污水处理厂多级AO工艺模拟诊断

吴宇涵，郭 毅，刘伟岩，段 宇，荣保维，葛赛赛

(1.北控水务<中国>投资有限公司，北京 100102；2.北京稻香水质净化有限公司，北京 100000)

我国的污水处理正由粗放型向精细控制的方向发展，数学模型技术的开发应用为城市污水处理工程的设计、建设和运行管理提供可靠的理论依据和手段，有助于优化决策、降低投资和运行费用。具体应用领域包括：1)污水处理厂的提标改造，最大化提升出水水质的同时降低改造运行成本；2)污水处理厂的优化运行分析和管理；3)通过活性污泥模型与相应控制理论的结合，实现活性污泥系统的智能控制[1-4]。

本文通过GPS-X构建北京某污水处理厂多级AO工艺污水厂模型、分析进水水质，利用历史平均数据初步模拟、校正模型参数，利用模型提出最佳配水比例、优化除磷药剂投加量、评估工艺抗冲击负荷能力，具体为：1)进行不同工况模拟，寻找不同运行参数(进水水量、配水比、排泥量、水质变化、其他运行条件等)与出水水质的关系，从而识别影响生物脱氮除磷的主要因素，评估污水厂的处理能力；2)针对除磷药剂投加量较高的问题，优化生物除磷效果，寻找最优药剂投加位置，最大化提高生物、化学除磷效率，降低药耗；3)评估原设计工艺的抗冲击负荷能力，以及超负荷进水条件下，给出工艺调控参数建议。

1 污水处理厂概况

污水处理厂位于北京市海淀北部地区，土建为全地下式。设计处理规模为8万m3/d，实际处理量约为7.8万m3/d。采用多级AO+超滤膜工艺，出水水质达到北京市地方标准：BOD5≤6 mg/L、CODCr≤30 mg/L、SS≤5 mg/L、TN≤15 mg/L、TP≤0.3 mg/L、氨氮≤1.5 mg/L，其余指标执行《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB 11/890—2012)B标准。污水经过预处理单元，进入核心生物处理单元——多级AO工艺单元，共两组生化池平行运行。污水依次经过厌氧区、缺氧一段、好氧一段、缺氧二段、好氧二段、缺氧三段、好氧三段，生化池总停留时间(HRT)为19.3 h。其中，厌氧段前端设有进水槽，可三段配水，进水点分别为厌氧池前端、缺氧二段前端、缺氧三段前端。多级AO工艺不设置内回流，污泥外回流经矩形二沉池进入厌氧段前端。流程如图1所示，工艺设计参数如表1所示，运行条件如下：进水流量均值Qin为73 140 m3/d，排泥量均值Qwas为1 200 m3/d，外回流量均值Qras为79 000 m3/d，外回流比均值R为108%，进水分配比为4∶5∶1，温度均值为20 ℃。

图1 多级AO工艺流程

表1 设计工艺参数(2020年5月—7月)

2 进水水质特性分析

进水水质输入参数决定污水厂生物处理单元模拟的准确性，水质划分主要包括：进水CODCr组分划分、进氮组分划分、磷组分划分以及进水总悬浮物(TSS)、有机悬浮物(VSS)组分划分。根据可生物降解性和溶解性一般将CODCr划分为：易生物降解有机物(SS)、慢速可降解基质(XS)、惰性颗粒性有机物质(XI)和惰性溶解性有机物(SI)，其中SS又可进一步划分为溶解性极易降解有机物(发酵产物)(SA)和可发酵的易生物降解有机物(SF)。该污水处理厂2020年5月—7月进、出水水质实际监测月平均数据如表2所示。参照相关指南以及我国研究者的模拟经验[5-6]，将CODCr的5个组分划分如下：SI=11.8 mg/L、SA=27.7 mg/L、SF=55.5 mg/L、XS=110 mg/L、XI=53.3 mg/L。

表2 2020年5月—7月进、出水水质化验数据平均值

3 工艺模型建立及模型校准

污水厂工艺建模软件采用加拿大Hydromantis公司的GPS-X 7.0，活性污泥模型为软件内嵌的Mantis2模型，该模型以国际水协ASM模型为核心，包含硝化/反硝化、生物除磷、厌氧氨氧化、厌氧消化、pH/碱度等过程，能够综合模拟全污水厂的情况。在设置模型反应器时，会构建多个完全混合厌氧反应器(CSTR)来表征实际的推流状态，进而模拟污染物的梯度降解趋势。其中，厌氧和缺氧池前中后污染物浓度差别不大，因此，用一个CSTR表征，每个好氧段分为3个CSTR表征实际好氧推流状态。

图2 2020年5月—7月出水水质动态模拟

表3 模型校准参数

表4 校准后的稳态水质指标模拟结果

表5 校准后的稳态MLSS和MLVSS模拟结果

4 模型应用

4.1 进水C/N与进水分配比

分段进水多级AO工艺具有污泥浓度沿池长逐步降低的特征，其特点既有优势也有弊端，好氧池末端污泥浓度较低，减轻了二沉池的负荷，有利于提高二沉池的固液分离效果；但梯度降低的污泥浓度，也使生化后段的生物去除效率降低[9]。需优化进水碳源分配，最大化提升整个工艺段的脱氮除磷效果。

