吳宇涵，郭 毅，劉偉巖，段 宇，榮保維，葛賽賽

(1.北控水務(wù)<中國(guó)>投資有限公司，北京 100102；2.北京稻香水質(zhì)凈化有限公司，北京 100000)

我國(guó)的污水處理正由粗放型向精細(xì)控制的方向發(fā)展，數(shù)學(xué)模型技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用為城市污水處理工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行管理提供可靠的理論依據(jù)和手段，有助于優(yōu)化決策、降低投資和運(yùn)行費(fèi)用。具體應(yīng)用領(lǐng)域包括：1)污水處理廠的提標(biāo)改造，最大化提升出水水質(zhì)的同時(shí)降低改造運(yùn)行成本；2)污水處理廠的優(yōu)化運(yùn)行分析和管理；3)通過活性污泥模型與相應(yīng)控制理論的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)活性污泥系統(tǒng)的智能控制[1-4]。

本文通過GPS-X構(gòu)建北京某污水處理廠多級(jí)AO工藝污水廠模型、分析進(jìn)水水質(zhì)，利用歷史平均數(shù)據(jù)初步模擬、校正模型參數(shù)，利用模型提出最佳配水比例、優(yōu)化除磷藥劑投加量、評(píng)估工藝抗沖擊負(fù)荷能力，具體為：1)進(jìn)行不同工況模擬，尋找不同運(yùn)行參數(shù)(進(jìn)水水量、配水比、排泥量、水質(zhì)變化、其他運(yùn)行條件等)與出水水質(zhì)的關(guān)系，從而識(shí)別影響生物脫氮除磷的主要因素，評(píng)估污水廠的處理能力；2)針對(duì)除磷藥劑投加量較高的問題，優(yōu)化生物除磷效果，尋找最優(yōu)藥劑投加位置，最大化提高生物、化學(xué)除磷效率，降低藥耗；3)評(píng)估原設(shè)計(jì)工藝的抗沖擊負(fù)荷能力，以及超負(fù)荷進(jìn)水條件下，給出工藝調(diào)控參數(shù)建議。

1 污水處理廠概況

污水處理廠位于北京市海淀北部地區(qū)，土建為全地下式。設(shè)計(jì)處理規(guī)模為8萬m3/d，實(shí)際處理量約為7.8萬m3/d。采用多級(jí)AO+超濾膜工藝，出水水質(zhì)達(dá)到北京市地方標(biāo)準(zhǔn)：BOD5≤6 mg/L、CODCr≤30 mg/L、SS≤5 mg/L、TN≤15 mg/L、TP≤0.3 mg/L、氨氮≤1.5 mg/L，其余指標(biāo)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/890—2012)B標(biāo)準(zhǔn)。污水經(jīng)過預(yù)處理單元，進(jìn)入核心生物處理單元——多級(jí)AO工藝單元，共兩組生化池平行運(yùn)行。污水依次經(jīng)過厭氧區(qū)、缺氧一段、好氧一段、缺氧二段、好氧二段、缺氧三段、好氧三段，生化池總停留時(shí)間(HRT)為19.3 h。其中，厭氧段前端設(shè)有進(jìn)水槽，可三段配水，進(jìn)水點(diǎn)分別為厭氧池前端、缺氧二段前端、缺氧三段前端。多級(jí)AO工藝不設(shè)置內(nèi)回流，污泥外回流經(jīng)矩形二沉池進(jìn)入?yún)捬醵吻岸?。流程如圖1所示，工藝設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，運(yùn)行條件如下：進(jìn)水流量均值Qin為73 140 m3/d，排泥量均值Qwas為1 200 m3/d，外回流量均值Qras為79 000 m3/d，外回流比均值R為108%，進(jìn)水分配比為4∶5∶1，溫度均值為20 ℃。

圖1 多級(jí)AO工藝流程

表1 設(shè)計(jì)工藝參數(shù)(2020年5月—7月)

