工艺仿真模型在城市污水处理厂的应用

周 军

(昆山市水务集团有限公司，江苏昆山 215300)

由于污水厂进水负荷存在动态变化，且运行状态受季节和温度变化的影响，不少城市污水处理厂存在出水难以稳定达标或能耗偏高的问题。主要的解决途径就是通过调整工艺运行参数来优化运行工艺，然而在实际运行中往往是凭借人为经验调整，运行结果存在一定的不确定性。

数学模拟方法可以提前预测不同处理工艺条件下的出水水质情况，因此近十年在污水处理厂的设计和运行中得到了重视和发展。国际水协(IWA)推出了一系列活性污泥数学模型(ASM1、ASM2、ASM2d、ASM3)[1]，为污水处理新技术的开发、工艺的设计和研究提供了通用的平台。在此基础上，研究人员开发了计算机仿真软件来模拟各种污水处理工艺。

ProSee是一款用于城市污水处理工艺建模与仿真的软件[2]，核心模型包含IWA的ASM2d模型、一维沉降模型、设备能耗及药耗模型等，能够仿真模拟城市污水处理的全流程，指导鼓风机、调节阀、污泥回流泵等工艺设备的运行，起到工艺优化、促进达标排放、节能降耗的目的。

本文以工艺仿真软件为模拟工具，部署并建立了昆山锦溪污水厂二期工艺的数学模型，用以验证污水厂投入运营后，在设计进水负荷条件下工艺流程及运行参数的可行性，并根据实际进水负荷和不同的工艺运行参数来模拟出水水质的变化，寻找合适的工艺参数调节区间，为工艺优化提供指导。

1 工艺仿真在污水厂运行中的应用

1.1 研究对象

昆山锦溪污水处理厂二期设计规模为2.0万m3/d，共设2组生化处理系统(生化池+二沉池)，采用倒置AAO工艺。目前实际投入使用为1组，设备按1.0万m3/d的规模安装，于2017年9月竣工并投入试运行。工艺流程如图1所示。

图1 污水处理厂工艺流程图Fig.1 Process Flow Diagram of the WWTP

工艺仿真以生化池和二沉池为建模对象，其中生化池的布局如图2所示。

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

将生化池沿程分隔成一系列完全混合反应器，对每个反应器内的污染物建立物料平衡方程，如式(1)。

(1)

其中：Ci—沿程第i个反应器单元内的某项污染物(以模型组分形式呈现)的浓度，mg/L；

Qin，Qout—该反应器单元的进水、出水流量，m3/d；

Cin，Cout—该反应器单元这种污染物的进水、出水浓度，mg/L；

ri—该反应器单元内该种污染物浓度的过程速率(基于ASM2d模型)，mg/(L·d)；

Vol—该反应器单元的有效容积，m3；

对每个反应器中所有污染物均按此模式列出物料平衡表达式，获得一个大型微分方程组；对其求解即获得各种污染物浓度随时间的变化趋势。

1.2 污水厂设计合理性验证

利用工艺仿真软件建立污水厂生化池和二沉池的工艺模型，以设计进水流量、设计进水水质及设计运行参数作为模型输入，得到的模拟出水水质，如表1所示。

表1 出水水质模拟结果

由表1可知，按照现有设计的污水处理工艺流程模拟，出水水质能达到一级A标准，满足预期目标，且各项出水水质离一级A标准的超标限有较大差距，因此相应的工艺运行参数也有一定的调节空间。

1.3 模型校准及验证

以该污水厂2017年9月投运以来的进水数据均值，包括水量和水质等，作为模型的输入条件，获取相应的模拟结果；以同期的出水水质数据作为模型校准的参照，通过调整进水溶解性有机物含量、硝化菌生长速率和聚磷菌生长速率等模型动力学参数，使模拟结果接近出水数据，即对模型进行校准。实际运行数据及模拟结果如表2所示。

