福州市某污水处理厂工艺模拟与运行优化研究

＊陈若其

（福建海峡环保集团股份有限公司 福建 350014）

污水处理厂活性污泥处理系统是一个复杂的微观系统，且水质水量波动大，传统设计与运行管理的经验方法已经不能满足快速发展的污水处理需要。随着“碳达峰”和“碳中和”战略的提出，污水厂的运行管理，除了保证稳定达标排放，对提高处理效率、减少能耗的要求也日益提高。对于污水处理系统的分析与评估，传统方法需通过构建等比例实体模型实验来获取解决方案，这种方法耗时耗力且难以改变物理结构和参数。基于活性污泥数学模型理论（ASM系列模型），通过专业软件构建污水生物处理系统模型，可进行多次模拟实验，获取大量数据，可快速获得解决方案，已经成为提升污水厂运营水平的趋势。邵袁[1]利用WEST软件构建了改良型AAO和Orbal氧化沟工艺的数学模型，针对实际运行存在的问题开展工艺的优化运行研究，提出并实施了优化方案，有效提升了处理效率并降低能耗。张辉等人[2]利用GPS-X软件对污水厂建模的研究结果表明，污泥质量浓度的拟合是一个重要步骤。李冰等人[3]采用BioWIN软件对某4万吨/日污水厂建立工艺概化模型，进行灵敏度分析和参数率定，再对设计条件或稳态工况的基准情景与水量、水质、曝气、排泥等参数大幅度变化的模拟情景进行比较分析，定量估计达标难度并提出对策，印证工艺数据分析得到的定性结论。

本研究针对福州某大型城市生活污水处理厂进水水质偏低，在不投加碳源情况下脱氮的运行控制压力较大的问题，利用WEST软件建立并校正工艺模型，指导脱氮优化运行策略，解决实际运行中试验测量与运行管理问题，使出水水质在满足一级A标准要求的前提下，节约运行成本。

1.模型搭建

(1)研究对象

图1 工艺流程

该污水处理厂位于福州市东区，其中一组10万吨/日的处理系统采用AAO加深床滤池工艺，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。该项目预处理采用转鼓细格栅和旋流沉砂工艺，生化处理采用多模式AAO工艺，并投加PAC去除TP，二沉池出水经微絮凝反硝化深床滤池工艺深度处理和紫外消毒后排入城市内河水体；剩余污泥采用重力浓缩加板框脱水至含水率60%以下后外运处置。生化池平面尺寸86.8m×81.4m，有效水深7m，有效池容45700m3，设计污泥质量浓度3500mg/L，泥龄11.5d，外回流比50%～100%，内回流比100%～200%，设计总水力停留时间11.0h（选择池0.75h，厌氧池0.75h，缺氧区3.0h，好氧区6.5h），生化池分为两个池子，每池5万吨/日，可单独运行。

(2)模型建立

本研究采用WEST软件的ASM2d模型库，通过构建和模拟活性污泥工艺的基础工艺模块，并根据实际工程情况对工艺进行概化、布置和连接，详见图2；建立进水和出水水质组分转换关系。工艺模型生成后，对组分参数、模型参数、工艺单元尺寸等进行初始赋值，定义模型，输入实测进水数据，并设定模型组分、反应动力学等相关参数，详见表1。

图2 污水处理工艺搭建

表1 主要节点参数设置（单池5万吨/日）

2.模型验证

经过参数调整和校正后的模型出水水质的模拟情况如图3～图6及表3所示。可以看出，各出水水质曲线拟合度都较好，COD、氨氮、总磷、总氮指标的模拟值与实测值的平均偏差绝对值分别为：7.79%、8.28%、17.71%、12.09%，模拟值与实际出水数据平均偏差都在20%以内；模拟的泥龄为21.3天，实际约23天，与实际工况较接近，模拟值与实测值吻合程度较高，模型可信程度较高[4-7]。现状工艺模型建立成功，可以利用该模型对实际工程进行工艺控制策略优化等分析。

表3 混合液内回流配水节点参数设置

图3 出水模拟与实测值对比（COD）

图4 出水模拟与实测值对比（TN）

图5 出水模拟与实测值对比（TP）

图6 出水模拟与实测值对比（NH4+-N）

3.模型应用

AAO工艺的运行参数主要是曝气量、内回流量、外回流量、以及排泥量等。利用WEST软件完成了建模、得到了较为精准的工艺模型，就可将模型应用于AAO工艺运行的各种模拟实验。该污水处理厂现状进水COD偏低，经过预处理后，进入生化系统的污水C/N较低，因碳源不足而无法有效反硝化，对TN的去除不利，在不投加碳源的情况下工艺调控压力较大。本研究应用模型提出了基于不外加碳源的出水TN优化运行策略。

