張曉文 王雪蓮

摘 要：伴隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，國家和公眾層面對環(huán)境保護越發(fā)重視。目前，傳統(tǒng)的污水處理設(shè)計及運行管理手段跟不上時代的步伐，運用數(shù)值模擬手段對污水處理廠的生產(chǎn)實踐以及工藝設(shè)計進行定量指導(dǎo)成為業(yè)內(nèi)的研究重點。本文介紹了國內(nèi)外運用數(shù)值模擬手段對污水處理廠運行的各種案例，對未來污水處理廠的生產(chǎn)實踐以及工藝設(shè)計具有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：污水處理廠；活性污泥模型；優(yōu)化

中圖分類號：X703 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0001-02

1 概述

污水處理過程是一個復(fù)雜、繁瑣的反應(yīng)過程，期間伴隨有物理化學(xué)反應(yīng)、生物化學(xué)反應(yīng)、相變過程以及能量與物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和傳遞過程，具有時變性、非線性以及不確定性和滯后性等特點。目前，考慮到活性污泥組成以及污水處理過程的復(fù)雜性，同時加上對于污水處理方法的研究日趨深入，業(yè)內(nèi)對數(shù)學(xué)模型的建立及應(yīng)用也日趨成熟，即便如此數(shù)學(xué)模型的建立過程也是困難異常。但是，建模領(lǐng)域的開拓對于污水處理行業(yè)來說又是一個具有里程碑的意義，是一個重要理論意義與實用價值的新型工具。活性污泥模型（ASMS）的研究與應(yīng)用將是污水生物處理領(lǐng)域的熱點之一。目前，國內(nèi)將ASMS在大型污水處理廠的設(shè)計、改擴建及模擬運行的工程應(yīng)用經(jīng)驗不多，相關(guān)的文獻、資料也較少；而國外目前在ASMS的研究進展則領(lǐng)先國內(nèi)很多，應(yīng)用于實際的大型污水處理廠的工程案例也相對較多。

2 關(guān)于ASMS模擬污水處理廠運行的工程應(yīng)用研究進展

目前，Elawad等人利用Biowins軟件建立了一個ASMS的擴展動態(tài)模型，用于表達北非埃及西部的一個污水處理廠的性能。該污水處理廠生產(chǎn)工藝適合處理生活污水與工業(yè)廢水混合進水的活性污泥工藝，日流量為6萬m3/d。在正常運行條件下，采用該廠8個月的運行數(shù)據(jù)平均值對該預(yù)測模型進行校準(zhǔn)，由于廢水的溫度存在著明顯的波動，因此在模型中加入了Arhenius方程，并調(diào)整了相關(guān)計算參數(shù)：好氧異養(yǎng)衰減率（bH2O=0.15d-1），好氧異養(yǎng)菌產(chǎn)率（YH2O=0.3gCOD/gCOD），最大異養(yǎng)生長速率（μH=7d-1）。通過對比TSS、COD、MLSS濃度發(fā)現(xiàn)：ASMS擴展預(yù)測模型可以很好的預(yù)測該污水廠的處理性能。由于目前埃及相關(guān)法律氮的相關(guān)排放進行限制，因此該污水處理廠沒有氮的相關(guān)數(shù)據(jù)，所以暫無法驗證模型的脫氮過程。

而Vinicious等利用ASM2d預(yù)測模型對污水處理廠進行模擬校準(zhǔn)，并首次將“Seeds”方法應(yīng)用在污水處理廠數(shù)據(jù)的模擬應(yīng)用上。Spain Catalonia地區(qū)的Manesa污水處理廠的平均進水流量為3萬m3/d。該廠包括預(yù)處理、初次沉淀池、生物處理池及深度處理幾個部分，其中生物處理池包括3個面積為1500m3的厭氧池及總面積為4000m3的好氧池。在夏季，污水中污染物的負荷比冬季小得多。模型校準(zhǔn)分為兩個步驟：靜態(tài)及動態(tài)模擬。靜態(tài)模擬有助于減少模型與進水?dāng)?shù)據(jù)之間的差異。采用初步校準(zhǔn)的結(jié)果進行動態(tài)校準(zhǔn)，采用“Seeds”方法可以得到校準(zhǔn)模型參數(shù)的最小數(shù)量，從而減少了參數(shù)優(yōu)化過程中各參數(shù)的相關(guān)性問題，該方法對提高確定進水狀態(tài)具有明顯經(jīng)濟上的優(yōu)勢。

