趙燃　王曉敏　胡曉東

[摘? ? 要]市政污水處理廠曝氣池的溶解氧水平對于氨氮和總氮的去除至關(guān)重要。利用工藝仿真技術(shù)重現(xiàn)某污水處理廠的運行現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上模擬不同溶解氧水平下的出水情況，最終篩選出能保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的溶解氧目標(biāo)值組合。參照經(jīng)過優(yōu)化的溶解氧目標(biāo)值，控制實際污水廠曝氣池溶解氧水平，結(jié)果顯示，當(dāng)溶解氧濃度穩(wěn)定維持在設(shè)定溶解氧目標(biāo)值時，出水水質(zhì)能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]市政污水廠;工藝建模與仿真;溶解氧設(shè)定值;優(yōu)化

[中圖分類號]X703 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）09–000–03

[Abstract]The dissolved oxygen control （DO control） of the municipal wastewater treatment plant （WWTP） is significant for nitrogen removal. On the basis of reproducing the process of a WWTP by simulation， the effluent quality was predicted in the case of different DO setting values. Then the appropriate combination of DO set-points were determined for the DO control of actual biological tank. And the results indicated that when DO levels were around the DO set-points steadily， the effluent quality could meet the standards through DO control system.

[Keywords]municipal wastewater treatment plant; process modeling and simulation; DO set-point; Optimization

1 概述

活性污泥法是目前應(yīng)用最為廣泛的城市污水處理工藝，其核心單元曝氣池的溶解氧濃度（DO）是活性污泥法脫氮除磷工藝的關(guān)鍵參數(shù)之一。如果DO不足，好氧微生物（硝化菌）得不到充足的氧，影響生物活性及代謝，直接影響氨氮的去除效果;而如果好氧池DO過高，好氧微生物無法完全消耗，進(jìn)入后續(xù)缺氧池或者厭氧池的DO就會影響反硝化菌和聚磷菌的代謝，導(dǎo)致氮、磷去除效果下降;另外，DO過高也會造成能源的浪費。因此對于DO合理值的控制長久以來存在不同的建議。傳統(tǒng)的理論認(rèn)為，污水處理廠需要將DO濃度控制在2.0 mg/L以上[1]，才能實現(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定的硝化效果。但是近年來的研究表明，在較低的DO水平下也能實現(xiàn)完全的硝化作用，而且在低DO水平條件下運行，不僅可以增加污泥系統(tǒng)的生物量，還可以大大提高氧轉(zhuǎn)移效率[2-6]。

以城市污水處理最常見的A2/O工藝為例，生化反應(yīng)池為推流式，污染物濃度沿水流方向不斷降低，好氧段沿程的污染物負(fù)荷不同，不同空間位置上對DO濃度的設(shè)定需求也存在差異，合理的DO空間分布與設(shè)定直接影響著出水水質(zhì)和運行能耗。

ProSee是一款用于城市污水工藝建模與仿真的軟件[7]，核心模型包含國際水質(zhì)協(xié)會IWA的ASM模型[8]、二沉池一維通量模型、設(shè)備能耗及藥耗模型等，能夠?qū)Τ鞘形鬯幚砣鞒踢M(jìn)行仿真模擬。本文以ProSee工藝仿真軟件為基礎(chǔ)，建立某污水處理廠數(shù)學(xué)模型，對曝氣池不同區(qū)域DO設(shè)定值進(jìn)行仿真與優(yōu)化，并將仿真優(yōu)化的DO設(shè)定值組合結(jié)果作為現(xiàn)場運行調(diào)試的依據(jù)，據(jù)此改進(jìn)了污水廠實際運行參數(shù)，為污水廠關(guān)鍵運行參數(shù)的優(yōu)化與確定提供新的思路，提高污水廠參數(shù)優(yōu)化調(diào)整效率，降低污水廠運行風(fēng)險。

2 工藝仿真用于優(yōu)化某污水廠溶解氧設(shè)定值

2.1 研究對象

某污水處理廠近期建設(shè)規(guī)模為50萬m3/d，污水處理采用A2/O

工藝，共設(shè)5個系列，每個系列由2座生化池合建。由于每座生化池的運行狀況都是類似的，因此模擬1座生化池就可以代表全廠的運行狀態(tài)。單座生化池的平面圖如圖1所示。

模型將好氧池沿水流方向分為3個溶解氧控制區(qū)，將第一好氧區(qū)分為2個溶解氧控制區(qū)，分別為第一溶解氧控制區(qū)和第二溶解氧控制區(qū)，第二好氧區(qū)只設(shè)一個溶解氧控制區(qū)，為第三溶解氧控制區(qū)，每個控制區(qū)都會設(shè)置一個溶解氧目標(biāo)值，分別記為DO1、DO2、DO3（圖1），使曝氣池在該區(qū)域的DO水平維持在目標(biāo)值左右。

