ProSee仿真软件在污水处理厂运行优化中的应用

ProSee仿真软件在污水处理厂运行优化中的应用

胡丽萍

(上海金兴水处理工程有限公司，上海201502)

摘要该文介绍了污水处理工艺仿真与优化控制系统ProSee的各个功能模块，如工艺仿真、工艺优化与控制、能耗与药耗仿真和虚拟仪表等的使用。结合ProSee软件在上海市某污水厂的实际应用，介绍了根据真实污水厂的工艺和运行状况，进行建模、仿真和工艺优化的情况。结果表明经过模型校准的ProSee软件可以反映和重现污水厂的真实运行状况，对优化工艺、节能降耗、提高污水厂的管控水平具有重要意义。

关键词ProSee软件污水处理仿真运行优化

中图分类号：TU992文献标识码： A

[收稿日期]2015-05-26

[作者简介]胡丽萍(1974—)，女，工程师，学士，从事污水处理的生产运行管理工作。电话： 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

活性污泥系统由于具有运行稳定、处理效果好、运行成本低等特点，因而在废水生物处理中应用广泛[1]。但是活性污泥工艺设计、运行还停留在经验水平，对工艺系统理论的深入研究及运用远远不够。由于活性污泥工艺过程的复杂性，实验研究无法满足工艺运行的要求，因此进行工艺系统数学模型的研究，有助于掌握活性污泥工艺的现象和规律，从而有效指导生产实践。IAWQ组织提出的ASM系列模型已成为活性污泥过程仿真和控制的重要基础，将模型和控制理论及方法结合起来，可按照处理水质的要求，达到优化运行的目的。

1ProSee软件基本概况

ProSee是一款用于污水处理工艺优化与控制的仿真软件，系国内首款商业化的污水处理仿真软件。其核心是工艺模型、二沉池沉降模型、设备和能耗模型、参数校核等，这一系列针对污水处理核心工艺环节和设备的模块，为污水处理厂提供全面、可靠的仿真环境，具有污水处理全程的仿真功能，可预测各种进水和环境因素的变化对运行效果的影响，以便提供决策支持功能，从而达到工艺优化、出水达标、节能降耗的目标。ProSee软件能用于多种主流活性污泥工艺及其改型的仿真，如AAO工艺、SBR工艺、氧化沟工艺等。ProSee可运行于多种操作系统，专为目标污水厂定制，软件界面十分友好，方便快速掌握。

2应用背景和拟达到的效果

某污水厂一期工程设计规模为1.4万m3/d，工艺采用卡鲁塞尔氧化沟。该污水厂日均处理污水1.48万m3，随着当地城镇规模和工业的不断发展，该污水厂已经超负荷运行。同时，由于纳管企业某酒厂的废水预处理系统运行不稳定，进水水量、水质的动态性和时变性及温度变化等外界环境因素影响企业废水处理稳定运行。解决这些问题的途径之一是在现有工艺的基础上，深入研究进水条件、工艺控制参数和系统运行效果三者之间的关系，进而调整工艺控制参数，优化工艺运行，以应对进水负荷的动态波动及温度的季节性变化。污水处理工艺涉及的过程复杂，工艺调整一般依靠经验，调整周期长，成本高，存在一定风险。由于数值模拟方法可以快速预测不同处理工艺条件下的出水水质，因而在污水处理厂的设计和优化运行方面应用ProSee软件，可解决污水厂运行管理中的问题，进一步提高出水水质的稳定性。

3ProSee软件在污水厂的应用效果

结合上海市某污水厂的实际应用，介绍ProSee工艺仿真软件功能特点和使用情况。

3.1 工艺仿真模块

ProSee可以根据历史的或实时的进水水量、水质、运行工况等参数，重现或预测污水厂的运行效果(包括出水水质、评价指标和能耗统计)，帮助污水厂管理人员找到以往出水水质波动的原因，并分析进水波动或冲击、设备突发状况等对运行效果造成的影响。

某污水厂采用卡鲁赛尔2000型氧化沟，设计处理水量为1.4万t/d，工艺流程如图1所示。沟前端设置厌氧区和缺氧区。好氧区由6条廊道组成，廊道沿程布置5台变频式转碟表曝机，氧化沟出水进入二沉池发生泥水分离，上清液经消毒后外排入河道，一部分污泥回流到氧化沟前端，一部分污泥送至脱水机房进行脱水等后续处理。

