ASDM模型對AO工藝的模擬改造

馬 昭，李 鵬，吳林杰

(1.西安市政設計研究院有限公司，陜西西安 710068；2.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽 550081)

污水處理工藝包含的過程復雜，工藝調整普遍依靠工程經驗，調整周期較長，成本較高，還存在一定風險。數值模擬的方法可較快模擬出不同污水處理系統下的出水水質，因此，在污水處理工藝的設計與運營預測方面得到關注與發展[1]。從20世紀70年代起，研究人員及相關機構陸續開發了多種活性污泥工藝系統的數學模型，例如ASM1[2-5]、ASM2[4-5]、ASM2d[5-6]及ASM3[5,7]，其中，以國際水協會(IWA)提出的活性污泥模型(ASMs)、厭氧消化模型(ADMs)最具代表性[8]，而BioWin模擬軟件的核心是主要包含ASMs與ADMs的ASDM綜合模型。無論是國內還是國外對于數學模型的研究都大多集中于傳統工藝，而對于傳統工藝的改良工藝在模型方面的研究較為少見。本文利用BioWin軟件將實際污水廠AO工藝分別模擬改造為MLE工藝、AAO工藝、多段進水AO工藝、多段多級AO工藝,為實際污水處理工藝的工程改擴建及改良提供參考依據。

BioWin可在多種操作系統中運行，軟件操作十分方便。該軟件在ASDM模型的基礎上，建立了各種反應池、沉淀池、進出水及污泥處置等共計30個工藝單元模塊，用戶通過組合這些結構化模塊，可快速構建目標污水處理工藝的概化模型[1]。

1 污水廠概況

某污水廠處理污水流量為333 116.0 m3/d，AO工藝流程如圖1所示，工藝流程簡單，不需投藥，且不考慮內循環。因此，建筑與運行費用均較低，因無內循環的影響，厭氧反應器能夠保持良好的厭氧狀態[8]。

圖1 污水廠AO工藝流程Fig.1 Process Flow Diagram of AO in WWTP

厭氧池為4池串聯，好氧池為2池串聯，厭氧池、好氧池與沉淀池的有效容積、有效面積與有效深度如表1所示。污水廠原出水設計標準(一級B標準)的參數如下：pH值為6～9；SS含量≤20 mg/L；CODCr含量≤60 mg/L；BOD5含量≤20 mg/L；氨氮含量≤8(15)mg/L(括號外數值為水溫>12 ℃時的控制指標，括號內數值為水溫≤12 ℃時的控制指標)；TP含量≤1.0 mg/L；糞大腸菌群數為104個/L。進水水質監測數據如表2所示。

根據《城鎮污水處理廠污染物排放標準》，由表2可知，出水CODCr含量在50～60 mg/L，BOD5含量在10～20 mg/L，TN含量在15～20 mg/L，均符合國家一級B標準，而氨氮含量>8 mg/L，TP含量>1.0 mg/L，不符合國家一級B標準，污水廠運行出水未達標。

表1 工藝中各構筑物尺寸Tab.1 Size of Each Structure in Process

表2 進水水質監測結果Tab.2 Monitoring Results of Influent Quality

同時，該AO工藝在實際運行中主要存在如下問題。(1)除磷效果很難提升。微生物會攝入磷，雖然是過量攝入，但也有一定限度，尤其當進水BOD5較低或污水中含磷量較高時。(2)在好氧池后沉淀池內易產生釋磷現象，需及時排泥與污泥回流。

針對以上問題，為了提高污水中污染物的去除效率，需要對現用AO工藝進行改造，而污水處理工藝涉及的過程復雜，工藝的調整多數情況下需依靠工程經驗，調整周期較長，成本較高，還存在一定風險。

