污水處理廠多級AO工藝模擬診斷

吳宇涵，郭 毅，劉偉巖，段 宇，榮保維，葛賽賽

(1.北控水務<中國>投資有限公司，北京 100102；2.北京稻香水質凈化有限公司，北京 100000)

我國的污水處理正由粗放型向精細控制的方向發展，數學模型技術的開發應用為城市污水處理工程的設計、建設和運行管理提供可靠的理論依據和手段，有助于優化決策、降低投資和運行費用。具體應用領域包括：1)污水處理廠的提標改造，最大化提升出水水質的同時降低改造運行成本；2)污水處理廠的優化運行分析和管理；3)通過活性污泥模型與相應控制理論的結合，實現活性污泥系統的智能控制[1-4]。

本文通過GPS-X構建北京某污水處理廠多級AO工藝污水廠模型、分析進水水質，利用歷史平均數據初步模擬、校正模型參數，利用模型提出最佳配水比例、優化除磷藥劑投加量、評估工藝抗沖擊負荷能力，具體為：1)進行不同工況模擬，尋找不同運行參數(進水水量、配水比、排泥量、水質變化、其他運行條件等)與出水水質的關系，從而識別影響生物脫氮除磷的主要因素，評估污水廠的處理能力；2)針對除磷藥劑投加量較高的問題，優化生物除磷效果，尋找最優藥劑投加位置，最大化提高生物、化學除磷效率，降低藥耗；3)評估原設計工藝的抗沖擊負荷能力，以及超負荷進水條件下，給出工藝調控參數建議。

1 污水處理廠概況

污水處理廠位于北京市海淀北部地區，土建為全地下式。設計處理規模為8萬m3/d，實際處理量約為7.8萬m3/d。采用多級AO+超濾膜工藝，出水水質達到北京市地方標準：BOD5≤6 mg/L、CODCr≤30 mg/L、SS≤5 mg/L、TN≤15 mg/L、TP≤0.3 mg/L、氨氮≤1.5 mg/L，其余指標執行《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》(DB 11/890—2012)B標準。污水經過預處理單元，進入核心生物處理單元——多級AO工藝單元，共兩組生化池平行運行。污水依次經過厭氧區、缺氧一段、好氧一段、缺氧二段、好氧二段、缺氧三段、好氧三段，生化池總停留時間(HRT)為19.3 h。其中，厭氧段前端設有進水槽，可三段配水，進水點分別為厭氧池前端、缺氧二段前端、缺氧三段前端。多級AO工藝不設置內回流，污泥外回流經矩形二沉池進入厭氧段前端。流程如圖1所示，工藝設計參數如表1所示，運行條件如下：進水流量均值Qin為73 140 m3/d，排泥量均值Qwas為1 200 m3/d，外回流量均值Qras為79 000 m3/d，外回流比均值R為108%，進水分配比為4∶5∶1，溫度均值為20 ℃。

圖1 多級AO工藝流程

表1 設計工藝參數(2020年5月—7月)

2 進水水質特性分析

進水水質輸入參數決定污水廠生物處理單元模擬的準確性，水質劃分主要包括：進水CODCr組分劃分、進氮組分劃分、磷組分劃分以及進水總懸浮物(TSS)、有機懸浮物(VSS)組分劃分。根據可生物降解性和溶解性一般將CODCr劃分為：易生物降解有機物(SS)、慢速可降解基質(XS)、惰性顆粒性有機物質(XI)和惰性溶解性有機物(SI)，其中SS又可進一步劃分為溶解性極易降解有機物(發酵產物)(SA)和可發酵的易生物降解有機物(SF)。該污水處理廠2020年5月—7月進、出水水質實際監測月平均數據如表2所示。參照相關指南以及我國研究者的模擬經驗[5-6]，將CODCr的5個組分劃分如下：SI=11.8 mg/L、SA=27.7 mg/L、SF=55.5 mg/L、XS=110 mg/L、XI=53.3 mg/L。