(1)模拟优化策略一

该项目设计的多模式AAO工艺可以实现多点进水与多点回流方式，并调整进水分配至选择池、厌氧池、缺氧池的比例，以及混合液回流至选择池和缺氧池的比例。测试前该项目是采用从厌氧池（A2池）单点进水、内回流全部进选择池（A1）的方式。利用WEST软件的“预案分析”高级实验功能，同时评估进水配水和内回流配水等若干操作参数的变化（见表4、表5）对出水水质COD、TN、NH4+-N、TP的影响，寻求优化的进水配水模式。

经过60次的预案分析，最优结果为第51次的动态模拟操作参数：当进水分配至厌氧池和选择池比例分别为10%和90%（Valve_3.f_out2为0.1）；混合液内回流分配至缺氧池和选择池的比例分别为50%和50%（Valve_5.f_out3为0.5）时，处理效果最好，此时COD、NH4+-N、TN、TP出水平均值分别为13.72mg/L、0.13mg/L、8.95mg/L、0.29mg/L，与初始条件模拟的出水COD（13.70mg/L）、NH4+-N（0.13mg/L）、TN（9.72mg/L）、TP（0.29mg/L）比较，TN结果下降较多，减少了0.77mg/L。预案分析结果对该项目AAO工艺强化脱氮提供了优化策略。

表2 进水配水节点参数设置

(2)模拟优化策略二

该污水处理厂现状进水COD偏低，经过预处理后，进入生化系统的污水C/N较低，因碳源不足而无法有效反硝化，对TN的去除不利，工艺调控压力较大。利用WEST软件的“参数估计”实验功能，测试厌氧池（A2池）单点进水、内回流全部进选择池（A1）的工艺模式，通过变动操作变量（如曝气量、内回流量等），优化出水水质（TN），实现了出水TN目标最优化。

运行参数估计实验的结果可以看出，经过82次的参数估计模拟，最优运行方案为第79次的动态模拟：在平均处理水量为85000m3/d、COD为141mg/L、氨氮为16.5mg/L；好氧段DO为2.0mg/L、内回流比150%的初始条件下，将好氧段DO降低至约1.2mg/L、混合液内回流比例降低至约70%时，出水TN最低为8.77mg/L；且NH4+-N不超过预警值。相较于优化之前的模拟出水TN值9.76mg/L，优化后的出水TN质量浓度降低了接近1mg/L。说明该模拟优化操作策略可有效挖掘系统脱氮潜力，提升系统脱氮效果，同时曝气量和回流量的减少也有利于能耗的降低。

(3)工程应用

将模型提供的TN优化策略二的指导参数，在该污水厂进行了约50天的实际工程验证。验证前，该项目的主要工艺运行参数为：好氧段DO控制在2.0mg/L、内回流比150%，此时实际出水COD、TN、NH4+-N分别为：12.7mg/L、11.1mg/L、0.14mg/L。按照模拟优化方案，运行模式调整为：好氧段DO控制在1.2mg/L左右、内回流比约70%的工况，实际出水COD、TN、NH4+-N指标分别为：17.3mg/L、9.0mg/L、0.64mg/L。TN处理效果得到优化，有效减轻了生化系统脱氮压力。经估算，应用该优化运行方案，内回流泵和鼓风机的能耗分别较优化前降低了约17%和45%，每日可节省耗电量约2300kWh；每年可节约生产成本约40.5万元。

4.结论

（1）利用WEST软件构建AAO工艺模型，并根据污水处理厂实际情况进行参数校核，模拟污水厂的运行结果，COD、NH4+-N、TN、TP的模拟出水值与污水厂实际出水值的偏差分别为7.79%、8.28%、12.09%、11.71%，模型精度达到了应用要求。

（2）利用该模型提出的AAO工艺脱氮优化策略，将同时降低DO与内回流比的TN最优化目标方案指导应用于实际生产。结果表明，该项目采用将好氧段DO控制在1.2mg/L左右、内回流比约70%的优化运行模式，出水达标率为100%、TN的平均出水质量浓度下降了约2mg/L；鼓风机和内回流泵的能耗分别降低了约45%和17%。有效减轻了AAO生化系统的脱氮压力，每年可节约生产成本约40.5万元。

（3）通过对该项目建模实验，该工艺模型的搭建及应用可行，随着智能化要求的不断提高，后续可以充分利用WEST软件的功能，将软件与污水厂SCADA系统对接，实现对整个污水厂的智慧运营管理。