基于仿真模擬的污水處理廠提標(biāo)改造方案

羅 凡，李 捷

(廣州市市政工程設(shè)計研究總院，廣東廣州 510060)

目前，計算機(jī)仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于污水處理系統(tǒng)的設(shè)計或污水處理廠的改造中。利用成熟的反應(yīng)機(jī)理數(shù)學(xué)模型，結(jié)合實時獲得的運(yùn)行參數(shù)，通過計算機(jī)仿真建立污水處理系統(tǒng)，可短時間內(nèi)提高污水系統(tǒng)運(yùn)行、處理的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，進(jìn)而達(dá)到污水處理系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能降耗的目的[1-3]。

本文針對正在進(jìn)行的廣州市某污水處理廠改造工程項目，應(yīng)用商業(yè)版的活性污泥動力學(xué)模型模擬軟件建立污水廠的主體工藝模型，結(jié)合已有的運(yùn)行數(shù)據(jù)對模型模擬參數(shù)進(jìn)行率定，在此基礎(chǔ)上，對工藝運(yùn)行參數(shù)調(diào)整進(jìn)行預(yù)測分析，提出優(yōu)化的改造方案，為該改造工程項目的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，同時亦可為其他類似工程的建設(shè)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(chǎn)，規(guī)模為4.9萬m3/d，其出水水質(zhì)執(zhí)行《城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級B標(biāo)準(zhǔn)。污水廠主體工藝采用AAO流程，主要運(yùn)行參數(shù)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(nèi)回流為50%～200%。

目前，在執(zhí)行一級B標(biāo)準(zhǔn)的前提下，該廠出水偶有NH3-N和TN超標(biāo)的情況。根據(jù)《水污染防治行動計劃》和《廣州市人民政府關(guān)于印發(fā)廣州市城市環(huán)境總體規(guī)劃的(2014-2030)通知》等水環(huán)境保護(hù)總體要求和建設(shè)宜居城市的政策規(guī)定，該污水處理廠的出水水質(zhì)需要達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)；然而根據(jù)出水水質(zhì)的統(tǒng)計結(jié)果，出水NH3-N和TN分別有2%和32%的運(yùn)行天數(shù)不達(dá)標(biāo)，因此對該污水處理廠進(jìn)行提標(biāo)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(gòu)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(lián)完全混合反應(yīng)器來模擬實際情況，其中缺氧池設(shè)置為2個池體串聯(lián)(單個池體的HRT為1.5 h)，好氧池設(shè)置為6個池體串聯(lián)(單個池體HRT為1.25 h)。

3 現(xiàn)狀模擬用于模型校驗

采用商業(yè)軟件搭建該污水處理廠生化處理工藝的物理模型，并設(shè)置各類參數(shù)。對污水處理廠的現(xiàn)狀工藝建模進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，通過模擬值與實際運(yùn)行中進(jìn)、出水實測值的對比分析，確定模型的可行性和準(zhǔn)確度，為后續(xù)開展工藝優(yōu)化研究打下基礎(chǔ)。

將該污水處理廠2016年度的進(jìn)水水質(zhì)和水溫數(shù)據(jù)的均值作為穩(wěn)態(tài)模擬的輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)污水處理廠實際運(yùn)行的工藝參數(shù)，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，模擬結(jié)果如表1所示。

表1 污水處理廠現(xiàn)狀工藝的模型模擬結(jié)果

由表1可知，基于軟件平臺WEST建立的工藝模型的模擬結(jié)果與實際運(yùn)行結(jié)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(shù)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(jié)果，本次建?；灸荏w現(xiàn)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(xù)工藝優(yōu)化的相關(guān)研究。

