馬 昭，李 鵬，吳林杰

(1.西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710068；2.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽 550081)

污水處理工藝包含的過程復(fù)雜，工藝調(diào)整普遍依靠工程經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整周期較長(zhǎng)，成本較高，還存在一定風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)值模擬的方法可較快模擬出不同污水處理系統(tǒng)下的出水水質(zhì)，因此，在污水處理工藝的設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)預(yù)測(cè)方面得到關(guān)注與發(fā)展[1]。從20世紀(jì)70年代起，研究人員及相關(guān)機(jī)構(gòu)陸續(xù)開發(fā)了多種活性污泥工藝系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，例如ASM1[2-5]、ASM2[4-5]、ASM2d[5-6]及ASM3[5,7]，其中，以國(guó)際水協(xié)會(huì)(IWA)提出的活性污泥模型(ASMs)、厭氧消化模型(ADMs)最具代表性[8]，而BioWin模擬軟件的核心是主要包含ASMs與ADMs的ASDM綜合模型。無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外對(duì)于數(shù)學(xué)模型的研究都大多集中于傳統(tǒng)工藝，而對(duì)于傳統(tǒng)工藝的改良工藝在模型方面的研究較為少見。本文利用BioWin軟件將實(shí)際污水廠AO工藝分別模擬改造為MLE工藝、AAO工藝、多段進(jìn)水AO工藝、多段多級(jí)AO工藝,為實(shí)際污水處理工藝的工程改擴(kuò)建及改良提供參考依據(jù)。

BioWin可在多種操作系統(tǒng)中運(yùn)行，軟件操作十分方便。該軟件在ASDM模型的基礎(chǔ)上，建立了各種反應(yīng)池、沉淀池、進(jìn)出水及污泥處置等共計(jì)30個(gè)工藝單元模塊，用戶通過組合這些結(jié)構(gòu)化模塊，可快速構(gòu)建目標(biāo)污水處理工藝的概化模型[1]。

1 污水廠概況

某污水廠處理污水流量為333 116.0 m3/d，AO工藝流程如圖1所示，工藝流程簡(jiǎn)單，不需投藥，且不考慮內(nèi)循環(huán)。因此，建筑與運(yùn)行費(fèi)用均較低，因無內(nèi)循環(huán)的影響，厭氧反應(yīng)器能夠保持良好的厭氧狀態(tài)[8]。

圖1 污水廠AO工藝流程Fig.1 Process Flow Diagram of AO in WWTP

厭氧池為4池串聯(lián)，好氧池為2池串聯(lián)，厭氧池、好氧池與沉淀池的有效容積、有效面積與有效深度如表1所示。污水廠原出水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn))的參數(shù)如下：pH值為6～9；SS含量≤20 mg/L；CODCr含量≤60 mg/L；BOD5含量≤20 mg/L；氨氮含量≤8(15)mg/L(括號(hào)外數(shù)值為水溫>12 ℃時(shí)的控制指標(biāo)，括號(hào)內(nèi)數(shù)值為水溫≤12 ℃時(shí)的控制指標(biāo))；TP含量≤1.0 mg/L；糞大腸菌群數(shù)為104個(gè)/L。進(jìn)水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，由表2可知，出水CODCr含量在50～60 mg/L，BOD5含量在10～20 mg/L，TN含量在15～20 mg/L，均符合國(guó)家一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，而氨氮含量>8 mg/L，TP含量>1.0 mg/L，不符合國(guó)家一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，污水廠運(yùn)行出水未達(dá)標(biāo)。

表1 工藝中各構(gòu)筑物尺寸Tab.1 Size of Each Structure in Process

表2 進(jìn)水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.2 Monitoring Results of Influent Quality

同時(shí)，該AO工藝在實(shí)際運(yùn)行中主要存在如下問題。(1)除磷效果很難提升。微生物會(huì)攝入磷，雖然是過量攝入，但也有一定限度，尤其當(dāng)進(jìn)水BOD5較低或污水中含磷量較高時(shí)。(2)在好氧池后沉淀池內(nèi)易產(chǎn)生釋磷現(xiàn)象，需及時(shí)排泥與污泥回流。