WANG等人利用改進后的ASM2d預(yù)測模型對華東部某技改A2/O工藝的城鎮(zhèn)污水處理廠進行了模擬計算。通過調(diào)整進水量以及分配比，對3套技改后的A2/O工藝系統(tǒng)出水水質(zhì)進行監(jiān)測及對比。結(jié)果表明：當(dāng)進水總量為10萬t/d，NH4+-N和COD的濃度可以達到出水一級A標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)進水總量在污水處理廠設(shè)計值范圍內(nèi)時，總氮濃度達標(biāo)率可達一級B標(biāo)準(zhǔn)的95%以上。進水組分及溫度越均勻，TN的達標(biāo)率則越高。另外，研究還發(fā)現(xiàn)：在貼近預(yù)測達標(biāo)率的前提條件下，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為8萬噸/天的污水處理廠的最大運行承載能力可以達到15萬t/d。

W.Wambecq等人以ASM2d預(yù)測模型為平臺量化了氧化溝水平流速對污水處理廠的能耗影響分析。Honsbroek污水處理廠的生物處理單元為兩個3萬m3的氧化溝，可以處理1萬m3/h的污水。在保證去除效果的同時，為了降低能耗采用如下2種方法。一是經(jīng)典的曝氣控制優(yōu)化，可以降低5%的能耗。當(dāng)氧化溝的水平流速為0.2m/s?？梢酝ㄟ^增加水平流速到0.35m/s，即可以降低10%的能耗。二是經(jīng)典的優(yōu)化控制和氧化溝流速優(yōu)化可以降低15%的能耗，研究表明：最佳流速為0.33m/s。

Lu等人利用ASM2d模型與SST耦合模型研究了西部某污水處理廠的運行性能。通過測定廢水中COD組分，再根據(jù)污水處理廠的實際數(shù)據(jù)及工藝流程來確定模型初始參數(shù)。SST模型利用污泥沉降速度方程描述SST的理想沉降情況，并利用耦合模型對污水處理廠進行模擬計算，可以得到以下結(jié)論：

（1）出水COD、SS和TP模擬效果較好；（2）該模型的運行有助于提高A2/O工藝的氮磷去除率，TN的去除率可從25%提高到65%，TP的去除效率可從35%提高到80%，模擬結(jié)果可直接用于該污水處理廠的升級改造；（3）對SRT和生物反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度進行優(yōu)化處理，增加了污泥的抗負荷沖擊能力，提高出水水質(zhì)。

Abusam等人采用ASM1預(yù)測模型針對位于科威特的Riqa污水處理廠出水COD不穩(wěn)定問題進行了模擬核對及性能研究。針對可能的原因進行分析，并采用2013年的監(jiān)測數(shù)據(jù)來進行模型建立，包括HRT、SRT、LV和F/M等。結(jié)果表明：BOD/COD變化比較明顯，應(yīng)該是工業(yè)廢水或污水非法排放所致。開發(fā)的模型可用于控制并優(yōu)化系統(tǒng)的性能。

Swinarsk等人改進了ASM2d預(yù)測模型，增加了用于缺氧及好氧條件下聚磷菌和異養(yǎng)菌生物過程的底物成分和過程，并在波蘭的Gdank污水處理廠進行了小試。利用小試結(jié)果對原始的ASM2d預(yù)測模型進行校核，硝酸鹽吸收速率和缺氧磷吸收速率擬合良好。用雜醇作為輔助碳源，并以污水廠連續(xù)72小時的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為確定擴增的ASM2d延展模型的初始參數(shù)。新的預(yù)測模型可以更好的預(yù)測COD、NO3-N的濃度。出水的PO4-P濃度預(yù)測值為原先的ASM2d模型的一半，但在預(yù)測磷酸鹽去除率上差距很小。

Ján等人對Slovak的Nové某污水處理廠進行了模擬校核，利用進出水流量及廢水組成成分進行了監(jiān)測并進行動態(tài)模擬。該污水處理廠的生物處理單元為前置反硝化工藝?；钚晕勰喾磻?yīng)器厭氧池為2000m3，好氧池為7000m3，二沉池體積為2500m3。平均動態(tài)進水流量約為500m3/h，回流污泥量約為10000m3/d，剩余污泥量約為150m3/d，內(nèi)循環(huán)量約為8700m3/d。研究結(jié)果表明：該校準(zhǔn)模型通過進水成分和運行參數(shù)的變化可以預(yù)測出水水質(zhì)及系統(tǒng)運行成本。通過模擬可以得到最佳的固體停留時間（10d）、溶解氧濃度（2mg/L），此時的運行費用最為經(jīng)濟。

Georg利用基于硝化/反硝化模型改進的ASM1預(yù)測模型來模擬某污水處理廠的運行情況，同時介紹了MPC在污水處理廠的智能控制中的研究成果，對污水處理廠的兩種控制策略進行了檢驗，并從污水處理廠的處理效率及成本效益進行了分析：第一種策略是與DO和KLa的控制相關(guān)；第二種策略是利用氮的變化對污水處理廠的指標(biāo)進行控制。與第一種相比，該策略使運行成本降低10%，出水水質(zhì)指標(biāo)提高15%。

