基于仿真模擬的污水處理廠提標改造方案

羅 凡，李 捷

(廣州市市政工程設計研究總院，廣東廣州 510060)

目前，計算機仿真技術已廣泛應用于污水處理系統的設計或污水處理廠的改造中。利用成熟的反應機理數學模型，結合實時獲得的運行參數，通過計算機仿真建立污水處理系統，可短時間內提高污水系統運行、處理的科學性和準確性，進而達到污水處理系統運行節能降耗的目的[1-3]。

本文針對正在進行的廣州市某污水處理廠改造工程項目，應用商業版的活性污泥動力學模型模擬軟件建立污水廠的主體工藝模型，結合已有的運行數據對模型模擬參數進行率定，在此基礎上，對工藝運行參數調整進行預測分析，提出優化的改造方案，為該改造工程項目的建設提供科學依據，同時亦可為其他類似工程的建設提供借鑒。

1 污水廠處理廠概況

該城市污水處理廠于2010年建成投產，規模為4.9萬m3/d，其出水水質執行《城市污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級B標準。污水廠主體工藝采用AAO流程，主要運行參數如下：MLSS為3 500 mg/L，厭氧池HRT為1.1 h，缺氧池HRT為3.0 h，好氧池HRT為7.5 h，污泥外回流比為50%～100%，混合液內回流為50%～200%。

目前，在執行一級B標準的前提下，該廠出水偶有NH3-N和TN超標的情況。根據《水污染防治行動計劃》和《廣州市人民政府關于印發廣州市城市環境總體規劃的(2014-2030)通知》等水環境保護總體要求和建設宜居城市的政策規定，該污水處理廠的出水水質需要達到一級A標準；然而根據出水水質的統計結果，出水NH3-N和TN分別有2%和32%的運行天數不達標，因此對該污水處理廠進行提標改造。

2 建模過程

本污水處理廠的主體工藝流程為AAO，基于模擬軟件構建的模型流程如圖1所示。

圖1 污水處理廠的模型流程圖Fig.1 Simulation Flow Diagram of WWTP

本工藝中缺氧池和好氧池的HRT較長，實際工程中好氧池采用多廊道推流式，因此在模型中采用多級串聯完全混合反應器來模擬實際情況，其中缺氧池設置為2個池體串聯(單個池體的HRT為1.5 h)，好氧池設置為6個池體串聯(單個池體HRT為1.25 h)。

3 現狀模擬用于模型校驗

采用商業軟件搭建該污水處理廠生化處理工藝的物理模型，并設置各類參數。對污水處理廠的現狀工藝建模進行穩態模擬，通過模擬值與實際運行中進、出水實測值的對比分析，確定模型的可行性和準確度，為后續開展工藝優化研究打下基礎。

將該污水處理廠2016年度的進水水質和水溫數據的均值作為穩態模擬的輸入數據，根據污水處理廠實際運行的工藝參數，進行穩態模擬，模擬結果如表1所示。

表1 污水處理廠現狀工藝的模型模擬結果

由表1可知，基于軟件平臺WEST建立的工藝模型的模擬結果與實際運行結果之間的擬合情況總體較好，其中出水COD、TN和SS的實測值與模擬值之間的相對誤差不超過6%，而BOD和NH3-N的模擬擬合情況較差，這是由于其數值較低，即使絕對誤差較小(如NH3-N僅為0.41 mg/L)，但相對誤差仍然較大。綜合考慮上述分析結果，本次建?；灸荏w現該污水處理廠的工藝過程及處理效果，擬合效果良好，能夠開展后續工藝優化的相關研究。

4 工藝優化模擬研究

本論文旨在通過不增加構筑物而僅對該污水廠工藝運行模式進行優化改造，使出水達到一級A標準。對該廠目前實際出水的分析可知，主要是TN會出現不達標的情況，其余指標基本能滿足一級A標準的要求。因此，本文主要針對提高TN的去除效率來進行優化改造研究。

4.1 改造路線一：好氧池與缺氧池之間HRT的再分配

我國早期污水處理的主要目標是削減有機物，盡管隨著排放標準的提高，污水處理廠增加了生物脫氮除磷功能，但在設計生物脫氮除磷工藝時，仍然延續了原來的基本思路：在好氧池中完成有機物的碳化和氨氮的硝化作用，并在好氧池前增加缺氧池和厭氧池，實現生物脫氮除磷[4-5]。事實上，對于生物脫氮除磷工藝，污水中的部分有機物在厭氧池和缺氧池中已經被生物降解，由此導致許多污水處理廠好氧池池容偏大，造成投資和運行能耗的浪費[6-7]。另一方面，好氧池HRT過長，占用了厭氧池和缺氧池的池容，降低了進水中有機碳源的利用率，進一步導致反硝化不足而出水TN偏高。因此需要合理調整各生化池的池容，有效利用進水中的碳源，實現有機物、氮、磷的最大化去除[8-9]。在實際污水廠運行中，可以通過控制不同廊道的曝氣系統以及加設推流/回流系統，實現對生化池HRT的調整，改造方式簡單且成本較低。

對于該污水處理廠的現狀工藝，其好氧池的HRT是缺氧池的2倍多，導致系統中的氮素過度硝化而反硝化段動力不足，出水TN值較高，且以NO3-N為主。因此，考慮在保證總HRT不變的情況，將當前好氧池體調整為缺氧工況運行，通過增加反硝化進程的時長，以期提高內碳源的利用率，進而提高系統中TN的去除率。HRT變化對水質的影響如圖2所示。

