基于仿真模拟的污水处理厂提标改造方案

罗 凡，李 捷

(广州市市政工程设计研究总院，广东广州 510060)

目前，计算机仿真技术已广泛应用于污水处理系统的设计或污水处理厂的改造中。利用成熟的反应机理数学模型，结合实时获得的运行参数，通过计算机仿真建立污水处理系统，可短时间内提高污水系统运行、处理的科学性和准确性，进而达到污水处理系统运行节能降耗的目的[1-3]。

本文针对正在进行的广州市某污水处理厂改造工程项目，应用商业版的活性污泥动力学模型模拟软件建立污水厂的主体工艺模型，结合已有的运行数据对模型模拟参数进行率定，在此基础上，对工艺运行参数调整进行预测分析，提出优化的改造方案，为该改造工程项目的建设提供科学依据，同时亦可为其他类似工程的建设提供借鉴。

1 污水厂处理厂概况

该城市污水处理厂于2010年建成投产，规模为4.9万m3/d，其出水水质执行《城市污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级B标准。污水厂主体工艺采用AAO流程，主要运行参数如下：MLSS为3 500 mg/L，厌氧池HRT为1.1 h，缺氧池HRT为3.0 h，好氧池HRT为7.5 h，污泥外回流比为50%～100%，混合液内回流为50%～200%。

目前，在执行一级B标准的前提下，该厂出水偶有NH3-N和TN超标的情况。根据《水污染防治行动计划》和《广州市人民政府关于印发广州市城市环境总体规划的(2014-2030)通知》等水环境保护总体要求和建设宜居城市的政策规定，该污水处理厂的出水水质需要达到一级A标准；然而根据出水水质的统计结果，出水NH3-N和TN分别有2%和32%的运行天数不达标，因此对该污水处理厂进行提标改造。

2 建模过程

本污水处理厂的主体工艺流程为AAO，基于模拟软件构建的模型流程如图1所示。

图1 污水处理厂的模型流程图Fig.1 Simulation Flow Diagram of WWTP

本工艺中缺氧池和好氧池的HRT较长，实际工程中好氧池采用多廊道推流式，因此在模型中采用多级串联完全混合反应器来模拟实际情况，其中缺氧池设置为2个池体串联(单个池体的HRT为1.5 h)，好氧池设置为6个池体串联(单个池体HRT为1.25 h)。

3 现状模拟用于模型校验

采用商业软件搭建该污水处理厂生化处理工艺的物理模型，并设置各类参数。对污水处理厂的现状工艺建模进行稳态模拟，通过模拟值与实际运行中进、出水实测值的对比分析，确定模型的可行性和准确度，为后续开展工艺优化研究打下基础。

将该污水处理厂2016年度的进水水质和水温数据的均值作为稳态模拟的输入数据，根据污水处理厂实际运行的工艺参数，进行稳态模拟，模拟结果如表1所示。

表1 污水处理厂现状工艺的模型模拟结果

由表1可知，基于软件平台WEST建立的工艺模型的模拟结果与实际运行结果之间的拟合情况总体较好，其中出水COD、TN和SS的实测值与模拟值之间的相对误差不超过6%，而BOD和NH3-N的模拟拟合情况较差，这是由于其数值较低，即使绝对误差较小(如NH3-N仅为0.41 mg/L)，但相对误差仍然较大。综合考虑上述分析结果，本次建模基本能体现该污水处理厂的工艺过程及处理效果，拟合效果良好，能够开展后续工艺优化的相关研究。

4 工艺优化模拟研究

本论文旨在通过不增加构筑物而仅对该污水厂工艺运行模式进行优化改造，使出水达到一级A标准。对该厂目前实际出水的分析可知，主要是TN会出现不达标的情况，其余指标基本能满足一级A标准的要求。因此，本文主要针对提高TN的去除效率来进行优化改造研究。

4.1 改造路线一：好氧池与缺氧池之间HRT的再分配

我国早期污水处理的主要目标是削减有机物，尽管随着排放标准的提高，污水处理厂增加了生物脱氮除磷功能，但在设计生物脱氮除磷工艺时，仍然延续了原来的基本思路：在好氧池中完成有机物的碳化和氨氮的硝化作用，并在好氧池前增加缺氧池和厌氧池，实现生物脱氮除磷[4-5]。事实上，对于生物脱氮除磷工艺，污水中的部分有机物在厌氧池和缺氧池中已经被生物降解，由此导致许多污水处理厂好氧池池容偏大，造成投资和运行能耗的浪费[6-7]。另一方面，好氧池HRT过长，占用了厌氧池和缺氧池的池容，降低了进水中有机碳源的利用率，进一步导致反硝化不足而出水TN偏高。因此需要合理调整各生化池的池容，有效利用进水中的碳源，实现有机物、氮、磷的最大化去除[8-9]。在实际污水厂运行中，可以通过控制不同廊道的曝气系统以及加设推流/回流系统，实现对生化池HRT的调整，改造方式简单且成本较低。

对于该污水处理厂的现状工艺，其好氧池的HRT是缺氧池的2倍多，导致系统中的氮素过度硝化而反硝化段动力不足，出水TN值较高，且以NO3-N为主。因此，考虑在保证总HRT不变的情况，将当前好氧池体调整为缺氧工况运行，通过增加反硝化进程的时长，以期提高内碳源的利用率，进而提高系统中TN的去除率。HRT变化对水质的影响如图2所示。

