工藝仿真在污水處理廠溶解氧控制中的應用

趙燃　王曉敏　胡曉東

[摘? ? 要]市政污水處理廠曝氣池的溶解氧水平對于氨氮和總氮的去除至關重要。利用工藝仿真技術重現某污水處理廠的運行現狀，在此基礎上模擬不同溶解氧水平下的出水情況，最終篩選出能保證出水水質達標的溶解氧目標值組合。參照經過優化的溶解氧目標值，控制實際污水廠曝氣池溶解氧水平，結果顯示，當溶解氧濃度穩定維持在設定溶解氧目標值時，出水水質能夠穩定達標。

[關鍵詞]市政污水廠;工藝建模與仿真;溶解氧設定值;優化

[中圖分類號]X703 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）09–000–03

[Abstract]The dissolved oxygen control （DO control） of the municipal wastewater treatment plant （WWTP） is significant for nitrogen removal. On the basis of reproducing the process of a WWTP by simulation， the effluent quality was predicted in the case of different DO setting values. Then the appropriate combination of DO set-points were determined for the DO control of actual biological tank. And the results indicated that when DO levels were around the DO set-points steadily， the effluent quality could meet the standards through DO control system.

[Keywords]municipal wastewater treatment plant; process modeling and simulation; DO set-point; Optimization

1 概述

活性污泥法是目前應用最為廣泛的城市污水處理工藝，其核心單元曝氣池的溶解氧濃度（DO）是活性污泥法脫氮除磷工藝的關鍵參數之一。如果DO不足，好氧微生物（硝化菌）得不到充足的氧，影響生物活性及代謝，直接影響氨氮的去除效果;而如果好氧池DO過高，好氧微生物無法完全消耗，進入后續缺氧池或者厭氧池的DO就會影響反硝化菌和聚磷菌的代謝，導致氮、磷去除效果下降;另外，DO過高也會造成能源的浪費。因此對于DO合理值的控制長久以來存在不同的建議。傳統的理論認為，污水處理廠需要將DO濃度控制在2.0 mg/L以上[1]，才能實現持續、穩定的硝化效果。但是近年來的研究表明，在較低的DO水平下也能實現完全的硝化作用，而且在低DO水平條件下運行，不僅可以增加污泥系統的生物量，還可以大大提高氧轉移效率[2-6]。

以城市污水處理最常見的A2/O工藝為例，生化反應池為推流式，污染物濃度沿水流方向不斷降低，好氧段沿程的污染物負荷不同，不同空間位置上對DO濃度的設定需求也存在差異，合理的DO空間分布與設定直接影響著出水水質和運行能耗。

ProSee是一款用于城市污水工藝建模與仿真的軟件[7]，核心模型包含國際水質協會IWA的ASM模型[8]、二沉池一維通量模型、設備能耗及藥耗模型等，能夠對城市污水處理全流程進行仿真模擬。本文以ProSee工藝仿真軟件為基礎，建立某污水處理廠數學模型，對曝氣池不同區域DO設定值進行仿真與優化，并將仿真優化的DO設定值組合結果作為現場運行調試的依據，據此改進了污水廠實際運行參數，為污水廠關鍵運行參數的優化與確定提供新的思路，提高污水廠參數優化調整效率，降低污水廠運行風險。

2 工藝仿真用于優化某污水廠溶解氧設定值

2.1 研究對象

某污水處理廠近期建設規模為50萬m3/d，污水處理采用A2/O

工藝，共設5個系列，每個系列由2座生化池合建。由于每座生化池的運行狀況都是類似的，因此模擬1座生化池就可以代表全廠的運行狀態。單座生化池的平面圖如圖1所示。

模型將好氧池沿水流方向分為3個溶解氧控制區，將第一好氧區分為2個溶解氧控制區，分別為第一溶解氧控制區和第二溶解氧控制區，第二好氧區只設一個溶解氧控制區，為第三溶解氧控制區，每個控制區都會設置一個溶解氧目標值，分別記為DO1、DO2、DO3（圖1），使曝氣池在該區域的DO水平維持在目標值左右。

