模型在蘇州市某污水廠升級改造中的應用

杜 娜

（江蘇中升太環境技術有限公司，江蘇 蘇州 215009）

0 引言

隨著我國城鎮污水廠的數量不斷增長，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境帶來了負面影響，如水體富營養化。2005年，原國家環境保護總局第1 次提出：城鎮生活污水處理廠出水排入國家和省確定的重點流域及湖泊、水庫等封閉式、半封閉水域時，應執行GB 18918—2002一級A 標準。2006年，又將一級A 標準的適用范圍擴大到大多數城鎮污水處理廠。2015年“水十條”及《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（征求意見稿）的發布，對污水處理設施實行一級A 標準提出了時間要求，這意味著污水廠提標改造成為大勢所趨。

目前，我國90%以上城鎮污水廠均采用活性污泥工藝，實踐證明，活性污泥數學模型（ASMs）[1-4]可以模擬活性污泥系統中生物、化學過程。隨著計算機技術的發展，國際上出現了很多以ASMs 為核心的商業模擬軟件，如WEST，GPS-X，BioWin 等，為模型應用于污水處理系統提供了平臺。大量研究表明，活性污泥數學模型可以成功應用于污水處理廠的升級改造中。張春明等[5]借助BioWin 平臺，以ASM2D 為核心，對上海龍華水質凈化廠AO 工藝進行了模擬改造，從工藝運行參數調整和工藝改造2 方面進行預測分析，使出水水質達到更高的排放標準。馬昭等[6]基于ASM2D，對西安市某污水廠奧貝爾氧化溝工藝進行模擬優化，通過調節污泥回流比、BOD5污泥負荷，取得了更高的污染物去除率，提高了出水水質。SARKAR U 等[7]以ASM1 為機理，采用STOAT 軟件對Titagarh 污水廠的不同改造方案進行了模擬比較，最后確定了出水水質最優的工藝方案。VANDEKERCKHOVE A 等[8]以ASM1 為基礎，建立了污水處理廠好氧段數學模型，利用該模型對好氧段進行升級改造，通過增大反應池體積，同時控制旁流量，使改造后的出水污染物濃度有了大幅降低。

對蘇州市某污水廠一期單溝式氧化溝工藝進行升級改造，利用該廠的運行經驗和歷史數據，在傳統最不利工況設計方法的基礎上，引入模擬仿真技術，針對典型工況，系統、定量分析擬選工藝的處理效能和關鍵技術環節。使出水水質由一級B 提高到一級A 標準，同時實現穩定運行的目標。

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，設計處理量為8 000 m3/d，采用“厭氧池+傳統單溝式氧化溝+二沉池”工藝。其中，厭氧池設1座，停留時間為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，溝內設計缺氧段停留時間為1.9 h，好氧段停留時間為5.8 h，每座氧化溝內布置2 臺曝氣轉碟，每臺轉碟的供氧能力為24.2 kg/h（以O2計），溝內設計污泥質量濃度為2 800 mg/L。二沉池采用平流式沉淀池，設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，設計污泥回流比為67%。該廠一期工程設計進出水水質見表1，設計出水水質執行GB18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中一級B 標準。

表1 一期工程設計進、出水水質 mg·L-1

1.2 污水廠運行效果

目前污水廠一期工程出水各污染指標COD，NH4+-N，TN，TP，TSS 均未能完全達到一級B 標準。一期工程工藝對污染物的去除率低，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%。

為了提高系統污染物去除效率，滿足污水廠提標改造的要求，同時保障出水水質穩定達標，需對污水廠一期工程進行升級改造。

2 模型介紹

2.1 模型建立與校準

案例以BioWin 軟件為平臺，選擇AS/AD 模型描述活性污泥系統中生物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 個非曝氣池（An-1～An-3）和2 個曝氣池（BR-1，BR-2）的串聯模擬單溝式氧化溝的工藝特性，根據溝內實測流速，確定氧化溝平均內回流量為680 400 m3/d，約為設計進水量的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、進水條件、運行控制模式具有明顯的季節性特征，針對全年水溫變化情況，以該廠1 a 內進、出水監測數值及污泥運行參數（2012年4月～2013年3月）為研究對象，將水溫分成不同的區間，模型校準時采用該廠不同水溫區間的進水數據和運行數據的平均值，具體參數見表2。

表2 不同水溫區間污水廠進水和污泥參數平均值 mg·L-1

根據不同水溫區間的穩態模擬理論，同樣的廢水特征參數、動力學參數和化學計量學系數條件下，可通過該套模型較理想的模擬污水廠全年出水水質及污泥濃度的變化特征。

采用2017年9月歷史平均數據進行模型校準，通過物化方法[9]測定該廠廢水進水特征參數，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%。根據進水COD/BOD5的值，推算出顆粒性不可生物降解COD 占22%。通過調整動力學參數，其中，氨氧化菌最大比生長速率由默認值0.9/d 校準為0.6/d，異養DO 半飽和系數、好氧反硝化DO 半飽和系數由0.05 mg/L 校準為0.15 mg/L。出水COD，NH4+-N，TN，TP 的模擬值與實測值的絕對誤差控制在1.0 mg/L 以內，出水TSS 的絕對誤差為5.6 mg/L，擬合誤差在可接受的范圍內，校準結果理想。模型的校準具體結果見表3。

