为了满足水环境保护的需要,我国城镇污水处理厂建设持续加速,预计到2015年年底将建成污水处理厂5 000 多座,每日处理能力达1.7 亿m^3[1]。但因各地污水处理厂的进水负荷存在较强的地域差别水质水量动态变化快使得设计参数的选取存在较大的不确定性,难以保证设计和运行效果^[2]。

　　 为了解污水处理过程的动态响应特征,可通过现场试验进行研究,受人力和环境制约因素较多,基于数学模型编译的污水处理模拟软件可为上述研究提供有力工具。目前,BioWin模拟软件已经成为北美和澳大利亚等地污水处理运行和设计的标准工程工具^[3]。

　　 本文拟利用BioWin模拟软件对镇江某新建污水处理厂进行初步设计优化,首先进行模拟,之后再根据模拟结果,对整个工艺提出优化建议。

　　 对于新建污水处理厂的工艺方案,可以按照图1所示方法进行建模和优化的工作。(1)确定研究目标范围,收集基础资料,并在可能的条件下开展水质测试和相似污水处理工艺的现场调查,为建模和优化提供基础数据;(2)依据初步设计资料及施工图等建立模型,模拟污水处理厂稳定运行的出水水质情况,考察是否满足出水标准;(3)总结当地污水处理厂运行经验,开展不利情景模拟,对可能发生的进水水量变化、水质负荷变化、冬季低温运行等情景进行模拟分析;(4)针对情景模拟中出现的问题,分析和判断原因,提出可行的设计改进措施,为污水处理厂的达标运行提供指导。

　　 本文以镇江某新建污水处理工艺为例。该污水处理厂设计总规模为15万m³/d,分3期建设。一期工程设计规模为4 万m³/d,按并行2 个系列运行。出水排放标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准。

　　 在工艺初步设计中,选取了水解酸化-A/O工艺实现脱氮除磷,如图2 所示。单个系列处理水量2万m³/d。水解酸化池容积3 806m³,水深8.2m。生物反应池总池容为12 960m³,按照1∶3∶8的比例分配为厌氧池、缺氧池和好氧池,水深6 m。二沉池容积4 578m³,水深4.5m。

　　 在工艺运行条件方面,污泥回流比100%,混合液回流比200%,排泥量475 m³/d,好氧区溶解氧2mg/L。

　　 依据污水处理厂初步设计方案,建立了水解酸化-A/O工艺概化模型,如图3所示。模型中省略了粗细格栅及沉砂池等预处理设备,以及絮凝沉淀池、转盘过滤池和消毒接触池等深度处理设备。上述设备主要是通过物理化学原理进行处理,反应速度快,反应过程比较简单,处理效果易于估计和调整。

　　 污水处理厂进水特性的地域差别很大,进水组分影响出水水质的变化,因此需要最大程度地通过试验分析确定进水组分的实际情况。通过对镇江市其他污水处理厂的水质测试与分析,确定了如表1所示的进水组分和动力学参数。灵敏度分析表明:模型的模拟结果对这些参数比较敏感。其他参数选取了BioWin软件默认值。

　　 使用基础设计资料,可以对工艺方案的稳定运行状态进行模拟,作为情景分析的比较基准。稳态运行条件包括:水温20 ℃、稳态水量和水质、无除磷药剂使用。

　　 模拟出水水质情况如表2所示。模拟结果中,好氧池MLSS达到3 100 mg/L,回流污泥MLSS6 130mg/L,污泥龄14.86d,与设计值相符。出水水质基本达标,但TP明显超标。这与生物除磷的局限性有关的,当A/O工艺的进水碳源偏低时,生物除磷功能受到抑制,出水TP浓度难以低于0.5mg/L。此外,由于出水悬浮固体有明显的COD和TN、TP贡献,因此出水TP也与二沉池运行状态密切相关。