模型参数输入和仿真结果如图2～图4所示。

图1　某污水厂工艺流程图 Fig.1　Flow Chart of Wastewater Treatment Process in One WWTP

图2　软件的输入参数界面 Fig.2　Parameter Input Interface of ProSee Software

图3　展示仿真结果的“运行视图”界面 Fig.3　Interface of Operation View for Simulation Results

图4　根据仿真结果绘制的曲线 Fig.4　Curve According to the Simulation Results

ProSee软件可根据污水厂的工艺流程、构筑物尺寸、进水状况等信息定制反映该厂真实状况的模型，所有反映污水厂运行状况的信息均以交互界面的形式供用户输入参数。

通过输入参数界面，进水水量、水质、工艺处理单元的尺寸和容积、主要的工艺运行参数(表曝机频率、污泥回流量、内回流量、剩余污泥排放量等)均可由用户根据实际状况加以设置。然后设置仿真时间(当前的参数设定下模拟运行的时间)并点击“仿真”按钮，即可进行仿真。仿真结束后可以在“运行视图”界面查看仿真结果。

“运行视图”界面以可视化的工艺流程图重现了某污水厂工艺的原貌，不仅展示进水、出水的水质指标，而且提供了整个工艺流程上多个测点的出水指标及泥龄、水力停留时间、污泥负荷等评价指标，甚至用户设置的工艺运行参数也能在仿真结果里查看到。仿真结果除了以动态刷新数据外还能以曲线的形式加以展示，并能导出数据。

3.2工艺优化与控制模块

在污水厂的日常运行管理中，各种外界环境因素(如进水水量水质冲击、设备突发状况等)变化是不可避免的。ProSee可以重现不同的进水、运行条件下污水厂的运行效果(包括出水水质和评价指标)，从而预测进水波动和冲击给运行效果可能带来的影响，具体如图5～图8所示。

图5　出水NH 3-N在三种工况下的仿真结果 Fig.5　Simulation Results of Effluent NH 3-N in Three Operating Conditions

图6　出水NH 3-N三种不同温度下的仿真结果 Fig.6　Simulation Results of Effluent NH 3-N at 3 Temperatures

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

图8　表曝机信息 Fig.8　Information of Surface Aerator

(1) 水量水质冲击。现在很多污水厂面临进水水量水质的冲击，引起出水COD过高。通过ProSee软件可以还原这一过程，并且能通过在软件里调整表曝机频率等工况参数，优化计算出最佳的工艺运行参数，尽量降低进水波动或设备故障对出水水质的影响，实现出水水质稳定达标。

(2) 低温影响。冬季的低水温会对氨氮的硝化反应产生抑制作用，可能导致出水氨氮不达标。通过在ProSee软件里设置水温，可以还原出冬季低温工况下出水氨氮的超标趋势，以及采取强化曝气等对策后超标趋势的缓解。

3.3能耗、成本仿真功能

能耗和运行成本在污水厂管理中也是一个比较关注的问题。ProSee在工艺仿真的基础上实现了能耗、物耗环节的仿真，提供了各项耗能统计分析情况，并最终予以汇总，实现全厂的能耗仿真和成本分析。

ProSee的能耗仿真功能可以提供仿真时间内全厂的电耗量、日均耗电量、处理单方水或单位当量COD的耗电量，并能以饼图的形式直观地展示各类耗能设备在总能耗中所占的比重。还可以比较不同进水、运行条件下的能耗水平，有助于选择最优的运行方案，以最小的运行成本实现达标排放。

3.4虚拟仪表

在污水处理厂的运行管理中，及时了解整个工艺流程上水质指标的变化有助于诊断运行出现问题的原因，可以进一步提升污水厂的运行水平，但实际上往往需要安装一定数量的仪表，从采购到日常维护都大量投入。

ProSee软件为用户提供了额外的“虚拟仪表”功能，借助软件提供的视图，在仿真过程中显示出工艺流程各个指定位置上的水质指标，以仿真结果替代了真实仪表的监测结果，起到仪表测点的作用，弥补了实际仪表数量的不足，并可以帮助用户非常直观地认识到各种输入因素和控制运行参数在全局层面对运行结果的影响，具体如图9所示。

