污水處理廠工程優(yōu)化運(yùn)行模擬研究淺析

張曉文 王雪蓮

摘 要：伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家和公眾層面對環(huán)境保護(hù)越發(fā)重視。目前，傳統(tǒng)的污水處理設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理手段跟不上時代的步伐，運(yùn)用數(shù)值模擬手段對污水處理廠的生產(chǎn)實(shí)踐以及工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行定量指導(dǎo)成為業(yè)內(nèi)的研究重點(diǎn)。本文介紹了國內(nèi)外運(yùn)用數(shù)值模擬手段對污水處理廠運(yùn)行的各種案例，對未來污水處理廠的生產(chǎn)實(shí)踐以及工藝設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：污水處理廠；活性污泥模型；優(yōu)化

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0001-02

1 概述

污水處理過程是一個復(fù)雜、繁瑣的反應(yīng)過程，期間伴隨有物理化學(xué)反應(yīng)、生物化學(xué)反應(yīng)、相變過程以及能量與物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和傳遞過程，具有時變性、非線性以及不確定性和滯后性等特點(diǎn)。目前，考慮到活性污泥組成以及污水處理過程的復(fù)雜性，同時加上對于污水處理方法的研究日趨深入，業(yè)內(nèi)對數(shù)學(xué)模型的建立及應(yīng)用也日趨成熟，即便如此數(shù)學(xué)模型的建立過程也是困難異常。但是，建模領(lǐng)域的開拓對于污水處理行業(yè)來說又是一個具有里程碑的意義，是一個重要理論意義與實(shí)用價值的新型工具。活性污泥模型（ASMS）的研究與應(yīng)用將是污水生物處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。目前，國內(nèi)將ASMS在大型污水處理廠的設(shè)計(jì)、改擴(kuò)建及模擬運(yùn)行的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不多，相關(guān)的文獻(xiàn)、資料也較少；而國外目前在ASMS的研究進(jìn)展則領(lǐng)先國內(nèi)很多，應(yīng)用于實(shí)際的大型污水處理廠的工程案例也相對較多。

2 關(guān)于ASMS模擬污水處理廠運(yùn)行的工程應(yīng)用研究進(jìn)展

目前，Elawad等人利用Biowins軟件建立了一個ASMS的擴(kuò)展動態(tài)模型，用于表達(dá)北非埃及西部的一個污水處理廠的性能。該污水處理廠生產(chǎn)工藝適合處理生活污水與工業(yè)廢水混合進(jìn)水的活性污泥工藝，日流量為6萬m3/d。在正常運(yùn)行條件下，采用該廠8個月的運(yùn)行數(shù)據(jù)平均值對該預(yù)測模型進(jìn)行校準(zhǔn)，由于廢水的溫度存在著明顯的波動，因此在模型中加入了Arhenius方程，并調(diào)整了相關(guān)計(jì)算參數(shù)：好氧異養(yǎng)衰減率（bH2O=0.15d-1），好氧異養(yǎng)菌產(chǎn)率（YH2O=0.3gCOD/gCOD），最大異養(yǎng)生長速率（μH=7d-1）。通過對比TSS、COD、MLSS濃度發(fā)現(xiàn)：ASMS擴(kuò)展預(yù)測模型可以很好的預(yù)測該污水廠的處理性能。由于目前埃及相關(guān)法律氮的相關(guān)排放進(jìn)行限制，因此該污水處理廠沒有氮的相關(guān)數(shù)據(jù)，所以暫無法驗(yàn)證模型的脫氮過程。