　　 针对上述问题,增加了辅助化学除磷工艺,当在铝盐投加量为2.6mg/L(流量约为53kg/d)时,出水TP可以稳定满足出水一级A达标,如表2所示。因此,工艺方案在稳定运行时能够达到预期的处理目标。

　　 随着居民生活水平不断提高,生活和工业的用水量也逐渐提高,导致污水处理厂的进水流量会逐年发生变化。因此,通过模拟流量的增加,来考察该工艺方案可以处理的流量范围。以设计流量的1.0倍、1.1倍、1.2倍和1.4倍进行模拟,其他模型参数不变,得到出水水质的模拟结果如表3所示。

　　 结果表明,整个工艺对于流量的冲击有比较好的承受能力。即使处理流量增加了40%左右,出水指标仍基本达标,主要问题是SS超标,TP有较大的超标风险。考虑到生化处理之后还有滤布滤池等深度处理设施,当前出水的SS浓度经过进一步处理可达到排放标准。

　　 污水处理厂进水水质有着周期波动的特征,对工艺过程有较大的影响。过高的COD中不可降解成分会有穿透整个工艺而使出水超标的可能,而过低的COD则可能导致碳源不足,从而影响到整个工艺脱氮除磷的效果。为了模拟碳源的影响,在其他参数不变的情况下,考察进水COD分别为200mg/L、250mg/L、350mg/L、500mg/L和700mg/L的工艺运行情况,如表4所示。

　　 通过模拟结果来看,当COD高于500 mg/L时,整个系统的出水COD超标风险较高;当进水COD低于250mg/L时,会影响脱氮的效果,导致出水TN超标。考虑到镇江市其他污水处理厂的进水COD普遍偏低,甚至可能长期低于150mg/L,因此在设计时需要考虑碳源欠缺的影响,建议增加外部碳源的投加系统。

　　 冬季低温是导致出水NH₃-N超标的主要因素之一。由于温度对于自养菌和异养菌的活性有着较大的影响,所以考察工艺对温度的响应特征,对稳定脱氮除磷效果有一定意义。设定反应温度分别为12 ℃、15 ℃和20 ℃,工艺模拟结果如表5所示。

　　 通过模拟结果可以看到,在水体温度较低时,整个系统的处理效果会有较大程度的影响。考虑到模拟过程中采用了自养菌和异养菌的最大生长比率经验值的较低值,该工艺存在极端条件下出水氨氮不能达标的可能性。

　　 通过上述模拟结果的分析,可以看到:虽然工艺方案在稳态条件下可以稳定达标,但是在低温(<20℃)、低COD(<200mg/L)条件下还是可能出现脱氮效率不足的问题,这为改进工艺设计提供了方向和思路。

　　 为了进一步加强工艺脱氮除磷的效果,在设计方案中需要考虑以下措施:(1)增加化学除磷药剂投加装置,通过化学辅助除磷,加药量大于53kg/d,可实现稳态条件下的总磷达标;(2)增设碳源投加装置,在进水COD过低时投加碳源,改善反硝化碳氮比,实现总氮达标;(3)调整池容比例,在好氧池前段安装推进器,在进水COD较低时减少好氧池容积,延长缺氧段和反硝化时间;(4)制定低水温预案,在冬季水温低于12 ℃时,提高硝化菌抗冲击能力,比如适当提高污泥龄和污泥浓度等。

　　 本文根据污水处理工艺模拟辅助设计的一般方法,对镇江某新建污水处理厂的水解酸化-A/O工艺进行了模拟和优化分析。分析结果表明,该厂现有工艺在稳态条件下可以稳定达标,但是在低温、低COD条件下还是可能出现脱氮效率不足的问题。针对可能出现的不利情景,提出了增加药剂投加装置、调整池容比例、建立低温运行预案等改进措施。结果表明,基于不利情景分析的工艺模拟有助于补充和辅助工艺设计,值得设计人员重视和使用。