因此，可用BioWin軟件對工藝進行快速模擬與改造。在工藝改造前，先用BioWin軟件為AO工藝建模，驗證BioWin軟件所建立的模型對實際工藝模擬的準確性。

2 模型構建與驗證

2.1 構建工藝概化模型

根據AO工藝的原理以及表1中的有效幾何尺寸，建立工藝概化模型如圖2所示，輸入進水量與水質監測結果(表2)，其他進水組分默認為IWA推薦的典型污水組分(原污水)如表3所示。而對于模型相關參數(化學計量與動力學參數)，默認為IWA推薦值如表4所示。

圖2 AO工藝概化模型Fig.2 Generalized Model of AO Process

表3 典型污水組分Tab.3 Typical Wastewater Components

表4 化學計量學與動力學參數Tab.4 Parameters of Stoichiometry and Dynamics

2.2 模擬與結果分析

參照表2的數據對模型中相關參數進行修正，以達到對模型的校準，校準后的模型能夠較為準確地反映實際工藝的運行狀況。然后利用此模型對AO工藝進行最終模擬，得到準確的模擬結果。模型各構筑物中的出水水質模擬值如表5所示。

表5 AO工藝模型各構筑物中出水水質模擬值Tab.5 Analog Values of Effluent Quality in Each Structure of AO Process Model

將AO工藝出水水質的模擬值與試驗測量值進行對照(圖3)。由圖3可知，模型出水水質組分的模擬濃度與實測濃度基本相符，模型能夠反映實際污水處理工藝的運行。實際出水與模擬出水水質組分的相對誤差小于5%[9-10]，表明使用BioWin軟件構建的模型，經過參數修正與模型驗證，可以較為準確模擬實際工藝出水與運行狀況，這為改造工藝的準確模擬奠定基礎。

圖4 MLE工藝模型Fig.4 MLE Process Model

圖3 AO工藝出水水質的模擬值與測量值對比Fig.3 Comparison of Histogram Analog and Measured Values of Effluent Quality in AO Process

3 工藝改造

為了提高脫氮除磷與有機物去除率，提升污水處理廠出水水質,同時，既能實現污水廠的節能減排，又能使出水水質滿足一級A標準[11]，需要對實際現用的AO工藝進行改造。改造的備選工藝為MLE工藝[12]、AAO工藝[13]、多段進水AO工藝[13]、多段多級AO工藝[14-15]。通過構建相應的模型來模擬出水水質，最終篩選出出水水質較好的工藝。

3.1 MLE工藝的模擬

根據MLE工藝的原理以及表1所述的有效幾何尺寸，建立工藝概化模型如圖4所示，模型中輸入進水量與水質監測結果(表2)，混合液回流比為200%，污泥回流比為80%，其他進水組分默認為IWA推薦的典型污水組分(原污水)。而對于模型相關參數(化學計量學與動力學參數)，默認為IWA推薦值。

同樣地，按照表2的數據對所建模型進行校準，利用校準后的模型對污水處理系統進行最終穩態模擬，得到準確的模擬結果，各構筑物中水質模擬結果如表6所示。

表6 MLE工藝模型中各構筑物中出水水質模擬值Tab.6 Analog Values of Effluent Quality in Each Structure of MLE Process Model

3.2 AAO工藝的模擬

根據AAO工藝的原理，建立工藝概化模型如圖5所示，再根據表1的數據來定義模型中反應器的有效幾何尺寸，模型中輸入進水量與水質監測結果(表2)，混合液回流比為200%，污泥回流比為80%，其他進水組分默認為IWA推薦的典型污水組分(原污水)。而對于模型相關參數(化學計量學與動力學參數)，默認為IWA推薦值。

圖5 AAO工藝模型Fig.5 AAO Process Model

對AAO工藝模型中相關參數進行修正，以達到對模型的校準。然后使用校準后模型進行最終的穩態模擬，得到各構筑物中水質模擬結果如表7所示。

表7 AAO模型中各構筑物中出水水質模擬值Tab.7 Analog Values of Effluent Quality in Each Structure of AAO Process Model

