福州市某污水處理廠工藝模擬與運行優化研究

＊陳若其

（福建海峽環保集團股份有限公司 福建 350014）

污水處理廠活性污泥處理系統是一個復雜的微觀系統，且水質水量波動大，傳統設計與運行管理的經驗方法已經不能滿足快速發展的污水處理需要。隨著“碳達峰”和“碳中和”戰略的提出，污水廠的運行管理，除了保證穩定達標排放，對提高處理效率、減少能耗的要求也日益提高。對于污水處理系統的分析與評估，傳統方法需通過構建等比例實體模型實驗來獲取解決方案，這種方法耗時耗力且難以改變物理結構和參數。基于活性污泥數學模型理論（ASM系列模型），通過專業軟件構建污水生物處理系統模型，可進行多次模擬實驗，獲取大量數據，可快速獲得解決方案，已經成為提升污水廠運營水平的趨勢。邵袁[1]利用WEST軟件構建了改良型AAO和Orbal氧化溝工藝的數學模型，針對實際運行存在的問題開展工藝的優化運行研究，提出并實施了優化方案，有效提升了處理效率并降低能耗。張輝等人[2]利用GPS-X軟件對污水廠建模的研究結果表明，污泥質量濃度的擬合是一個重要步驟。李冰等人[3]采用BioWIN軟件對某4萬噸/日污水廠建立工藝概化模型，進行靈敏度分析和參數率定，再對設計條件或穩態工況的基準情景與水量、水質、曝氣、排泥等參數大幅度變化的模擬情景進行比較分析，定量估計達標難度并提出對策，印證工藝數據分析得到的定性結論。

本研究針對福州某大型城市生活污水處理廠進水水質偏低，在不投加碳源情況下脫氮的運行控制壓力較大的問題，利用WEST軟件建立并校正工藝模型，指導脫氮優化運行策略，解決實際運行中試驗測量與運行管理問題，使出水水質在滿足一級A標準要求的前提下，節約運行成本。

1.模型搭建

(1)研究對象

圖1 工藝流程

該污水處理廠位于福州市東區，其中一組10萬噸/日的處理系統采用AAO加深床濾池工藝，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A標準。該項目預處理采用轉鼓細格柵和旋流沉砂工藝，生化處理采用多模式AAO工藝，并投加PAC去除TP，二沉池出水經微絮凝反硝化深床濾池工藝深度處理和紫外消毒后排入城市內河水體；剩余污泥采用重力濃縮加板框脫水至含水率60%以下后外運處置。生化池平面尺寸86.8m×81.4m，有效水深7m，有效池容45700m3，設計污泥質量濃度3500mg/L，泥齡11.5d，外回流比50%～100%，內回流比100%～200%，設計總水力停留時間11.0h（選擇池0.75h，厭氧池0.75h，缺氧區3.0h，好氧區6.5h），生化池分為兩個池子，每池5萬噸/日，可單獨運行。

(2)模型建立

本研究采用WEST軟件的ASM2d模型庫，通過構建和模擬活性污泥工藝的基礎工藝模塊，并根據實際工程情況對工藝進行概化、布置和連接，詳見圖2；建立進水和出水水質組分轉換關系。工藝模型生成后，對組分參數、模型參數、工藝單元尺寸等進行初始賦值，定義模型，輸入實測進水數據，并設定模型組分、反應動力學等相關參數，詳見表1。

圖2 污水處理工藝搭建

表1 主要節點參數設置（單池5萬噸/日）

2.模型驗證

經過參數調整和校正后的模型出水水質的模擬情況如圖3～圖6及表3所示。可以看出，各出水水質曲線擬合度都較好，COD、氨氮、總磷、總氮指標的模擬值與實測值的平均偏差絕對值分別為：7.79%、8.28%、17.71%、12.09%，模擬值與實際出水數據平均偏差都在20%以內；模擬的泥齡為21.3天，實際約23天，與實際工況較接近，模擬值與實測值吻合程度較高，模型可信程度較高[4-7]。現狀工藝模型建立成功，可以利用該模型對實際工程進行工藝控制策略優化等分析。

表3 混合液內回流配水節點參數設置

圖3 出水模擬與實測值對比（COD）

圖4 出水模擬與實測值對比（TN）

圖5 出水模擬與實測值對比（TP）

圖6 出水模擬與實測值對比（NH4+-N）

3.模型應用

AAO工藝的運行參數主要是曝氣量、內回流量、外回流量、以及排泥量等。利用WEST軟件完成了建模、得到了較為精準的工藝模型，就可將模型應用于AAO工藝運行的各種模擬實驗。該污水處理廠現狀進水COD偏低，經過預處理后，進入生化系統的污水C/N較低，因碳源不足而無法有效反硝化，對TN的去除不利，在不投加碳源的情況下工藝調控壓力較大。本研究應用模型提出了基于不外加碳源的出水TN優化運行策略。