根据水厂2020年数据显示，进水C/N在3～15，平均C/N=7.9。不改变其他运行条件，分别模拟进水C/N为4∶1、6∶1、8∶1下最佳进水分配(表6)。

通过表6模拟分析显示，进水C/N直接影响缺氧条件下异养反硝化细菌的脱氮效率，对出水TN影响显著；C/N对出水CODCr、氨氮无明显影响。在同等进水条件下，3段流量分配比对出水氨氮响应较为敏感，主要表现为随着末段进水流量的增加，出水氨氮浓度升高。主要原因是随着末段流量增加，给好氧三段增加了氨氮负荷，进而出水氨氮浓度升高。

表6 不同C/N条件下配水比例对出水水质影响 (单位：mg/L)

通过分析，得出以下结论：1)模拟结果显示，进水分配比为5∶4∶1时，污染物浓度降解效率较高；2)同等曝气量条件下，降低末段进水流量(由总流量的3/10降低至1/10)可降低出水氨氮质量浓度约为0.5 mg/L；3)C/N低于4时，反硝化所需碳源不足，出水TN超标；生物除磷效果减弱，当前运行条件下化学药剂投加量不足以满足出水TP要求。

4.2 系统除磷优化

4.2.1 除磷现状分析

图3 多级AO工艺沿程浓度 Concentration along Multi-Stage AO Processes

模拟显示，在缺氧和好氧三段生物除磷现象不明显，原因一是过量FeCl2投加影响水中的pH，对微生物菌群带来一定影响；原因二是后工艺段不满足PAOs的生长代谢条件，即低VFA和厌氧、缺氧/好氧环境交替。

4.2.2 生物除磷优化

优化系统除磷首先应考虑生物除磷效果，影响生物除磷的因素主要有：1)进水VFA浓度；2)污泥龄(SRT)；3)厌氧和好氧环境。因进水VFA无法控制，暂不在此优化条件范围内；通过模拟显示多级AO的固有特点即末工艺段无生物除磷现象[10]，只在缺氧/好氧一段、二段存在生物除磷，因此，尽可能将更多碳源分到缺氧一段和缺氧二段可提高生物除磷效率。根据水厂日排泥量估算现行SRT为35 d，显然SRT过高。通过模拟排泥量变化对出水TP进行敏感性分析，优化排泥量。

在活性污泥系统中,SRT是影响生物处理效果的重要因素之一。异养菌的世代时间很短，SRT可以保持在10 d以下。硝化菌是一种自养菌，它的最小泥龄确定了整个系统的最低泥龄，根据进水CODCr可生化性不同，硝化菌的泥龄保持在10～20 d。PAOs是一种异养菌，研究显示泥龄从20 d缩短为6 d时，PAOs具有最佳代谢性能[11]。因此，保证适当污泥龄是影响生物脱氮除磷主要因素之一。由图4模拟显示，当排泥量由1 100 m3/d升高至6 000 m3/d，系统SRT由35.0 d降至6.8 d，出水TP质量浓度由0.70 mg/L降至0.30 mg/L，但需考虑自养菌的硝化，SRT控制在15 d左右比较合适，此时排泥量为2 600 m3/d，好氧一段MLSS为3 842 mg/L，出水TP质量浓度为0.32 mg/L。

图4 排泥量与SRT和出水TP的关系

4.2.3 药剂投加点模拟

图5 除磷药剂加药点对出水TP的影响

由图5可知，药剂投加点位置选择对出水TP浓度影响显著，投药点位对除磷效果影响具体表现为：好氧三段末>缺氧二段末>缺氧三段末>好氧二段末。由沿程磷酸盐浓度降解趋势不难看出，选择在生化末段投加药剂，能最大化将系统生物除磷外的磷酸盐去除。由15 d的动态模拟显示，在相同运行条件和加药量情况下，投药点由缺氧二末段改为好氧三段末，出水TP平均质量浓度下降0.1 mg/L。以上调整状态下做稳态模拟，保持原出水TP质量浓度(0.3 mg/L)，25% FeCl2加药量由5 589 kg/d降至5 100 kg/d,经济效益达195元/d。

4.3 超负荷运行评估

在保证北京市地方排放标准条件下(CODCr≤30 mg/L、TN≤15 mg/L、TP≤0.3 mg/L、氨氮≤1.5 mg/L)，评估原设计工艺的最大处理水量能力，以及超负荷进水条件下，给出工艺调控参数建议。

4.3.1 常规负荷下最佳外回流比与MLSS

由4.1小节可知，常规负荷条件下最佳进水分配比例为5∶4∶1；由4.2小节可知，优化系统除磷采用排泥量为2 600 m3/d(SRT为15 d)、FeCl2加药点为好氧三末段。模拟采用以上优化参数，同时采用2020年5月—7月平均进水水质水量(表2)。模拟外回流对出水氮浓度的影响如图6所示。