該污水廠在實際運行過程中，由于第一好氧區前端曝氣過量，有機物大量去除，而進入曝氣池后端的污水DO濃度在保證攪拌效果的低曝氣強度的情況下依然很高，而營養物質不足，難以消耗過量的溶解氧，致使進入下個工藝段即第二缺氧池的污水DO繼續偏高，影響反硝化作用，對總氮去除不利。因此，優化第一好氧池前后端的溶解氧控制目標值，對好氧池的溶解氧進行精細化控制，對于出水水質的穩定達標至關重要。

2.2 模型校準及驗證

為了提高模擬結果的可信度，必須對所建立的模型進行校準。以該污水廠實際運行狀況及監測數據為依據，對活性污泥數學模型的化學計量學和動力學參數進行適當的調整，使最終的模型校準結果能夠反映此污水廠的實際運行情況，重現污染物削減過程，并預測不同進水負荷及其他運行環境和條件變化對出水造成的變化。

通過研究2017年2月份該污水廠的運行數據（未啟用溶解氧控制系統），包括進出水水量、進出水水質，并以此作為模型的校準依據，實際運行數據及校準結果見表1。

由表1可知，模擬的出水水質與實際出水水質的誤差在誤差允許范圍內[9]，經過校準的模型能夠重現污水廠實際的運行情況，進而指導污水廠的運行決策。

3 溶解氧目標設定值的優化

通過ProSee工藝仿真軟件模擬不同溶解氧組合下出水水質的達標情況，以出水達標為目標，對比選擇出合理的溶解氧設定值組合，實現溶解氧目標設定值的優化，為曝氣池的溶解氧控制提供參考。

3.1 溶解氧設定方案

根據污水廠實際運行情況，為了避免因前端曝氣過量影響后續的反硝化過程，在第一溶解氧控制區應適當減少曝氣量以控制DO1，DO2則適當增加以進一步去除廢水中的氨氮。第二溶解氧控制區出水會經過一個消氧區以消耗水中多余的溶解氧，因此DO2也不宜設置的太高，使消氧區消氧不充分影響后續的反硝化作用。依據上述情況，三個控制區的溶解氧目標設定值的設定方案見表2。

3.2 仿真結果

以表1所示的進水水量及水質作為仿真的輸入條件，同時按照表2所設置的一系列溶解氧目標設定值作為仿真的運行參數來模擬實施溶解氧控制后的效果，判斷仿真結果是否滿足：

（1）出水氨氮達標（<5 mg/L），另外根據現場數據的均值，未受溶解氧控制前，出水氨氮均小于1 mg/L，因此出水目標值設為1 mg/L;

（2）出水總氮達標（<15 mg/L）。

根據以上條件，利用ProSee軟件模擬出一系列的出水水質結果，如表3和圖2所示。

由仿真結果可知，溶解氧設定值越高，出水氨氮則越低，這與自養菌硝化作用耗氧有關。當DO低于1 mg/L時，出水氨氮就超過1 mg/L，如果DO偏低，不利于自養菌的代謝生長，影響出水氨氮;另外，較高的DO水平則會抑制反硝化作用，使出水總氮上升，在DO1和DO3不變的情況下，DO2從1.0 mg/L增加到5.0 mg/L，總氮則從8.20 mg/L上升到9.23 mg/L，說明DO2過高會抑制后續反硝化過程的進行;增加DO1，如方案5，出水總氮則繼續升高至10.00 mg/L;而當DO1過高同時又能控制住DO2的情況下，總氮也能下降到8.28 mg/L，同時出水氨氮能夠保證較低的濃度水平（0.42 mg/L），但是為了保證污泥不發生沉降，至少要給曝氣池提供最低曝氣量，另外進入第二溶解氧控制區的污水沒有足夠的有機物消耗水中過量的DO，因此在實際情況中難以實現。綜合以上仿真的結果，可為溶解氧目標設定值的設定提供參考，同時考慮到第二好氧區出水直接進入二沉池，為不造成二沉池回流污泥含較高的溶解氧，DO3的設置也不宜過高。建議參照表4來配置溶解氧目標設定值。

