模型在蘇州市某污水廠升級(jí)改造中的應(yīng)用

杜 娜

（江蘇中升太環(huán)境技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215009）

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)污水廠的數(shù)量不斷增長(zhǎng)，污水處理率不斷提高。然而，污水廠粗放型的管理模式給水環(huán)境帶來了負(fù)面影響，如水體富營(yíng)養(yǎng)化。2005年，原國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局第1 次提出：城鎮(zhèn)生活污水處理廠出水排入國(guó)家和省確定的重點(diǎn)流域及湖泊、水庫(kù)等封閉式、半封閉水域時(shí)，應(yīng)執(zhí)行GB 18918—2002一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。2006年，又將一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍擴(kuò)大到大多數(shù)城鎮(zhèn)污水處理廠。2015年“水十條”及《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（征求意見稿）的發(fā)布，對(duì)污水處理設(shè)施實(shí)行一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)提出了時(shí)間要求，這意味著污水廠提標(biāo)改造成為大勢(shì)所趨。

目前，我國(guó)90%以上城鎮(zhèn)污水廠均采用活性污泥工藝，實(shí)踐證明，活性污泥數(shù)學(xué)模型（ASMs）[1-4]可以模擬活性污泥系統(tǒng)中生物、化學(xué)過程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際上出現(xiàn)了很多以ASMs 為核心的商業(yè)模擬軟件，如WEST，GPS-X，BioWin 等，為模型應(yīng)用于污水處理系統(tǒng)提供了平臺(tái)。大量研究表明，活性污泥數(shù)學(xué)模型可以成功應(yīng)用于污水處理廠的升級(jí)改造中。張春明等[5]借助BioWin 平臺(tái)，以ASM2D 為核心，對(duì)上海龍華水質(zhì)凈化廠AO 工藝進(jìn)行了模擬改造，從工藝運(yùn)行參數(shù)調(diào)整和工藝改造2 方面進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，使出水水質(zhì)達(dá)到更高的排放標(biāo)準(zhǔn)。馬昭等[6]基于ASM2D，對(duì)西安市某污水廠奧貝爾氧化溝工藝進(jìn)行模擬優(yōu)化，通過調(diào)節(jié)污泥回流比、BOD5污泥負(fù)荷，取得了更高的污染物去除率，提高了出水水質(zhì)。SARKAR U 等[7]以ASM1 為機(jī)理，采用STOAT 軟件對(duì)Titagarh 污水廠的不同改造方案進(jìn)行了模擬比較，最后確定了出水水質(zhì)最優(yōu)的工藝方案。VANDEKERCKHOVE A 等[8]以ASM1 為基礎(chǔ)，建立了污水處理廠好氧段數(shù)學(xué)模型，利用該模型對(duì)好氧段進(jìn)行升級(jí)改造，通過增大反應(yīng)池體積，同時(shí)控制旁流量，使改造后的出水污染物濃度有了大幅降低。

對(duì)蘇州市某污水廠一期單溝式氧化溝工藝進(jìn)行升級(jí)改造，利用該廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和歷史數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)最不利工況設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，引入模擬仿真技術(shù)，針對(duì)典型工況，系統(tǒng)、定量分析擬選工藝的處理效能和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。使出水水質(zhì)由一級(jí)B 提高到一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。

1 改造背景

1.1 原污水廠概況

蘇州市某污水處理廠一期工程主要處理居民生活污水，設(shè)計(jì)處理量為8 000 m3/d，采用“厭氧池+傳統(tǒng)單溝式氧化溝+二沉池”工藝。其中，厭氧池設(shè)1座，停留時(shí)間為1.5 h，平面尺寸為16.3 m×8.9 m，有效水深為4.6 m。氧化溝設(shè)1 組2 座，單座平面尺寸為32.2 m×10.0 m，有效水深為4.5 m，溝內(nèi)設(shè)計(jì)缺氧段停留時(shí)間為1.9 h，好氧段停留時(shí)間為5.8 h，每座氧化溝內(nèi)布置2 臺(tái)曝氣轉(zhuǎn)碟，每臺(tái)轉(zhuǎn)碟的供氧能力為24.2 kg/h（以O(shè)2計(jì)），溝內(nèi)設(shè)計(jì)污泥質(zhì)量濃度為2 800 mg/L。二沉池采用平流式沉淀池，設(shè)1 組2座，單座平面尺寸為30.0 m×9.7 m，有效水深為3.0 m，設(shè)計(jì)污泥回流比為67%。該廠一期工程設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表1，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)執(zhí)行GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)。

