第1章绪论
水资源短缺和水环境污染是我国生态系统面临的严峻问题，不但对人民生产生活以及生命安全构成很大威胁，而且制约了经济的发展 [1，2]。为了缓解水资源短缺和水环境污染问题，中华人民共和国国务院颁布了《水污染防治行动计划》、全国人民代表大会常务委员会审议通过了《中华人民共和国水污染防治法》等，鼓励和支持水污染防治的科学技术研究和先进适用技术的推广应用，强化科技支撑，重点推广水净化、水污染治理及循环利用等适用技术，攻关研发前瞻技术，加快研发重点行业废水深度处理、生活污水低成本高标准处理等技术 [3，4]。城市污水是稳定的淡水资源，对其进行有效处理可以实现水资源循环利用，不但能够降低污水排放造成水体污染的风险，减轻水资源的污染程度，而且有利于缓解水资源短缺的危机 [5，6]。近年来，我国加快了城市污水处理厂的建设，已建成的城市污水处理厂超过 6000座[7，8]。然而，我国大多数城市污水处理厂运行水平较低，出水水质超标现象时有发生，运行处理成本居高不下，面临着“运行过程成本高、出水水质不稳定”的问题[9，10]。因此，提高城市污水处理过程运行水平，保证出水水质达标排放，降低运行成本，实现城市污水处理运行优化，已成为城市污水处理行业发展的必然趋势。
城市污水处理过程主要包括生物脱氮、生物除磷和厌氧生物处理三个典型生化反应过程，具有大规模、多流程和时变等特点[11，12]。由于不同生化反应过程具有不同的优化运行特点，城市污水处理全流程运行优化难以实现 [13，14]。城市污水处理生物脱氮、生物除磷和厌氧生物处理三个过程既相互*立，又相互影响，导致城市污水处理运行机理复杂，难以构建有效的机理模型表征过程变量之间的复杂关系，因此构建有效的优化目标模型，是实现城市污水处理运行优化的一个难点[15，16]。同时，由于城市污水处理过程进水水质、进水流量等不断变化，运行过程受外部环境影响严重，且受检测条件的限制，运行过程操作变量的响应时间不同，具有动态、多时间尺度等特性，导致城市污水处理过程操作变量的优化设定点获取困难，致使运行处理成本居高不下，出水水质不稳定 [17，18]。综上所述，构建准确的城市污水处理过程优化目标模型，获取有效的操作变量优化设定点，是保证出水水质、降低运行成本、实现高效稳定运行的关键[19，20]。
1.1 城市污水处理运行流程机理
城市污水处理工艺主要包括活性污泥法工艺、生物膜处理法工艺以及氧化处理法工艺等[21，22]。其中，活性污泥法工艺发展至今已经有 100余年历史，其结构和运行方式也经过了一系列改进。目前，我国 90%以上的城市污水处理厂采用活性污泥法工艺，典型的活性污泥法工艺包括初沉池、生化反应池和二沉池等，其中，生化反应池是污染物降解的核心区 [23]。本节介绍城市污水处理运行流程及其三大主要运行单元，即生物脱氮单元、生物除磷单元和厌氧生物处理单元，分析城市污水处理运行流程特点。
1.1.1 城市污水处理运行流程简述
活性污泥法工艺以微生物絮凝体构成的活性污泥为主体，通过人工充氧产生一系列生化反应，将污水中的有机物降解，昀终将水质达标的水排出系统 [24]。常见的活性污泥法工艺包括氧化沟 (oxidation ditch，OD)工艺[25]、厌氧 /缺氧/好氧 (anaerobic-anoxic-oxic，A2/O)工艺[26]、缺氧/好氧(anaerobic-anoxic-oxic，A/O)工艺[27]和序批式(sequencing batch reactor，SBR)工艺等[28，29]，其中， A2/O工艺具有同步脱氮和除磷功能，相较于其他同步脱氮除磷工艺具有构造简单、总水力停留时间短、运行费用低、控制复杂性小、不易产生污泥膨胀等优点，已成为城市污水处理运行的昀佳工艺[30-32]。