針對(duì)以上問題，為了提高污水中污染物的去除效率，需要對(duì)現(xiàn)用AO工藝進(jìn)行改造，而污水處理工藝涉及的過程復(fù)雜，工藝的調(diào)整多數(shù)情況下需依靠工程經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整周期較長(zhǎng)，成本較高，還存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

因此，可用BioWin軟件對(duì)工藝進(jìn)行快速模擬與改造。在工藝改造前，先用BioWin軟件為AO工藝建模，驗(yàn)證BioWin軟件所建立的模型對(duì)實(shí)際工藝模擬的準(zhǔn)確性。

2 模型構(gòu)建與驗(yàn)證

2.1 構(gòu)建工藝概化模型

根據(jù)AO工藝的原理以及表1中的有效幾何尺寸，建立工藝概化模型如圖2所示，輸入進(jìn)水量與水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果(表2)，其他進(jìn)水組分默認(rèn)為IWA推薦的典型污水組分(原污水)如表3所示。而對(duì)于模型相關(guān)參數(shù)(化學(xué)計(jì)量與動(dòng)力學(xué)參數(shù))，默認(rèn)為IWA推薦值如表4所示。

圖2 AO工藝概化模型Fig.2 Generalized Model of AO Process

表3 典型污水組分Tab.3 Typical Wastewater Components

表4 化學(xué)計(jì)量學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)Tab.4 Parameters of Stoichiometry and Dynamics

2.2 模擬與結(jié)果分析

參照表2的數(shù)據(jù)對(duì)模型中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，以達(dá)到對(duì)模型的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后的模型能夠較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際工藝的運(yùn)行狀況。然后利用此模型對(duì)AO工藝進(jìn)行最終模擬，得到準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。模型各構(gòu)筑物中的出水水質(zhì)模擬值如表5所示。

表5 AO工藝模型各構(gòu)筑物中出水水質(zhì)模擬值Tab.5 Analog Values of Effluent Quality in Each Structure of AO Process Model

將AO工藝出水水質(zhì)的模擬值與試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)照(圖3)。由圖3可知，模型出水水質(zhì)組分的模擬濃度與實(shí)測(cè)濃度基本相符，模型能夠反映實(shí)際污水處理工藝的運(yùn)行。實(shí)際出水與模擬出水水質(zhì)組分的相對(duì)誤差小于5%[9-10]，表明使用BioWin軟件構(gòu)建的模型，經(jīng)過參數(shù)修正與模型驗(yàn)證，可以較為準(zhǔn)確模擬實(shí)際工藝出水與運(yùn)行狀況，這為改造工藝的準(zhǔn)確模擬奠定基礎(chǔ)。

圖4 MLE工藝模型Fig.4 MLE Process Model

圖3 AO工藝出水水質(zhì)的模擬值與測(cè)量值對(duì)比Fig.3 Comparison of Histogram Analog and Measured Values of Effluent Quality in AO Process

3 工藝改造

為了提高脫氮除磷與有機(jī)物去除率，提升污水處理廠出水水質(zhì),同時(shí)，既能實(shí)現(xiàn)污水廠的節(jié)能減排，又能使出水水質(zhì)滿足一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)[11]，需要對(duì)實(shí)際現(xiàn)用的AO工藝進(jìn)行改造。改造的備選工藝為MLE工藝[12]、AAO工藝[13]、多段進(jìn)水AO工藝[13]、多段多級(jí)AO工藝[14-15]。通過構(gòu)建相應(yīng)的模型來模擬出水水質(zhì)，最終篩選出出水水質(zhì)較好的工藝。

3.1 MLE工藝的模擬

根據(jù)MLE工藝的原理以及表1所述的有效幾何尺寸，建立工藝概化模型如圖4所示，模型中輸入進(jìn)水量與水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果(表2)，混合液回流比為200%，污泥回流比為80%，其他進(jìn)水組分默認(rèn)為IWA推薦的典型污水組分(原污水)。而對(duì)于模型相關(guān)參數(shù)(化學(xué)計(jì)量學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù))，默認(rèn)為IWA推薦值。

