ProSee仿真軟件在污水處理廠運行優(yōu)化中的應用

胡麗萍

(上海金興水處理工程有限公司，上海201502)

摘要該文介紹了污水處理工藝仿真與優(yōu)化控制系統(tǒng)ProSee的各個功能模塊，如工藝仿真、工藝優(yōu)化與控制、能耗與藥耗仿真和虛擬儀表等的使用。結(jié)合ProSee軟件在上海市某污水廠的實際應用，介紹了根據(jù)真實污水廠的工藝和運行狀況，進行建模、仿真和工藝優(yōu)化的情況。結(jié)果表明經(jīng)過模型校準的ProSee軟件可以反映和重現(xiàn)污水廠的真實運行狀況，對優(yōu)化工藝、節(jié)能降耗、提高污水廠的管控水平具有重要意義。

關鍵詞ProSee軟件污水處理仿真運行優(yōu)化

中圖分類號：TU992文獻標識碼： A

[收稿日期]2015-05-26

[作者簡介]胡麗萍(1974—)，女，工程師，學士，從事污水處理的生產(chǎn)運行管理工作。電話： 15900972793；E-mail： mengni5180@sina.com。

Application of ProSee Emulation Software for Operation Optimization in Wastewater Treatment Plant

Hu Liping

(ShanghaiJinxingWaterTreatmentEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai201502,China)

AbstractApplication of ProSee emulation software’s functional module such as process emulation, process optimization and control, energy and agent consumption, virtual instrument were summarized. On the basis of actual projects in WWTP, method of modeling, emulation and optimization were introduced. The result shows that ProSee emulation software can reflect and reproduce the operation status. It is of great significance to improve management level in WWTP.

KeywordsProSee emulation softwarewastewater treatmentemulationoperation optimization

活性污泥系統(tǒng)由于具有運行穩(wěn)定、處理效果好、運行成本低等特點，因而在廢水生物處理中應用廣泛[1]。但是活性污泥工藝設計、運行還停留在經(jīng)驗水平，對工藝系統(tǒng)理論的深入研究及運用遠遠不夠。由于活性污泥工藝過程的復雜性，實驗研究無法滿足工藝運行的要求，因此進行工藝系統(tǒng)數(shù)學模型的研究，有助于掌握活性污泥工藝的現(xiàn)象和規(guī)律，從而有效指導生產(chǎn)實踐。IAWQ組織提出的ASM系列模型已成為活性污泥過程仿真和控制的重要基礎，將模型和控制理論及方法結(jié)合起來，可按照處理水質(zhì)的要求，達到優(yōu)化運行的目的。

1ProSee軟件基本概況

ProSee是一款用于污水處理工藝優(yōu)化與控制的仿真軟件，系國內(nèi)首款商業(yè)化的污水處理仿真軟件。其核心是工藝模型、二沉池沉降模型、設備和能耗模型、參數(shù)校核等，這一系列針對污水處理核心工藝環(huán)節(jié)和設備的模塊，為污水處理廠提供全面、可靠的仿真環(huán)境，具有污水處理全程的仿真功能，可預測各種進水和環(huán)境因素的變化對運行效果的影響，以便提供決策支持功能，從而達到工藝優(yōu)化、出水達標、節(jié)能降耗的目標。ProSee軟件能用于多種主流活性污泥工藝及其改型的仿真，如AAO工藝、SBR工藝、氧化溝工藝等。ProSee可運行于多種操作系統(tǒng)，專為目標污水廠定制，軟件界面十分友好，方便快速掌握。

2應用背景和擬達到的效果

某污水廠一期工程設計規(guī)模為1.4萬m3/d，工藝采用卡魯塞爾氧化溝。該污水廠日均處理污水1.48萬m3，隨著當?shù)爻擎?zhèn)規(guī)模和工業(yè)的不斷發(fā)展，該污水廠已經(jīng)超負荷運行。同時，由于納管企業(yè)某酒廠的廢水預處理系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，進水水量、水質(zhì)的動態(tài)性和時變性及溫度變化等外界環(huán)境因素影響企業(yè)廢水處理穩(wěn)定運行。解決這些問題的途徑之一是在現(xiàn)有工藝的基礎上，深入研究進水條件、工藝控制參數(shù)和系統(tǒng)運行效果三者之間的關系，進而調(diào)整工藝控制參數(shù)，優(yōu)化工藝運行，以應對進水負荷的動態(tài)波動及溫度的季節(jié)性變化。污水處理工藝涉及的過程復雜，工藝調(diào)整一般依靠經(jīng)驗，調(diào)整周期長，成本高，存在一定風險。由于數(shù)值模擬方法可以快速預測不同處理工藝條件下的出水水質(zhì)，因而在污水處理廠的設計和優(yōu)化運行方面應用ProSee軟件，可解決污水廠運行管理中的問題，進一步提高出水水質(zhì)的穩(wěn)定性。