表2 2020年5月—7月進、出水水質化驗數據平均值

3 工藝模型建立及模型校準

污水廠工藝建模軟件采用加拿大Hydromantis公司的GPS-X 7.0，活性污泥模型為軟件內嵌的Mantis2模型，該模型以國際水協ASM模型為核心，包含硝化/反硝化、生物除磷、厭氧氨氧化、厭氧消化、pH/堿度等過程，能夠綜合模擬全污水廠的情況。在設置模型反應器時，會構建多個完全混合厭氧反應器(CSTR)來表征實際的推流狀態，進而模擬污染物的梯度降解趨勢。其中，厭氧和缺氧池前中后污染物濃度差別不大，因此，用一個CSTR表征，每個好氧段分為3個CSTR表征實際好氧推流狀態。

圖2 2020年5月—7月出水水質動態模擬

表3 模型校準參數

表4 校準后的穩態水質指標模擬結果

表5 校準后的穩態MLSS和MLVSS模擬結果

4 模型應用

4.1 進水C/N與進水分配比

分段進水多級AO工藝具有污泥濃度沿池長逐步降低的特征，其特點既有優勢也有弊端，好氧池末端污泥濃度較低，減輕了二沉池的負荷，有利于提高二沉池的固液分離效果；但梯度降低的污泥濃度，也使生化后段的生物去除效率降低[9]。需優化進水碳源分配，最大化提升整個工藝段的脫氮除磷效果。

根據水廠2020年數據顯示，進水C/N在3～15，平均C/N=7.9。不改變其他運行條件，分別模擬進水C/N為4∶1、6∶1、8∶1下最佳進水分配(表6)。

通過表6模擬分析顯示，進水C/N直接影響缺氧條件下異養反硝化細菌的脫氮效率，對出水TN影響顯著；C/N對出水CODCr、氨氮無明顯影響。在同等進水條件下，3段流量分配比對出水氨氮響應較為敏感，主要表現為隨著末段進水流量的增加，出水氨氮濃度升高。主要原因是隨著末段流量增加，給好氧三段增加了氨氮負荷，進而出水氨氮濃度升高。

表6 不同C/N條件下配水比例對出水水質影響 (單位：mg/L)

通過分析，得出以下結論：1)模擬結果顯示，進水分配比為5∶4∶1時，污染物濃度降解效率較高；2)同等曝氣量條件下，降低末段進水流量(由總流量的3/10降低至1/10)可降低出水氨氮質量濃度約為0.5 mg/L；3)C/N低于4時，反硝化所需碳源不足，出水TN超標；生物除磷效果減弱，當前運行條件下化學藥劑投加量不足以滿足出水TP要求。

4.2 系統除磷優化

4.2.1 除磷現狀分析

圖3 多級AO工藝沿程濃度 Concentration along Multi-Stage AO Processes

模擬顯示，在缺氧和好氧三段生物除磷現象不明顯，原因一是過量FeCl2投加影響水中的pH，對微生物菌群帶來一定影響；原因二是后工藝段不滿足PAOs的生長代謝條件，即低VFA和厭氧、缺氧/好氧環境交替。

4.2.2 生物除磷優化

優化系統除磷首先應考慮生物除磷效果，影響生物除磷的因素主要有：1)進水VFA濃度；2)污泥齡(SRT)；3)厭氧和好氧環境。因進水VFA無法控制，暫不在此優化條件范圍內；通過模擬顯示多級AO的固有特點即末工藝段無生物除磷現象[10]，只在缺氧/好氧一段、二段存在生物除磷，因此，盡可能將更多碳源分到缺氧一段和缺氧二段可提高生物除磷效率。根據水廠日排泥量估算現行SRT為35 d，顯然SRT過高。通過模擬排泥量變化對出水TP進行敏感性分析，優化排泥量。

