工藝仿真模型在城市污水處理廠的應用

周 軍

(昆山市水務集團有限公司，江蘇昆山 215300)

由于污水廠進水負荷存在動態變化，且運行狀態受季節和溫度變化的影響，不少城市污水處理廠存在出水難以穩定達標或能耗偏高的問題。主要的解決途徑就是通過調整工藝運行參數來優化運行工藝，然而在實際運行中往往是憑借人為經驗調整，運行結果存在一定的不確定性。

數學模擬方法可以提前預測不同處理工藝條件下的出水水質情況，因此近十年在污水處理廠的設計和運行中得到了重視和發展。國際水協(IWA)推出了一系列活性污泥數學模型(ASM1、ASM2、ASM2d、ASM3)[1]，為污水處理新技術的開發、工藝的設計和研究提供了通用的平臺。在此基礎上，研究人員開發了計算機仿真軟件來模擬各種污水處理工藝。

ProSee是一款用于城市污水處理工藝建模與仿真的軟件[2]，核心模型包含IWA的ASM2d模型、一維沉降模型、設備能耗及藥耗模型等，能夠仿真模擬城市污水處理的全流程，指導鼓風機、調節閥、污泥回流泵等工藝設備的運行，起到工藝優化、促進達標排放、節能降耗的目的。

本文以工藝仿真軟件為模擬工具，部署并建立了昆山錦溪污水廠二期工藝的數學模型，用以驗證污水廠投入運營后，在設計進水負荷條件下工藝流程及運行參數的可行性，并根據實際進水負荷和不同的工藝運行參數來模擬出水水質的變化，尋找合適的工藝參數調節區間，為工藝優化提供指導。

1 工藝仿真在污水廠運行中的應用

1.1 研究對象

昆山錦溪污水處理廠二期設計規模為2.0萬m3/d，共設2組生化處理系統(生化池+二沉池)，采用倒置AAO工藝。目前實際投入使用為1組，設備按1.0萬m3/d的規模安裝，于2017年9月竣工并投入試運行。工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理廠工藝流程圖Fig.1 Process Flow Diagram of the WWTP

工藝仿真以生化池和二沉池為建模對象，其中生化池的布局如圖2所示。

圖2 生化池平面布局Fig.2 Layout Plan of Biochemical Tank

將生化池沿程分隔成一系列完全混合反應器，對每個反應器內的污染物建立物料平衡方程，如式(1)。

(1)

其中：Ci—沿程第i個反應器單元內的某項污染物(以模型組分形式呈現)的濃度，mg/L；

Qin，Qout—該反應器單元的進水、出水流量，m3/d；

Cin，Cout—該反應器單元這種污染物的進水、出水濃度，mg/L；

ri—該反應器單元內該種污染物濃度的過程速率(基于ASM2d模型)，mg/(L·d)；

Vol—該反應器單元的有效容積，m3；

對每個反應器中所有污染物均按此模式列出物料平衡表達式，獲得一個大型微分方程組；對其求解即獲得各種污染物濃度隨時間的變化趨勢。

1.2 污水廠設計合理性驗證

利用工藝仿真軟件建立污水廠生化池和二沉池的工藝模型，以設計進水流量、設計進水水質及設計運行參數作為模型輸入，得到的模擬出水水質，如表1所示。

表1 出水水質模擬結果

由表1可知，按照現有設計的污水處理工藝流程模擬，出水水質能達到一級A標準，滿足預期目標，且各項出水水質離一級A標準的超標限有較大差距，因此相應的工藝運行參數也有一定的調節空間。

1.3 模型校準及驗證

以該污水廠2017年9月投運以來的進水數據均值，包括水量和水質等，作為模型的輸入條件，獲取相應的模擬結果；以同期的出水水質數據作為模型校準的參照，通過調整進水溶解性有機物含量、硝化菌生長速率和聚磷菌生長速率等模型動力學參數，使模擬結果接近出水數據，即對模型進行校準。實際運行數據及模擬結果如表2所示。

表2 實際進出水水質及模擬結果對比

由表2可知，經校準后模擬的出水水質與實際出水水質的誤差在允許范圍內[3]，校準后的模型能夠重現污水廠實際的運行情況，可用于后續模擬不同工藝運行參數變化對出水造成的影響，實現工藝運行參數的優化。