A2/O工艺的发展历程如表 1-1所示。1932年，Wuhrmann*先构建了以内源代谢物质为碳源的单级活性污泥脱氮系统，成为昀早的城市污水处理脱氮工艺，称为 Wuhrmann工艺，该工艺主要包括两个串联的活性污泥生化反应池，污水在好氧池内进行含碳有机物、含氮有机物的氧化与硝化反应，产生的硝态氮进入缺氧池内，利用好氧池中微生物内源代谢物质作为碳源有机物，发生反硝化反应，去除污水中的氮 [33]。Wuhrmann工艺可以通过调整好氧反应池的供氧量，优化脱氮效率，但无法投加外部碳源，反硝化速率慢，导致城市污水处理过程脱氮效率较低。1962年，Ludzack和 Ettinger提出了利用进水中可生物降解的物质作为脱氮能源的前置反硝化工艺，该工艺可通过调整外部碳源投加量，优化反硝化过程，提高了脱氮效率，但由于缺乏对两个反应池间液体的交换控制，仍然无法达到理想的脱氮效果[34]。1973年，Bamard在开发 Bardenpho工艺时提出了改良型 Ludzack-Ettinger脱氮工艺，又称 A/O工艺。A/O工艺的内回流量、曝气量与外部碳源投加量都可以进行优化设定，使反硝化脱氮充分进行 [35]。然而，城市污水组分中往往不仅含有氮化合物，也含有磷化合物，而以上工艺均未考虑除磷过程。为了解决 A/O工艺无法除磷的问题，1976年，Bamard在 Bardenpho工艺的初级缺氧池前增加了厌氧池，实现了城市污水处理过程除磷，该工艺也称为 Phoredox工艺或改良型 Bardenpho工艺[36]。1980年，Rabinowitz提出了三阶段 Phoredox工艺，即传统 A2/O工艺，该工艺流程如图 1-1所示[37]。
表 1-1 A2/O工艺的发展历程
图 1-1 A2/O工艺流程示意图
A2/O工艺的进水在初沉池中进行沉淀，初沉池的出水与二沉池外回流带来的活性污泥汇聚，进入生化反应池厌氧区，然后与好氧区末端回流的水流共同进入缺氧区，在进行厌氧生物处理之后，流入好氧区进行一系列生化反应，昀后流入二沉池进行沉淀，沉淀后的部分污泥通过外回流进入厌氧区，剩余污泥排出系统，二沉池昀上层的澄清液作为出水排出系统，昀终实现有机物的降解和分离。 A2/O工艺可以通过调节曝气量、内回流量、外回流量和药剂等多个操作变量，提高氮、磷、有机物等多种污染物的去除效率 [38，39]。为了更清晰地描述污水处理过程中的污染物去除机理，本节对 A2/O工艺中初沉池、生化反应池和二沉池的主要功能及作用进行介绍。
1. 初沉池
初沉池是进水流过格栅进入城市污水处理系统后的**个处理环节，主要进行预处理操作，包括进水口、水流槽、污泥斗和出水口等部分[40]。在初沉池中，污水中一些细小的固体絮凝体凝结成较大的颗粒实现沉淀，可沉淀物质通过沉淀去除，部分胶体通过吸附作用去除，昀终实现固液分离 [41，42]。初沉池的进水口可增加挡板，起到均匀水流和均衡水质的作用，能够有效限制进水流速，降低后续处理过程的冲击负荷。初沉池不仅可以去除大颗粒无机固体，而且在去除大颗粒有机物和降低化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)等方面起到了一定的作用，可以有效避免大量有机负荷直接进入生化反应池，影响微生物氧化和分解过程[43，44]。
2. 生化反应池
生化反应池是活性污泥法城市污水处理过程的核心，主要以微生物为主体，以污水中有机污染物为培养基，通过人工充氧的方式，培养、驯化微生物群体，利用活性污泥吸附、凝聚和氧化降解污水中的有机物，达到净化水质的目的 [45，46]。生化反应池主要包括三个反应区：厌氧区、缺氧区和好氧区。初沉池中流出的污水与二沉池中流出的含有微生物的活性污泥结合，进入厌氧区和缺氧区，在厌氧区内，微生物主要进行厌氧反应，聚磷菌 (PAO)将体内储存的聚磷酸盐作为能量，通过代谢的形式，对污水中部分有机污染物进行降解，并通过水解作用将聚磷酸盐转化为正磷酸盐释放到污水中 [47，48]。在缺氧区，微生物主要进行反硝化作用，反硝化菌通过一系列生化反应过程将硝酸盐 ( NO3 . )和亚硝酸盐 ( NO2 . )中的氮还原为氮气(N2)、一氧化二氮 (N2O)和一氧化氮(NO)，其中， N2O和 NO昀终在酶促反应下转化为 N2排出，实现污水脱氮 [49]。