据2016年监测数据，长江流域河流水体超标（Ⅲ类）断面中，TP作为首要超标因子的断面占比为32.5%，已经超过COD、NH₃-N等其他因子，成为长江首要的污染源^[1,2]，加强TP污染控制，是当前长江流域水环境保护面临的新挑战。

城镇生活源是长江流域水体中TP的主要来源之一，尽管城镇生活污水处理的除磷工艺相对成熟，已有大批具备除磷能力的工艺广泛应用于城镇污水处理工程，但实际运行中生物除磷效率低，普遍依靠加药化学除磷，造成运营成本的增加。文宇立等^[3]研究表明全国城镇生活污水处理厂TP的平均去除率仅约57%，除磷效果相对较差，去除效率有较大的提升空间。孙艳等^[4]对重庆市城市污水处理厂进水水质特征分析研究结果，重庆城市污水处理厂进水中TP浓度通常为2～6mg/L，均值为4.2mg/L。付国楷等^[5]对重庆三峡库区45座城市污水处理厂工艺特征分析研究结果，部分污水处理厂TP不能稳定达标，出水浓度在1～1.5mg/L，超过一级B标准（1mg/L）。因此，对现有城镇生活污水处理厂进行升级改造提升磷的去除效率，对于加强长江流域TP污染控制具有重要意义。本文利用BioWin污水处理仿真数学模型作为辅助工具，研究Carrousel氧化沟工艺污水处理厂通过优化升级来提升生物除磷效率的问题。

BioWin在模拟一个全污水处理厂时能够集所有的物理、化学和生物工艺于一个综合的模型中，即能模拟污水处理厂中每一个特定的工艺单元的行为和该单元中依赖于其环境条件（泥龄、温度和pH等）的主要反应，能够追踪普通异养菌、氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌等50个模型组分及作用于这50个模型组分的60多个物理、化学和生物反应，已广泛应用于污水处理工艺设计、运行评估、优化升级及运行管理精确控制等领域^[6,7,8]。

选择重庆市主城区某城镇污水处理厂作为研究对象，该污水处理厂于2011年12月建成，工程总投资5 723万元，处理工艺为Carrousel氧化沟（见图1），设计规模为5 000 m³/d，设计进水COD、BOD₅、SS、NH₃-N、TN、TP浓度分别为350mg/L、160mg/L、250mg/L、30mg/L、35mg/L和4mg/L，设计出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准。

根据2015年3月至12月监测数据，该污水处理厂实际进水中COD、TN、TP平均浓度为196.72mg/L、12.19mg/L和2mg/L，出水COD、TN、TP平均浓度为34.78mg/L、1.85mg/L和0.63mg/L。进水TP浓度范围为0.49～5.13mg/L，出水TP浓度范围为0.3～2.06mg/L，出水TP浓度超过一级B标准的天数占11.1%，超过一级A标准（0.5mg/L）的天数占63.2%,TP浓度不能稳定达标。

模型采用BioWin 4.1.1.1046版本，选该污水处理厂2组并行氧化沟中的一组作为对象进行研究和模型构建。

(1）采样监测和数据来源。为获取模型参数本地化数据，在进口、厌氧池出口、缺氧池出口、曝气池内多个缺氧和好氧段、二沉池出口、总出口等环节设置监测点开展了水质组分、运行参数等监测。模型参数本地化和模型模拟分析的数据来源于2015年3月17日至12月2日、2017年5月6日至7月5日对污水处理厂采样的实际监测数据。

(2）建立工艺模型。根据污水处理厂平面布置、运行情况和溶解氧水平，将3段厌氧区设置为一个厌氧池，缺氧区设置为一个缺氧池，将好氧区划分为8段。因此，污水处理厂一组处理单元的工艺概化模型（见图2）包括1个厌氧池、1个缺氧池、1个好氧区（划分为8段）和1个二沉池。根据该污水处理厂设计文件和现场实际测量，确定模型中各生物反应器构筑物尺寸（见表1）。

(3）参数设置和校准。进水水质参数：以采样监测平均值设置BioWin中进水参数（见表2）。将水质监测数据代入BioWin模型自带计算公式，根据计算结果对COD组分、氮组分、磷组分等模型污水组分参数进行校准（见表3），污水组分其余参数采用默认值。

运行动力学参数：根据设计参数、运行工况和监测数据进行设定。DO：好氧池曝气功率为7.5kW，氧传输速率0.65，厌氧池空气流量90m³/h，缺氧池空气流量20 m³/h，其余不曝气反应单元利用BioWin自动响应该反应单元溶解氧浓度，模拟出该段溶解氧。外回流990m³/d。内回流3 400m³/d。排泥量：剩余污泥量取27 m³/d。二沉池沉降去除百分比：99.32%。温度设定：稳态运行时，按实测水温13.7℃设置；动态运行时，按实际水温进行设置。其它参数设定：根据文献[9]和实际监测值，将模型动力学参数中开关的好氧/缺氧DO半饱和系数修正为0.3。

(4）模型的验证。开展静态模拟和动态模拟（模拟结果见表4）对模型进行验证，其中，长期动态模拟输入的数据采取2015年3月至12月监测数据。将模拟值和实测值进行比较，出水中COD、TN、NH₃-N、TP等组分静态模拟相对偏差均在3%以内，动态模拟相对偏差均在15%以内，表明经过本地化的模型能根据进水水质较为准确地模拟出水水质，能够较好地反映污水处理厂实际工艺运行状况。

