南方城市生活污水ASM2D模型水質(zhì)研究

馬振強(qiáng)，羅 凡，李 捷，于 翔

(1. 廣東首匯藍(lán)天工程科技有限公司，廣東 廣州 510060； 2. 廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 廣州 510060)

1 引言

城市生活污水的活性污泥法生物處理，由于具有運(yùn)行成本低、處理效果好等特點(diǎn)，是控制水環(huán)境污染最常用、最重要的方法之一。迄今為止，我國(guó)80%以上的已建或者在建的城市污水處理廠采用的是活性污泥處理工藝。隨著活性污泥工藝的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其中涉及到的現(xiàn)象規(guī)律進(jìn)行了深入的研究，提出了一系列活性污泥法模型。國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)(IWA)通過對(duì)之前研究者工作成果的總結(jié)，連續(xù)推出了活性污泥1～3號(hào)模型(ASM1、ASM2、ASM2D、ASM3)，為污水處理新技術(shù)開發(fā)、運(yùn)行管理、工藝設(shè)計(jì)、科學(xué)研究提供了普遍使用的平臺(tái)。

近年來，利用數(shù)學(xué)模型結(jié)合反應(yīng)器原理，借助于各種軟件開發(fā)平臺(tái)開發(fā)出的相應(yīng)設(shè)計(jì)、模擬及診斷軟件，對(duì)新建污水處理廠進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)新建和已建污水處理廠進(jìn)行系統(tǒng)模擬和科學(xué)管理在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)十分普遍。到目前為止，歐美等國(guó)學(xué)者建立了ASM系列的十余種模型，并開發(fā)出相應(yīng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序等，與此相應(yīng)的各種商業(yè)軟件也應(yīng)運(yùn)而生，大型水工程公司、環(huán)境咨詢公司以及著名高等院校的環(huán)境工程系均具備自主開發(fā)的模擬器，并在應(yīng)用中不斷地改進(jìn)和完善。

然而，我國(guó)在模型的應(yīng)用方面起步較晚，且主要集中于高等院校的科研和教學(xué)中，大型水工程公司、設(shè)計(jì)院以及運(yùn)營(yíng)管理公司仍舊采用經(jīng)驗(yàn)或者半經(jīng)驗(yàn)的方法對(duì)污水處理廠進(jìn)行設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理，并未考慮生物處理系統(tǒng)復(fù)雜易變、污水水質(zhì)水量及組分分解的復(fù)雜性、多反應(yīng)過程相互相耦合及實(shí)際的運(yùn)行控制手段等諸多因素的影響。而如今，污水處理廠面臨著提標(biāo)改造和節(jié)能降耗雙重需求的壓力，迫切需要將數(shù)學(xué)模型模擬這種先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用于污水廠的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理中。

ASM模型的應(yīng)用主要在參數(shù)的測(cè)定、模型的簡(jiǎn)化以及設(shè)計(jì)水質(zhì)與模型水質(zhì)的轉(zhuǎn)換等方面存在難題，該模型需以完整、完善的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料為依托，才能確保其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確度。首先，在我國(guó)污水處理廠大多只對(duì)設(shè)計(jì)水質(zhì)指標(biāo)，如CODcr、SS、氮磷等進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的收集，而模型水質(zhì)指標(biāo)與設(shè)計(jì)水質(zhì)指標(biāo)相比更復(fù)雜、更多樣，往往是一個(gè)設(shè)計(jì)水質(zhì)指標(biāo)需要?jiǎng)澐譃槎鄠€(gè)模型水質(zhì)指標(biāo)才能完整描述數(shù)學(xué)模型中的物質(zhì)變化規(guī)律；其次，設(shè)計(jì)水質(zhì)指標(biāo)如CODcr、SS、氮磷等的溶解性和非溶解性、惰性和非惰性物質(zhì)等的具體測(cè)定方法大多比較繁復(fù)，尚未規(guī)范化，沒有標(biāo)準(zhǔn)方法可循，有些還無法直接測(cè)定，這些測(cè)定方法距離面向智能化的污水處理廠的實(shí)際應(yīng)用還相去甚遠(yuǎn)；再次，不同地域在用水習(xí)慣、生活條件等眾多方面存在差異，導(dǎo)致產(chǎn)生的生活污水水質(zhì)也不可能一樣，缺乏系統(tǒng)的檢測(cè)和科學(xué)統(tǒng)計(jì)。