而Vinicious等利用ASM2d預(yù)測模型對污水處理廠進(jìn)行模擬校準(zhǔn)，并首次將“Seeds”方法應(yīng)用在污水處理廠數(shù)據(jù)的模擬應(yīng)用上。Spain Catalonia地區(qū)的Manesa污水處理廠的平均進(jìn)水流量為3萬m3/d。該廠包括預(yù)處理、初次沉淀池、生物處理池及深度處理幾個部分，其中生物處理池包括3個面積為1500m3的厭氧池及總面積為4000m3的好氧池。在夏季，污水中污染物的負(fù)荷比冬季小得多。模型校準(zhǔn)分為兩個步驟：靜態(tài)及動態(tài)模擬。靜態(tài)模擬有助于減少模型與進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)之間的差異。采用初步校準(zhǔn)的結(jié)果進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)，采用“Seeds”方法可以得到校準(zhǔn)模型參數(shù)的最小數(shù)量，從而減少了參數(shù)優(yōu)化過程中各參數(shù)的相關(guān)性問題，該方法對提高確定進(jìn)水狀態(tài)具有明顯經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢。

WANG等人利用改進(jìn)后的ASM2d預(yù)測模型對華東部某技改A2/O工藝的城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)行了模擬計(jì)算。通過調(diào)整進(jìn)水量以及分配比，對3套技改后的A2/O工藝系統(tǒng)出水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測及對比。結(jié)果表明：當(dāng)進(jìn)水總量為10萬t/d，NH4+-N和COD的濃度可以達(dá)到出水一級A標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)進(jìn)水總量在污水處理廠設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)時，總氮濃度達(dá)標(biāo)率可達(dá)一級B標(biāo)準(zhǔn)的95%以上。進(jìn)水組分及溫度越均勻，TN的達(dá)標(biāo)率則越高。另外，研究還發(fā)現(xiàn)：在貼近預(yù)測達(dá)標(biāo)率的前提條件下，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為8萬噸/天的污水處理廠的最大運(yùn)行承載能力可以達(dá)到15萬t/d。

W.Wambecq等人以ASM2d預(yù)測模型為平臺量化了氧化溝水平流速對污水處理廠的能耗影響分析。Honsbroek污水處理廠的生物處理單元為兩個3萬m3的氧化溝，可以處理1萬m3/h的污水。在保證去除效果的同時，為了降低能耗采用如下2種方法。一是經(jīng)典的曝氣控制優(yōu)化，可以降低5%的能耗。當(dāng)氧化溝的水平流速為0.2m/s?？梢酝ㄟ^增加水平流速到0.35m/s，即可以降低10%的能耗。二是經(jīng)典的優(yōu)化控制和氧化溝流速優(yōu)化可以降低15%的能耗，研究表明：最佳流速為0.33m/s。

Lu等人利用ASM2d模型與SST耦合模型研究了西部某污水處理廠的運(yùn)行性能。通過測定廢水中COD組分，再根據(jù)污水處理廠的實(shí)際數(shù)據(jù)及工藝流程來確定模型初始參數(shù)。SST模型利用污泥沉降速度方程描述SST的理想沉降情況，并利用耦合模型對污水處理廠進(jìn)行模擬計(jì)算，可以得到以下結(jié)論：

（1）出水COD、SS和TP模擬效果較好；（2）該模型的運(yùn)行有助于提高A2/O工藝的氮磷去除率，TN的去除率可從25%提高到65%，TP的去除效率可從35%提高到80%，模擬結(jié)果可直接用于該污水處理廠的升級改造；（3）對SRT和生物反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度進(jìn)行優(yōu)化處理，增加了污泥的抗負(fù)荷沖擊能力，提高出水水質(zhì)。

Abusam等人采用ASM1預(yù)測模型針對位于科威特的Riqa污水處理廠出水COD不穩(wěn)定問題進(jìn)行了模擬核對及性能研究。針對可能的原因進(jìn)行分析，并采用2013年的監(jiān)測數(shù)據(jù)來進(jìn)行模型建立，包括HRT、SRT、LV和F/M等。結(jié)果表明：BOD/COD變化比較明顯，應(yīng)該是工業(yè)廢水或污水非法排放所致。開發(fā)的模型可用于控制并優(yōu)化系統(tǒng)的性能。