2 工藝運行參數的優化

生化處理環節是污水處理工藝的核心所在，其工藝運行參數對出水水質有顯著影響。在前述經校準的模型基礎上，分別以2017年投運以來的實際進水數據均值，以及不同的污泥齡、污泥回流比、硝化液回流比和溶解氧濃度等工藝運行參數作為模型輸入，獲得不同工況下的模擬結果，從而研究不同工藝運行參數對出水水質的影響。

2.1 污泥齡優化

2.1.1 污泥齡控制方案

本研究將污泥齡設定在10～18 d。由于污泥齡與剩余污泥排放量之間存在一定的數學關系[4]，模型以此為基礎，模擬出不同污泥齡條件對應的污泥排放量，如表3所示。

表3 污泥齡設定方案

上述各污泥排放量可作為實際工藝優化中，獲得預期污泥齡的調節依據，通過控制剩余污泥泵啟閉來實現。

2.1.2 仿真結果

在不同的污泥齡(SRT)條件下，模擬的出水水質結果如圖3所示。

圖3 不同泥齡條件下的出水水質Fig.3 Effluent Water Quality under Different SRT

由圖3可知：出水COD和TP隨泥齡的變化幅度不大，不影響達標排放；出水NH3-N和TN隨泥齡增長顯著下降，但泥齡超過10 d后，下降趨勢急速變緩。

根據模擬結果，實際運行中污泥齡控制在12～14 d為宜。

2.2 污泥回流比優化

活性污泥回流比應控制在一定的范圍內，并盡量控制在最低流量，以降低能耗，減小沉淀池負荷，保證沉淀池運行穩定。

本研究利用模擬污泥回流比分別為50%、60%、70%、80%、90%和100%時出水水質的變化，選擇最佳的污泥回流比。模擬的出水水質如圖4所示。

由圖4可知：出水COD隨污泥回流比的變化幅度很小，不影響達標排放；出水TP則隨污泥回流比的增大而增加，但不影響達標排放；出水TN隨污泥回流比的增大從11.2 mg/L降低至9.4 mg/L，有一定改善作用；出水NH3-N隨污泥回流比的增加顯著降低，但污泥回流比超過80%后，降幅趨于平緩。

圖4 不同污泥回流比條件下的出水水質Fig.4 Effluent Water Quality under Different Sludge Reflux Ratios

根據模擬結果，結合對處理效果及運行費用的考慮，實際運行中污泥回流比可控制在80%左右，通過進水流量自動調節污泥回流泵的啟動運行。

2.3 硝化液回流比優化

硝化液回流比對反硝化進程有顯著的影響，對總氮的去除非常重要。本研究模擬硝化液回流比分別為100%、120%、140%、160%、180%和200%時，出水水質的變化，以選擇最佳的硝化液回流比。模擬的出水水質如圖5所示。

由圖5可知：隨著硝化液回流比從0增加到200%，出水TN從18.5 mg/L下降到10.7 mg/L，有顯著的下降；出水COD、 NH3-N和 TP隨硝化液回流比的增加沒有顯著改善或劣化，不影響達標排放。根據模擬仿真結果，實際運行中可將硝化液回流比控制在150%～200%，自動調節硝化液回流泵的啟動運行。

圖5 不同硝化液回流比條件下的出水水質Fig.5 Effluent Water Quality under Different Nitrification Liquid Reflux Ratios

2.4 溶解氧目標設定值優化

曝氣池溶解氧濃度(DO)的合理控制，對污水處理系統的脫氮除磷至關重要，也是污水廠節能降耗的重要手段。在錦溪污水廠二期的實際運行中，實際的進水負荷遠小于設計進水負荷，因此在生化池曝氣過程中若采用設計曝氣量就會導致過量曝氣，造成能耗浪費。因此有必要對曝氣池的曝氣進行優化，實現途徑就是將生化池溶解氧保持在合理的控制范圍內。