該污水廠在實際運行過程中，由于第一好氧區(qū)前端曝氣過量，有機(jī)物大量去除，而進(jìn)入曝氣池后端的污水DO濃度在保證攪拌效果的低曝氣強(qiáng)度的情況下依然很高，而營養(yǎng)物質(zhì)不足，難以消耗過量的溶解氧，致使進(jìn)入下個工藝段即第二缺氧池的污水DO繼續(xù)偏高，影響反硝化作用，對總氮去除不利。因此，優(yōu)化第一好氧池前后端的溶解氧控制目標(biāo)值，對好氧池的溶解氧進(jìn)行精細(xì)化控制，對于出水水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)至關(guān)重要。

2.2 模型校準(zhǔn)及驗證

為了提高模擬結(jié)果的可信度，必須對所建立的模型進(jìn)行校準(zhǔn)。以該污水廠實際運行狀況及監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，對活性污泥數(shù)學(xué)模型的化學(xué)計量學(xué)和動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使最終的模型校準(zhǔn)結(jié)果能夠反映此污水廠的實際運行情況，重現(xiàn)污染物削減過程，并預(yù)測不同進(jìn)水負(fù)荷及其他運行環(huán)境和條件變化對出水造成的變化。

通過研究2017年2月份該污水廠的運行數(shù)據(jù)（未啟用溶解氧控制系統(tǒng)），包括進(jìn)出水水量、進(jìn)出水水質(zhì)，并以此作為模型的校準(zhǔn)依據(jù)，實際運行數(shù)據(jù)及校準(zhǔn)結(jié)果見表1。

由表1可知，模擬的出水水質(zhì)與實際出水水質(zhì)的誤差在誤差允許范圍內(nèi)[9]，經(jīng)過校準(zhǔn)的模型能夠重現(xiàn)污水廠實際的運行情況，進(jìn)而指導(dǎo)污水廠的運行決策。

3 溶解氧目標(biāo)設(shè)定值的優(yōu)化

通過ProSee工藝仿真軟件模擬不同溶解氧組合下出水水質(zhì)的達(dá)標(biāo)情況，以出水達(dá)標(biāo)為目標(biāo)，對比選擇出合理的溶解氧設(shè)定值組合，實現(xiàn)溶解氧目標(biāo)設(shè)定值的優(yōu)化，為曝氣池的溶解氧控制提供參考。

3.1 溶解氧設(shè)定方案

根據(jù)污水廠實際運行情況，為了避免因前端曝氣過量影響后續(xù)的反硝化過程，在第一溶解氧控制區(qū)應(yīng)適當(dāng)減少曝氣量以控制DO1，DO2則適當(dāng)增加以進(jìn)一步去除廢水中的氨氮。第二溶解氧控制區(qū)出水會經(jīng)過一個消氧區(qū)以消耗水中多余的溶解氧，因此DO2也不宜設(shè)置的太高，使消氧區(qū)消氧不充分影響后續(xù)的反硝化作用。依據(jù)上述情況，三個控制區(qū)的溶解氧目標(biāo)設(shè)定值的設(shè)定方案見表2。

3.2 仿真結(jié)果

以表1所示的進(jìn)水水量及水質(zhì)作為仿真的輸入條件，同時按照表2所設(shè)置的一系列溶解氧目標(biāo)設(shè)定值作為仿真的運行參數(shù)來模擬實施溶解氧控制后的效果，判斷仿真結(jié)果是否滿足：

（1）出水氨氮達(dá)標(biāo)（<5 mg/L），另外根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的均值，未受溶解氧控制前，出水氨氮均小于1 mg/L，因此出水目標(biāo)值設(shè)為1 mg/L;

（2）出水總氮達(dá)標(biāo)（<15 mg/L）。

根據(jù)以上條件，利用ProSee軟件模擬出一系列的出水水質(zhì)結(jié)果，如表3和圖2所示。

由仿真結(jié)果可知，溶解氧設(shè)定值越高，出水氨氮則越低，這與自養(yǎng)菌硝化作用耗氧有關(guān)。當(dāng)DO低于1 mg/L時，出水氨氮就超過1 mg/L，如果DO偏低，不利于自養(yǎng)菌的代謝生長，影響出水氨氮;另外，較高的DO水平則會抑制反硝化作用，使出水總氮上升，在DO1和DO3不變的情況下，DO2從1.0 mg/L增加到5.0 mg/L，總氮則從8.20 mg/L上升到9.23 mg/L，說明DO2過高會抑制后續(xù)反硝化過程的進(jìn)行;增加DO1，如方案5，出水總氮則繼續(xù)升高至10.00 mg/L;而當(dāng)DO1過高同時又能控制住DO2的情況下，總氮也能下降到8.28 mg/L，同時出水氨氮能夠保證較低的濃度水平（0.42 mg/L），但是為了保證污泥不發(fā)生沉降，至少要給曝氣池提供最低曝氣量，另外進(jìn)入第二溶解氧控制區(qū)的污水沒有足夠的有機(jī)物消耗水中過量的DO，因此在實際情況中難以實現(xiàn)。綜合以上仿真的結(jié)果，可為溶解氧目標(biāo)設(shè)定值的設(shè)定提供參考，同時考慮到第二好氧區(qū)出水直接進(jìn)入二沉池，為不造成二沉池回流污泥含較高的溶解氧，DO3的設(shè)置也不宜過高。建議參照表4來配置溶解氧目標(biāo)設(shè)定值。

