学术回溯 | 动态模拟倒置A²/O工艺
编者按：前期已利用TUD模型对某污水处理厂倒置A2/O工艺运行工况进行静态模拟，并取得良好效果。为进一步说明数学模拟技术应用于国内污水处理厂运行问题诊断和方案优化的可行性，本研究利用静态模拟建立并校正过的工艺模型对有效数据进行动态水质模拟。预测结果与实测值的吻合度至少为80%～90%。在此基础上对典型水量日变化曲线（24h）下的动态进水负荷进行模拟，预测出水水质的变化趋势，揭示动态负荷下出水水质的变化规律以及保持良好水质的运行对策。本文发表于《给水排水》（2007年8月）。
整理 | 闫政威
责编 | 郝晓地
文章亮点
01、通过采用TUD模型对倒置A2/O工艺进行动态模拟。
02、在进行动态模拟之前，采用物料平衡分析对实际监测数据进行检查，以确保模拟的准确性。
03、在物料平衡率缺失10％左右的情况下，动态模拟结果与实际监测结果仍具有良好的吻合性。
01、引言
将目前国际上流行的活性污泥数学模型及其有关的商业软件用于对我国污水处理厂的运行工况进行模拟，模拟准确的关键是对进水水质实行特征化分析。先期已对北京某大型市政污水处理厂倒置A2/O工艺进行以平均水量、水质为基础的初步静态模拟，仅在修正个别组分参数和动力学参数的前提下便获得了模拟预测与实测结果吻合度较高的模拟效果。但在实际运行中工程技术和运行管理人员更为关注的是在变化的水质、水量情况下能否实现动态模拟预测。基于此，本研究在静态模拟以及水质特征化分析的基础上，对北京某大型市政污水处理厂倒置A2/O工艺进行动态模拟，以演示国外模型在动态模拟方面的有效性和准确性。
02、物料平衡分析
2.1 物料平衡方程
在进行动态模拟前，首先对收集的3组动态实测数据进行物料平衡检查，以确保采用准确数据进行模拟计算。其中包括工艺设计数据、运行参数及水质监测数据等。物料平衡以图1显示的水和固体物料流向为准，其中也包括因反硝化脱氮造成的氮逃逸量。
图1 倒置A2/O工艺物料平衡示意图
物料平衡包括以下内容：
① 水量平衡
对于整个系统，进、出水水量应该平衡（忽略水的蒸发量），即：
② 磷平衡
磷在整个系统中进口有一个，即Qi中的总磷（Pi）。出口有两个，出水Qe中的磷（Pe），以及剩余污泥Qs中的磷（Ps）。物料平衡方程如下：
③ 氮平衡
系统中氮的进口即为Qi中的总氮（Ni），出口中除Qe中的总氮（Ne）和Qs中的总氮（Ns）外，还存在因反硝化脱氮的逃逸部分（Nd）。物料平衡方程如下：
因反硝化产生的N2的逃逸量难以计算，使（3）式不能直接实现总氮的平衡检查，但实际进水硝酸氮含量极低，进水中的TN与凯氏氮（TKN）通常可看作相等，故采用TKN的平衡方程式来代替式（3）中的总氮。TKN在系统中的进口即为Qi中的TKN（Nki），出口为Qe中的TKN（Nke）和Qs中的TKN（Nks）以及系统中被硝化了的TKN（Nn），如下所示：
④ 有机物平衡
有机物（COD）的物料平衡较复杂，其平衡方程式如下：
⑤ 曝气池SS平衡及SRT校核
曝气池（不包括二沉池）中的干物质SS一部分来自于进水中的SS，另一部分为回流污泥中的SS，其物料平衡方程为：
另外，还可通过上式校核Qi或Grs，即把其中某一项作为未知量求出，与实测值进行对比。在已知剩余污泥量的情况下，还应对SRT进行校核，以保证模拟工况的准确性，由下式计算：
2.2 物料平衡检查
利用上述物料平衡方程对3组实测数据进行物料平衡检查，结果如表1所示。其中，3号数据组物料平衡率过低，SRT准确率<90％，所以视为无效数据。
表1 各组实测数据的物料检查结果（%）
03、动态模拟
经以上数据分析采用有效的2组数据对倒置A2/O工艺进行动态模拟。图2、3分别为利用静态模拟中建立并校正的工艺模型对1号和2号数据组所做的动态模拟结果。
图2 1号数据组动态模拟结果
图3 2号数据组动态模拟结果
图2、3显示，两次动态模拟结果与实测数据均具有较好的吻合性，因此不再需要对静态模拟中校正的工艺模型参数作调整。另外有上述动态模拟准确性的基础，可以对变化水量情况下的工况进行模拟预测。
04、24 h水量、水质监测试验
现场进行了24 h水量、水质强化监测（周期10 d），并将10 d内对应时刻的数据平均后得到典型日的水量、水质变化数据输入AQUASIM工艺模型，对24 h内出水水质进行模拟预测，结果如图4所示。
图4 24h动态进水情况下的出水水质模拟预测
模拟结果显示，24 h内出水COD（40~45 mg/L）、SS（11~15 mg/L）、TN（17~20 mg/L）、NO3--N（15~17 mg/L）变化较为平缓。但出水NH4+-N（0~10 mg/L）、TP（1~3 mg/L）变化幅度较大。结合污水处理厂进出水量情况来看，出水水质变化基本上与实测进水峰/谷值相符，即在24 h内出水水质变化主要受进水量变化影响，所以在运行控制中应根据对进水量的在线监测及时采取相应的技术措施。
05、结论
通过对现场监测数据进行物料平衡分析，在物料平衡率缺失10％左右的情况下，动态模拟结果与实际监测结果仍具良好的吻合性。这一方面说明静态模拟中对个别组分参数及动力学参数校正后可以满足动态模拟的需要，而且所建立的水质特征化方法与确定的COD组分参数是正确的和准确的。另一方面，动态模拟与实际检测结果的吻合度可达80％~90％这一事实，足以说明数学模拟技术完全可以用于我国污水处理厂运行问题的诊断以及运行优化方案的制定与实施。