3ProSee軟件在污水廠的應用效果

結(jié)合上海市某污水廠的實際應用，介紹ProSee工藝仿真軟件功能特點和使用情況。

3.1 工藝仿真模塊

ProSee可以根據(jù)歷史的或?qū)崟r的進水水量、水質(zhì)、運行工況等參數(shù)，重現(xiàn)或預測污水廠的運行效果(包括出水水質(zhì)、評價指標和能耗統(tǒng)計)，幫助污水廠管理人員找到以往出水水質(zhì)波動的原因，并分析進水波動或沖擊、設備突發(fā)狀況等對運行效果造成的影響。

某污水廠采用卡魯賽爾2000型氧化溝，設計處理水量為1.4萬t/d，工藝流程如圖1所示。溝前端設置厭氧區(qū)和缺氧區(qū)。好氧區(qū)由6條廊道組成，廊道沿程布置5臺變頻式轉(zhuǎn)碟表曝機，氧化溝出水進入二沉池發(fā)生泥水分離，上清液經(jīng)消毒后外排入河道，一部分污泥回流到氧化溝前端，一部分污泥送至脫水機房進行脫水等后續(xù)處理。

模型參數(shù)輸入和仿真結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖1　某污水廠工藝流程圖 Fig.1　Flow Chart of Wastewater Treatment Process in One WWTP

圖2　軟件的輸入?yún)?shù)界面 Fig.2　Parameter Input Interface of ProSee Software

圖3　展示仿真結(jié)果的“運行視圖”界面 Fig.3　Interface of Operation View for Simulation Results

圖4　根據(jù)仿真結(jié)果繪制的曲線 Fig.4　Curve According to the Simulation Results

ProSee軟件可根據(jù)污水廠的工藝流程、構筑物尺寸、進水狀況等信息定制反映該廠真實狀況的模型，所有反映污水廠運行狀況的信息均以交互界面的形式供用戶輸入?yún)?shù)。

通過輸入?yún)?shù)界面，進水水量、水質(zhì)、工藝處理單元的尺寸和容積、主要的工藝運行參數(shù)(表曝機頻率、污泥回流量、內(nèi)回流量、剩余污泥排放量等)均可由用戶根據(jù)實際狀況加以設置。然后設置仿真時間(當前的參數(shù)設定下模擬運行的時間)并點擊“仿真”按鈕，即可進行仿真。仿真結(jié)束后可以在“運行視圖”界面查看仿真結(jié)果。

“運行視圖”界面以可視化的工藝流程圖重現(xiàn)了某污水廠工藝的原貌，不僅展示進水、出水的水質(zhì)指標，而且提供了整個工藝流程上多個測點的出水指標及泥齡、水力停留時間、污泥負荷等評價指標，甚至用戶設置的工藝運行參數(shù)也能在仿真結(jié)果里查看到。仿真結(jié)果除了以動態(tài)刷新數(shù)據(jù)外還能以曲線的形式加以展示，并能導出數(shù)據(jù)。

3.2工藝優(yōu)化與控制模塊

在污水廠的日常運行管理中，各種外界環(huán)境因素(如進水水量水質(zhì)沖擊、設備突發(fā)狀況等)變化是不可避免的。ProSee可以重現(xiàn)不同的進水、運行條件下污水廠的運行效果(包括出水水質(zhì)和評價指標)，從而預測進水波動和沖擊給運行效果可能帶來的影響，具體如圖5～圖8所示。

圖5　出水NH 3-N在三種工況下的仿真結(jié)果 Fig.5　Simulation Results of Effluent NH 3-N in Three Operating Conditions