針對(duì)上述問題，本論文基于ASM2D模型，簡(jiǎn)化進(jìn)水水質(zhì)與模型水質(zhì)組分的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并對(duì)南方城市污水進(jìn)行屬地化研究，考察不同地域性水質(zhì)構(gòu)成差異，探究進(jìn)水水質(zhì)與模型水質(zhì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，推動(dòng)ASM2D模型在污水處理廠中的應(yīng)用，促使污水處理廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理趨于科學(xué)化、智能化、精細(xì)化。

2 材料與方法

2.1 簡(jiǎn)化進(jìn)水水質(zhì)與模型水質(zhì)組分的轉(zhuǎn)換關(guān)系

本文以ASM2D模型為模擬架構(gòu)和平臺(tái)基礎(chǔ)，ASM2D是在ASM2基礎(chǔ)上加入了反硝化聚磷過程，能同步模擬有機(jī)物降解和脫氮除磷過程。ASM2D模型計(jì)算中涉及到的組分有19個(gè)，其中9個(gè)為溶解性組分，10個(gè)為顆粒性組分，而進(jìn)水通常采用的設(shè)計(jì)和檢測(cè)指標(biāo)僅為CODcr、SS、TN、TP、NH。因此，根據(jù)模型反應(yīng)機(jī)理，從碳組分、氮組分、磷組分三個(gè)方面和溶解性、顆粒性等兩個(gè)層次建立進(jìn)水常規(guī)指標(biāo)與模型組分的轉(zhuǎn)換路徑，并對(duì)其進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，列于圖1中。圖1中涉及到的參數(shù)有常規(guī)指標(biāo)有CODcr、TSS、TP、NH、TN，中間態(tài)指標(biāo)有溶解性有機(jī)物S和顆粒性有機(jī)物X，模型組分有溶解性的發(fā)酵產(chǎn)物S、可發(fā)酵的易生物降解有機(jī)物S、溶解態(tài)不可生物降解有機(jī)物S、顆粒性的緩慢可降解有機(jī)物X、異養(yǎng)菌X、顆粒態(tài)不可生物降解有機(jī)物X、TSS、磷酸鹽PO、NH、氮氧化物NO。轉(zhuǎn)換系數(shù)包括TSS對(duì)CODcr的轉(zhuǎn)換因子f＿TSS＿COD、S與的S比值f＿S＿A、S與的SF比值f＿S＿F、X與的XS比值f＿X＿S、X與的X比值f＿X＿I以及總磷與磷酸鹽的比值f＿S＿PO。

圖1 進(jìn)水常規(guī)指標(biāo)與模型組分的轉(zhuǎn)換路徑

2.2 組分測(cè)定方法

常規(guī)指標(biāo)：CODcr采用哈希CODcr快速測(cè)定儀；TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；NH-N采用納氏試劑法；NO-N采用N-(1-奈基)-乙二胺光度法；NO-N采用麝香草酚分光光度法；TP采用過硫酸鉀消解法；TSS采用重量法。

模型組分：溶解性的發(fā)酵產(chǎn)物S、可發(fā)酵的易生物降解有機(jī)物S、溶解態(tài)不可生物降解有機(jī)物S、顆粒性的緩慢可降解有機(jī)物X、異養(yǎng)菌X、顆粒態(tài)不可生物降解有機(jī)物X。采用課題組前期發(fā)表論文中列出的方法。

3 結(jié)果分析和討論

3.1 進(jìn)水水質(zhì)與模型水質(zhì)組分的轉(zhuǎn)換關(guān)系研究

3.1.1 進(jìn)水水質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)某污水處理廠2018年10月到2019年10月近一年進(jìn)水水質(zhì)變化情況和組分分析進(jìn)行測(cè)定研究。該污水處理廠2018年1月至2018年12月全年CODcr、BOD、TN、TP、NH-N的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。可見，該廠進(jìn)水的CODcr、BOD、TN、TP、NH-N均值分別為290、92、25.0、1.9、20.1 mg/L，其中，進(jìn)水CODcr高于設(shè)計(jì)值，BOD5、TN、TP、NH-N低于設(shè)計(jì)值?？缮灾笖?shù)(B/C)為0.35，略高于0.30；碳氮比和碳磷比分別為11.6和152.6，表明該進(jìn)水可生化性較好，且生物脫氮除磷的碳源充足。