表3 污水廠一期工程模型校準結果 mg·L-1

2.2 模型可靠性驗證

采用2017年9月12日連續24 h 的實測數據進行模型驗證，驗證結果見圖2。由圖2可以看出，出水水質模擬結果隨時間的變化趨勢與實測值擬合較好，且各指標的平均絕對誤差較小，出水COD，NH4+-N，TN，TP，TSS 的平均質量濃度絕對誤差分別為1.6，1.0，0.4，0.3，1.8 mg/L。驗證結果表明，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證

3 模型選擇應用

3.1 改造方案

根據一期已建氧化溝的布置形式，為減少改造工程量，提高運行處理效果，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、時間上動態變化的工藝[10]，在其前增加厭氧池，可實現生物脫氮除磷，該工藝運行模式比較靈活，采用常規靜態計算優化比較困難，引入工藝模擬進行動態優化。案例模擬配置DE 型氧化溝2 條，單溝內各配備射流曝氣裝置3 臺（1 臺功率為18.5 kW、2 臺功率均為22 kW），單溝內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

在校準和驗證的一期工程生物處理工藝模型基礎上，通過改變反應器的串聯模式、進水模式，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中的情景參數為基礎，對該改造方案的運行效果進行模擬分析。模擬優化分析時采用的DE氧化溝運行周期見表4。

表4 方案模擬優化分析DE 氧化溝運行周期

在該運行模式下，可控的操作參數有排泥量、污泥回流量、曝氣量。其中，排泥量根據設計泥齡控制；污染回流量通過含水率變化控制；曝氣量依據該污染處理廠進、出水水質設計。模擬發現，污泥回流量對COD，NH4+-N，TSS 的去除影響較小，對TN，TP 的去除影響較大，與馬菲菲等[11]的研究結論基本一致。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，會影響厭氧釋磷過程，降低TP 的去除效率，而過多的O2會影響反硝化過程，降低TN 的去除效率。綜合考慮污泥回流比對出水TN，TP 的影響，在該方案中設置污泥回流比為80%。

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

表5 不同曝氣模式模擬結果 mg·L-1

工況1 條件下，曝氣階段反應池內ρ（DO）最高值可達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A 標準要求?；亓魑勰鄡菵O 和NO3-N 對除磷過程有一定影響，需要通過化學投加除磷藥劑保證出水TP 達標。

工況2 條件下，曝氣功率提高，曝氣階段反應池內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18 mg/L?；亓魑勰鄡菵O和NO3-N 對除磷過程影響較大，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，無法實現穩定達標和節能降耗。

工況3 和工況4 條件下，曝氣功率為44 kW時，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?；亓魑勰鄡菵O 和NO3-N 對除磷過程影響較小，兼顧了生物脫氮和除磷過程。當曝氣功率增大到至62.5 kW，曝氣階段ρ（DO）達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，曝氣階段ρ（DO）最高為2.8 mg/L，該系統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 達標排放的安全系數不高，考慮投加少量化學藥劑保證除磷效果。當曝氣功率提高到62.5 kW 時，曝氣階段ρ（DO）在4.2 mg/L 左右，雖然出水也能達到一級A 標準，但是過量的曝氣不僅造成能源浪費，同時降低了出水TN 的安全系數。

雨季條件下，由于進水負荷大大提高，當曝氣功率為44 kW 時，曝氣階段ρ（DO）最高僅為0.3 mg/L，系統的硝化效果不理想，出水ρ（NH4+-N）達7.9 mg/L。當曝氣功率為62.5 kW 時，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標。

由此可見，非降雨條件時，春、夏、秋、冬季典型進水情景下，DE 氧化溝內曝氣功率為44 kW，即開啟2 臺曝氣器時，出水水質基本能滿足一級A 排放標準，且穩定達標；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藥劑來保證其出水達標。在雨季條件下，DE 氧化溝內曝氣功率為62.5 kW，即開啟3 臺曝氣器，并通過后續投加化學藥劑除磷，才能保證出水水質穩定滿足一級A 排放標準。

3.3 改造方案的驗證

污水廠一期工程進行升級改造后運行1 a 的監測數據見圖4。由圖4可知，改造方案在污水廠實際改造過程中是可行的，可使出水水質長期穩定滿足一級A 標準要求。驗證了模型在污水處理工藝升級改造工程中的有效性。

圖4 改造后污水廠出水水質監測結果

4 結論

蘇州市某污水廠一期工程改造擬采用“厭氧池+DE 型氧化溝”工藝可基本滿足實際進水水量、水質條件下的處理要求。DE 型氧化溝每組配備1 臺18.5 kW，2 臺22 kW 射流曝氣器可滿足峰值流量、負荷處理要求。在非降雨條件時，典型進水情景下，控制設計泥齡、污泥回流比為80%時，開啟2 臺22 kW 的曝氣器，出水水質基本能滿足一級A 排放標準要求；在冬季和夏季，出水需要通過投加一定量的化學藥劑來保證出水TP 達標。在雨季條件下，開啟3 臺曝氣器，并輔以化學除磷，可以實現出水水質穩定滿足一級A 排放標準要求。實踐證明，在污水廠實際升級改造工程中，采用該改造方案，出水水質穩定達標，驗證了模擬系統的可靠性，表明模型分析可以成為污水廠升級改造的有效工具。