4 溶解氧控制的應(yīng)用效果

4.1 溶解氧控制效果

以通過仿真選擇的溶解氧目標(biāo)設(shè)定值作為實際溶解氧控制的依據(jù)，在利用精確曝氣流量控制系統(tǒng)實施DO控制之后，現(xiàn)場DO控制穩(wěn)定性較實施前有大幅提高。以污水廠2號生化池B系列的控制效果為例，在溶解氧受控前后的時間段里，取各自連續(xù)運行48h的溶解氧濃度數(shù)據(jù)并繪制成曲線，對比分析了控制效果，如圖3所示。

由圖3可知，在DO受控前，曝氣池的曝氣量根據(jù)進(jìn)水負(fù)荷變化人為調(diào)節(jié)，DO1和DO2變化幅度較大，而在DO受控后，DO1和DO2能夠在溶解氧設(shè)定目標(biāo)值上下波動，穩(wěn)定性大幅度提高;由于進(jìn)入第三溶解氧控制區(qū)的水質(zhì)經(jīng)過前端工藝的處理達(dá)到較低水平，進(jìn)水負(fù)荷的變化對其處理效果不會產(chǎn)生直接的影響，因此在低氣量模式下，DO3在受控前后都能保持相對穩(wěn)定。

4.2 出水水質(zhì)

本文統(tǒng)計了2017年4月6日—2017年4月12日（溶解氧受控后）出水水質(zhì)化驗數(shù)據(jù)，如圖4所示。

由圖4結(jié)果可知，溶解氧受控后，能保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。由此可知，根據(jù)仿真結(jié)果獲得的溶解氧目標(biāo)設(shè)定值能夠有效地指導(dǎo)現(xiàn)場溶解氧目標(biāo)值的控制，保證溶解氧的穩(wěn)定和出水水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

5 結(jié)論

經(jīng)過校準(zhǔn)了的污水廠工藝模型能夠較好地重現(xiàn)污水廠的運行情況;在此基礎(chǔ)上對曝氣池的溶解氧目標(biāo)設(shè)定值進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而確定溶解氧目標(biāo)設(shè)定值范圍，分別為DO1=0.7～1.5 mg/L，DO2=1.0～3.0 mg/L，DO3=1.0～3.0 mg/L，以此指導(dǎo)實際DO的控制，控制結(jié)果顯示曝氣池DO在設(shè)定值上下一定范圍內(nèi)波動，保持相對穩(wěn)定，同時能夠保證出水達(dá)標(biāo)。綜上所述，利用工藝仿真技術(shù)能夠很好地重現(xiàn)污水處理廠運行情況，并為污水處理廠DO的優(yōu)化控制提供參考和技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1] Park H D，Noguera D R. Evaluating the effect of dissolved oxygen on ammonia- oxidizing bacterial communities in activated sludge [J].Water Research，2004，38（14 - 15）：3275-3286.

[2] Park H D，Noguera D R. Characterization of two ammonia-oxidizing bacteria isolated from reactors operated with low dissolved oxygen concentrations [J]. Journal of Applied Microbiology， 2007，102（5）：1401-1417.

[3] Liu G Q，Wang J M. Long - term low DO enriches and shifts nitrifier community in activated sludge [J].Environmental Science & Technology，2013，47（10）：5109 -5117.

[4] Guo J S，Xu Y F，Chen Y P，et al. Long - term evolution of an activated sludge system under low dissolved oxygen conditions [J]. Journal of Environmental Biology，2013，34（2）：427-436.

[5] Abbassi B，Dullstein S，R?biger N. Minimization of excess sludge production by increase of oxygen concentration in activated sludge flocs; experimental and theoretical approach [J]. Water Research，1999，34（1）：139-146.

[6] Gieseke A，Purkhold U，Wagner M，et al. Community structure and activity dynamics of nitrifying bacteria in a phosphateremoving biofilm [J]. Applied and Environmental Microbiology，2001，67（3）：1351 - 1362.

[7] 范吉，謝磊，范岳峰，等. 一種新的污水處理仿真與優(yōu)化控制軟件ProSee及功能介紹 [J]. 全國排水委員會2012年年會論文集，2012.

[8] Henze M，Gujer W，Mino T，et al. Activated sludge models ASM1，ASM2，ASM2d and ASM3 [M]. London：IWA Publishing，2000.

[9] 施漢昌，胡志榮，楊殿海，等.活性污泥模型應(yīng)用指南 [M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.