2 進(jìn)水水質(zhì)特性分析

進(jìn)水水質(zhì)輸入?yún)?shù)決定污水廠生物處理單元模擬的準(zhǔn)確性，水質(zhì)劃分主要包括：進(jìn)水CODCr組分劃分、進(jìn)氮組分劃分、磷組分劃分以及進(jìn)水總懸浮物(TSS)、有機(jī)懸浮物(VSS)組分劃分。根據(jù)可生物降解性和溶解性一般將CODCr劃分為：易生物降解有機(jī)物(SS)、慢速可降解基質(zhì)(XS)、惰性顆粒性有機(jī)物質(zhì)(XI)和惰性溶解性有機(jī)物(SI)，其中SS又可進(jìn)一步劃分為溶解性極易降解有機(jī)物(發(fā)酵產(chǎn)物)(SA)和可發(fā)酵的易生物降解有機(jī)物(SF)。該污水處理廠2020年5月—7月進(jìn)、出水水質(zhì)實(shí)際監(jiān)測(cè)月平均數(shù)據(jù)如表2所示。參照相關(guān)指南以及我國(guó)研究者的模擬經(jīng)驗(yàn)[5-6]，將CODCr的5個(gè)組分劃分如下：SI=11.8 mg/L、SA=27.7 mg/L、SF=55.5 mg/L、XS=110 mg/L、XI=53.3 mg/L。

表2 2020年5月—7月進(jìn)、出水水質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值

3 工藝模型建立及模型校準(zhǔn)

污水廠工藝建模軟件采用加拿大Hydromantis公司的GPS-X 7.0，活性污泥模型為軟件內(nèi)嵌的Mantis2模型，該模型以國(guó)際水協(xié)ASM模型為核心，包含硝化/反硝化、生物除磷、厭氧氨氧化、厭氧消化、pH/堿度等過程，能夠綜合模擬全污水廠的情況。在設(shè)置模型反應(yīng)器時(shí)，會(huì)構(gòu)建多個(gè)完全混合厭氧反應(yīng)器(CSTR)來表征實(shí)際的推流狀態(tài)，進(jìn)而模擬污染物的梯度降解趨勢(shì)。其中，厭氧和缺氧池前中后污染物濃度差別不大，因此，用一個(gè)CSTR表征，每個(gè)好氧段分為3個(gè)CSTR表征實(shí)際好氧推流狀態(tài)。

圖2 2020年5月—7月出水水質(zhì)動(dòng)態(tài)模擬

表3 模型校準(zhǔn)參數(shù)

表4 校準(zhǔn)后的穩(wěn)態(tài)水質(zhì)指標(biāo)模擬結(jié)果

表5 校準(zhǔn)后的穩(wěn)態(tài)MLSS和MLVSS模擬結(jié)果

4 模型應(yīng)用

4.1 進(jìn)水C/N與進(jìn)水分配比

分段進(jìn)水多級(jí)AO工藝具有污泥濃度沿池長(zhǎng)逐步降低的特征，其特點(diǎn)既有優(yōu)勢(shì)也有弊端，好氧池末端污泥濃度較低，減輕了二沉池的負(fù)荷，有利于提高二沉池的固液分離效果；但梯度降低的污泥濃度，也使生化后段的生物去除效率降低[9]。需優(yōu)化進(jìn)水碳源分配，最大化提升整個(gè)工藝段的脫氮除磷效果。

根據(jù)水廠2020年數(shù)據(jù)顯示，進(jìn)水C/N在3～15，平均C/N=7.9。不改變其他運(yùn)行條件，分別模擬進(jìn)水C/N為4∶1、6∶1、8∶1下最佳進(jìn)水分配(表6)。

通過表6模擬分析顯示，進(jìn)水C/N直接影響缺氧條件下異養(yǎng)反硝化細(xì)菌的脫氮效率，對(duì)出水TN影響顯著；C/N對(duì)出水CODCr、氨氮無明顯影響。在同等進(jìn)水條件下，3段流量分配比對(duì)出水氨氮響應(yīng)較為敏感，主要表現(xiàn)為隨著末段進(jìn)水流量的增加，出水氨氮濃度升高。主要原因是隨著末段流量增加，給好氧三段增加了氨氮負(fù)荷，進(jìn)而出水氨氮濃度升高。

表6 不同C/N條件下配水比例對(duì)出水水質(zhì)影響 (單位：mg/L)

