如何利用ATP测试实现生物工艺污泥总量的优化——LuminUltra ATP活性微生物测试应用分析
背景介绍
活性污泥法利用微生物降解废水中的有机成分，其中一个常见的操作误区是通过提高MLSS来增加系统的负荷能力。虽然理论上来说引入额外的污泥(生物质)可以起到一定的作用，但是这样的操作也存在一些明显的负面效应，包括：
导致污泥处于饥饿状态
沉降性差
增加排泥量
降低曝气的传氧效率
增加内源呼吸反应的比例
当污泥处于较高的泥龄状态时，系统降解由自身细胞凋亡而释放的BOD的压力大，需要更多的微生物来处理来自于污水中的BOD, 实则间接降低了系统的整体运行效率。
大多数污水处理厂通过MLSS和MLVSS做为一般指导原则来控制泥龄，但遗憾的是，MLSS和MLVSS无法直接反映活性污泥中具有活性的部分微生物的浓度，因此无法对污泥回流比的进行彻底优化。因为缺乏有效的数据支撑，导致了运营工程师倾向于以维持“足够多”的MLSS为原则的保守调控逻辑，忽视了该入水条件对污泥浓度的真实需求。下图所展示的TSS中所包含的各组分示意图，其中cATP所代表的活性细胞组分和工艺的污染物处理潜力有最直接的关系，也可以称做为污泥中的“工人阶级”。
LuminUltra ATP测试所得到的cATP(胞内ATP)数据，真实的反应了污泥中具有活性的部分微生物的浓度，能够使运营工程师“看清”隐藏在污泥中的微生物真实状态，对于系统的处理能力的调控更有信心。同时，cATP数据不仅灵敏，而且对入水条件的变化反应迅速，可以更早的捕获系统受到冲击或者运营不良的信号。
如果每日测量cATP数据，量化工艺中的活性微生物量，确认系统存在足够的微生物以保证工艺的处理能力;同时主动排出对系统产生额外负荷的部分污泥来刺激微生物的自我繁殖;不仅可以获得更高的ABR(活性微生物占TSS的比例)和更低的BSI(生物威胁指数), 同时，较低的TSS会增加曝气的传氧效率，降低了曝气所需要的能耗。
下图的实例说明了如何通过cATP数据来有效判断一个污水处理系统是否处于最佳状态，是否因为保守的调控策略而携带了过高的污泥量。我们可以看出，在入水条件相对稳定的情况下，当cATP浓度从464 ng/mL 降低到228 ng/mL 之后(减少51%污泥量)，系统几乎维持了同样的BOD去除效率，工艺的稳定性依然能到了保证。
但值得注意的是，由于硝化菌的生长需要较长的泥龄，因此在调节SRT的过程中需要同时考虑多个因素的影响。
优化策略
对于一个维持较高MLSS的工艺，系统污泥总量优化策略的目标是：在保持相同的活性微生物量的情况下(工人数量不变)，通过主动排泥降低系统MLSS。在实现过程中，必须每天对曝气池和污泥回流处的MLSS和ATP数据进行测量，通过计算 F/M和SRT，确保优化过程的正确进行。指导原则如下：
1.由于每一套活性污泥工艺都具备一定的特殊性，因此对于从未进行过ATP测试的污水处理厂，第一步通常为建立基准线。为了获得足够的数据来形成优化控制目标，基准线的建立需要每天从曝气池至少取样分析2次，持续至少两周时间。
2.通过对污泥总量的小范围调节并观察系统的生物响应来逐渐达到既定的优化目标。减少系统污泥总量的方式为调整RAS和WAS的比例，在下图中，通过有节奏的增加WAS，排出系统中的惰性污泥，MLSS浓度曲线从A点开始一步一步的降低。在优化的过程中，可以以几天为一个周期逐步调整并不间断的测试cATP浓度。值得提醒的是，虽然增大WAS会 同时排出惰性和非惰性污泥，但是有活性的微生物会迅速的重新生长，因此我们可观测到每次调节后cATP浓度的反弹(绿色)。
3.建议每次排泥量为系统总量的10%。10%的变化量可以给系统带来足够的“刺激”但又不会造成不可逆的影响。但需要注意在此过程中，运行人员必须采取措施平衡RAS和WAS流量，以保证在二沉池中维持稳定的污泥层。如果没有足够的RAS速率平衡，WAS速率的临时增加可能导致污泥层的破坏并影响出水TSS.
推荐在每次调整过程之前选择一个预期的ABR数值，并通过循环操作达到这个目标。如果在调节过程中遇到上图B点所显示的cATP显著降低时，证明系统污泥总量达到不可逆转折点，如果继续增加排泥，污泥所包含的生态系统将无法支撑。此时，只需要降低排泥，将MLSS浓度引导回C点即可。
注意：不要设置过高的ABR目标，推荐的最大ABR通常在35-40%的范围内。试图超过这个ABR水平可能会导致浪费过多的活性生物量和性能不稳定。
4.在优化完成后需要至少保持两周的密集监控，以确保工艺的处理能力。在调节过程中，维持工艺的稳定性是非常重要的，可以帮助系统快速适应新的反应条件。在此期间，可重点监测cATP，BSI，ABR和出水水质(例如COD，P，NH₃)。
5.建立新的工艺控制参数，如F/M和SRT：
采用新的SRT来计算WAS
用调整后的MLSS和历史COD浓度来计算新的 F/M 比例，推荐用sCOD而不是tCOD数据。
6.调整结束后，可以通过新的溶氧浓度来优化曝气过程，节省电力开支。
实例分析
美国某市政污水处理厂活性污泥工艺运营不良，TSS浓度高达7000mg/L左右，SRT偏高，F/M 偏低，SVI> 500 mg/L。利用ATP测试进行诊断发现， 曝气池中的AVSS浓度为788 mg/L, ABR为9%左右，远低于推荐活性污泥工艺ABR参考值25%。
工程师采用间隔为6天的连续两次的污泥冲洗策略，从系统中排出多余的污泥，同时每日取样监测cATP浓度(用于计算MLAVSS),通过两周的工艺调整，其系统的TSS从7252 mg/L降低至4826 mg/L, 活性生物量从788 mg/L 增加到1186 mg/L, ABR达到25%，系统总污泥量降低33%，同时有效改善了污泥膨胀问题。