Gussem等采用ASM2預(yù)測模型對比利時的Bre污水處理廠進行了模擬校準(zhǔn)。也進行了兩種最優(yōu)策略比較：達標(biāo)排放的最低成本和最佳環(huán)境效益。研究包括4種研究方案：（1）MLSS濃度控制；（2）氧設(shè)定點；（3）內(nèi)循環(huán)評價；（4）反硝化的硝酸鹽設(shè)定?；鵏CA的優(yōu)化方法都能夠顯著降低成本及環(huán)境影響。其中LCA方法對于現(xiàn)存的全局污水廠更具優(yōu)勢，它使工廠可以安全運行，風(fēng)險減少，并在均衡成本下使出水水質(zhì)更好。

FANG等人將機理模型和遺傳算法以與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合構(gòu)成綜合動態(tài)模型，用于模擬污水處理廠存在進水波動。機理模型由EAWAG bio-P與ASM3模型組成。將某污水處理廠4個月進水特征數(shù)據(jù)進行模擬。模擬結(jié)果表明：在擾動條件下，與單獨的機理模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相比，該模型能夠捕捉到信息補償模型的誤差，并進行相應(yīng)改進。

Yang等人基于GPS-X軟件平臺以ASM2預(yù)測模型某污水處理廠的氧化溝工藝。該污水廠設(shè)計能力為7×104t/d，總停留時間為14h，運行周期7h。選取合適的工藝參數(shù)和動力學(xué)參數(shù)進行模擬，模型構(gòu)建過程中將氧化溝進行分解。參數(shù)包含曝氣設(shè)備分布及溶解氧濃度。在GPS-X平臺上選擇2008年的進出水?dāng)?shù)據(jù)對COD、總氮、SS、氨氮的濃度進行模擬。模擬結(jié)果表明：預(yù)測值與實際值吻合良好，其中總氮去除率差異為6%，COD去除率差異小于2%，而氨氮去除率差異約為10%，應(yīng)該是溫度變化和實際曝氣效率低的緣故。該研究表明：利用該模型可以很好地模擬污水處理廠實際工況。

Jukka等用ASM1改進的模型對工業(yè)污水處理廠進行了模擬。工業(yè)廢水的營養(yǎng)分通常是不足的。模擬結(jié)果證明：數(shù)學(xué)模型在研究實污水處理廠的營養(yǎng)物策略和解決污水處理廠的性能方面是適用的。

Lu等人用改進的ASM1預(yù)測模型對大型紡織印染廢水處理廠進行模擬，該廢水廠設(shè)計進水流量為5萬m3/d，處理工藝為厭氧-水解-曝氣-沉淀處理過程。根據(jù)整個處理廠運行數(shù)據(jù)建立模型，對測量結(jié)果進行校核。研究結(jié)果表明：低生物降解性廢水中COD的測定是可以通過呼吸測量法及全局污水廠數(shù)據(jù)的校核過程進行估算的。

J.Alex，J.F.Beteau，C.Hellinga等人開發(fā)的污水處理廠基準(zhǔn)評估模型，該模型是一個獨立于平臺的仿真環(huán)境，用于仿真模型，流入負載和評估標(biāo)準(zhǔn)。多個研究團隊為基準(zhǔn)測試的開發(fā)做出了貢獻，并在多個仿真平臺（SimulinkTM，GPS-XTM，SimbaTM，F(xiàn)ORTRAN code）上獲得了不少研究成果。

美國明尼蘇達州的Hastings WWTPs利用污水處理廠構(gòu)筑物物理尺寸，具有典型性的進出水及運行參數(shù)，對MLSS、TSS進行模型校核。污水處理廠處理單元主要包括初沉池、生物曝氣池、二沉池、厭氧消化池等幾個部分，通過模型構(gòu)建將幾個系列綜合進行模擬。在模型校核中發(fā)現(xiàn)：進水?dāng)?shù)據(jù)是基于2萬人用水量計算所得，可能使得進水測得的BOD值低于實際值。雖然沒有足夠的有效信息來調(diào)整動力學(xué)參數(shù)，但在校核過程存在的不一致性對于發(fā)現(xiàn)運行過程的問題具有一定的預(yù)測作用。

美國WERF項目組與Phoenix市合作，對Multi-Cities污水處理廠的生物脫氮過程進行模擬，確定污水處理廠的進出水?dāng)?shù)據(jù)及污水組分，并利用活性污泥模型校核測得出水特征值；并應(yīng)用模型的校準(zhǔn)來估計比硝化細菌的生長速率。在穩(wěn)態(tài)模擬中大多數(shù)出水特征值的測量值與預(yù)測值具有良好的一致性；動態(tài)模擬分析了進水特征值的日變化量，模擬硝酸鹽濃度曲線與實測值吻合良好，可以用來模擬增加污水廠承載能力的情況下污水廠的負荷與運行參數(shù)變化。