在活性污泥系統中,SRT是影響生物處理效果的重要因素之一。異養菌的世代時間很短，SRT可以保持在10 d以下。硝化菌是一種自養菌，它的最小泥齡確定了整個系統的最低泥齡，根據進水CODCr可生化性不同，硝化菌的泥齡保持在10～20 d。PAOs是一種異養菌，研究顯示泥齡從20 d縮短為6 d時，PAOs具有最佳代謝性能[11]。因此，保證適當污泥齡是影響生物脫氮除磷主要因素之一。由圖4模擬顯示，當排泥量由1 100 m3/d升高至6 000 m3/d，系統SRT由35.0 d降至6.8 d，出水TP質量濃度由0.70 mg/L降至0.30 mg/L，但需考慮自養菌的硝化，SRT控制在15 d左右比較合適，此時排泥量為2 600 m3/d，好氧一段MLSS為3 842 mg/L，出水TP質量濃度為0.32 mg/L。

圖4 排泥量與SRT和出水TP的關系

4.2.3 藥劑投加點模擬

圖5 除磷藥劑加藥點對出水TP的影響

由圖5可知，藥劑投加點位置選擇對出水TP濃度影響顯著，投藥點位對除磷效果影響具體表現為：好氧三段末>缺氧二段末>缺氧三段末>好氧二段末。由沿程磷酸鹽濃度降解趨勢不難看出，選擇在生化末段投加藥劑，能最大化將系統生物除磷外的磷酸鹽去除。由15 d的動態模擬顯示，在相同運行條件和加藥量情況下，投藥點由缺氧二末段改為好氧三段末，出水TP平均質量濃度下降0.1 mg/L。以上調整狀態下做穩態模擬，保持原出水TP質量濃度(0.3 mg/L)，25% FeCl2加藥量由5 589 kg/d降至5 100 kg/d,經濟效益達195元/d。

4.3 超負荷運行評估

在保證北京市地方排放標準條件下(CODCr≤30 mg/L、TN≤15 mg/L、TP≤0.3 mg/L、氨氮≤1.5 mg/L)，評估原設計工藝的最大處理水量能力，以及超負荷進水條件下，給出工藝調控參數建議。

4.3.1 常規負荷下最佳外回流比與MLSS

由4.1小節可知，常規負荷條件下最佳進水分配比例為5∶4∶1；由4.2小節可知，優化系統除磷采用排泥量為2 600 m3/d(SRT為15 d)、FeCl2加藥點為好氧三末段。模擬采用以上優化參數，同時采用2020年5月—7月平均進水水質水量(表2)。模擬外回流對出水氮濃度的影響如圖6所示。

圖6 不同外回流比下的出水氮濃度(好氧池三段DO=2、1.5、1 mg/L)

由圖6可知，出水氮濃度隨著外回流比的增加而減小。外回流比在40%～180%時，出水TN下降劇烈，隨后幾乎平緩，直到外回流高于300%時，出水TN略微升高。綜合考慮出水水質標準及高外回流比帶來的過高能耗問題，常規負荷下最佳外回流比可以選擇為100%。

取外回流為100%，對曝氣池中采用不同MLSS分別進行模擬(圖7)。模擬顯示，提高MLSS會顯著提升硝化能力，卻無助于反硝化，這之間只是導致了氮形式的轉化，因而并不會使TN去除率隨之增高[10]。曝氣池的MLSS決定了硝化和反硝化細菌的數量，隨著反硝化菌的增多，需要更多碳源進行反硝化，碳源限制了異養菌的反硝化能力。因此，隨著MLSS濃度的升高，TN去除率并不會提升。

圖7 不同MLSS(好氧一段)對應的出水氮濃度

綜合考慮，在外回流比為100%時，MLSS為3 600 mg/L較為適宜，可以滿足TN、氨氮的出水要求，同時避免過高MLSS導致曝氣量增大。

4.3.2 超負荷運行下的脫氮能力

該污水處理廠設計規模為8萬m3/d，共兩系列平行運行。對于單系列檢修、進水流量波動造成的超負荷運行情況，有必要了解該工藝的最大處理能力，找到滿足出水氮標準(TN≤15 mg/L，氨氮≤1.5 mg/L)的最大超負荷運行水量及相應工藝參數。選擇設計水量的1～2倍進行模擬，進水水量分別為8萬、10萬、12萬、14萬、16萬m3/d，模擬不同水溫下的出水水質。