3.3 分段進水AO工藝的模擬

模擬分段進水AO工藝時，根據分段進水AO工藝的原理以及表1所述的有效幾何尺寸，建立工藝概化模型如圖6所示，圖中模型的缺氧池1～2與原AO工藝模型中的厭氧池3～4幾何尺寸相同。向模型中輸入進水量(分段數為2，各段流量分配比均為50%)與水質監測結果(表2)，污泥回流比為80%，其他進水組分默認為IWA推薦的典型污水組分(原污水)。而對于模型相關參數(化學計量學與動力學參數)，默認為IWA推薦值。

圖6 多段進水AO工藝模型Fig.6 Step-Fed AO Process Model

同樣地，參照表2的數據對所建模型進行校準，利用校準后的模型對污水處理系統進行最終穩態模擬，得到準確的模擬結果，各構筑物中水質模擬結果如表8所示。

表8 多段進水AO模型中各構筑物中出水水質模擬值Tab.8 Analog Values of Effluent Quality in Each Structure of Step-Fed AO Process Model

圖7 多段多級AO工藝模型Fig.7 Step-Fed and Multi-Stage AO Process Model

3.4 多段多級AO工藝

根據多段多級AO工藝的原理，建立工藝概化模型如圖7所示，再根據表1的數據來定義模型中反應器的有效幾何尺寸，圖7模型中缺氧池1～2與原AO工藝模型中的厭氧池3～4幾何尺寸相同。向模型中輸入進水量與水質監測結果(表2)，其他進水組分默認為國際水協(IWA)推薦的典型污水組分(原污水)(表3)。而對于模型相關參數(化學計量學與動力學參數)，默認為IWA推薦值(表4)。

參照表3的數據對所建模型進行校準，利用校準后的模型對污水處理系統進行最終穩態模擬，得到準確的模擬結果，各構筑物中的水質模擬結果如表9所示。

表9 多段多級AO模型中各構筑物中出水水質模擬值Tab.9 Analog Values of Effluent Quality in Each Structure of Multi-Sects and Multi Levels AO Process Model

3.5 各工藝模擬結果分析

利用BioWin軟件對污水廠現用AO工藝、改造的MLE工藝、AAO工藝、分段進水AO工藝與多段多級AO工藝進行建模，并進行相關參數的修正與模型校準，校準后的模型均可以較為準確地模擬各工藝的出水水質與運行狀況。以下對各工藝最終的穩態模擬出水水質和去除率進行的整理與分析，分析結果如圖8所示。

由圖8可知，對于出水BOD5組分，多段多級AO工藝處理效果最好，去除率可達90.60%；對于出水CODCr組分，多段多級AO工藝的去除效果較好，去除率為84.70%；對于出水TP組分，相對其他工藝，多段進水AO工藝的去除效果最佳，去除率為92.40%，其次為多段多級AO工藝，其去除率為89.80%；對于出水TN組分，多段多級AO工藝的處理效率較高，去除率達到56.75%；對于出水氨氮組分，多段多級AO工藝的去除率較佳，去除率可達83.10%。綜上，就污染物的總體去除率而言，多段多級AO工藝去除效果較佳，達到一級A標準。

多段多級AO工藝根據ASDM模型在現有污水處理工藝基礎的模擬優化，并進行中試試驗，出水水質較好，最終應用于現有污水處理工藝的提標改造上，改造后污水處理工藝出水水質達到一級A標準。

4 改造工藝的優缺點分析

4.1 MLE工藝

注：A—AO工藝，B—MLE工藝，C—AAO工藝，D—分段進水AO工藝，E—多段多級AO工藝圖8 各工藝模擬出水水質結果Fig.8 Simulated Effluent Quality Results of Each Process

MLE工藝可充分利用進水中可生物降解有機物作為脫氮能源，確保所需碳源充足。同時，該工藝好氧反應在缺氧反應后，可進一步去除缺氧池反硝化殘余的有機物，使出水水質進一步改善。而為了避免底部回流對沉淀池運行穩定性產生影響，MLE工藝在傳統的AO工藝回流系統中，不僅在沉淀池底部設污泥回流(外回流)循環系統，而且在好氧池出口處加設混合液回流(內回流)循環系統。外回流比一般在50%～100%，內回流比一般在200%～300%。致使工藝的設備相對較多，運行電耗較大。再者，該工藝不能達到完全脫氮的效果，好氧池總流量的一部分未回流至缺氧池，而是隨出水直接排放。