4 溶解氧控制的應用效果

4.1 溶解氧控制效果

以通過仿真選擇的溶解氧目標設定值作為實際溶解氧控制的依據，在利用精確曝氣流量控制系統實施DO控制之后，現場DO控制穩定性較實施前有大幅提高。以污水廠2號生化池B系列的控制效果為例，在溶解氧受控前后的時間段里，取各自連續運行48h的溶解氧濃度數據并繪制成曲線，對比分析了控制效果，如圖3所示。

由圖3可知，在DO受控前，曝氣池的曝氣量根據進水負荷變化人為調節，DO1和DO2變化幅度較大，而在DO受控后，DO1和DO2能夠在溶解氧設定目標值上下波動，穩定性大幅度提高;由于進入第三溶解氧控制區的水質經過前端工藝的處理達到較低水平，進水負荷的變化對其處理效果不會產生直接的影響，因此在低氣量模式下，DO3在受控前后都能保持相對穩定。

4.2 出水水質

本文統計了2017年4月6日—2017年4月12日（溶解氧受控后）出水水質化驗數據，如圖4所示。

由圖4結果可知，溶解氧受控后，能保證出水穩定達標。由此可知，根據仿真結果獲得的溶解氧目標設定值能夠有效地指導現場溶解氧目標值的控制，保證溶解氧的穩定和出水水質的穩定達標。

5 結論

經過校準了的污水廠工藝模型能夠較好地重現污水廠的運行情況;在此基礎上對曝氣池的溶解氧目標設定值進行優化，進而確定溶解氧目標設定值范圍，分別為DO1=0.7～1.5 mg/L，DO2=1.0～3.0 mg/L，DO3=1.0～3.0 mg/L，以此指導實際DO的控制，控制結果顯示曝氣池DO在設定值上下一定范圍內波動，保持相對穩定，同時能夠保證出水達標。綜上所述，利用工藝仿真技術能夠很好地重現污水處理廠運行情況，并為污水處理廠DO的優化控制提供參考和技術支持。

參考文獻

[1] Park H D，Noguera D R. Evaluating the effect of dissolved oxygen on ammonia- oxidizing bacterial communities in activated sludge [J].Water Research，2004，38（14 - 15）：3275-3286.

[2] Park H D，Noguera D R. Characterization of two ammonia-oxidizing bacteria isolated from reactors operated with low dissolved oxygen concentrations [J]. Journal of Applied Microbiology， 2007，102（5）：1401-1417.

[3] Liu G Q，Wang J M. Long - term low DO enriches and shifts nitrifier community in activated sludge [J].Environmental Science & Technology，2013，47（10）：5109 -5117.

[4] Guo J S，Xu Y F，Chen Y P，et al. Long - term evolution of an activated sludge system under low dissolved oxygen conditions [J]. Journal of Environmental Biology，2013，34（2）：427-436.

[5] Abbassi B，Dullstein S，R?biger N. Minimization of excess sludge production by increase of oxygen concentration in activated sludge flocs; experimental and theoretical approach [J]. Water Research，1999，34（1）：139-146.

[6] Gieseke A，Purkhold U，Wagner M，et al. Community structure and activity dynamics of nitrifying bacteria in a phosphateremoving biofilm [J]. Applied and Environmental Microbiology，2001，67（3）：1351 - 1362.

[7] 范吉，謝磊，范岳峰，等. 一種新的污水處理仿真與優化控制軟件ProSee及功能介紹 [J]. 全國排水委員會2012年年會論文集，2012.

[8] Henze M，Gujer W，Mino T，et al. Activated sludge models ASM1，ASM2，ASM2d and ASM3 [M]. London：IWA Publishing，2000.

[9] 施漢昌，胡志榮，楊殿海，等.活性污泥模型應用指南 [M].北京：中國建筑工業出版社，2014.