同樣地，按照表2的數(shù)據(jù)對(duì)所建模型進(jìn)行校準(zhǔn)，利用校準(zhǔn)后的模型對(duì)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行最終穩(wěn)態(tài)模擬，得到準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，各構(gòu)筑物中水質(zhì)模擬結(jié)果如表6所示。

表6 MLE工藝模型中各構(gòu)筑物中出水水質(zhì)模擬值Tab.6 Analog Values of Effluent Quality in Each Structure of MLE Process Model

3.2 AAO工藝的模擬

根據(jù)AAO工藝的原理，建立工藝概化模型如圖5所示，再根據(jù)表1的數(shù)據(jù)來定義模型中反應(yīng)器的有效幾何尺寸，模型中輸入進(jìn)水量與水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果(表2)，混合液回流比為200%，污泥回流比為80%，其他進(jìn)水組分默認(rèn)為IWA推薦的典型污水組分(原污水)。而對(duì)于模型相關(guān)參數(shù)(化學(xué)計(jì)量學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù))，默認(rèn)為IWA推薦值。

圖5 AAO工藝模型Fig.5 AAO Process Model

對(duì)AAO工藝模型中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，以達(dá)到對(duì)模型的校準(zhǔn)。然后使用校準(zhǔn)后模型進(jìn)行最終的穩(wěn)態(tài)模擬，得到各構(gòu)筑物中水質(zhì)模擬結(jié)果如表7所示。

表7 AAO模型中各構(gòu)筑物中出水水質(zhì)模擬值Tab.7 Analog Values of Effluent Quality in Each Structure of AAO Process Model

3.3 分段進(jìn)水AO工藝的模擬

模擬分段進(jìn)水AO工藝時(shí)，根據(jù)分段進(jìn)水AO工藝的原理以及表1所述的有效幾何尺寸，建立工藝概化模型如圖6所示，圖中模型的缺氧池1～2與原AO工藝模型中的厭氧池3～4幾何尺寸相同。向模型中輸入進(jìn)水量(分段數(shù)為2，各段流量分配比均為50%)與水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果(表2)，污泥回流比為80%，其他進(jìn)水組分默認(rèn)為IWA推薦的典型污水組分(原污水)。而對(duì)于模型相關(guān)參數(shù)(化學(xué)計(jì)量學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù))，默認(rèn)為IWA推薦值。

圖6 多段進(jìn)水AO工藝模型Fig.6 Step-Fed AO Process Model

同樣地，參照表2的數(shù)據(jù)對(duì)所建模型進(jìn)行校準(zhǔn)，利用校準(zhǔn)后的模型對(duì)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行最終穩(wěn)態(tài)模擬，得到準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，各構(gòu)筑物中水質(zhì)模擬結(jié)果如表8所示。

表8 多段進(jìn)水AO模型中各構(gòu)筑物中出水水質(zhì)模擬值Tab.8 Analog Values of Effluent Quality in Each Structure of Step-Fed AO Process Model

圖7 多段多級(jí)AO工藝模型Fig.7 Step-Fed and Multi-Stage AO Process Model

3.4 多段多級(jí)AO工藝

根據(jù)多段多級(jí)AO工藝的原理，建立工藝概化模型如圖7所示，再根據(jù)表1的數(shù)據(jù)來定義模型中反應(yīng)器的有效幾何尺寸，圖7模型中缺氧池1～2與原AO工藝模型中的厭氧池3～4幾何尺寸相同。向模型中輸入進(jìn)水量與水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果(表2)，其他進(jìn)水組分默認(rèn)為國(guó)際水協(xié)(IWA)推薦的典型污水組分(原污水)(表3)。而對(duì)于模型相關(guān)參數(shù)(化學(xué)計(jì)量學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù))，默認(rèn)為IWA推薦值(表4)。

參照表3的數(shù)據(jù)對(duì)所建模型進(jìn)行校準(zhǔn)，利用校準(zhǔn)后的模型對(duì)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行最終穩(wěn)態(tài)模擬，得到準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，各構(gòu)筑物中的水質(zhì)模擬結(jié)果如表9所示。

表9 多段多級(jí)AO模型中各構(gòu)筑物中出水水質(zhì)模擬值Tab.9 Analog Values of Effluent Quality in Each Structure of Multi-Sects and Multi Levels AO Process Model