图9　虚拟仪表功能 Fig.9　Function of Virtual Instrument

3.5模型校准

为了提高模拟结果的可靠程度，有必要对所使用的模型参数进行校准，即通过调整模型参数使模拟结果尽可能接近实测结果[2-4]。活性污泥数学模型ASM2d包含大量的动力学参数和化学计量学系数，国际水协对所有的参数都给出了推荐值或取值范围。不同的参数对模拟结果的影响程度存在差异，即模拟结果对某些参数的变化很敏感，而对其他参数很不敏感。本研究采取灵敏度分析的方法来进行模型参数的校准，筛选出那些对仿真结果有较显著影响的参数，而忽略那些影响很小的参数。在仿真过程中只需关注相关性高的那部分参数，在合适的取值范围内加以调整，以使仿真结果尽量接近真实的监测结果。

灵敏度分析固定除待测参数以外的所有参数值以消除干扰因素，然后将待测参数值在恰当的取值范围内按一定步长逐步变化，同时对模型进行仿真，可绘制出模型组分对参数变化的响应曲线，观测到哪些参数的调整会对特定组分的仿真结果产生显著影响。

以氨氮为例，经灵敏度分析，对其浓度有较显著影响的参数有： 自养菌的最大比生长速率和衰减速率、异养菌的产率系数、异养菌的最大比生长速率、自养菌的氨半饱和常数。

类似地，可以得到对硝态氮、总磷、COD(以可快速生物降解有机物和慢速可生物降解有机物为对象)有较显著影响的参数。在模型参数的校核过程中，重点关注这些参数，对其在取值范围内进行适当调整，而其他参数保持默认值，使仿真结果尽可能接近实测结果。

3.6仿真与实测比对

将2013年4月某污水厂的进水水量、COD、氨氮和总磷作为软件的进水参数输入，将当月的表曝机频率、污泥回流、内回流、剩余污泥排放作为运行参数输入。进水水量、水质每天均以特定规律进行周期性变化(变化规律参照用水时变曲线，时间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)，而且一天内的平均值等于当月该项指标的加权平均值，结果如表1所示。

表1　2014年4月部分指标进、出水的加权平均值

以进水流量为例，该指标在一天内按照一定的规律变化(和用水的高峰和低谷时段有关)，但流量在一天内的平均值大致相当于当月的加权平均值。进水流量在仿真时间内，就遵循这一规律发生周期性的变化。

输入的进水水质指标是常规的COD、氮、磷等复合指标，但是并不能直接被软件内置的ASM2d模型所用，而是通过模型的转换规则，结合化学计量学系数，将复合指标拆分成能被ASM2d模型识别的组分[2-4]，才能进行仿真。

以仿真达到稳态后10 d的结果和当月出水水质报表上相同时间段的实测结果作为对照组，结合模型参数校核，软件仿真的结果和实测结果较接近，结果如图10～图13所示。

图10　NH 3-N仿真结果和实测结果的对照 Fig.10　Simulation Result and Actual Result of NH 3-N

图11　TN仿真结果和实测结果的对照 Fig.11　Simulation Result and Actual Result of TN

图12　COD仿真结果和实测结果的对照 Fig.12　Simulation Result and Actual Result of COD

图13　TP仿真结果和实测结果的对照 Fig.13　Simulation Result and Actual Result of TP

4结语

ProSee工艺仿真与优化控制软件较全面地还原和重现了污水厂的真实运行状况，各项主要出水水质指标的仿真结果和实测结果接近。仿真模拟污水处理厂各过程并优化工艺的运行参数，以便达到最小的能耗和药耗获得较佳的出水水质。除此之外，通过对进水冲击负荷和冬季低温两种运行模式的仿真，还原了污水厂在不利工况下的运行状况，并预测了应对措施的效果。综上所述，ProSee工艺仿真软件能还原污水厂的真实运行状况，并为污水厂的工艺优化提供方案选择，实现出水达标排放和节能降耗的统一。

参考文献

[1] 张喜宝.活性污泥法中控制氨氮去除效果的方法[J].净水技术,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] 朱向东,郝二成,周军,等.ASM2d模型在北京高碑店污水处理厂的应用[J].给水排水,2007,33(4)： 101-104.