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(jīng)驗，調整周期較長，成本較高，還存在一定風險。數(shù)值模擬的方法可較快模擬出不同污水處理系統(tǒng)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(fā)展[1]。從20世紀70年代起，研究人員及相關機構陸續(xù)開發(fā)了多種活性污泥工藝系統(tǒng)的數(shù)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(xié)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(shù)學模型的研究都大多集中于傳統(tǒng)工藝，而對于傳統(tǒng)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(jù)。

BioWin可在多種操作系統(tǒng)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(huán)。因此，建筑與運行費用均較低，因無內循環(huán)的影響，厭氧反應器能夠保持良好的厭氧狀態(tài)[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(lián)，好氧池為2池串聯(lián)，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(shù)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(shù)值為水溫>12 ℃時的控制指標，括號內數(shù)值為水溫≤12 ℃時的控制指標)；TP含量≤1.0 mg/L；糞大腸菌群數(shù)為104個/L。進水水質監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)《城鎮(zhèn)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(jiān)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(chǎn)生釋磷現(xiàn)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(xiàn)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(shù)情況下需依靠工程經(jīng)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(jù)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(jiān)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(shù)(化學計量與動力學參數(shù))，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(shù)Tab.4 Parameters of Stoichiometry and Dynamics

2.2 模擬與結果分析

參照表2的數(shù)據(jù)對模型中相關參數(shù)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(jīng)過參數(shù)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(xiàn)污水廠的節(jié)能減排，又能使出水水質滿足一級A標準[11]，需要對實際現(xiàn)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(jù)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(jiān)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(shù)(化學計量學與動力學參數(shù))，默認為IWA推薦值。

同樣地，按照表2的數(shù)據(jù)對所建模型進行校準，利用校準后的模型對污水處理系統(tǒng)進行最終穩(wěn)態(tài)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(jù)AAO工藝的原理，建立工藝概化模型如圖5所示，再根據(jù)表1的數(shù)據(jù)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(jiān)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(shù)(化學計量學與動力學參數(shù))，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(shù)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(wěn)態(tài)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(jù)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(shù)為2，各段流量分配比均為50%)與水質監(jiān)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(shù)(化學計量學與動力學參數(shù))，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(shù)據(jù)對所建模型進行校準，利用校準后的模型對污水處理系統(tǒng)進行最終穩(wěn)態(tài)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(jù)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(jù)表1的數(shù)據(jù)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(jiān)測結果(表2)，其他進水組分默認為國際水協(xié)(IWA)推薦的典型污水組分(原污水)(表3)。而對于模型相關參數(shù)(化學計量學與動力學參數(shù))，默認為IWA推薦值(表4)。

參照表3的數(shù)據(jù)對所建模型進行校準，利用校準后的模型對污水處理系統(tǒng)進行最終穩(wěn)態(tài)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(xiàn)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(shù)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(wěn)態(tài)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(jù)ASDM模型在現(xiàn)有污水處理工藝基礎的模擬優(yōu)化，并進行中試試驗，出水水質較好，最終應用于現(xiàn)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(yōu)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(wěn)定性產(chǎn)生影響，MLE工藝在傳統(tǒng)的AO工藝回流系統(tǒng)中，不僅在沉淀池底部設污泥回流(外回流)循環(huán)系統(tǒng)，而且在好氧池出口處加設混合液回流(內回流)循環(huán)系統(tǒng)。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(tǒng)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(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)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(chǎn)生厭氧狀態(tài)，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(tǒng)前置反硝化工藝比較，該工藝無需設置硝化液內循環(huán)系統(tǒng)，可節(jié)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(tǒng)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(yōu)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(tài)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(tǒng)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(tǒng)的AAO工藝基礎上的技術創(chuàng)新，具有明顯的先進性與優(yōu)越性，主要表現(xiàn)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?yún)捬醭睾腿毖醭?，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(wěn)定。

(4)污泥濃度高，污泥產(chǎn)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(yōu)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(yōu)化，剩余污泥產(chǎn)量相對減少。

(5)具有工程投資省、運行費用低等優(yōu)點。

5 結論

通過利用BioWin軟件對污水廠現(xiàn)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(xiàn)的不足，并具有高效脫氮除磷的作用，運行穩(wěn)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(jù)變化的水質、水量調整各點進水，具有更強的靈活性等優(yōu)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(jié)能減排功效，加強運行可靠性的目的。