3.5 各工藝模擬結(jié)果分析

利用BioWin軟件對(duì)污水廠現(xiàn)用AO工藝、改造的MLE工藝、AAO工藝、分段進(jìn)水AO工藝與多段多級(jí)AO工藝進(jìn)行建模，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的修正與模型校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后的模型均可以較為準(zhǔn)確地模擬各工藝的出水水質(zhì)與運(yùn)行狀況。以下對(duì)各工藝最終的穩(wěn)態(tài)模擬出水水質(zhì)和去除率進(jìn)行的整理與分析，分析結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，對(duì)于出水BOD5組分，多段多級(jí)AO工藝處理效果最好，去除率可達(dá)90.60%；對(duì)于出水CODCr組分，多段多級(jí)AO工藝的去除效果較好，去除率為84.70%；對(duì)于出水TP組分，相對(duì)其他工藝，多段進(jìn)水AO工藝的去除效果最佳，去除率為92.40%，其次為多段多級(jí)AO工藝，其去除率為89.80%；對(duì)于出水TN組分，多段多級(jí)AO工藝的處理效率較高，去除率達(dá)到56.75%；對(duì)于出水氨氮組分，多段多級(jí)AO工藝的去除率較佳，去除率可達(dá)83.10%。綜上，就污染物的總體去除率而言，多段多級(jí)AO工藝去除效果較佳，達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

多段多級(jí)AO工藝根據(jù)ASDM模型在現(xiàn)有污水處理工藝基礎(chǔ)的模擬優(yōu)化，并進(jìn)行中試試驗(yàn)，出水水質(zhì)較好，最終應(yīng)用于現(xiàn)有污水處理工藝的提標(biāo)改造上，改造后污水處理工藝出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

4 改造工藝的優(yōu)缺點(diǎn)分析

4.1 MLE工藝

注：A—AO工藝，B—MLE工藝，C—AAO工藝，D—分段進(jìn)水AO工藝，E—多段多級(jí)AO工藝圖8 各工藝模擬出水水質(zhì)結(jié)果Fig.8 Simulated Effluent Quality Results of Each Process

MLE工藝可充分利用進(jìn)水中可生物降解有機(jī)物作為脫氮能源，確保所需碳源充足。同時(shí)，該工藝好氧反應(yīng)在缺氧反應(yīng)后，可進(jìn)一步去除缺氧池反硝化殘余的有機(jī)物，使出水水質(zhì)進(jìn)一步改善。而為了避免底部回流對(duì)沉淀池運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，MLE工藝在傳統(tǒng)的AO工藝回流系統(tǒng)中，不僅在沉淀池底部設(shè)污泥回流(外回流)循環(huán)系統(tǒng)，而且在好氧池出口處加設(shè)混合液回流(內(nèi)回流)循環(huán)系統(tǒng)。外回流比一般在50%～100%，內(nèi)回流比一般在200%～300%。致使工藝的設(shè)備相對(duì)較多，運(yùn)行電耗較大。再者，該工藝不能達(dá)到完全脫氮的效果，好氧池總流量的一部分未回流至缺氧池，而是隨出水直接排放。

4.2 AAO工藝

AAO工藝在系統(tǒng)上可稱為最簡(jiǎn)單的同步除磷脫氮工藝，HRT小于其他類似工藝。在厭氧池、缺氧池及好氧池交替運(yùn)行條件下，不易出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象。運(yùn)行中無需投加藥劑，厭氧反應(yīng)器與缺氧反應(yīng)器只需輕緩攪拌，工藝運(yùn)行費(fèi)用較低。

此工藝的缺點(diǎn)是：除磷效果很難再次提高，尤其是在進(jìn)水P/BOD5較高時(shí)；脫氮效果亦很難再次提高，內(nèi)回流量一般有限，不宜太高；沉淀池內(nèi)污水需一定濃度的溶解氧(DO)，縮短HRT，避免產(chǎn)生厭氧狀態(tài)，防止污泥釋磷，但DO的濃度亦不宜太高，以避免回流混合液對(duì)缺氧池的干擾。

