李 云 ，李君超 ，白 璐 ，蔣進(jìn)元

（1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012；2.生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心，北京100012）

隨著污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，為達(dá)標(biāo)穩(wěn)定運(yùn)行，需對污水處理廠進(jìn)行診斷、優(yōu)化與改造。污水處理廠的診斷方法包括知識(shí)綜合法、統(tǒng)計(jì)學(xué)診斷法、數(shù)學(xué)模擬法、人工智能等〔1-2〕。其中數(shù)學(xué)模擬法是用相關(guān)數(shù)學(xué)模型或模擬軟件對污水處理廠運(yùn)行工況進(jìn)行診斷和優(yōu)化的一種方法。這類方法對操作人員專業(yè)水平要求較高，過程較復(fù)雜，但其具有準(zhǔn)確性、靈活性〔3〕，目前在污水處理廠中有很多應(yīng)用報(bào)道，主要用于工藝設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理優(yōu)化、升級改造預(yù)測模擬等〔4-6〕。

本研究針對北京某CASS工藝污水處理廠存在的出水TN和TP不達(dá)標(biāo)的問題，采用BioWin對該污水廠進(jìn)行模擬和診斷，并提出優(yōu)化改造方案，以期對其他污水處理廠的優(yōu)化改造提供方法指導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

1.1 污水處理廠概況

該污水處理廠位于北京某郊區(qū)，處理對象為周邊小區(qū)居民的生活污水和部分企業(yè)自行處理已達(dá)標(biāo)（三級標(biāo)準(zhǔn)）的工業(yè)污水。一期工程占地16 533 m2，設(shè)計(jì)規(guī)模為0.8萬m3/d。

污水處理廠出水水質(zhì)達(dá)到一級B標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的進(jìn)、出水水質(zhì)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)情況 mg/L

1.2 工藝流程

采用CASS工藝處理污水，構(gòu)筑物包括：粗格柵、進(jìn)水泵房、細(xì)格柵、旋流沉砂池、CASS生物池、紫外消毒渠、加藥間、配電室、鼓風(fēng)機(jī)房、貯泥池及脫水機(jī)房等。

污水首先進(jìn)入粗格柵去除大顆粒懸浮物，然后通過進(jìn)水泵房進(jìn)入細(xì)格柵，進(jìn)入旋流沉砂池，去除密度較大的泥沙。經(jīng)過預(yù)處理后的污水均勻分配到4個(gè) CASS 池（1#、2#、3#、4#）。 污水生物處理過程設(shè)計(jì)周期為6×4 h循環(huán)，即每天有6個(gè)運(yùn)行周期，每個(gè)周期50 min進(jìn)水，130 min曝氣，20 min沉淀，40 min潷水，4組池子交替運(yùn)行，處理出水經(jīng)紫外消毒后排出。剩余污泥排至貯泥池，污泥經(jīng)脫水處理，含水率約80%的泥餅外運(yùn)處置。

污水處理工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理工藝流程

2 工藝模擬

2.1 概化模型建立

該污水處理廠的概化模型主要針對二級處理階段，省略了預(yù)處理中的粗格柵、細(xì)格柵和后續(xù)污泥處理階段。由于4組CASS池的基本流程一樣，本次只對其中一組池子進(jìn)行模擬。

2.2 進(jìn)水特征組分

該污水處理廠處理工藝為4組處理構(gòu)筑物均分流量，并聯(lián)運(yùn)行，總?cè)站幚硭繛? 000 m3，雖然每天有少量波動(dòng)，但影響不大。根據(jù)污水處理廠提供的2017年部分水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時(shí)現(xiàn)場取樣測定，得到該污水處理廠的實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)數(shù)據(jù)，如表2所示。其他參數(shù)按模型默認(rèn)的參數(shù)設(shè)定。

表2 污水處理廠現(xiàn)工藝進(jìn)水水質(zhì)（2017.9.11-2017.9.21）

為使模型中的進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)更加接近實(shí)際工藝，對該污水處理廠進(jìn)行為期9 d的取樣，測定實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)情況。用Specifier（settled）程序進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 該污水處理廠特征進(jìn)水組分 mg/L

根據(jù)表 3 數(shù)據(jù)計(jì)算模型相關(guān)參數(shù)，如 Fus、Fbs、Fax、Fna、Fpo4、Fzbh和 Fxsp等，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果的匹配情況進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到匹配情況最優(yōu)。

3 模擬運(yùn)行及模型校正

概化模型建好之后，對該模型進(jìn)行模擬運(yùn)行。根據(jù)污水處理廠實(shí)際出水水質(zhì)和運(yùn)行參數(shù)對模型進(jìn)行校正，最大限度地使模型符合污水處理廠的真實(shí)情況。該污水處理廠2017年9月實(shí)際出水為COD 47.95 mg/L、SS 19.33 mg/L、NH3-N 19.35 mg/L、TN 29.16 mg/L、TP 2.01 mg/L。