4 工藝優(yōu)化模擬研究

本論文旨在通過不增加構(gòu)筑物而僅對該污水廠工藝運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化改造，使出水達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。對該廠目前實際出水的分析可知，主要是TN會出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)的情況，其余指標(biāo)基本能滿足一級A標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，本文主要針對提高TN的去除效率來進(jìn)行優(yōu)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(biāo)是削減有機(jī)物，盡管隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，污水處理廠增加了生物脫氮除磷功能，但在設(shè)計生物脫氮除磷工藝時，仍然延續(xù)了原來的基本思路：在好氧池中完成有機(jī)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(xiàn)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(jī)物在厭氧池和缺氧池中已經(jīng)被生物降解，由此導(dǎo)致許多污水處理廠好氧池池容偏大，造成投資和運(yùn)行能耗的浪費(fèi)[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(jìn)水中有機(jī)碳源的利用率，進(jìn)一步導(dǎo)致反硝化不足而出水TN偏高。因此需要合理調(diào)整各生化池的池容，有效利用進(jìn)水中的碳源，實現(xiàn)有機(jī)物、氮、磷的最大化去除[8-9]。在實際污水廠運(yùn)行中，可以通過控制不同廊道的曝氣系統(tǒng)以及加設(shè)推流/回流系統(tǒng)，實現(xiàn)對生化池HRT的調(diào)整，改造方式簡單且成本較低。

對于該污水處理廠的現(xiàn)狀工藝，其好氧池的HRT是缺氧池的2倍多，導(dǎo)致系統(tǒng)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(dāng)前好氧池體調(diào)整為缺氧工況運(yùn)行，通過增加反硝化進(jìn)程的時長，以期提高內(nèi)碳源的利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)中TN的去除率。HRT變化對水質(zhì)的影響如圖2所示。

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

由圖2可知，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)的要求，相較于現(xiàn)狀出水TN減少了24.5%。但是，繼續(xù)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)的要求。由上述各方案的模擬結(jié)果可知，在調(diào)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(diǎn)，以此確保出水NH3-N和TN均能達(dá)標(biāo)。

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(tǒng)，實現(xiàn)好氧硝化缺氧反硝化的多級串聯(lián)。根據(jù)非穩(wěn)態(tài)理論，在多級AO工藝中，活性污泥處于好氧-缺氧交替的環(huán)境中，即“饑飽交替”的狀態(tài)，能充分發(fā)揮自身潛能：在好氧狀態(tài)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(tài)下，可以充分利用內(nèi)源碳源和內(nèi)源呼吸強(qiáng)化反硝化過程。在非穩(wěn)態(tài)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(xì)胞內(nèi)，進(jìn)而利用多聚物強(qiáng)化污水脫氮除磷[10]。由于多級AO工藝具有有機(jī)物去除效果好、脫氮效率高、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、節(jié)省能耗以及可根據(jù)水質(zhì)和環(huán)境變化靈活切換進(jìn)水分布比例和運(yùn)行模式等優(yōu)點(diǎn)，在目前國內(nèi)污水廠為達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)的提標(biāo)改造建設(shè)中，得到了廣泛應(yīng)用[11-15]。

采用模型模擬了AO工藝的級數(shù)對出水水質(zhì)的影響，如圖3所示。

圖3 設(shè)置的AO級數(shù)對出水水質(zhì)的影響Fig.3 Impact of AO Stage Number on Effluent Quality

由圖3可知，設(shè)置多級AO主要影響了出水的TN指標(biāo)，其中方案c設(shè)置了2級AO系統(tǒng)，其出水TN僅為8.7 mg/L，相較于當(dāng)前出水減少了37.2%。該出水TN值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一級A標(biāo)準(zhǔn)中TN的出水要求，也優(yōu)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(fù)交替，代替了傳統(tǒng)AO工藝中的硝化液回流，同時為微生物創(chuàng)造了有利條件與不利條件交替的環(huán)境，提高了污泥活性，可以去除更多更廣的污染物。但是，繼續(xù)增加AO級數(shù)時，TN的去除效果變差，由圖3可以看出，AO級數(shù)從2級增加到4級時，出水TN相應(yīng)從8.7 mg/L升高到10.32 mg/L。上述模擬結(jié)果表明，采用多級AO可以優(yōu)化工藝出水效果，但需要結(jié)合出水提升效果以及改造成本選擇合適的AO級數(shù)。