通過分析，得出以下結(jié)論：1)模擬結(jié)果顯示，進(jìn)水分配比為5∶4∶1時(shí)，污染物濃度降解效率較高；2)同等曝氣量條件下，降低末段進(jìn)水流量(由總流量的3/10降低至1/10)可降低出水氨氮質(zhì)量濃度約為0.5 mg/L；3)C/N低于4時(shí)，反硝化所需碳源不足，出水TN超標(biāo)；生物除磷效果減弱，當(dāng)前運(yùn)行條件下化學(xué)藥劑投加量不足以滿足出水TP要求。

4.2 系統(tǒng)除磷優(yōu)化

4.2.1 除磷現(xiàn)狀分析

圖3 多級(jí)AO工藝沿程濃度 Concentration along Multi-Stage AO Processes

模擬顯示，在缺氧和好氧三段生物除磷現(xiàn)象不明顯，原因一是過量FeCl2投加影響水中的pH，對(duì)微生物菌群帶來一定影響；原因二是后工藝段不滿足PAOs的生長(zhǎng)代謝條件，即低VFA和厭氧、缺氧/好氧環(huán)境交替。

4.2.2 生物除磷優(yōu)化

優(yōu)化系統(tǒng)除磷首先應(yīng)考慮生物除磷效果，影響生物除磷的因素主要有：1)進(jìn)水VFA濃度；2)污泥齡(SRT)；3)厭氧和好氧環(huán)境。因進(jìn)水VFA無法控制，暫不在此優(yōu)化條件范圍內(nèi)；通過模擬顯示多級(jí)AO的固有特點(diǎn)即末工藝段無生物除磷現(xiàn)象[10]，只在缺氧/好氧一段、二段存在生物除磷，因此，盡可能將更多碳源分到缺氧一段和缺氧二段可提高生物除磷效率。根據(jù)水廠日排泥量估算現(xiàn)行SRT為35 d，顯然SRT過高。通過模擬排泥量變化對(duì)出水TP進(jìn)行敏感性分析，優(yōu)化排泥量。

在活性污泥系統(tǒng)中,SRT是影響生物處理效果的重要因素之一。異養(yǎng)菌的世代時(shí)間很短，SRT可以保持在10 d以下。硝化菌是一種自養(yǎng)菌，它的最小泥齡確定了整個(gè)系統(tǒng)的最低泥齡，根據(jù)進(jìn)水CODCr可生化性不同，硝化菌的泥齡保持在10～20 d。PAOs是一種異養(yǎng)菌，研究顯示泥齡從20 d縮短為6 d時(shí)，PAOs具有最佳代謝性能[11]。因此，保證適當(dāng)污泥齡是影響生物脫氮除磷主要因素之一。由圖4模擬顯示，當(dāng)排泥量由1 100 m3/d升高至6 000 m3/d，系統(tǒng)SRT由35.0 d降至6.8 d，出水TP質(zhì)量濃度由0.70 mg/L降至0.30 mg/L，但需考慮自養(yǎng)菌的硝化，SRT控制在15 d左右比較合適，此時(shí)排泥量為2 600 m3/d，好氧一段MLSS為3 842 mg/L，出水TP質(zhì)量濃度為0.32 mg/L。

圖4 排泥量與SRT和出水TP的關(guān)系

4.2.3 藥劑投加點(diǎn)模擬

圖5 除磷藥劑加藥點(diǎn)對(duì)出水TP的影響

由圖5可知，藥劑投加點(diǎn)位置選擇對(duì)出水TP濃度影響顯著，投藥點(diǎn)位對(duì)除磷效果影響具體表現(xiàn)為：好氧三段末>缺氧二段末>缺氧三段末>好氧二段末。由沿程磷酸鹽濃度降解趨勢(shì)不難看出，選擇在生化末段投加藥劑，能最大化將系統(tǒng)生物除磷外的磷酸鹽去除。由15 d的動(dòng)態(tài)模擬顯示，在相同運(yùn)行條件和加藥量情況下，投藥點(diǎn)由缺氧二末段改為好氧三段末，出水TP平均質(zhì)量濃度下降0.1 mg/L。以上調(diào)整狀態(tài)下做穩(wěn)態(tài)模擬，保持原出水TP質(zhì)量濃度(0.3 mg/L)，25% FeCl2加藥量由5 589 kg/d降至5 100 kg/d,經(jīng)濟(jì)效益達(dá)195元/d。