圖2 HRT變化對出水水質的影響Fig.2 Impact of HRT Variation on Effluent Quality

由圖2可知，當縮短好氧池HRT、延長缺氧池HRT時， TN的去除效率提高，方案a(缺氧池HRT延長了1.5 h)出水TN值僅為10.47 mg/L，低于一級A標準的要求，相較于現狀出水TN減少了24.5%。但是，繼續將缺氧池HRT延長至8 h時，由于總HRT保持不變，好氧HRT減少到僅為2.5 h，導致曝氣時間過短，出水氨氮較高，升高至3.04 mg/L，超出了一級A標準的要求。由上述各方案的模擬結果可知，在調整生化池HRT的分配比例時，要充分考慮缺氧池與好氧池對氮素的去除效率，找到硝化段和反硝化段的平衡點，以此確保出水NH3-N和TN均能達標。

4.2 改造路線二：多級AO

多級缺氧好氧(AO)工藝通過控制生化池體的曝氣系統，實現好氧硝化缺氧反硝化的多級串聯。根據非穩態理論，在多級AO工藝中，活性污泥處于好氧-缺氧交替的環境中，即“饑飽交替”的狀態，能充分發揮自身潛能：在好氧狀態下對污染物的降解速度加快，處理效率提高，尤其是對氧的利用率提高；在缺氧狀態下，可以充分利用內源碳源和內源呼吸強化反硝化過程。在非穩態條件下，活性污泥更傾向于吸收外源碳源并將之以多聚物(PHB，如聚-β-羥基丁酸酯)的形式儲存在細胞內，進而利用多聚物強化污水脫氮除磷[10]。由于多級AO工藝具有有機物去除效果好、脫氮效率高、抗沖擊負荷能力強、節省能耗以及可根據水質和環境變化靈活切換進水分布比例和運行模式等優點，在目前國內污水廠為達到一級A排放標準的提標改造建設中，得到了廣泛應用[11-15]。

采用模型模擬了AO工藝的級數對出水水質的影響，如圖3所示。

圖3 設置的AO級數對出水水質的影響Fig.3 Impact of AO Stage Number on Effluent Quality

由圖3可知，設置多級AO主要影響了出水的TN指標，其中方案c設置了2級AO系統，其出水TN僅為8.7 mg/L，相較于當前出水減少了37.2%。該出水TN值遠遠低于一級A標準中TN的出水要求，也優于4.1中延長缺氧池HRT后的出水TN。這是因為A段與O段反復交替，代替了傳統AO工藝中的硝化液回流，同時為微生物創造了有利條件與不利條件交替的環境，提高了污泥活性，可以去除更多更廣的污染物。但是，繼續增加AO級數時，TN的去除效果變差，由圖3可以看出，AO級數從2級增加到4級時，出水TN相應從8.7 mg/L升高到10.32 mg/L。上述模擬結果表明，采用多級AO可以優化工藝出水效果，但需要結合出水提升效果以及改造成本選擇合適的AO級數。

4.3 改造路線三：原水中固有碳源的多點投加

多點進水可以充分利用原水中的碳源。缺氧區進水，一方面通過反硝化消耗大量的可利用碳源，減少進入好氧區的碳源，提高對碳源的利用率；另一方面，消耗了污泥回流和硝化液回流所攜帶的剩余溶解氧，優化脫氮除磷的反應環境，從而提高處理效果[16-18]。

圖4 多點進水工藝模型布置圖Fig.4 Arrangement Diagram of Process Model for Multi-Inflow System

本節將好氧池劃分為3個池體，將其中一個池體改為缺氧池，在厭氧池、缺氧池1和缺氧池3前設置進水點，實現單點進水到三點進水的多點進水工藝，進水方式為：①單點進水，即原水全部進入厭氧池；②兩點進水，即原水按6∶4的比例分別進入厭氧池和缺氧池1；③三點進水，即原水按4∶3∶3的比例分別進入厭氧池、缺氧池1和缺氧池3。三種進水方式對出水水質的影響如圖5所示。

圖5 多點進水對出水水質的影響Fig.5 Impact of Multi-Inflow System on Effluent Quality

由圖5可知，多點進水對本工藝出水水質的影響較小，出水TN略微下降，但COD、BOD和SS指標變化較小。分析本工藝進水水質發現，進水BOD5/COD比約為0.6，屬于較易生物降解的范疇；而BOD5/TN比約為3.5，一般認為，BOD5/TN比大于3時，即可認為污水有足夠的碳源供反硝化菌利用，表明進水屬于碳源比較充足的污水。因而對于該污水處理系統，采用多點進水對出水水質的改善效果有限。

5 結論

利用商業化的污水處理模型模擬軟件，構建了廣州市某城市污水處理廠的生化處理工藝模型系統，根據污水廠的實際進出水水質數據以及運行參數，對模型進行了校核與驗證，模擬結果與實際情況基本相符，模型精度達到了應用要求。

利用該模型對該廠的改造方案進行分析，考察了生化工藝單元間HRT的調整、非穩態曝氣方式的設置以及分段進水等措施對出水水質的影響。結果表明：適當延長缺氧池的HRT，控制缺氧池HRT為5.5 h，好氧池HRT為5.0 h時，出水TN和NH3-N均較低，達到了一級A標準；將池體設置為兩級AO串聯運行的改造方案可獲得更好的污染物去除效果，在確保出水水質達標的基礎上，實現出水TN穩定低于10 mg/L(最低可達8.7 mg/L)，遠遠優于一級A標準的要求。此外，由于該廠進水水質可生化性能較好，碳源較為充足，分段進水的改造方案不適于該廠。

針對本工程現有的工藝，提出最佳改造方案為將原有的AAO系統調整為A-(AO)2系統，工程改造過程中僅需調整各池體的運行工況，無需任何土建投資，即可實現該廠出水由當前的一級B標準提升到一級A標準。

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