(1）生物除磷效果评估。该污水处理厂出水TP浓度实际监测值为0.93 mg/L，通过BioWin模型对工艺过程模拟发现（见图3），在厌氧池内溶解氧水平在0.4 mg/L左右，缺氧池溶解氧水平在0.1mg/L左右时，厌氧池、缺氧池内的溶解性磷酸盐水平与好氧池内的溶解性磷酸盐基本相当，说明厌氧池内聚磷菌释磷作用不明显，系统生物除磷效果有提高的空间。

(2）进水水质变化对出水TP影响的模拟分析。将进水组分的COD、TN、TP每个污染因子别分按±10%、±20%、±30%及±40%8种变化且保持其余因子不变的情形下进行稳态模拟。模拟结果显示：进水TN变化对出水TP几乎没有影响；进水COD或TP变化对出水TP存在影响。如图4a所示，碳磷比是该污水处理厂TP去除的主要影响因素，现有碳磷比为91∶1，当进水COD增大到污水处理最优碳磷比100∶1，即199mg/L时，出水TP迅速降低，此后，再增加进水COD,TP处理效率并不再显著提升。如图4b所示，随着进水TP浓度增加，出水TP增加，且TP的去除率逐渐降低，在较低进水TP浓度下，TP处理效果更好。

(3）运行参数对出水TP影响的模型分析。利用BioWin模型，在保持某一参数变化，其余条件不变的情形下，模拟分析曝气池溶解氧、内回流、外回流、排泥量、温度等运行参数变化对出水水质的影响。模拟结果表明：(1)如表5所示，曝气方式对生物除磷有显著影响，开启1台或2台曝气机时，出水TP浓度降低，最低为0.53mg/L，当开启的曝气机增加至3台或4台时，出水TP浓度反而会升高，最高为0.99mg/L，说明过度曝气会抑制生物除磷能力；(2)如图4c所示，出水TP随内回流量减少而降低，减少内回流，对除磷有利；(3)如图4d所示，出水TP随污泥回流增大而增大，说明一定程度上减少污泥回流量，有利于降低出水TP浓度；(4)如图4e所示，随着排泥量逐渐增大，出水TP浓度呈现先降低后增大再降低的趋势，只有剩余污泥浓度高于7.34kg/m³或低于5.73kg/m³时，增大排泥，才能降低出水TP;(5)如图4f所示，随温度上升出水TP浓度逐渐降低，13.7～26℃出水TP浓度降低速度最明显。

(4）优化除磷效率方案及模型模拟。综合上述分析，提升除磷效率有多种策略，可以传统的外加除磷剂方法外，还可以减少曝气、降低内回流、降低污泥回流、增加排泥量、降低厌氧池DO等。

为了以尽可能小的成本代价换取TP去除效率的提升，采取在满足氨氮达标前提下，通过运行参数的优化设置，牺牲一定NH₃-N处理效率来提升TP去除效率的策略。具体改造方案：减少曝气机开启台数，DO控制在0.8mg/L左右；降低污泥回流，控制在700～800m³/d，泥龄控制在10d，系统MLSS控制在1 500mg/L左右；降低进水跌水高度，将进口跌水由原来的50cm降低至5cm，进口跌水曝气由原来的3.5mg/L降低至0.5mg/L。

利用该污水处理厂2015年3月至12月进水数据，输入模型，按工艺参数调整后的情景进行模拟（见图5和表6）。可见，通过优化工艺参数，尽管出水氨氮和TN浓度有所上升，但出水TP浓度由0.63mg/L降低至0.47 mg/L，且整个出水水质从满足一级B标准提升至满足一级A标准，提标效果明显。

(5）实施改造后运行效果验证。在模型模拟取得预期效果的基础上，对该污水处理厂正式实施了运行参数优化，并监测了实际进水水质和出水水质（监测结果如表7所示）。结果显示：在不进行工艺参数优化情景下，利用模型模拟，出水中TP浓度为0.58 mg/L，超过了一级A标准，出水中COD、NH₃-N、TN浓度满足一级A标准；工艺参数优化后运行，根据出水实际监测结果，TP浓度为0.45mg/L，出水中COD、NH₃-N、TN和TP浓度均满足一级A标准，且出水中TP瞬时浓度达到一级A标准的比例从18%提升至70.5%，所有时间段出水TP能达到一级B标准，可见通过调整优化工艺参数，TP去除效率有显著提升。

(1）以利用实际监测数据对模型参数进行本地化，利用模型进行稳态模拟和动态模拟，出水中COD、TN、NH₃-N、TP浓度模拟结果与实测值相对偏差分别为0.37%、0.91%、1.85%和2.15%以及0.49%、5.41%、13.79%和9.52%，表明经过本地化的模型能够较好地反映污水处理厂实际工艺运行状况。

(2）以Carrousel氧化沟工艺典型污水处理厂为研究对象，以利用BioWin模型模拟进水水质、运行参数变化对污水处理厂出水水质影响研究发现，该污水处理厂最优碳磷比为100∶1，进水TN变化对出水TP几乎没有影响，随着进水TP浓度增加，出水TP增加，且TP的去除率逐渐降低；溶解氧、内回流、外回流、排泥量等运行参数对出水TP存在较大影响，但变化趋势存在差异，出水TP浓度随溶解氧增加呈现先降低后增加趋势，减少内回流、污泥回流对除磷有利，出水TP随排泥量增加呈现先降低后增加再降低的趋势。

(3）利用BioWin模型模拟，在满足氨氮达标前提下，通过运行参数的优化设置，牺牲一定NH₃-N处理效率可以明显提升TP去除效率。从优化改造后污水处理厂实际运行情况来看，出水TP平均浓度从一级B标准提升至一级A标准，且出水中TP瞬时浓度达到一级A标准的比例从18%提升至70.5%,TP去除效率从66.5%提升至74%。