表1 污水處理廠的水質(zhì)統(tǒng)計(jì)

3.1.2 進(jìn)水水質(zhì)與模型水質(zhì)組分的轉(zhuǎn)換系數(shù)確定

對(duì)進(jìn)水常規(guī)指標(biāo)CODcr、SS、TN、TP、NH和模型水質(zhì)組分S、S、S、X、X、XI、TSS、PO、NH、NO按照2.2節(jié)所述的方法進(jìn)行測(cè)定，然后根據(jù)2.1節(jié)中簡(jiǎn)化后的進(jìn)水水質(zhì)與模型水質(zhì)組分的轉(zhuǎn)換關(guān)系，統(tǒng)計(jì)分析得到轉(zhuǎn)換系數(shù)f＿TSS＿COD、f＿S＿PO、f＿S＿A、f＿S＿F、f＿X＿S以及f＿X＿I，經(jīng)參考國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有報(bào)道，并結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，初步界定各轉(zhuǎn)化系數(shù)的取值范圍分別為：f＿TSS＿COD=0.75-0.90、f＿S＿PO=0.70-0.90、f＿S＿A=0.15-0.30、f＿S＿F=0.15-0.32、f＿X＿S=0.10-0.28以及f＿X＿I=0.45-0.75。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見圖2。

圖2 進(jìn)水水質(zhì)與模型水質(zhì)組分的轉(zhuǎn)換系數(shù)

由圖2(a)中TSS對(duì)CODcr的轉(zhuǎn)換因子f＿TSS＿COD可以看出，f＿TSS＿COD隨季節(jié)變化明顯，在冬季(第一季度前期和第四季度后期)時(shí)，f＿TSS＿COD偏高，在0.8～0.9之間波動(dòng)，但進(jìn)入夏季(第二季度和第三季度)時(shí)，f＿TSS＿COD波動(dòng)幅度明顯增大，且集中在0.75～0.8之間，低于冬季的數(shù)值。這是由于夏季雨水多，TSS中無機(jī)物部分增多，轉(zhuǎn)化為顆粒性有機(jī)物的占比就減小了。綜合全年數(shù)值得到，f＿TSS＿COD在0.75～0.90之間。

由圖2(b)中總磷與磷酸鹽的轉(zhuǎn)換因子f＿S＿PO可以看出，f＿S＿PO隨季節(jié)變化不明顯，前三個(gè)季度波動(dòng)幅度較大，第四季度主要集中在0.90左右，綜合全年數(shù)值得到，f＿S＿PO在0.70～0.90之間，這與其它研究成果中提出的污水處理廠進(jìn)水中的磷主要以正磷酸鹽形式存在，有機(jī)磷和聚磷酸鹽的濃度都較小的結(jié)論相符合。

圖2(c)和(d)中列出了與溶解性有機(jī)物相關(guān)的轉(zhuǎn)化系數(shù)S與S轉(zhuǎn)換因子f＿S＿A和S與S轉(zhuǎn)換因子f＿S＿F。可以看出，f＿S＿A和f＿S＿F隨季節(jié)變化不明顯，且波動(dòng)幅度較小，綜合全年數(shù)值得到，f＿S＿A和f＿S＿F在0.15～0.30和0.15～0.32之間。

圖2(e)和(f)中列出了與顆粒性有機(jī)物相關(guān)的轉(zhuǎn)化系數(shù)X與X轉(zhuǎn)換因子f＿X＿S和X與X轉(zhuǎn)換因子f＿X＿I?？梢钥闯?，f＿X＿S與f＿S＿A和f＿S＿F一樣，隨季節(jié)變化不明顯，且波動(dòng)幅度較小，綜合全年數(shù)值得到，f＿X＿S在0.10～0.28之間。但f＿X＿I波動(dòng)幅度較大，在0.45～0.75之間，且體現(xiàn)出較強(qiáng)的季節(jié)變化規(guī)律，在冬季尤其是第四季度，f＿X＿I波動(dòng)幅度逐漸減小，在0.55～0.65之間波動(dòng)。當(dāng)進(jìn)入夏季時(shí)如第二季度數(shù)據(jù)所示，f＿X＿I波動(dòng)幅度逐漸增大，在0.40～0.80之間波動(dòng)。這是由于f＿X＿I是顆粒態(tài)不可生物降解有機(jī)物的占比，夏季雨水多時(shí)，該值取決于地表徑流進(jìn)入排水管網(wǎng)的污染物的組成，因此波動(dòng)性較大。

