工艺仿真在污水处理厂溶解氧控制中的应用

赵燃　王晓敏　胡晓东

[摘    要]市政污水处理厂曝气池的溶解氧水平对于氨氮和总氮的去除至关重要。利用工艺仿真技术重现某污水处理厂的运行现状，在此基础上模拟不同溶解氧水平下的出水情况，最终筛选出能保证出水水质达标的溶解氧目标值组合。参照经过优化的溶解氧目标值，控制实际污水厂曝气池溶解氧水平，结果显示，当溶解氧浓度稳定维持在设定溶解氧目标值时，出水水质能够稳定达标。

[关键词]市政污水厂;工艺建模与仿真;溶解氧设定值;优化

[中图分类号]X703 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）09–000–03

[Abstract]The dissolved oxygen control （DO control） of the municipal wastewater treatment plant （WWTP） is significant for nitrogen removal. On the basis of reproducing the process of a WWTP by simulation， the effluent quality was predicted in the case of different DO setting values. Then the appropriate combination of DO set-points were determined for the DO control of actual biological tank. And the results indicated that when DO levels were around the DO set-points steadily， the effluent quality could meet the standards through DO control system.

[Keywords]municipal wastewater treatment plant; process modeling and simulation; DO set-point; Optimization

1 概述

活性污泥法是目前应用最为广泛的城市污水处理工艺，其核心单元曝气池的溶解氧浓度（DO）是活性污泥法脱氮除磷工艺的关键参数之一。如果DO不足，好氧微生物（硝化菌）得不到充足的氧，影响生物活性及代谢，直接影响氨氮的去除效果;而如果好氧池DO过高，好氧微生物无法完全消耗，进入后续缺氧池或者厌氧池的DO就会影响反硝化菌和聚磷菌的代谢，导致氮、磷去除效果下降;另外，DO过高也会造成能源的浪费。因此对于DO合理值的控制长久以来存在不同的建议。传统的理论认为，污水处理厂需要将DO浓度控制在2.0 mg/L以上[1]，才能实现持续、稳定的硝化效果。但是近年来的研究表明，在较低的DO水平下也能实现完全的硝化作用，而且在低DO水平条件下运行，不仅可以增加污泥系统的生物量，还可以大大提高氧转移效率[2-6]。

以城市污水处理最常见的A2/O工艺为例，生化反应池为推流式，污染物浓度沿水流方向不断降低，好氧段沿程的污染物负荷不同，不同空间位置上对DO浓度的设定需求也存在差异，合理的DO空间分布与设定直接影响着出水水质和运行能耗。

ProSee是一款用于城市污水工艺建模与仿真的软件[7]，核心模型包含国际水质协会IWA的ASM模型[8]、二沉池一维通量模型、设备能耗及药耗模型等，能够对城市污水处理全流程进行仿真模拟。本文以ProSee工艺仿真软件为基础，建立某污水处理厂数学模型，对曝气池不同区域DO设定值进行仿真与优化，并将仿真优化的DO设定值组合结果作为现场运行调试的依据，据此改进了污水厂实际运行参数，为污水厂关键运行参数的优化与确定提供新的思路，提高污水厂参数优化调整效率，降低污水厂运行风险。

2 工艺仿真用于优化某污水厂溶解氧设定值

2.1 研究对象

某污水处理厂近期建设规模为50万m3/d，污水处理采用A2/O

工艺，共设5个系列，每个系列由2座生化池合建。由于每座生化池的运行状况都是类似的，因此模拟1座生化池就可以代表全厂的运行状态。单座生化池的平面图如图1所示。

模型将好氧池沿水流方向分为3个溶解氧控制区，将第一好氧区分为2个溶解氧控制区，分别为第一溶解氧控制区和第二溶解氧控制区，第二好氧区只设一个溶解氧控制区，为第三溶解氧控制区，每个控制区都会设置一个溶解氧目标值，分别记为DO1、DO2、DO3（图1），使曝气池在该区域的DO水平维持在目标值左右。

该污水厂在实际运行过程中，由于第一好氧区前端曝气过量，有机物大量去除，而进入曝气池后端的污水DO浓度在保证搅拌效果的低曝气强度的情况下依然很高，而营养物质不足，难以消耗过量的溶解氧，致使进入下个工艺段即第二缺氧池的污水DO继续偏高，影响反硝化作用，对总氮去除不利。因此，优化第一好氧池前后端的溶解氧控制目标值，对好氧池的溶解氧进行精细化控制，对于出水水质的稳定达标至关重要。

2.2 模型校准及验证

为了提高模拟结果的可信度，必须对所建立的模型进行校准。以该污水厂实际运行状况及监测数据为依据，对活性污泥数学模型的化学计量学和动力学参数进行适当的调整，使最终的模型校准结果能够反映此污水厂的实际运行情况，重现污染物削减过程，并預测不同进水负荷及其他运行环境和条件变化对出水造成的变化。