表1 一期工程設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì) mg·L-1

1.2 污水廠運(yùn)行效果

目前污水廠一期工程出水各污染指標(biāo)COD，NH4+-N，TN，TP，TSS 均未能完全達(dá)到一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)。一期工程工藝對(duì)污染物的去除率低，其中，COD，TP的平均去除率在85%以上；NH4+-N，TN，TP 的平均去除率僅分別為61.9%，60.6%，64.2%；NH4+-N，TN的日均最低去除率僅為35.7%和32.7%。

為了提高系統(tǒng)污染物去除效率，滿足污水廠提標(biāo)改造的要求，同時(shí)保障出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，需對(duì)污水廠一期工程進(jìn)行升級(jí)改造。

2 模型介紹

2.1 模型建立與校準(zhǔn)

案例以BioWin 軟件為平臺(tái)，選擇AS/AD 模型描述活性污泥系統(tǒng)中生物C，N，P 的去除過程。污水廠一期工程“厭氧池+單溝式氧化溝+二沉池”生物處理工藝模型見圖2，其中，采用3 個(gè)非曝氣池（An-1～An-3）和2 個(gè)曝氣池（BR-1，BR-2）的串聯(lián)模擬單溝式氧化溝的工藝特性，根據(jù)溝內(nèi)實(shí)測(cè)流速，確定氧化溝平均內(nèi)回流量為680 400 m3/d，約為設(shè)計(jì)進(jìn)水量的85 倍。

圖1 污水廠一期工程生物處理工藝流程

由于該污水廠水溫、進(jìn)水條件、運(yùn)行控制模式具有明顯的季節(jié)性特征，針對(duì)全年水溫變化情況，以該廠1 a 內(nèi)進(jìn)、出水監(jiān)測(cè)數(shù)值及污泥運(yùn)行參數(shù)（2012年4月～2013年3月）為研究對(duì)象，將水溫分成不同的區(qū)間，模型校準(zhǔn)時(shí)采用該廠不同水溫區(qū)間的進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)的平均值，具體參數(shù)見表2。

表2 不同水溫區(qū)間污水廠進(jìn)水和污泥參數(shù)平均值 mg·L-1

根據(jù)不同水溫區(qū)間的穩(wěn)態(tài)模擬理論，同樣的廢水特征參數(shù)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)和化學(xué)計(jì)量學(xué)系數(shù)條件下，可通過該套模型較理想的模擬污水廠全年出水水質(zhì)及污泥濃度的變化特征。

采用2017年9月歷史平均數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校準(zhǔn)，通過物化方法[9]測(cè)定該廠廢水進(jìn)水特征參數(shù)，其中，易生物降解COD 占總COD 的27%，溶解性不可生物降解COD 占8%。根據(jù)進(jìn)水COD/BOD5的值，推算出顆粒性不可生物降解COD 占22%。通過調(diào)整動(dòng)力學(xué)參數(shù)，其中，氨氧化菌最大比生長(zhǎng)速率由默認(rèn)值0.9/d 校準(zhǔn)為0.6/d，異養(yǎng)DO 半飽和系數(shù)、好氧反硝化DO 半飽和系數(shù)由0.05 mg/L 校準(zhǔn)為0.15 mg/L。出水COD，NH4+-N，TN，TP 的模擬值與實(shí)測(cè)值的絕對(duì)誤差控制在1.0 mg/L 以內(nèi)，出水TSS 的絕對(duì)誤差為5.6 mg/L，擬合誤差在可接受的范圍內(nèi)，校準(zhǔn)結(jié)果理想。模型的校準(zhǔn)具體結(jié)果見表3。

表3 污水廠一期工程模型校準(zhǔn)結(jié)果 mg·L-1

2.2 模型可靠性驗(yàn)證

采用2017年9月12日連續(xù)24 h 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，出水水質(zhì)模擬結(jié)果隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值擬合較好，且各指標(biāo)的平均絕對(duì)誤差較小，出水COD，NH4+-N，TN，TP，TSS 的平均質(zhì)量濃度絕對(duì)誤差分別為1.6，1.0，0.4，0.3，1.8 mg/L。驗(yàn)證結(jié)果表明，該模型可以較理想地反映該廠一期工程生物C，N，P 的去除過程，模擬結(jié)果可靠、可信度較高。