(1)模擬常規水溫下超負荷運行能力

取20 ℃作為常規水溫，進水分配比為5∶4∶1、外回流比為100%、排泥量為2 600 m3/d，分別模擬現工況DO=2.0、1.5、1.0 mg/L及DO=3.0、3.0、3.0 mg/L下的出水水質。模擬結果顯示(表7)，常規溫度下，多級AO工藝的抗沖擊負荷能力較強，隨著進水水量的增加，反硝化能力并沒有減弱，硝化能力顯現不足。在3段DO質量濃度均提升到3.0 mg/L下，進水水量到14萬m3/d時(設計水量的1.75倍)，出水氨氮將近超標。

表7 常溫超負荷運行下的模擬出水水質

總體看，在常規水溫下(20 ℃)，多級AO的抗沖擊負荷能力較強，反硝化幾乎不受影響，但硝化能力急劇下降，需提高曝氣量以保證出水達標。

(2)冬季超負荷運行能力

采用污水廠2020年11月—12月平均進水水質作為穩態輸入，其中CODCr=190 mg/L、TN=38 mg/L、氨氮=30.2 mg/L、TP=3.7 mg/L。微生物反應速率受溫度影響較為明顯，因此，常規溫度條件下多級AO工藝超負荷運行氮達標并不能表明在較低溫度下亦能表現如此。模擬冬季條件(水溫為15 ℃)，設計進水水量條件下，不同DO濃度對出水氮濃度的影響(表8)。模擬看出，當水溫降至15 ℃，即使常規進水負荷條件，出水氨氮也很難達標，DO質量濃度需大于3.0 mg/L才能滿足出水標準。因此，在冬季極端水溫條件下，盡量減少進水負荷以保證出水標準。

表8 低溫條件不同DO濃度下的出水氮濃度

5 結論

(1)進水C/N保證在4～8，三級AO進水分配比取5∶4∶1時，污染物濃度降解效率較高，CODCr、TN去除率分別提高3%和5%。

(2)當C/N低于4時，因反硝化所需碳源不足，出水TN超標，除磷效果減弱；不改變曝氣量條件下，通過調節分段進水比例(降低末段進水比例)可有效地降低出水氨氮濃度，而在生物除磷效果不佳狀態，通過增大化學藥劑的投加可滿足出水TP要求。

(3)針對系統除磷優化，目前系統SRT過長，將SRT由35 d降至15 d(排泥量為2 600 m3/d)，出水TP質量濃度由0.70 mg/L降低至0.32 mg/L；改變除磷藥劑投加點(由原缺氧二末段調整到好氧三末端)，出水TP降低0.1 mg/L；以上調整狀態下，繼續保持原出水TP質量濃度(0.3 mg/L)，25%FeCl2加藥量由5 589 kg/d降至5 100 kg/d，經濟效益達195元/d。

(4)脫氮模擬結果顯示外回流比為100%、MLSS為3 600 mg/L較為適宜，可以滿足TN、氨氮的出水要求；減少了因維持較高MLSS而過曝導致的能耗和成本。

(5)水溫為20 ℃條件，三級AO工藝的抗沖擊負荷能力較強，進水水量為14萬m3/d時(設計水量的1.75倍)達到系統最大負荷承受能力，此時通過提高三段DO至3.0 mg/L，可實現出水氨氮達標。

(6)低溫條件(15 ℃)下，出水氨氮難以達標，DO(好氧一段、二段、三段)需大于3.0 mg/L才能滿足出水標準；此時極不建議污水處理廠超負荷運行。