圖6　出水NH 3-N三種不同溫度下的仿真結(jié)果 Fig.6　Simulation Results of Effluent NH 3-N at 3 Temperatures

圖7　能耗仿真界面 Fig.7　Emulation Interface of Energy Consumption

圖8　表曝機信息 Fig.8　Information of Surface Aerator

(1) 水量水質(zhì)沖擊。現(xiàn)在很多污水廠面臨進水水量水質(zhì)的沖擊，引起出水COD過高。通過ProSee軟件可以還原這一過程，并且能通過在軟件里調(diào)整表曝機頻率等工況參數(shù)，優(yōu)化計算出最佳的工藝運行參數(shù)，盡量降低進水波動或設備故障對出水水質(zhì)的影響，實現(xiàn)出水水質(zhì)穩(wěn)定達標。

(2) 低溫影響。冬季的低水溫會對氨氮的硝化反應產(chǎn)生抑制作用，可能導致出水氨氮不達標。通過在ProSee軟件里設置水溫，可以還原出冬季低溫工況下出水氨氮的超標趨勢，以及采取強化曝氣等對策后超標趨勢的緩解。

3.3能耗、成本仿真功能

能耗和運行成本在污水廠管理中也是一個比較關注的問題。ProSee在工藝仿真的基礎上實現(xiàn)了能耗、物耗環(huán)節(jié)的仿真，提供了各項耗能統(tǒng)計分析情況，并最終予以匯總，實現(xiàn)全廠的能耗仿真和成本分析。

ProSee的能耗仿真功能可以提供仿真時間內(nèi)全廠的電耗量、日均耗電量、處理單方水或單位當量COD的耗電量，并能以餅圖的形式直觀地展示各類耗能設備在總能耗中所占的比重。還可以比較不同進水、運行條件下的能耗水平，有助于選擇最優(yōu)的運行方案，以最小的運行成本實現(xiàn)達標排放。

3.4虛擬儀表

在污水處理廠的運行管理中，及時了解整個工藝流程上水質(zhì)指標的變化有助于診斷運行出現(xiàn)問題的原因，可以進一步提升污水廠的運行水平，但實際上往往需要安裝一定數(shù)量的儀表，從采購到日常維護都大量投入。

ProSee軟件為用戶提供了額外的“虛擬儀表”功能，借助軟件提供的視圖，在仿真過程中顯示出工藝流程各個指定位置上的水質(zhì)指標，以仿真結(jié)果替代了真實儀表的監(jiān)測結(jié)果，起到儀表測點的作用，彌補了實際儀表數(shù)量的不足，并可以幫助用戶非常直觀地認識到各種輸入因素和控制運行參數(shù)在全局層面對運行結(jié)果的影響，具體如圖9所示。

圖9　虛擬儀表功能 Fig.9　Function of Virtual Instrument

3.5模型校準

為了提高模擬結(jié)果的可靠程度，有必要對所使用的模型參數(shù)進行校準，即通過調(diào)整模型參數(shù)使模擬結(jié)果盡可能接近實測結(jié)果[2-4]?；钚晕勰鄶?shù)學模型ASM2d包含大量的動力學參數(shù)和化學計量學系數(shù)，國際水協(xié)對所有的參數(shù)都給出了推薦值或取值范圍。不同的參數(shù)對模擬結(jié)果的影響程度存在差異，即模擬結(jié)果對某些參數(shù)的變化很敏感，而對其他參數(shù)很不敏感。本研究采取靈敏度分析的方法來進行模型參數(shù)的校準，篩選出那些對仿真結(jié)果有較顯著影響的參數(shù)，而忽略那些影響很小的參數(shù)。在仿真過程中只需關注相關性高的那部分參數(shù)，在合適的取值范圍內(nèi)加以調(diào)整，以使仿真結(jié)果盡量接近真實的監(jiān)測結(jié)果。

靈敏度分析固定除待測參數(shù)以外的所有參數(shù)值以消除干擾因素，然后將待測參數(shù)值在恰當?shù)娜≈捣秶鷥?nèi)按一定步長逐步變化，同時對模型進行仿真，可繪制出模型組分對參數(shù)變化的響應曲線，觀測到哪些參數(shù)的調(diào)整會對特定組分的仿真結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。