該污水處理廠存在的主要問題是出水TN、TP和氨氮超標(biāo)。

3.1 動(dòng)態(tài)模擬

將上述測定的污水組成和構(gòu)筑物等參數(shù)輸入BioWin模擬軟件，進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬運(yùn)行，根據(jù)模擬結(jié)果與實(shí)際出水結(jié)果的擬合情況對模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。以上述水質(zhì)為種子值，首次模擬利用模擬軟件中的缺省值進(jìn)行模擬，運(yùn)行60d，模擬結(jié)果如表4所示。

表4 首次模擬出水結(jié)果 mg/L

從表4可見，出水中COD的模擬值與實(shí)測值較為接近，其他項(xiàng)目與實(shí)際值均相差較大，尤其是出水TN、TP和氨氮。需對模型默認(rèn)部分參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使模擬結(jié)果能最大限度地反映污水廠實(shí)際情況。

3.2 模型校正

BioWin的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)中，氨氧化菌（AOB）和異養(yǎng)菌（OHO）的最大比增長速率μA和μH對一般污水處理廠的硝化和反硝化過程有較大影響〔7-8〕。其中氨氧化細(xì)菌的最大比增長速率決定了系統(tǒng)中氨氧化細(xì)菌的數(shù)量，可影響出水氨氮去除率。異養(yǎng)菌的最大比增長速率決定了反硝化菌對水中可生物降解組份的利用率，可影響出水COD和總氮。此外，異養(yǎng)菌的產(chǎn)率系數(shù)（YH）也對系統(tǒng)多方面有顯著影響，需要多加注意。

根據(jù)該污水處理廠的實(shí)際情況，對BioWin模型中的上百個(gè)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，對模型中AOB的最大單位生長速率、OHO的好氧產(chǎn)率系數(shù)和OHO中生物質(zhì)P含量3個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整（見表5），然后動(dòng)態(tài)模擬運(yùn)行60 d，模擬出水結(jié)果如表6所示。

表5 污水廠部分模型參數(shù)調(diào)整

表6 模型參數(shù)校正后模擬出水結(jié)果 mg/L

根據(jù)概化模型、構(gòu)筑物尺寸、工藝運(yùn)行參數(shù)、進(jìn)水水質(zhì)組分和部分調(diào)整后的模型參數(shù)對該污水廠再次進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，結(jié)果顯示：該工藝的SRT為7.39 d，與實(shí)際工藝的7 d很接近；生化池的MLSS為910 mg/L，與實(shí)際運(yùn)行中的MLSS 1 000 mg/L接近。

模擬得到的出水水質(zhì)與實(shí)際出水水質(zhì)接近，除TN外，COD、SS、氨氮和TP誤差均控制在10%以內(nèi)，且絕對值相差較小，說明該模型可以較好地表征該污水處理廠的運(yùn)行情況。

4 工藝優(yōu)化

目前該污水處理廠出水存在的主要問題是TN、TP、氨氮超標(biāo)，因此主要進(jìn)行排泥量優(yōu)化。

該污水處理廠目前SRT為7 d，每個(gè)周期排泥15 min，排泥量為3 730 m3/d。通過調(diào)整排泥量可以調(diào)整工藝出水情況，模擬結(jié)果如表7所示。

表7 排泥量變化模擬結(jié)果

從表7可以看出，隨著排泥量的減少，出水TN先降低后小幅增加，出水氨氮不斷減少，而出水TP、COD和SS則隨著排泥量的降低不斷增加。當(dāng)排泥量調(diào)整到3 500 m3/d時(shí)，出水氨氮能降至排放標(biāo)準(zhǔn)以下，TN和TP依舊不能達(dá)標(biāo)。繼續(xù)降低排泥量到2 800 m3/d時(shí)，出水TN開始增加。當(dāng)排泥量為2 500 m3/d時(shí)，雖然出水氨氮達(dá)標(biāo)，但出水SS增加，超過排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

提高污泥排放量可以降低出水TP，但仍然不能達(dá)標(biāo)，反而會(huì)降低系統(tǒng)的MLSS。而該污水處理廠實(shí)際生化池MLSS僅為1 000 mg/L左右，數(shù)值偏低，雖然通過降低污泥排放量可以提高生化池的MLSS，但提高幅度有限。如上述模擬情況所示，當(dāng)排泥量降低到2 500 m3/d時(shí)，系統(tǒng)污泥質(zhì)量濃度約為1 400 mg/L，出水除氨氮達(dá)標(biāo)外，其他項(xiàng)目均超標(biāo)。因此要找到污泥質(zhì)量濃度與出水指標(biāo)的平衡點(diǎn)?？山ㄗh降低污泥排放量到3 000 m3/d，后續(xù)通過進(jìn)水補(bǔ)加碳源來富集和培養(yǎng)微生物，提高污泥濃度，同時(shí)降低出水指標(biāo)。