4.3 分段進(jìn)水AO工藝

分段進(jìn)水AO工藝中，原污水分散流入反應(yīng)池，與傳統(tǒng)前置反硝化工藝比較，該工藝無需設(shè)置硝化液內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，可節(jié)省內(nèi)回流所需能耗；缺氧反應(yīng)可以充分利用原污水中有機(jī)物進(jìn)行反硝化，減少投藥量；系統(tǒng)內(nèi)平均污泥濃度較高，固體停留時(shí)間長(zhǎng)，池容小，基建費(fèi)用低。此外，原污水分多點(diǎn)流入反應(yīng)池，當(dāng)洪峰流量時(shí)，污泥被沖刷的風(fēng)險(xiǎn)可有效避免或降低。

多段進(jìn)水帶來一些優(yōu)點(diǎn)，而工藝運(yùn)行相對(duì)復(fù)雜。進(jìn)水流量分配作為分段進(jìn)水AO工藝最重要的影響因素，缺氧池中反硝化供體隨進(jìn)水流量分配比的不同而不同。因此，進(jìn)水流量分配比不但影響工藝充分利用各段硝化容量，還影響各段缺氧反硝化的效果。此外，污水處理工藝的動(dòng)態(tài)復(fù)雜性及硝化反硝化在某些方面的相互矛盾性，致使難于通過分配流量的方式使系統(tǒng)在任意時(shí)刻的流量分配都為最佳。

4.4 多段多級(jí)AO工藝

多段多級(jí)AO工藝是在傳統(tǒng)的AAO工藝基礎(chǔ)上的技術(shù)創(chuàng)新，具有明顯的先進(jìn)性與優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

(1)脫氮除磷效率高。多段多級(jí)AO工藝脫氮包含2個(gè)途徑：①通過硝化、反硝化反應(yīng)脫氮；②通過剩余污泥排放去除氮。

(2)充分利用碳源。污水分段進(jìn)入?yún)捬醭睾腿毖醭?，充分利用污水中有機(jī)碳源，保證釋磷與反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，提高除磷脫氮效率。

(3)具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。污水分段進(jìn)入反應(yīng)池，且池內(nèi)污泥濃度高，提高了反應(yīng)池對(duì)水質(zhì)水量變化沖擊負(fù)荷的適應(yīng)能力，使處理效果穩(wěn)定。

(4)污泥濃度高，污泥產(chǎn)量減少。污水分段進(jìn)入反應(yīng)池，回流污泥全部進(jìn)入好氧池前端的厭氧(或缺氧)池，形成由高到低的污泥濃度梯度，好氧池內(nèi)平均污泥濃度高，污泥負(fù)荷低，致使硝化菌、反硝化菌及聚磷菌優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)，增強(qiáng)了除磷脫氮效果，提高了出水水質(zhì)。同時(shí)厭(缺)氧與好氧交替進(jìn)行，活性污泥得到優(yōu)化，剩余污泥產(chǎn)量相對(duì)減少。

(5)具有工程投資省、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)論

通過利用BioWin軟件對(duì)污水廠現(xiàn)用AO工藝模擬改造，分別改造為MLE工藝、AAO工藝、多段進(jìn)水AO工藝與多段多級(jí)AO工藝，得出各工藝出水水質(zhì)模擬結(jié)果。就污染物的總體去除率而言，多段多級(jí)AO工藝去除效果較佳。同時(shí)，大量的國(guó)內(nèi)外工藝試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用結(jié)果表明，多段多級(jí)AO工藝能夠彌補(bǔ)以上工藝在運(yùn)行中所出現(xiàn)的不足，并具有高效脫氮除磷的作用，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，無需內(nèi)回流，基建投資與運(yùn)行費(fèi)用低，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，運(yùn)行中可根據(jù)變化的水質(zhì)、水量調(diào)整各點(diǎn)進(jìn)水，具有更強(qiáng)的靈活性等優(yōu)點(diǎn)。建議國(guó)內(nèi)各污水處理廠在升級(jí)改造工程中考慮該工藝，以達(dá)到提高出水水質(zhì)，提升節(jié)能減排功效，加強(qiáng)運(yùn)行可靠性的目的。