图2 HRT变化对出水水质的影响Fig.2 Impact of HRT Variation on Effluent Quality

由图2可知，当缩短好氧池HRT、延长缺氧池HRT时， TN的去除效率提高，方案a(缺氧池HRT延长了1.5 h)出水TN值仅为10.47 mg/L，低于一级A标准的要求，相较于现状出水TN减少了24.5%。但是，继续将缺氧池HRT延长至8 h时，由于总HRT保持不变，好氧HRT减少到仅为2.5 h，导致曝气时间过短，出水氨氮较高，升高至3.04 mg/L，超出了一级A标准的要求。由上述各方案的模拟结果可知，在调整生化池HRT的分配比例时，要充分考虑缺氧池与好氧池对氮素的去除效率，找到硝化段和反硝化段的平衡点，以此确保出水NH3-N和TN均能达标。

4.2 改造路线二：多级AO

多级缺氧好氧(AO)工艺通过控制生化池体的曝气系统，实现好氧硝化缺氧反硝化的多级串联。根据非稳态理论，在多级AO工艺中，活性污泥处于好氧-缺氧交替的环境中，即“饥饱交替”的状态，能充分发挥自身潜能：在好氧状态下对污染物的降解速度加快，处理效率提高，尤其是对氧的利用率提高；在缺氧状态下，可以充分利用内源碳源和内源呼吸强化反硝化过程。在非稳态条件下，活性污泥更倾向于吸收外源碳源并将之以多聚物(PHB，如聚-β-羟基丁酸酯)的形式储存在细胞内，进而利用多聚物强化污水脱氮除磷[10]。由于多级AO工艺具有有机物去除效果好、脱氮效率高、抗冲击负荷能力强、节省能耗以及可根据水质和环境变化灵活切换进水分布比例和运行模式等优点，在目前国内污水厂为达到一级A排放标准的提标改造建设中，得到了广泛应用[11-15]。

采用模型模拟了AO工艺的级数对出水水质的影响，如图3所示。

图3 设置的AO级数对出水水质的影响Fig.3 Impact of AO Stage Number on Effluent Quality

由图3可知，设置多级AO主要影响了出水的TN指标，其中方案c设置了2级AO系统，其出水TN仅为8.7 mg/L，相较于当前出水减少了37.2%。该出水TN值远远低于一级A标准中TN的出水要求，也优于4.1中延长缺氧池HRT后的出水TN。这是因为A段与O段反复交替，代替了传统AO工艺中的硝化液回流，同时为微生物创造了有利条件与不利条件交替的环境，提高了污泥活性，可以去除更多更广的污染物。但是，继续增加AO级数时，TN的去除效果变差，由图3可以看出，AO级数从2级增加到4级时，出水TN相应从8.7 mg/L升高到10.32 mg/L。上述模拟结果表明，采用多级AO可以优化工艺出水效果，但需要结合出水提升效果以及改造成本选择合适的AO级数。

4.3 改造路线三：原水中固有碳源的多点投加

多点进水可以充分利用原水中的碳源。缺氧区进水，一方面通过反硝化消耗大量的可利用碳源，减少进入好氧区的碳源，提高对碳源的利用率；另一方面，消耗了污泥回流和硝化液回流所携带的剩余溶解氧，优化脱氮除磷的反应环境，从而提高处理效果[16-18]。

图4 多点进水工艺模型布置图Fig.4 Arrangement Diagram of Process Model for Multi-Inflow System

本节将好氧池划分为3个池体，将其中一个池体改为缺氧池，在厌氧池、缺氧池1和缺氧池3前设置进水点，实现单点进水到三点进水的多点进水工艺，进水方式为：①单点进水，即原水全部进入厌氧池；②两点进水，即原水按6∶4的比例分别进入厌氧池和缺氧池1；③三点进水，即原水按4∶3∶3的比例分别进入厌氧池、缺氧池1和缺氧池3。三种进水方式对出水水质的影响如图5所示。

图5 多点进水对出水水质的影响Fig.5 Impact of Multi-Inflow System on Effluent Quality

由图5可知，多点进水对本工艺出水水质的影响较小，出水TN略微下降，但COD、BOD和SS指标变化较小。分析本工艺进水水质发现，进水BOD5/COD比约为0.6，属于较易生物降解的范畴；而BOD5/TN比约为3.5，一般认为，BOD5/TN比大于3时，即可认为污水有足够的碳源供反硝化菌利用，表明进水属于碳源比较充足的污水。因而对于该污水处理系统，采用多点进水对出水水质的改善效果有限。

5 结论

利用商业化的污水处理模型模拟软件，构建了广州市某城市污水处理厂的生化处理工艺模型系统，根据污水厂的实际进出水水质数据以及运行参数，对模型进行了校核与验证，模拟结果与实际情况基本相符，模型精度达到了应用要求。

利用该模型对该厂的改造方案进行分析，考察了生化工艺单元间HRT的调整、非稳态曝气方式的设置以及分段进水等措施对出水水质的影响。结果表明：适当延长缺氧池的HRT，控制缺氧池HRT为5.5 h，好氧池HRT为5.0 h时，出水TN和NH3-N均较低，达到了一级A标准；将池体设置为两级AO串联运行的改造方案可获得更好的污染物去除效果，在确保出水水质达标的基础上，实现出水TN稳定低于10 mg/L(最低可达8.7 mg/L)，远远优于一级A标准的要求。此外，由于该厂进水水质可生化性能较好，碳源较为充足，分段进水的改造方案不适于该厂。

针对本工程现有的工艺，提出最佳改造方案为将原有的AAO系统调整为A-(AO)2系统，工程改造过程中仅需调整各池体的运行工况，无需任何土建投资，即可实现该厂出水由当前的一级B标准提升到一级A标准。

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