Swinarsk等人改進(jìn)了ASM2d預(yù)測模型，增加了用于缺氧及好氧條件下聚磷菌和異養(yǎng)菌生物過程的底物成分和過程，并在波蘭的Gdank污水處理廠進(jìn)行了小試。利用小試結(jié)果對原始的ASM2d預(yù)測模型進(jìn)行校核，硝酸鹽吸收速率和缺氧磷吸收速率擬合良好。用雜醇作為輔助碳源，并以污水廠連續(xù)72小時的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為確定擴(kuò)增的ASM2d延展模型的初始參數(shù)。新的預(yù)測模型可以更好的預(yù)測COD、NO3-N的濃度。出水的PO4-P濃度預(yù)測值為原先的ASM2d模型的一半，但在預(yù)測磷酸鹽去除率上差距很小。

Ján等人對Slovak的Nové某污水處理廠進(jìn)行了模擬校核，利用進(jìn)出水流量及廢水組成成分進(jìn)行了監(jiān)測并進(jìn)行動態(tài)模擬。該污水處理廠的生物處理單元為前置反硝化工藝。活性污泥反應(yīng)器厭氧池為2000m3，好氧池為7000m3，二沉池體積為2500m3。平均動態(tài)進(jìn)水流量約為500m3/h，回流污泥量約為10000m3/d，剩余污泥量約為150m3/d，內(nèi)循環(huán)量約為8700m3/d。研究結(jié)果表明：該校準(zhǔn)模型通過進(jìn)水成分和運(yùn)行參數(shù)的變化可以預(yù)測出水水質(zhì)及系統(tǒng)運(yùn)行成本。通過模擬可以得到最佳的固體停留時間（10d）、溶解氧濃度（2mg/L），此時的運(yùn)行費(fèi)用最為經(jīng)濟(jì)。

Georg利用基于硝化/反硝化模型改進(jìn)的ASM1預(yù)測模型來模擬某污水處理廠的運(yùn)行情況，同時介紹了MPC在污水處理廠的智能控制中的研究成果，對污水處理廠的兩種控制策略進(jìn)行了檢驗(yàn)，并從污水處理廠的處理效率及成本效益進(jìn)行了分析：第一種策略是與DO和KLa的控制相關(guān)；第二種策略是利用氮的變化對污水處理廠的指標(biāo)進(jìn)行控制。與第一種相比，該策略使運(yùn)行成本降低10%，出水水質(zhì)指標(biāo)提高15%。

Gussem等采用ASM2預(yù)測模型對比利時的Bre污水處理廠進(jìn)行了模擬校準(zhǔn)。也進(jìn)行了兩種最優(yōu)策略比較：達(dá)標(biāo)排放的最低成本和最佳環(huán)境效益。研究包括4種研究方案：（1）MLSS濃度控制；（2）氧設(shè)定點(diǎn)；（3）內(nèi)循環(huán)評價；（4）反硝化的硝酸鹽設(shè)定?；鵏CA的優(yōu)化方法都能夠顯著降低成本及環(huán)境影響。其中LCA方法對于現(xiàn)存的全局污水廠更具優(yōu)勢，它使工廠可以安全運(yùn)行，風(fēng)險(xiǎn)減少，并在均衡成本下使出水水質(zhì)更好。

FANG等人將機(jī)理模型和遺傳算法以與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合構(gòu)成綜合動態(tài)模型，用于模擬污水處理廠存在進(jìn)水波動。機(jī)理模型由EAWAG bio-P與ASM3模型組成。將某污水處理廠4個月進(jìn)水特征數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明：在擾動條件下，與單獨(dú)的機(jī)理模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相比，該模型能夠捕捉到信息補(bǔ)償模型的誤差，并進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。