表2 实际进出水水质及模拟结果对比

由表2可知，经校准后模拟的出水水质与实际出水水质的误差在允许范围内[3]，校准后的模型能够重现污水厂实际的运行情况，可用于后续模拟不同工艺运行参数变化对出水造成的影响，实现工艺运行参数的优化。

2 工艺运行参数的优化

生化处理环节是污水处理工艺的核心所在，其工艺运行参数对出水水质有显著影响。在前述经校准的模型基础上，分别以2017年投运以来的实际进水数据均值，以及不同的污泥龄、污泥回流比、硝化液回流比和溶解氧浓度等工艺运行参数作为模型输入，获得不同工况下的模拟结果，从而研究不同工艺运行参数对出水水质的影响。

2.1 污泥龄优化

2.1.1 污泥龄控制方案

本研究将污泥龄设定在10～18 d。由于污泥龄与剩余污泥排放量之间存在一定的数学关系[4]，模型以此为基础，模拟出不同污泥龄条件对应的污泥排放量，如表3所示。

表3 污泥龄设定方案

上述各污泥排放量可作为实际工艺优化中，获得预期污泥龄的调节依据，通过控制剩余污泥泵启闭来实现。

2.1.2 仿真结果

在不同的污泥龄(SRT)条件下，模拟的出水水质结果如图3所示。

图3 不同泥龄条件下的出水水质Fig.3 Effluent Water Quality under Different SRT

由图3可知：出水COD和TP随泥龄的变化幅度不大，不影响达标排放；出水NH3-N和TN随泥龄增长显著下降，但泥龄超过10 d后，下降趋势急速变缓。

根据模拟结果，实际运行中污泥龄控制在12～14 d为宜。

2.2 污泥回流比优化

活性污泥回流比应控制在一定的范围内，并尽量控制在最低流量，以降低能耗，减小沉淀池负荷，保证沉淀池运行稳定。

本研究利用模拟污泥回流比分别为50%、60%、70%、80%、90%和100%时出水水质的变化，选择最佳的污泥回流比。模拟的出水水质如图4所示。

由图4可知：出水COD随污泥回流比的变化幅度很小，不影响达标排放；出水TP则随污泥回流比的增大而增加，但不影响达标排放；出水TN随污泥回流比的增大从11.2 mg/L降低至9.4 mg/L，有一定改善作用；出水NH3-N随污泥回流比的增加显著降低，但污泥回流比超过80%后，降幅趋于平缓。

图4 不同污泥回流比条件下的出水水质Fig.4 Effluent Water Quality under Different Sludge Reflux Ratios

根据模拟结果，结合对处理效果及运行费用的考虑，实际运行中污泥回流比可控制在80%左右，通过进水流量自动调节污泥回流泵的启动运行。

2.3 硝化液回流比优化

硝化液回流比对反硝化进程有显著的影响，对总氮的去除非常重要。本研究模拟硝化液回流比分别为100%、120%、140%、160%、180%和200%时，出水水质的变化，以选择最佳的硝化液回流比。模拟的出水水质如图5所示。

由图5可知：随着硝化液回流比从0增加到200%，出水TN从18.5 mg/L下降到10.7 mg/L，有显著的下降；出水COD、 NH3-N和 TP随硝化液回流比的增加没有显著改善或劣化，不影响达标排放。根据模拟仿真结果，实际运行中可将硝化液回流比控制在150%～200%，自动调节硝化液回流泵的启动运行。

图5 不同硝化液回流比条件下的出水水质Fig.5 Effluent Water Quality under Different Nitrification Liquid Reflux Ratios

2.4 溶解氧目标设定值优化

曝气池溶解氧浓度(DO)的合理控制，对污水处理系统的脱氮除磷至关重要，也是污水厂节能降耗的重要手段。在锦溪污水厂二期的实际运行中，实际的进水负荷远小于设计进水负荷，因此在生化池曝气过程中若采用设计曝气量就会导致过量曝气，造成能耗浪费。因此有必要对曝气池的曝气进行优化，实现途径就是将生化池溶解氧保持在合理的控制范围内。