綜上所述，進(jìn)水水質(zhì)和模型水質(zhì)組分的轉(zhuǎn)換系數(shù)如下表所示：

表2 進(jìn)水水質(zhì)和模型水質(zhì)組分的轉(zhuǎn)換系數(shù)

3.2 實(shí)際污水處理廠的應(yīng)用

3.2.1 污水處理廠概況

該污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為56萬m/d，其出水水質(zhì)執(zhí)行一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。污水廠主體工藝采用改良AAO工藝(預(yù)缺氧-厭氧-缺氧-好氧)，水力停留時(shí)間HRT=9.58h，其中預(yù)缺氧池為0.33 h，厭氧池為0.99 h，缺氧池為2.85 h，好氧區(qū)為5.44 h。污泥回流比為50%～100%、混合液回流比為100%～200%。采用商業(yè)軟件搭建該污水處理廠生化處理工藝的模擬模型，如圖3所示。

圖3 污水廠工藝流程圖

3.2.2 模型水質(zhì)轉(zhuǎn)換方法適用性的模擬驗(yàn)證

為了考察前述模型水質(zhì)轉(zhuǎn)換方法的可靠性，將模型水質(zhì)數(shù)據(jù)輸入到穩(wěn)定運(yùn)行的污水廠模型系統(tǒng)中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬，通過對(duì)模擬值和實(shí)際運(yùn)行進(jìn)出水實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析，確定模型水質(zhì)的適用性。穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果如表3所示。

表3 穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果

由表3可以看出，CODcr、TN和SS的模型運(yùn)算值與污水處理廠實(shí)際出水的檢測(cè)值相差不大，誤差率在10%左右，NH3-N的模擬擬合度較差，這是由于其出水指標(biāo)數(shù)值較低，即使絕對(duì)誤差較小(僅為0.12mg/L)，但相對(duì)誤差仍然較大。綜合分析上述結(jié)果，推薦的模型轉(zhuǎn)換水質(zhì)精度較高。

同時(shí)，亦進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，將該廠第二季度的實(shí)際進(jìn)水進(jìn)行模型水質(zhì)轉(zhuǎn)換后輸入模型，模型運(yùn)算結(jié)果與實(shí)際出水對(duì)比如圖4所示。

圖4 CODcr動(dòng)態(tài)模擬值與實(shí)際值對(duì)比

圖4表明，模型運(yùn)算值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本一致，數(shù)值偏差不大。結(jié)果表明，本次模型水質(zhì)轉(zhuǎn)換方法具有較高的準(zhǔn)確性，能夠?qū)ΤＲ?guī)水質(zhì)組分進(jìn)行精確劃分，有利于提高模型模擬的精度。

4 結(jié)論

本文基于ASM2D模型，構(gòu)建了進(jìn)水常規(guī)指標(biāo)與模型組分的轉(zhuǎn)換路徑，通過考察污水處理廠全年的進(jìn)水水質(zhì)與模型水質(zhì)組分情況，得到如下結(jié)論：

1)從進(jìn)水常規(guī)指標(biāo)看出，該污水廠進(jìn)水具有一定的可生化性且碳源充足；

2)f＿TSS＿COD和f＿X＿I分別在0.75～0.90和0.40～0.80之間，隨季節(jié)變化明顯；而f＿S＿PO、f＿S＿A、f＿S＿F和f＿X＿S在0.70～0.90、0.15～0.30、0.15～0.32和0.10～0.28之間，隨季節(jié)變化不明顯；

3)把推薦的模型水質(zhì)作為輸入值，應(yīng)用于穩(wěn)定運(yùn)行的污水廠生化工藝模型系統(tǒng)中，并同步進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，結(jié)果表明，模型運(yùn)算結(jié)果和廠區(qū)實(shí)際出水具有較高的吻合度，本次推薦的模型水質(zhì)轉(zhuǎn)換方法可靠。