通过研究2017年2月份该污水厂的运行数据（未启用溶解氧控制系统），包括进出水水量、进出水水质，并以此作为模型的校准依据，实际运行数据及校准结果见表1。

由表1可知，模拟的出水水质与实际出水水质的误差在误差允许范围内[9]，经过校准的模型能够重现污水厂实际的运行情况，进而指导污水厂的运行决策。

3 溶解氧目标设定值的优化

通过ProSee工艺仿真软件模拟不同溶解氧组合下出水水质的达标情况，以出水达标为目标，对比选择出合理的溶解氧设定值组合，实现溶解氧目标设定值的优化，为曝气池的溶解氧控制提供参考。

3.1 溶解氧设定方案

根据污水厂实际运行情况，为了避免因前端曝气过量影响后续的反硝化过程，在第一溶解氧控制区应适当减少曝气量以控制DO1，DO2则适当增加以进一步去除废水中的氨氮。第二溶解氧控制区出水会经过一个消氧区以消耗水中多余的溶解氧，因此DO2也不宜设置的太高，使消氧区消氧不充分影响后续的反硝化作用。依据上述情况，三个控制区的溶解氧目标设定值的设定方案见表2。

3.2 仿真结果

以表1所示的进水水量及水质作为仿真的输入条件，同时按照表2所设置的一系列溶解氧目标设定值作为仿真的运行参数来模拟实施溶解氧控制后的效果，判断仿真结果是否满足：

（1）出水氨氮达标（<5 mg/L），另外根据现场数据的均值，未受溶解氧控制前，出水氨氮均小于1 mg/L，因此出水目标值设为1 mg/L;

（2）出水总氮达标（<15 mg/L）。

根据以上条件，利用ProSee软件模拟出一系列的出水水质结果，如表3和图2所示。

由仿真结果可知，溶解氧设定值越高，出水氨氮则越低，这与自养菌硝化作用耗氧有关。当DO低于1 mg/L时，出水氨氮就超过1 mg/L，如果DO偏低，不利于自养菌的代谢生长，影响出水氨氮;另外，较高的DO水平则会抑制反硝化作用，使出水总氮上升，在DO1和DO3不变的情况下，DO2从1.0 mg/L增加到5.0 mg/L，总氮则从8.20 mg/L上升到9.23 mg/L，说明DO2过高会抑制后续反硝化过程的进行;增加DO1，如方案5，出水总氮则继续升高至10.00 mg/L;而当DO1过高同时又能控制住DO2的情况下，总氮也能下降到8.28 mg/L，同时出水氨氮能够保证较低的浓度水平（0.42 mg/L），但是为了保证污泥不发生沉降，至少要给曝气池提供最低曝气量，另外进入第二溶解氧控制区的污水没有足够的有机物消耗水中过量的DO，因此在实际情况中难以实现。综合以上仿真的结果，可为溶解氧目标设定值的设定提供参考，同时考虑到第二好氧区出水直接进入二沉池，为不造成二沉池回流污泥含较高的溶解氧，DO3的设置也不宜过高。建议参照表4来配置溶解氧目标设定值。

4 溶解氧控制的应用效果

4.1 溶解氧控制效果

以通过仿真选择的溶解氧目标设定值作为实际溶解氧控制的依据，在利用精确曝气流量控制系统实施DO控制之后，现场DO控制稳定性较实施前有大幅提高。以污水厂2号生化池B系列的控制效果为例，在溶解氧受控前后的时间段里，取各自连续运行48h的溶解氧浓度数据并绘制成曲线，对比分析了控制效果，如图3所示。

由图3可知，在DO受控前，曝气池的曝气量根据进水负荷变化人为调节，DO1和DO2变化幅度较大，而在DO受控后，DO1和DO2能够在溶解氧设定目标值上下波动，稳定性大幅度提高;由于进入第三溶解氧控制区的水质经过前端工艺的处理达到较低水平，进水负荷的变化对其处理效果不会产生直接的影响，因此在低气量模式下，DO3在受控前后都能保持相对稳定。

4.2 出水水质

本文统计了2017年4月6日—2017年4月12日（溶解氧受控后）出水水质化验数据，如图4所示。

由图4结果可知，溶解氧受控后，能保证出水稳定达标。由此可知，根据仿真结果获得的溶解氧目标设定值能够有效地指导现场溶解氧目标值的控制，保证溶解氧的稳定和出水水质的稳定达标。

5 结论

经过校准了的污水厂工艺模型能够较好地重现污水厂的运行情况;在此基础上对曝气池的溶解氧目标设定值进行优化，进而确定溶解氧目标设定值范围，分别为DO1=0.7～1.5 mg/L，DO2=1.0～3.0 mg/L，DO3=1.0～3.0 mg/L，以此指导实际DO的控制，控制结果显示曝气池DO在设定值上下一定范围内波动，保持相对稳定，同时能够保证出水达标。综上所述，利用工艺仿真技术能够很好地重现污水处理厂运行情况，并为污水处理厂DO的优化控制提供参考和技术支持。

参考文献

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[9] 施汉昌，胡志荣，杨殿海，等.活性污泥模型应用指南 [M].北京：中国建筑工业出版社，2014.