圖2 蘇州市某污水廠一期工程污染物濃度模型驗(yàn)證

3 模型選擇應(yīng)用

3.1 改造方案

根據(jù)一期已建氧化溝的布置形式，為減少改造工程量，提高運(yùn)行處理效果，將一期2 組氧化溝改造成1 組DE 氧化溝，形成“厭氧+DE 氧化溝+二沉池”的工藝。DE 型氧化溝是典型的空間、時(shí)間上動(dòng)態(tài)變化的工藝[10]，在其前增加厭氧池，可實(shí)現(xiàn)生物脫氮除磷，該工藝運(yùn)行模式比較靈活，采用常規(guī)靜態(tài)計(jì)算優(yōu)化比較困難，引入工藝模擬進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化。案例模擬配置DE 型氧化溝2 條，單溝內(nèi)各配備射流曝氣裝置3 臺(tái)（1 臺(tái)功率為18.5 kW、2 臺(tái)功率均為22 kW），單溝內(nèi)O2曝氣效率為1.8 kg/(kW·h)。工藝流程見圖3。

圖3 蘇州市某污水廠一期工程改造方案工藝流程

3.2 改造方案的模擬分析

在校準(zhǔn)和驗(yàn)證的一期工程生物處理工藝模型基礎(chǔ)上，通過改變反應(yīng)器的串聯(lián)模式、進(jìn)水模式，建立改造方案“厭氧池+DE 型氧化溝+二沉池”的工藝模型，以表2中的情景參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)該改造方案的運(yùn)行效果進(jìn)行模擬分析。模擬優(yōu)化分析時(shí)采用的DE氧化溝運(yùn)行周期見表4。

表4 方案模擬優(yōu)化分析DE 氧化溝運(yùn)行周期

在該運(yùn)行模式下，可控的操作參數(shù)有排泥量、污泥回流量、曝氣量。其中，排泥量根據(jù)設(shè)計(jì)泥齡控制；污染回流量通過含水率變化控制；曝氣量依據(jù)該污染處理廠進(jìn)、出水水質(zhì)設(shè)計(jì)。模擬發(fā)現(xiàn)，污泥回流量對(duì)COD，NH4+-N，TSS 的去除影響較小，對(duì)TN，TP 的去除影響較大，與馬菲菲等[11]的研究結(jié)論基本一致。這主要由于回流污泥中攜帶一部分的硝酸鹽和O2，過多的硝酸鹽回流至厭氧池，會(huì)影響厭氧釋磷過程，降低TP 的去除效率，而過多的O2會(huì)影響反硝化過程，降低TN 的去除效率。綜合考慮污泥回流比對(duì)出水TN，TP 的影響，在該方案中設(shè)置污泥回流比為80%。

曝氣是影響系統(tǒng)中污染物去除效果的最顯著因素，以全年典型情景為進(jìn)水條件，模擬不同曝氣器開啟模式（開啟2 臺(tái)曝氣器時(shí)功率為44 kW；開啟3 臺(tái)曝氣器時(shí)功率為62.5 kW），以驗(yàn)證該方案的可行性及處理效能，方案出水水質(zhì)的變化情況見表5。

表5 不同曝氣模式模擬結(jié)果 mg·L-1

工況1 條件下，曝氣階段反應(yīng)池內(nèi)ρ（DO）最高值可達(dá)3.0 mg/L，硝化效果較好，出水ρ（NH4+-N）在1.7 mg/L。由于曝氣階段DO 偏高，硝化階段生成的NO3-N 大部分得到反硝化，出水ρ（TN）為12.1 mg/L，基本能滿足一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)要求。回流污泥內(nèi)DO 和NO3-N 對(duì)除磷過程有一定影響，需要通過化學(xué)投加除磷藥劑保證出水TP 達(dá)標(biāo)。

工況2 條件下，曝氣功率提高，曝氣階段反應(yīng)池內(nèi)ρ（DO）為5.2 mg/L，出水ρ（NH4+-N）為1.1 mg/L。雖然硝化較為徹底，但硝化階段生成的NO3-N 沒有完全反硝化，出水ρ（TN）達(dá)18 mg/L?；亓魑勰鄡?nèi)DO和NO3-N 對(duì)除磷過程影響較大，出水ρ（TP）為1.5 mg/L，未能兼顧生物脫氮和除磷過程。相比工況1，存在過量曝氣問題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)和節(jié)能降耗。