(1)模擬優化策略一

該項目設計的多模式AAO工藝可以實現多點進水與多點回流方式，并調整進水分配至選擇池、厭氧池、缺氧池的比例，以及混合液回流至選擇池和缺氧池的比例。測試前該項目是采用從厭氧池（A2池）單點進水、內回流全部進選擇池（A1）的方式。利用WEST軟件的“預案分析”高級實驗功能，同時評估進水配水和內回流配水等若干操作參數的變化（見表4、表5）對出水水質COD、TN、NH4+-N、TP的影響，尋求優化的進水配水模式。

經過60次的預案分析，最優結果為第51次的動態模擬操作參數：當進水分配至厭氧池和選擇池比例分別為10%和90%（Valve_3.f_out2為0.1）；混合液內回流分配至缺氧池和選擇池的比例分別為50%和50%（Valve_5.f_out3為0.5）時，處理效果最好，此時COD、NH4+-N、TN、TP出水平均值分別為13.72mg/L、0.13mg/L、8.95mg/L、0.29mg/L，與初始條件模擬的出水COD（13.70mg/L）、NH4+-N（0.13mg/L）、TN（9.72mg/L）、TP（0.29mg/L）比較，TN結果下降較多，減少了0.77mg/L。預案分析結果對該項目AAO工藝強化脫氮提供了優化策略。

表2 進水配水節點參數設置

(2)模擬優化策略二

該污水處理廠現狀進水COD偏低，經過預處理后，進入生化系統的污水C/N較低，因碳源不足而無法有效反硝化，對TN的去除不利，工藝調控壓力較大。利用WEST軟件的“參數估計”實驗功能，測試厭氧池（A2池）單點進水、內回流全部進選擇池（A1）的工藝模式，通過變動操作變量（如曝氣量、內回流量等），優化出水水質（TN），實現了出水TN目標最優化。

運行參數估計實驗的結果可以看出，經過82次的參數估計模擬，最優運行方案為第79次的動態模擬：在平均處理水量為85000m3/d、COD為141mg/L、氨氮為16.5mg/L；好氧段DO為2.0mg/L、內回流比150%的初始條件下，將好氧段DO降低至約1.2mg/L、混合液內回流比例降低至約70%時，出水TN最低為8.77mg/L；且NH4+-N不超過預警值。相較于優化之前的模擬出水TN值9.76mg/L，優化后的出水TN質量濃度降低了接近1mg/L。說明該模擬優化操作策略可有效挖掘系統脫氮潛力，提升系統脫氮效果，同時曝氣量和回流量的減少也有利于能耗的降低。

(3)工程應用

將模型提供的TN優化策略二的指導參數，在該污水廠進行了約50天的實際工程驗證。驗證前，該項目的主要工藝運行參數為：好氧段DO控制在2.0mg/L、內回流比150%，此時實際出水COD、TN、NH4+-N分別為：12.7mg/L、11.1mg/L、0.14mg/L。按照模擬優化方案，運行模式調整為：好氧段DO控制在1.2mg/L左右、內回流比約70%的工況，實際出水COD、TN、NH4+-N指標分別為：17.3mg/L、9.0mg/L、0.64mg/L。TN處理效果得到優化，有效減輕了生化系統脫氮壓力。經估算，應用該優化運行方案，內回流泵和鼓風機的能耗分別較優化前降低了約17%和45%，每日可節省耗電量約2300kWh；每年可節約生產成本約40.5萬元。

4.結論

（1）利用WEST軟件構建AAO工藝模型，并根據污水處理廠實際情況進行參數校核，模擬污水廠的運行結果，COD、NH4+-N、TN、TP的模擬出水值與污水廠實際出水值的偏差分別為7.79%、8.28%、12.09%、11.71%，模型精度達到了應用要求。

（2）利用該模型提出的AAO工藝脫氮優化策略，將同時降低DO與內回流比的TN最優化目標方案指導應用于實際生產。結果表明，該項目采用將好氧段DO控制在1.2mg/L左右、內回流比約70%的優化運行模式，出水達標率為100%、TN的平均出水質量濃度下降了約2mg/L；鼓風機和內回流泵的能耗分別降低了約45%和17%。有效減輕了AAO生化系統的脫氮壓力，每年可節約生產成本約40.5萬元。

（3）通過對該項目建模實驗，該工藝模型的搭建及應用可行，隨著智能化要求的不斷提高，后續可以充分利用WEST軟件的功能，將軟件與污水廠SCADA系統對接，實現對整個污水廠的智慧運營管理。