4.3 超負(fù)荷運(yùn)行評(píng)估

在保證北京市地方排放標(biāo)準(zhǔn)條件下(CODCr≤30 mg/L、TN≤15 mg/L、TP≤0.3 mg/L、氨氮≤1.5 mg/L)，評(píng)估原設(shè)計(jì)工藝的最大處理水量能力，以及超負(fù)荷進(jìn)水條件下，給出工藝調(diào)控參數(shù)建議。

4.3.1 常規(guī)負(fù)荷下最佳外回流比與MLSS

由4.1小節(jié)可知，常規(guī)負(fù)荷條件下最佳進(jìn)水分配比例為5∶4∶1；由4.2小節(jié)可知，優(yōu)化系統(tǒng)除磷采用排泥量為2 600 m3/d(SRT為15 d)、FeCl2加藥點(diǎn)為好氧三末段。模擬采用以上優(yōu)化參數(shù)，同時(shí)采用2020年5月—7月平均進(jìn)水水質(zhì)水量(表2)。模擬外回流對(duì)出水氮濃度的影響如圖6所示。

圖6 不同外回流比下的出水氮濃度(好氧池三段DO=2、1.5、1 mg/L)

由圖6可知，出水氮濃度隨著外回流比的增加而減小。外回流比在40%～180%時(shí)，出水TN下降劇烈，隨后幾乎平緩，直到外回流高于300%時(shí)，出水TN略微升高。綜合考慮出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及高外回流比帶來的過高能耗問題，常規(guī)負(fù)荷下最佳外回流比可以選擇為100%。

取外回流為100%，對(duì)曝氣池中采用不同MLSS分別進(jìn)行模擬(圖7)。模擬顯示，提高M(jìn)LSS會(huì)顯著提升硝化能力，卻無助于反硝化，這之間只是導(dǎo)致了氮形式的轉(zhuǎn)化，因而并不會(huì)使TN去除率隨之增高[10]。曝氣池的MLSS決定了硝化和反硝化細(xì)菌的數(shù)量，隨著反硝化菌的增多，需要更多碳源進(jìn)行反硝化，碳源限制了異養(yǎng)菌的反硝化能力。因此，隨著MLSS濃度的升高，TN去除率并不會(huì)提升。

圖7 不同MLSS(好氧一段)對(duì)應(yīng)的出水氮濃度

綜合考慮，在外回流比為100%時(shí)，MLSS為3 600 mg/L較為適宜，可以滿足TN、氨氮的出水要求，同時(shí)避免過高M(jìn)LSS導(dǎo)致曝氣量增大。

4.3.2 超負(fù)荷運(yùn)行下的脫氮能力

該污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為8萬m3/d，共兩系列平行運(yùn)行。對(duì)于單系列檢修、進(jìn)水流量波動(dòng)造成的超負(fù)荷運(yùn)行情況，有必要了解該工藝的最大處理能力，找到滿足出水氮標(biāo)準(zhǔn)(TN≤15 mg/L，氨氮≤1.5 mg/L)的最大超負(fù)荷運(yùn)行水量及相應(yīng)工藝參數(shù)。選擇設(shè)計(jì)水量的1～2倍進(jìn)行模擬，進(jìn)水水量分別為8萬、10萬、12萬、14萬、16萬m3/d，模擬不同水溫下的出水水質(zhì)。

(1)模擬常規(guī)水溫下超負(fù)荷運(yùn)行能力

取20 ℃作為常規(guī)水溫，進(jìn)水分配比為5∶4∶1、外回流比為100%、排泥量為2 600 m3/d，分別模擬現(xiàn)工況DO=2.0、1.5、1.0 mg/L及DO=3.0、3.0、3.0 mg/L下的出水水質(zhì)。模擬結(jié)果顯示(表7)，常規(guī)溫度下，多級(jí)AO工藝的抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)，隨著進(jìn)水水量的增加，反硝化能力并沒有減弱，硝化能力顯現(xiàn)不足。在3段DO質(zhì)量濃度均提升到3.0 mg/L下，進(jìn)水水量到14萬m3/d時(shí)(設(shè)計(jì)水量的1.75倍)，出水氨氮將近超標(biāo)。