工況3 和工況4 條件下，曝氣功率為44 kW時(shí)，曝氣階段ρ（DO）最高值接近2.0 mg/L，硝化完全，出水ρ（NH4+-N）為2.4 mg/L，反硝化徹底，ρ（TN）低至4.6 mg/L?；亓魑勰鄡?nèi)DO 和NO3-N 對(duì)除磷過程影響較小，兼顧了生物脫氮和除磷過程。當(dāng)曝氣功率增大到至62.5 kW，曝氣階段ρ（DO）達(dá)4.0 mg/L，存在過量曝氣的問題，影響反硝化和生物除磷過程，出水ρ（TN），ρ（TP）分別為15.7，1.2 mg/L。

工況5～工況8 條件下，曝氣功率為44 kW 時(shí)，曝氣階段ρ（DO）最高為2.8 mg/L，該系統(tǒng)有較理想的硝化和反硝化效果，且基本兼顧生物除磷過程。但在夏季，出水TP 達(dá)標(biāo)排放的安全系數(shù)不高，考慮投加少量化學(xué)藥劑保證除磷效果。當(dāng)曝氣功率提高到62.5 kW 時(shí)，曝氣階段ρ（DO）在4.2 mg/L 左右，雖然出水也能達(dá)到一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，但是過量的曝氣不僅造成能源浪費(fèi)，同時(shí)降低了出水TN 的安全系數(shù)。

雨季條件下，由于進(jìn)水負(fù)荷大大提高，當(dāng)曝氣功率為44 kW 時(shí)，曝氣階段ρ（DO）最高僅為0.3 mg/L，系統(tǒng)的硝化效果不理想，出水ρ（NH4+-N）達(dá)7.9 mg/L。當(dāng)曝氣功率為62.5 kW 時(shí)，曝氣階段最高ρ（DO）接近2.0 mg/L，硝化效果理想，出水ρ（NH4+-N）為0.9 mg/L，且硝化階段生成的NO3-N 基本得到完全反硝化，出水ρ（TN）為3.3 mg/L，但是TP 需要通過外加除磷劑來保障其達(dá)標(biāo)。

由此可見，非降雨條件時(shí)，春、夏、秋、冬季典型進(jìn)水情景下，DE 氧化溝內(nèi)曝氣功率為44 kW，即開啟2 臺(tái)曝氣器時(shí)，出水水質(zhì)基本能滿足一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)，且穩(wěn)定達(dá)標(biāo)；而在冬季和夏季條件下，出水TP需要通過投加一定量的化學(xué)藥劑來保證其出水達(dá)標(biāo)。在雨季條件下，DE 氧化溝內(nèi)曝氣功率為62.5 kW，即開啟3 臺(tái)曝氣器，并通過后續(xù)投加化學(xué)藥劑除磷，才能保證出水水質(zhì)穩(wěn)定滿足一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 改造方案的驗(yàn)證

污水廠一期工程進(jìn)行升級(jí)改造后運(yùn)行1 a 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見圖4。由圖4可知，改造方案在污水廠實(shí)際改造過程中是可行的，可使出水水質(zhì)長(zhǎng)期穩(wěn)定滿足一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)要求。驗(yàn)證了模型在污水處理工藝升級(jí)改造工程中的有效性。

圖4 改造后污水廠出水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

蘇州市某污水廠一期工程改造擬采用“厭氧池+DE 型氧化溝”工藝可基本滿足實(shí)際進(jìn)水水量、水質(zhì)條件下的處理要求。DE 型氧化溝每組配備1 臺(tái)18.5 kW，2 臺(tái)22 kW 射流曝氣器可滿足峰值流量、負(fù)荷處理要求。在非降雨條件時(shí)，典型進(jìn)水情景下，控制設(shè)計(jì)泥齡、污泥回流比為80%時(shí)，開啟2 臺(tái)22 kW 的曝氣器，出水水質(zhì)基本能滿足一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)要求；在冬季和夏季，出水需要通過投加一定量的化學(xué)藥劑來保證出水TP 達(dá)標(biāo)。在雨季條件下，開啟3 臺(tái)曝氣器，并輔以化學(xué)除磷，可以實(shí)現(xiàn)出水水質(zhì)穩(wěn)定滿足一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)踐證明，在污水廠實(shí)際升級(jí)改造工程中，采用該改造方案，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，驗(yàn)證了模擬系統(tǒng)的可靠性，表明模型分析可以成為污水廠升級(jí)改造的有效工具。