4.2 AAO工藝

AAO工藝在系統上可稱為最簡單的同步除磷脫氮工藝，HRT小于其他類似工藝。在厭氧池、缺氧池及好氧池交替運行條件下，不易出現污泥膨脹現象。運行中無需投加藥劑，厭氧反應器與缺氧反應器只需輕緩攪拌，工藝運行費用較低。

此工藝的缺點是：除磷效果很難再次提高，尤其是在進水P/BOD5較高時；脫氮效果亦很難再次提高，內回流量一般有限，不宜太高；沉淀池內污水需一定濃度的溶解氧(DO)，縮短HRT，避免產生厭氧狀態，防止污泥釋磷，但DO的濃度亦不宜太高，以避免回流混合液對缺氧池的干擾。

4.3 分段進水AO工藝

分段進水AO工藝中，原污水分散流入反應池，與傳統前置反硝化工藝比較，該工藝無需設置硝化液內循環系統，可節省內回流所需能耗；缺氧反應可以充分利用原污水中有機物進行反硝化，減少投藥量；系統內平均污泥濃度較高，固體停留時間長，池容小，基建費用低。此外，原污水分多點流入反應池，當洪峰流量時，污泥被沖刷的風險可有效避免或降低。

多段進水帶來一些優點，而工藝運行相對復雜。進水流量分配作為分段進水AO工藝最重要的影響因素，缺氧池中反硝化供體隨進水流量分配比的不同而不同。因此，進水流量分配比不但影響工藝充分利用各段硝化容量，還影響各段缺氧反硝化的效果。此外，污水處理工藝的動態復雜性及硝化反硝化在某些方面的相互矛盾性，致使難于通過分配流量的方式使系統在任意時刻的流量分配都為最佳。

4.4 多段多級AO工藝

多段多級AO工藝是在傳統的AAO工藝基礎上的技術創新，具有明顯的先進性與優越性，主要表現在以下幾點。

(1)脫氮除磷效率高。多段多級AO工藝脫氮包含2個途徑：①通過硝化、反硝化反應脫氮；②通過剩余污泥排放去除氮。

(2)充分利用碳源。污水分段進入厭氧池和缺氧池，充分利用污水中有機碳源，保證釋磷與反硝化反應的進行，提高除磷脫氮效率。

(3)具有較強的抗沖擊負荷能力。污水分段進入反應池，且池內污泥濃度高，提高了反應池對水質水量變化沖擊負荷的適應能力，使處理效果穩定。

(4)污泥濃度高，污泥產量減少。污水分段進入反應池，回流污泥全部進入好氧池前端的厭氧(或缺氧)池，形成由高到低的污泥濃度梯度，好氧池內平均污泥濃度高，污泥負荷低，致使硝化菌、反硝化菌及聚磷菌優勢生長，增強了除磷脫氮效果，提高了出水水質。同時厭(缺)氧與好氧交替進行，活性污泥得到優化，剩余污泥產量相對減少。

(5)具有工程投資省、運行費用低等優點。

5 結論

通過利用BioWin軟件對污水廠現用AO工藝模擬改造，分別改造為MLE工藝、AAO工藝、多段進水AO工藝與多段多級AO工藝，得出各工藝出水水質模擬結果。就污染物的總體去除率而言，多段多級AO工藝去除效果較佳。同時，大量的國內外工藝試驗研究和工程應用結果表明，多段多級AO工藝能夠彌補以上工藝在運行中所出現的不足，并具有高效脫氮除磷的作用，運行穩定可靠，無需內回流，基建投資與運行費用低，抗沖擊負荷能力強，運行中可根據變化的水質、水量調整各點進水，具有更強的靈活性等優點。建議國內各污水處理廠在升級改造工程中考慮該工藝，以達到提高出水水質，提升節能減排功效，加強運行可靠性的目的。