以氨氮為例，經(jīng)靈敏度分析，對其濃度有較顯著影響的參數(shù)有： 自養(yǎng)菌的最大比生長速率和衰減速率、異養(yǎng)菌的產(chǎn)率系數(shù)、異養(yǎng)菌的最大比生長速率、自養(yǎng)菌的氨半飽和常數(shù)。

類似地，可以得到對硝態(tài)氮、總磷、COD(以可快速生物降解有機物和慢速可生物降解有機物為對象)有較顯著影響的參數(shù)。在模型參數(shù)的校核過程中，重點關注這些參數(shù)，對其在取值范圍內(nèi)進行適當調(diào)整，而其他參數(shù)保持默認值，使仿真結(jié)果盡可能接近實測結(jié)果。

3.6仿真與實測比對

將2013年4月某污水廠的進水水量、COD、氨氮和總磷作為軟件的進水參數(shù)輸入，將當月的表曝機頻率、污泥回流、內(nèi)回流、剩余污泥排放作為運行參數(shù)輸入。進水水量、水質(zhì)每天均以特定規(guī)律進行周期性變化(變化規(guī)律參照用水時變曲線，時間上有用水高峰和低谷之分，如深夜是用水低谷期，傍晚是用水高峰期)，而且一天內(nèi)的平均值等于當月該項指標的加權平均值，結(jié)果如表1所示。

表1　2014年4月部分指標進、出水的加權平均值

以進水流量為例，該指標在一天內(nèi)按照一定的規(guī)律變化(和用水的高峰和低谷時段有關)，但流量在一天內(nèi)的平均值大致相當于當月的加權平均值。進水流量在仿真時間內(nèi)，就遵循這一規(guī)律發(fā)生周期性的變化。

輸入的進水水質(zhì)指標是常規(guī)的COD、氮、磷等復合指標，但是并不能直接被軟件內(nèi)置的ASM2d模型所用，而是通過模型的轉(zhuǎn)換規(guī)則，結(jié)合化學計量學系數(shù)，將復合指標拆分成能被ASM2d模型識別的組分[2-4]，才能進行仿真。

以仿真達到穩(wěn)態(tài)后10 d的結(jié)果和當月出水水質(zhì)報表上相同時間段的實測結(jié)果作為對照組，結(jié)合模型參數(shù)校核，軟件仿真的結(jié)果和實測結(jié)果較接近，結(jié)果如圖10～圖13所示。

圖10　NH 3-N仿真結(jié)果和實測結(jié)果的對照 Fig.10　Simulation Result and Actual Result of NH 3-N

圖11　TN仿真結(jié)果和實測結(jié)果的對照 Fig.11　Simulation Result and Actual Result of TN

圖12　COD仿真結(jié)果和實測結(jié)果的對照 Fig.12　Simulation Result and Actual Result of COD

圖13　TP仿真結(jié)果和實測結(jié)果的對照 Fig.13　Simulation Result and Actual Result of TP

4結(jié)語

ProSee工藝仿真與優(yōu)化控制軟件較全面地還原和重現(xiàn)了污水廠的真實運行狀況，各項主要出水水質(zhì)指標的仿真結(jié)果和實測結(jié)果接近。仿真模擬污水處理廠各過程并優(yōu)化工藝的運行參數(shù)，以便達到最小的能耗和藥耗獲得較佳的出水水質(zhì)。除此之外，通過對進水沖擊負荷和冬季低溫兩種運行模式的仿真，還原了污水廠在不利工況下的運行狀況，并預測了應對措施的效果。綜上所述，ProSee工藝仿真軟件能還原污水廠的真實運行狀況，并為污水廠的工藝優(yōu)化提供方案選擇，實現(xiàn)出水達標排放和節(jié)能降耗的統(tǒng)一。

參考文獻

[1] 張喜寶.活性污泥法中控制氨氮去除效果的方法[J].凈水技術,2014,33(s2)： 35-40.

[2] Heme M, Gujer W, Mino T,etal. Activated sludge models ASMl, ASM2, ASM2D and ASM3[M]. London： IWA Publishing, 2000.

[3] Heme M, Gujer W, Mino T,etal. Activated sludge model[J]. Water Science and Technology, 1999, 39(1)： 183-193.

[4] 朱向東,郝二成,周軍,等.ASM2d模型在北京高碑店污水處理廠的應用[J].給水排水,2007,33(4)： 101-104.