Yang等人基于GPS-X軟件平臺以ASM2預(yù)測模型某污水處理廠的氧化溝工藝。該污水廠設(shè)計(jì)能力為7×104t/d，總停留時間為14h，運(yùn)行周期7h。選取合適的工藝參數(shù)和動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬，模型構(gòu)建過程中將氧化溝進(jìn)行分解。參數(shù)包含曝氣設(shè)備分布及溶解氧濃度。在GPS-X平臺上選擇2008年的進(jìn)出水?dāng)?shù)據(jù)對COD、總氮、SS、氨氮的濃度進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明：預(yù)測值與實(shí)際值吻合良好，其中總氮去除率差異為6%，COD去除率差異小于2%，而氨氮去除率差異約為10%，應(yīng)該是溫度變化和實(shí)際曝氣效率低的緣故。該研究表明：利用該模型可以很好地模擬污水處理廠實(shí)際工況。

Jukka等用ASM1改進(jìn)的模型對工業(yè)污水處理廠進(jìn)行了模擬。工業(yè)廢水的營養(yǎng)分通常是不足的。模擬結(jié)果證明：數(shù)學(xué)模型在研究實(shí)污水處理廠的營養(yǎng)物策略和解決污水處理廠的性能方面是適用的。

Lu等人用改進(jìn)的ASM1預(yù)測模型對大型紡織印染廢水處理廠進(jìn)行模擬，該廢水廠設(shè)計(jì)進(jìn)水流量為5萬m3/d，處理工藝為厭氧-水解-曝氣-沉淀處理過程。根據(jù)整個處理廠運(yùn)行數(shù)據(jù)建立模型，對測量結(jié)果進(jìn)行校核。研究結(jié)果表明：低生物降解性廢水中COD的測定是可以通過呼吸測量法及全局污水廠數(shù)據(jù)的校核過程進(jìn)行估算的。

J.Alex，J.F.Beteau，C.Hellinga等人開發(fā)的污水處理廠基準(zhǔn)評估模型，該模型是一個獨(dú)立于平臺的仿真環(huán)境，用于仿真模型，流入負(fù)載和評估標(biāo)準(zhǔn)。多個研究團(tuán)隊(duì)為基準(zhǔn)測試的開發(fā)做出了貢獻(xiàn)，并在多個仿真平臺（SimulinkTM，GPS-XTM，SimbaTM，F(xiàn)ORTRAN code）上獲得了不少研究成果。

美國明尼蘇達(dá)州的Hastings WWTPs利用污水處理廠構(gòu)筑物物理尺寸，具有典型性的進(jìn)出水及運(yùn)行參數(shù)，對MLSS、TSS進(jìn)行模型校核。污水處理廠處理單元主要包括初沉池、生物曝氣池、二沉池、厭氧消化池等幾個部分，通過模型構(gòu)建將幾個系列綜合進(jìn)行模擬。在模型校核中發(fā)現(xiàn)：進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)是基于2萬人用水量計(jì)算所得，可能使得進(jìn)水測得的BOD值低于實(shí)際值。雖然沒有足夠的有效信息來調(diào)整動力學(xué)參數(shù)，但在校核過程存在的不一致性對于發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過程的問題具有一定的預(yù)測作用。

美國WERF項(xiàng)目組與Phoenix市合作，對Multi-Cities污水處理廠的生物脫氮過程進(jìn)行模擬，確定污水處理廠的進(jìn)出水?dāng)?shù)據(jù)及污水組分，并利用活性污泥模型校核測得出水特征值；并應(yīng)用模型的校準(zhǔn)來估計(jì)比硝化細(xì)菌的生長速率。在穩(wěn)態(tài)模擬中大多數(shù)出水特征值的測量值與預(yù)測值具有良好的一致性；動態(tài)模擬分析了進(jìn)水特征值的日變化量，模擬硝酸鹽濃度曲線與實(shí)測值吻合良好，可以用來模擬增加污水廠承載能力的情況下污水廠的負(fù)荷與運(yùn)行參數(shù)變化。