图6 不同外回流比下的出水氮浓度(好氧池三段DO=2、1.5、1 mg/L)

由图6可知，出水氮浓度随着外回流比的增加而减小。外回流比在40%～180%时，出水TN下降剧烈，随后几乎平缓，直到外回流高于300%时，出水TN略微升高。综合考虑出水水质标准及高外回流比带来的过高能耗问题，常规负荷下最佳外回流比可以选择为100%。

取外回流为100%，对曝气池中采用不同MLSS分别进行模拟(图7)。模拟显示，提高MLSS会显著提升硝化能力，却无助于反硝化，这之间只是导致了氮形式的转化，因而并不会使TN去除率随之增高[10]。曝气池的MLSS决定了硝化和反硝化细菌的数量，随着反硝化菌的增多，需要更多碳源进行反硝化，碳源限制了异养菌的反硝化能力。因此，随着MLSS浓度的升高，TN去除率并不会提升。

图7 不同MLSS(好氧一段)对应的出水氮浓度

综合考虑，在外回流比为100%时，MLSS为3 600 mg/L较为适宜，可以满足TN、氨氮的出水要求，同时避免过高MLSS导致曝气量增大。

4.3.2 超负荷运行下的脱氮能力

该污水处理厂设计规模为8万m3/d，共两系列平行运行。对于单系列检修、进水流量波动造成的超负荷运行情况，有必要了解该工艺的最大处理能力，找到满足出水氮标准(TN≤15 mg/L，氨氮≤1.5 mg/L)的最大超负荷运行水量及相应工艺参数。选择设计水量的1～2倍进行模拟，进水水量分别为8万、10万、12万、14万、16万m3/d，模拟不同水温下的出水水质。

(1)模拟常规水温下超负荷运行能力

取20 ℃作为常规水温，进水分配比为5∶4∶1、外回流比为100%、排泥量为2 600 m3/d，分别模拟现工况DO=2.0、1.5、1.0 mg/L及DO=3.0、3.0、3.0 mg/L下的出水水质。模拟结果显示(表7)，常规温度下，多级AO工艺的抗冲击负荷能力较强，随着进水水量的增加，反硝化能力并没有减弱，硝化能力显现不足。在3段DO质量浓度均提升到3.0 mg/L下，进水水量到14万m3/d时(设计水量的1.75倍)，出水氨氮将近超标。

表7 常温超负荷运行下的模拟出水水质

总体看，在常规水温下(20 ℃)，多级AO的抗冲击负荷能力较强，反硝化几乎不受影响，但硝化能力急剧下降，需提高曝气量以保证出水达标。

(2)冬季超负荷运行能力

采用污水厂2020年11月—12月平均进水水质作为稳态输入，其中CODCr=190 mg/L、TN=38 mg/L、氨氮=30.2 mg/L、TP=3.7 mg/L。微生物反应速率受温度影响较为明显，因此，常规温度条件下多级AO工艺超负荷运行氮达标并不能表明在较低温度下亦能表现如此。模拟冬季条件(水温为15 ℃)，设计进水水量条件下，不同DO浓度对出水氮浓度的影响(表8)。模拟看出，当水温降至15 ℃，即使常规进水负荷条件，出水氨氮也很难达标，DO质量浓度需大于3.0 mg/L才能满足出水标准。因此，在冬季极端水温条件下，尽量减少进水负荷以保证出水标准。

表8 低温条件不同DO浓度下的出水氮浓度

5 结论

(1)进水C/N保证在4～8，三级AO进水分配比取5∶4∶1时，污染物浓度降解效率较高，CODCr、TN去除率分别提高3%和5%。

(2)当C/N低于4时，因反硝化所需碳源不足，出水TN超标，除磷效果减弱；不改变曝气量条件下，通过调节分段进水比例(降低末段进水比例)可有效地降低出水氨氮浓度，而在生物除磷效果不佳状态，通过增大化学药剂的投加可满足出水TP要求。

(3)针对系统除磷优化，目前系统SRT过长，将SRT由35 d降至15 d(排泥量为2 600 m3/d)，出水TP质量浓度由0.70 mg/L降低至0.32 mg/L；改变除磷药剂投加点(由原缺氧二末段调整到好氧三末端)，出水TP降低0.1 mg/L；以上调整状态下，继续保持原出水TP质量浓度(0.3 mg/L)，25%FeCl2加药量由5 589 kg/d降至5 100 kg/d，经济效益达195元/d。

(4)脱氮模拟结果显示外回流比为100%、MLSS为3 600 mg/L较为适宜，可以满足TN、氨氮的出水要求；减少了因维持较高MLSS而过曝导致的能耗和成本。

(5)水温为20 ℃条件，三级AO工艺的抗冲击负荷能力较强，进水水量为14万m3/d时(设计水量的1.75倍)达到系统最大负荷承受能力，此时通过提高三段DO至3.0 mg/L，可实现出水氨氮达标。

(6)低温条件(15 ℃)下，出水氨氮难以达标，DO(好氧一段、二段、三段)需大于3.0 mg/L才能满足出水标准；此时极不建议污水处理厂超负荷运行。