降到22.3 mg·L⁻¹左右，平均去除率由76%增加到86%左右。进水TP的质量浓度在提标前后也基本一致，平均约为1.978 mg·L⁻¹，提标后出水TP由0.323 mg·L⁻¹降低到0.029 mg·L⁻¹左右，平均去除率由84%增加到99%左右。提标后的去除性能得到显著提升。分析原因，这与提标后采用了前置加药AAO的二级工艺及增加高效沉淀池+滤布滤池的三级工艺直接相关。前置加药不但可去除部分的COD和TP，且增强了二沉池的泥水分离效果。高效沉淀池集混凝、预沉、浓缩、斜管分离等特点于一体，混凝沉淀效果更稳定^[12-13]。洪俊明^[14]在研究中采用类似工艺，也取得了稳定的出水效果。滤布滤池采用过滤转盘外包精制滤布可深度过滤几微米的细小颗粒。两者组合相较传统混凝沉淀池+砂滤池工艺对COD、TP及SS的去除效果更佳。

对近2年中相同月份提标前后进出水TN、NH₃-N进行了统计分析，以考察TN和NH₃-N的去除效果。由图5和图6可知，进水TN的质量浓度在提标前后基本一致，平均为17.36 mg·L⁻¹，提标后出水TN的质量浓度由11.18 mg·L⁻¹降低到4.55 mg·L⁻¹左右，平均去除率由36%上升至73%左右。进水NH₃-N质量浓度提标前后也基本一致，平均约为11.01 mg·L⁻¹，提标后NH₃-N的出水质量浓度由1.94 mg·L⁻¹降至0.08 mg·L⁻¹左右，平均去除率由82%增加到99%左右。提标后去除性能也有显著提升。其原因为：首先，AAO+二沉池工艺较CASS工艺，从空间中区分出厌氧、缺氧、好氧及泥水分离反应空间，不同空间内DO浓度的控制比较方便，可满足脱氮除磷的需求；其次，AAO+二沉池工艺可经内、外回流比调节，故可在较高的污泥浓度下维持正常运行，而CASS工艺当污泥浓度在3.5 g·L⁻¹以上运行时，极易出现滗水时有活性污泥随水流失现象；最后，可通过碳源投加工艺，结合厌氧池、缺氧池不同进水点位，起到调整污染物浓度、提高进水可生化性和强化反硝化脱氮的功效。朱易春等^[15]通过不同点位的进水方式，有效解决了反硝化菌和聚磷菌对底物的竞争，起到了较好的脱氮效果。在400倍显微镜下活性污泥镜检发现，AAO工艺运行活性污泥中有累枝虫附着污泥菌胶团生长及轮虫浮游现象持续存在，活性污泥性状维持较好，结果如图7所示。

对近2年中相同月份提标前后进出水SS进行了统计分析，以考察SS的去除效果。由图8可知，进水SS的质量浓度在提标前后基本一致，平均约为58 mg·L⁻¹，提标后出水SS的质量浓度由19 mg·L⁻¹降低到3 mg·L⁻¹左右，平均去除率由67%升高至95%左右。提标后的去除性能有显著提升。其原因为：首先，AAO+二沉池工艺相较CASS工艺从空间上单独设置了二次沉淀池，污泥压缩、泥水分离效果增强；其次，三级处理中污水又历经高效混凝沉淀和深度过滤，出水SS可控制在10 mg·L⁻¹以下^[16]。提标前的出水执行GB 8978-1996一级标准，出水粪大肠菌群数不做要求；提标后按GB 18918-2002一级A标准要求，增加了消毒药剂投加系统，充分利用滤布滤池及相关管路的空间进行接触消毒，使出水粪大肠菌群数持续稳定在1 000个·L⁻¹以下。

在实际运行中，污水处理厂的成本组成较为复杂，通常包括直接处理成本、工程折旧、管道维护、财务费用和污泥处置费用等。本课题对运行成本的分析仅针对直接处理成本，包括人工费、动力费、维修费和药剂费。经核算，提标后的污水直接处理成本由0.47元·t⁻¹增加至0.78元·t⁻¹，增长率约为66%，费用比较见表1。

动力费主要考虑电费，当地电费单价为0.9元·(kWh)⁻¹，提标前设备运行总功率约为250 kW，用度电费约195×10⁴元·a⁻¹，提标后设备运行总功率约500 kW，年用度电费约400×10⁴元；维修费维修通常由常规维护和设备大修组成，年度常规维护费按设备投资额5%核算，设备大修并非每年都有，按设备投资额1%核算，提标前年度维修费约240×10⁴元，提标后约300×10⁴元；人工费按提标前定员30人，提标后定员35人计算，结合当地人均生活水平等因素，提标前年人工费约170×10⁴元，提标后约200×10⁴元；提标前没有相关药剂费用，提标后的年费用约200×10⁴元。

经对比分析可知，提标后的人工和维修费用同比增长约为10%，动力费同比增长近1倍，药剂费用更是在提标前总费用基础上增加近30%。这是实施提标改造后必须面对的现状，即随着处理工艺的延长和水质排放标准的提升，投资、运维、管理费用都有大幅增加。结合污水处理厂运行实际分析，接下来，一方面可通过优化工艺运行加强设备维护，如精准曝气、优化加药、大功率设备变频改造等措施来降低成本；另一方面可通过开发中水回用市场，如将中水作为河道生态补水等方式来补偿成本支出。

1)南京经开区污水处理厂提标改造重点是改CASS工艺为两点进水前置加药AAO+三级处理工艺，针对性地解决了来水可生化性不高及提标前CASS工艺存在脱氮除磷能力不足等问题。提标后工艺运行稳定，出水水质持续稳定达到GB 18918-2002一级A标准，部分指标已满足GB 3838-2002 IV类水标准要求，顺利完成了提标改造的目标。

2)在提标后的两点进水前置加药AAO+三级处理工艺运行中，进水可选择部分或全部越过厌氧池进入缺氧池强化反硝化脱氮；好氧池末端前置投加除磷药剂，不仅可辅助去除一定量的COD和TP，还有强化二沉池污泥压缩和泥水分离的效果；借助碳源投加可针对性地调整来水污染物浓度，从而提高其可生化性；增加的一套占地面积小、处理效果稳定的高效沉淀池+滤布滤池+消毒三级处理工艺，可全面控制出水COD、TP、SS和粪大肠菌群数，从而满足一级A标准要求。

3)提标后污水直接处理成本由0.47元·t⁻¹增加到0.78元·t⁻¹，增长了约66%。对比分析，动力费和药剂费增加较为明显。