此外對污泥回流比也進(jìn)行了優(yōu)化，但發(fā)現(xiàn)提高回流污泥量對出水TN、TP、COD和SS基本沒什么影響，僅出水氨氮有小幅增加，出水TN和TP依舊超標(biāo)。說明出水TN超標(biāo)的主要問題不是運(yùn)行參數(shù)不合理，而是進(jìn)水碳源缺乏，導(dǎo)致污泥活性不佳，MLSS也偏低，脫氮效果差；TP單純依靠生物除磷不夠，需要輔助化學(xué)除磷。在此現(xiàn)狀下，僅靠優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)來保證出水達(dá)標(biāo)不太可行，需改造工藝。

5 改造工藝模擬

5.1 概化模型建立

由于該污水處理廠主要問題是出水TN、氨氮和TP超標(biāo)，且通過工藝運(yùn)行參數(shù)調(diào)整只能降低出水氨氮，出水TN和TP基本不受影響。從污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)情況可以看出，進(jìn)水BOD/TN平均值僅為1.2，進(jìn)水碳源嚴(yán)重不足。一般而言，進(jìn)水BOD/TN≥4為宜。故分析該污水處理廠出水TN超標(biāo)主要是進(jìn)水碳源不足，需要對進(jìn)水補(bǔ)充碳源，保證適宜的碳氮比，而出水TP應(yīng)采用化學(xué)除磷和生物除磷結(jié)合方式。因此，對該污水處理廠的工藝流程增加碳源補(bǔ)加和化學(xué)除磷2個(gè)單元。

5.2 碳源補(bǔ)加和化學(xué)除磷優(yōu)化

進(jìn)水補(bǔ)加碳源采用補(bǔ)加甲醇方式，對碳源補(bǔ)加量進(jìn)行模擬優(yōu)化分析。多次模擬優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)碳源投加量為100 kg/d左右時(shí)，出水TN降低到20 mg/L以下，出水COD、氨氮和TP均有小幅度降低。

除磷藥劑選用PAC，有效成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%。不同PAC投加量下的模擬出水結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同PAC投加量的模擬結(jié)果

圖2表明，出水TP能隨除磷藥劑投加量的增加而不斷下降，投加量越多，出水TP降低越顯著，基本呈線性關(guān)系，且出水pH也維持在7.3左右，比較穩(wěn)定。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，PAC投加量達(dá)到180 kg/d時(shí)，出水pH顯著下降，且隨著PAC投加量的增加，pH下降幅度較大，可能會(huì)對生化系統(tǒng)環(huán)境影響較大。綜合考慮，建議PAC投加量控制在180 kg/d左右，既節(jié)約藥劑，還可使出水TP達(dá)標(biāo)，同時(shí)也能保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)論

采用BioWin軟件對某污水處理廠CASS工藝進(jìn)行建模，對相關(guān)工藝運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并提出初步的改造方案和模擬運(yùn)行效果，為該污水處理廠的達(dá)標(biāo)運(yùn)行提供了建議。

（1）根據(jù)污水處理廠的施工平面圖等資料和數(shù)據(jù)構(gòu)建了工藝概化模型，并根據(jù)2017年運(yùn)行情況確定了模型中相關(guān)運(yùn)行參數(shù)。

（2）根據(jù)現(xiàn)場取樣情況確定了現(xiàn)狀工藝的進(jìn)水水質(zhì)和進(jìn)水組分，能很好地模擬實(shí)際進(jìn)水情況。

（3）對部分模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以最大限度地接近真實(shí)工藝情況。

（4）對污泥排放量進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)污泥排放量調(diào)整到3 000 m3/d時(shí)，在出水COD和SS達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，出水氨氮能達(dá)標(biāo)。

（5）對原工藝增加進(jìn)水碳源補(bǔ)給和生化池化學(xué)輔助除磷，平均每日碳源投加量約100 kg，除磷藥劑PAC投加量180 kg，能保證出水各指標(biāo)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

BioWin軟件能較準(zhǔn)確地模擬污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行情況，并預(yù)測水質(zhì)水量沖擊和模擬優(yōu)化運(yùn)行工況，避免因盲目調(diào)試或優(yōu)化導(dǎo)致污水處理廠運(yùn)行穩(wěn)定性破壞和運(yùn)行成本增加，在未來研究和實(shí)際應(yīng)用中有很好的應(yīng)用前景。