4.3 改造路線三：原水中固有碳源的多點(diǎn)投加

多點(diǎn)進(jìn)水可以充分利用原水中的碳源。缺氧區(qū)進(jìn)水，一方面通過反硝化消耗大量的可利用碳源，減少進(jìn)入好氧區(qū)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(yōu)化脫氮除磷的反應(yīng)環(huán)境，從而提高處理效果[16-18]。

圖4 多點(diǎn)進(jìn)水工藝模型布置圖Fig.4 Arrangement Diagram of Process Model for Multi-Inflow System

本節(jié)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(shè)置進(jìn)水點(diǎn)，實現(xiàn)單點(diǎn)進(jìn)水到三點(diǎn)進(jìn)水的多點(diǎn)進(jìn)水工藝，進(jìn)水方式為：①單點(diǎn)進(jìn)水，即原水全部進(jìn)入?yún)捬醭?；②兩點(diǎn)進(jìn)水，即原水按6∶4的比例分別進(jìn)入?yún)捬醭睾腿毖醭?；③三點(diǎn)進(jìn)水，即原水按4∶3∶3的比例分別進(jìn)入?yún)捬醭亍⑷毖醭?和缺氧池3。三種進(jìn)水方式對出水水質(zhì)的影響如圖5所示。

圖5 多點(diǎn)進(jìn)水對出水水質(zhì)的影響Fig.5 Impact of Multi-Inflow System on Effluent Quality

由圖5可知，多點(diǎn)進(jìn)水對本工藝出水水質(zhì)的影響較小，出水TN略微下降，但COD、BOD和SS指標(biāo)變化較小。分析本工藝進(jìn)水水質(zhì)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)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(rèn)為，BOD5/TN比大于3時，即可認(rèn)為污水有足夠的碳源供反硝化菌利用，表明進(jìn)水屬于碳源比較充足的污水。因而對于該污水處理系統(tǒng)，采用多點(diǎn)進(jìn)水對出水水質(zhì)的改善效果有限。

5 結(jié)論

利用商業(yè)化的污水處理模型模擬軟件，構(gòu)建了廣州市某城市污水處理廠的生化處理工藝模型系統(tǒng)，根據(jù)污水廠的實際進(jìn)出水水質(zhì)數(shù)據(jù)以及運(yùn)行參數(shù)，對模型進(jìn)行了校核與驗證，模擬結(jié)果與實際情況基本相符，模型精度達(dá)到了應(yīng)用要求。

利用該模型對該廠的改造方案進(jìn)行分析，考察了生化工藝單元間HRT的調(diào)整、非穩(wěn)態(tài)曝氣方式的設(shè)置以及分段進(jìn)水等措施對出水水質(zhì)的影響。結(jié)果表明：適當(dāng)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(dá)到了一級A標(biāo)準(zhǔn)；將池體設(shè)置為兩級AO串聯(lián)運(yùn)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(zhì)達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)出水TN穩(wěn)定低于10 mg/L(最低可達(dá)8.7 mg/L)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于一級A標(biāo)準(zhǔn)的要求。此外，由于該廠進(jìn)水水質(zhì)可生化性能較好，碳源較為充足，分段進(jìn)水的改造方案不適于該廠。

針對本工程現(xiàn)有的工藝，提出最佳改造方案為將原有的AAO系統(tǒng)調(diào)整為A-(AO)2系統(tǒng)，工程改造過程中僅需調(diào)整各池體的運(yùn)行工況，無需任何土建投資，即可實現(xiàn)該廠出水由當(dāng)前的一級B標(biāo)準(zhǔn)提升到一級A標(biāo)準(zhǔn)。

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