2.4.1 溶解氧设定方案

模型将好氧池沿水流方向分为3个溶解氧控制区，分别记为DO1、DO2、DO3(单座生化池的平面图如图2所示)，使曝气池在该区域的DO水平维持在目标值左右。

由于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，因此本研究针对3个溶解氧控制区设定不同的溶解氧目标值，通过模拟选择出最佳的溶解氧设定方案，作为现场运行调试的依据。

参照前述模拟已经得出的工艺参数优化结论，将污泥龄设为14 d，硝化液回流比设为200%，污泥回流比设为80%。溶解氧目标值设定方案如表4所示。

表4 溶解氧设定方案

2.4.2 仿真结果

不同的溶解氧设定方案对应的出水水质情况如图6所示。由图6可知：出水COD随DO变化幅度很小，不影响达标排放；方案1(三个控制区DO设定值最高)对应的出水NH3-N质量浓度最低(0.06 mg/L)，TP质量浓度最高(1.09 mg/L)，TN质量浓度(10.96 mg/L)仅次于方案5(三个控制区DO设定值最低)时的TN模拟值(12.49 mg/L)；方案5对应的出水NH3-N质量浓度最高(5.06 mg/L，已超过一级A标准)，TN质量浓度最高(12.49 mg/L)，TP质量浓度最低(0.18 mg/L)；高氧环境有利于氨氮去除但不利于除磷，对TN去除也会有抑制。

根据模拟结果，溶解氧设定方案3(三个DO设定值分别为2.0、1.5、1.0) 是最合理的，脱氮除磷达到平衡。

图6 不同溶解氧设定下的出水水质Fig.6 Effluent Water Quality under Different DO of Setting Schemes

在数学仿真模型分析结果的支持下，实际运行中，结合溶解氧设定目标值和实时进水采样信号，工控系统计算出对应的需气量，并对鼓风机设备发出4～20 mA的变频器控制指令，实时调节鼓风机的运转频率，配合生物池各风管风量调节阀，来保证生物好氧池的最佳供气条件。

3 结论

(1)目前该污水处理自动化运行效果达到仿真

软件部署要求，综合考虑处理效果和运行费用，对工艺参数优化控制如下：污泥龄控制在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%。各溶解氧控制区溶解氧设定目标值可作如下设定：DO1为2.0～2.5 mg/L，DO2为1.5 mg/L，DO3为1.0 mg/L。

(2)由于模型部署的污水厂投运时间不长，进

水也未满负荷，且多数是秋冬季节低水温环境下获得的运行数据，软件仿真数据存在一定局限性，因此不能简单推广到诸如夏季或进水负荷发生较大变化时的情境，应根据生产情况的变化持续跟踪、校准仿真模型。

(3)调试中发现，鼓风机、空气调节阀、污泥回流泵、硝化液回流泵等重要工艺设备的选型及稳定性非常重要，机械执行机构的精密程度直接影响了各项工艺处理的实际效果，应在前期设计时综合考虑。

综上所述，利用工艺仿真技术能够重现污水处理厂运行情况，为污水厂提升处理能力，稳定排放标准，提高自动化运行水平打下基础，并为污水处理厂的设计和运行提供指导和技术支持，但需要密切结合工艺运行的实际现状，在工况、季节等条件发生较大改变的情况下，需重新校准模型，得出多套不同工艺优化控制方案，提升仿真模型的适用性和实际应用价值。

[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,谢磊,范岳峰,等.一种新的污水处理仿真与优化控制软件ProSee及功能介绍[C].南宁:全国排水委员会2012年年会,2012.

[3]莱弗·里格尔,西尔维·吉洛,冈特·朗格格拉贝尔,等.活性污泥模型应用指南[M].施汉昌,胡志荣,杨殿海,等,译.北京:中国建筑工业出版社,2014.

[4]高廷耀,顾国维,周琪.水污染控制过程(下册)[M].3版.北京:高等教育出版社,2007.