在好氧区中，微生物在充氧的条件下，主要进行硝化反应，将氨氮(NH4+和 NH3)转化为硝酸盐和亚硝酸盐等硝基形式。典型的 A2/O工艺的各个生化反应池之间搭建有进水口和出水口，使污水能够顺利流入流出，在厌氧区和缺氧区，设有搅拌器搅拌混合液，能够使污泥与待去除的有机物更好地接触，促进反应充分进行 [50]。在好氧区中，装有曝气设备进行人工充氧，用于搅拌水体及补充氧气，促进硝化反应充分进行 [51]。好氧区和缺氧区之间设有回流泵，将硝化反应得到的硝态氮回流到缺氧区，提供反硝化反应所需的 NO3 .和 NO2 .，保证生化反应正常进行[52，53]。
3. 二沉池
二沉池是活性污泥法城市污水处理过程的重要环节，位于生化反应过程后端，其主要功能为澄清混合液并回收、浓缩污泥，减少污染物的排放。二沉池共分为 10层，好氧池出水在二沉池第 6层流入，位于第 10层的澄清液污染物浓度昀低，第 10层的澄清液作为出水排出系统。二沉池污水中的大颗粒沉淀物质会沉淀到下层，实现泥水分离和污泥浓缩，浓缩后的部分污泥通过外回流进入厌氧区，为厌氧区提供生化反应过程所需要的微生物及养分，剩余污泥则排出污水处理运行系统外[54，55]。此外，二沉池还具有高峰期间储存污泥的作用，一旦二沉池功能失效，悬浮物将和出水一起排出，不仅导致出水水质不达标，还会严重影响生化反应过程的正常进行[56]。
1.1.2 城市污水处理过程主要运行单元
城市污水处理过程涉及生物脱氮过程、生物除磷过程和厌氧生物处理过程，不同生化反应过程的反应场所和微生物产生的生化反应不同，其消耗物质和产生情况也不同[57，58]。
1. 生物脱氮单元
城市污水处理生物脱氮单元的作用是去除污水中的含氮有机物，其主要运行方式是在有机氮转化为氨氮的基础上，通过有氧条件下硝化菌和亚硝化菌的硝化作用，以及缺氧条件下厌氧菌的反硝化作用，将污水中的氮转化为 N2排出水面，昀终实现污水脱氮[59]。
城市污水处理过程中实现硝化作用的反应主体是活性污泥自养微生物，在好氧条件下，自养微生物将氨氮(NH4+和 NH3)氧化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，主要过程为：先由亚硝化单胞菌将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，再由硝化菌转化为硝酸盐氮[60]。硝化过程中存在多种酶和中间产物，并伴随着能量传递，如图 1-2所示。城市污水处理过程中硝化反应进行不彻底，会导致处理后的污水中残留氨氮和硝化菌。若城市污水处理过程进水氨氮浓度较高且碱度较低，会影响硝化反应的正常进行，在这种情况下，需要投入氢氧化钠等碱性物质，以增加城市污水处理过程中的碱度，促进硝化反应正常进行[61]。
图 1-2 硝化反应过程
反硝化过程又称脱氮反应过程，是异养微生物在缺氧条件下的生化反应过程，如图 1-3所示。参加反应的微生物主要是反硝化菌，反硝化菌能够在电子受体有机物的作用下，将亚硝酸氮和硝酸氮还原为 N2、NO和 N2O。反硝化菌是兼性细菌，既可以进行有氧呼吸，也可以进行无氧呼吸，由于在有氧呼吸下会产生更多的能量，反硝化菌优先进行有氧呼吸，当氧气受到限制时，活性污泥中的反硝化菌以硝酸盐中的五氮阳离子 (N5+)和三氮阳离子 (N3+)作为受体，进行能量代谢，将氧离子 ( O2. )还原为水 (H2O)和羟基(OH－)，并利用有机物作为碳源和电子受体为机体提供能量[62，63]。
反硝化反应易受溶解氧和有机物浓度的影响，为了保证脱氮反应过程顺利进行，要求在发生反硝化反应的生化反应池中，尽量降低溶解氧浓度，并保证生化反应池中有充足的有机物[64]。
图 1-3 反硝
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