2.4.1 溶解氧設定方案

模型將好氧池沿水流方向分為3個溶解氧控制區，分別記為DO1、DO2、DO3(單座生化池的平面圖如圖2所示)，使曝氣池在該區域的DO水平維持在目標值左右。

由于污染物濃度沿水流方向不斷降低，好氧段沿程的污染物負荷不同，不同空間位置上對DO濃度的設定需求也存在差異，因此本研究針對3個溶解氧控制區設定不同的溶解氧目標值，通過模擬選擇出最佳的溶解氧設定方案，作為現場運行調試的依據。

參照前述模擬已經得出的工藝參數優化結論，將污泥齡設為14 d，硝化液回流比設為200%，污泥回流比設為80%。溶解氧目標值設定方案如表4所示。

表4 溶解氧設定方案

2.4.2 仿真結果

不同的溶解氧設定方案對應的出水水質情況如圖6所示。由圖6可知：出水COD隨DO變化幅度很小，不影響達標排放；方案1(三個控制區DO設定值最高)對應的出水NH3-N質量濃度最低(0.06 mg/L)，TP質量濃度最高(1.09 mg/L)，TN質量濃度(10.96 mg/L)僅次于方案5(三個控制區DO設定值最低)時的TN模擬值(12.49 mg/L)；方案5對應的出水NH3-N質量濃度最高(5.06 mg/L，已超過一級A標準)，TN質量濃度最高(12.49 mg/L)，TP質量濃度最低(0.18 mg/L)；高氧環境有利于氨氮去除但不利于除磷，對TN去除也會有抑制。

根據模擬結果，溶解氧設定方案3(三個DO設定值分別為2.0、1.5、1.0) 是最合理的，脫氮除磷達到平衡。

圖6 不同溶解氧設定下的出水水質Fig.6 Effluent Water Quality under Different DO of Setting Schemes

在數學仿真模型分析結果的支持下，實際運行中，結合溶解氧設定目標值和實時進水采樣信號，工控系統計算出對應的需氣量，并對鼓風機設備發出4～20 mA的變頻器控制指令，實時調節鼓風機的運轉頻率，配合生物池各風管風量調節閥，來保證生物好氧池的最佳供氣條件。

3 結論

(1)目前該污水處理自動化運行效果達到仿真

軟件部署要求，綜合考慮處理效果和運行費用，對工藝參數優化控制如下：污泥齡控制在14 d左右；污泥回流比控制在80%左右；硝化液回流比控制在150%～200%。各溶解氧控制區溶解氧設定目標值可作如下設定：DO1為2.0～2.5 mg/L，DO2為1.5 mg/L，DO3為1.0 mg/L。

(2)由于模型部署的污水廠投運時間不長，進

水也未滿負荷，且多數是秋冬季節低水溫環境下獲得的運行數據，軟件仿真數據存在一定局限性，因此不能簡單推廣到諸如夏季或進水負荷發生較大變化時的情境，應根據生產情況的變化持續跟蹤、校準仿真模型。

(3)調試中發現，鼓風機、空氣調節閥、污泥回流泵、硝化液回流泵等重要工藝設備的選型及穩定性非常重要，機械執行機構的精密程度直接影響了各項工藝處理的實際效果，應在前期設計時綜合考慮。

綜上所述，利用工藝仿真技術能夠重現污水處理廠運行情況，為污水廠提升處理能力，穩定排放標準，提高自動化運行水平打下基礎，并為污水處理廠的設計和運行提供指導和技術支持，但需要密切結合工藝運行的實際現狀，在工況、季節等條件發生較大改變的情況下，需重新校準模型，得出多套不同工藝優化控制方案，提升仿真模型的適用性和實際應用價值。

[1]HENZE M,GUJER W,MINO T,et al.Activated sludge models ASM1,ASM2,ASM2d and ASM3[M].London: IWA Publishing,2000.

[2]范吉,謝磊,范岳峰,等.一種新的污水處理仿真與優化控制軟件ProSee及功能介紹[C].南寧:全國排水委員會2012年年會,2012.

[3]萊弗·里格爾,西爾維·吉洛,岡特·朗格格拉貝爾,等.活性污泥模型應用指南[M].施漢昌,胡志榮,楊殿海,等,譯.北京:中國建筑工業出版社,2014.

[4]高廷耀,顧國維,周琪.水污染控制過程(下冊)[M].3版.北京:高等教育出版社,2007.