表7 常溫超負(fù)荷運(yùn)行下的模擬出水水質(zhì)

總體看，在常規(guī)水溫下(20 ℃)，多級(jí)AO的抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)，反硝化幾乎不受影響，但硝化能力急劇下降，需提高曝氣量以保證出水達(dá)標(biāo)。

(2)冬季超負(fù)荷運(yùn)行能力

采用污水廠2020年11月—12月平均進(jìn)水水質(zhì)作為穩(wěn)態(tài)輸入，其中CODCr=190 mg/L、TN=38 mg/L、氨氮=30.2 mg/L、TP=3.7 mg/L。微生物反應(yīng)速率受溫度影響較為明顯，因此，常規(guī)溫度條件下多級(jí)AO工藝超負(fù)荷運(yùn)行氮達(dá)標(biāo)并不能表明在較低溫度下亦能表現(xiàn)如此。模擬冬季條件(水溫為15 ℃)，設(shè)計(jì)進(jìn)水水量條件下，不同DO濃度對(duì)出水氮濃度的影響(表8)。模擬看出，當(dāng)水溫降至15 ℃，即使常規(guī)進(jìn)水負(fù)荷條件，出水氨氮也很難達(dá)標(biāo)，DO質(zhì)量濃度需大于3.0 mg/L才能滿足出水標(biāo)準(zhǔn)。因此，在冬季極端水溫條件下，盡量減少進(jìn)水負(fù)荷以保證出水標(biāo)準(zhǔn)。

表8 低溫條件不同DO濃度下的出水氮濃度

5 結(jié)論

(1)進(jìn)水C/N保證在4～8，三級(jí)AO進(jìn)水分配比取5∶4∶1時(shí)，污染物濃度降解效率較高，CODCr、TN去除率分別提高3%和5%。

(2)當(dāng)C/N低于4時(shí)，因反硝化所需碳源不足，出水TN超標(biāo)，除磷效果減弱；不改變曝氣量條件下，通過調(diào)節(jié)分段進(jìn)水比例(降低末段進(jìn)水比例)可有效地降低出水氨氮濃度，而在生物除磷效果不佳狀態(tài)，通過增大化學(xué)藥劑的投加可滿足出水TP要求。

(3)針對(duì)系統(tǒng)除磷優(yōu)化，目前系統(tǒng)SRT過長(zhǎng)，將SRT由35 d降至15 d(排泥量為2 600 m3/d)，出水TP質(zhì)量濃度由0.70 mg/L降低至0.32 mg/L；改變除磷藥劑投加點(diǎn)(由原缺氧二末段調(diào)整到好氧三末端)，出水TP降低0.1 mg/L；以上調(diào)整狀態(tài)下，繼續(xù)保持原出水TP質(zhì)量濃度(0.3 mg/L)，25%FeCl2加藥量由5 589 kg/d降至5 100 kg/d，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)195元/d。

(4)脫氮模擬結(jié)果顯示外回流比為100%、MLSS為3 600 mg/L較為適宜，可以滿足TN、氨氮的出水要求；減少了因維持較高M(jìn)LSS而過曝導(dǎo)致的能耗和成本。

(5)水溫為20 ℃條件，三級(jí)AO工藝的抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)，進(jìn)水水量為14萬m3/d時(shí)(設(shè)計(jì)水量的1.75倍)達(dá)到系統(tǒng)最大負(fù)荷承受能力，此時(shí)通過提高三段DO至3.0 mg/L，可實(shí)現(xiàn)出水氨氮達(dá)標(biāo)。

(6)低溫條件(15 ℃)下，出水氨氮難以達(dá)標(biāo)，DO(好氧一段、二段、三段)需大于3.0 mg/L才能滿足出水標(biāo)準(zhǔn)；此時(shí)極不建議污水處理廠超負(fù)荷運(yùn)行。