数学模拟用于污水处理工艺运行诊断与优化
编者按
采用TUD模型与AQUASIM模拟软件对某大型市政污水处理厂倒置A2/O工艺运行问题进行诊断，同时提出优化运行方案并进行模拟预测。结果表明，进水中碳源特别是挥发性脂肪酸（VFAs）不足和厌氧水力停留时间（HRT）太短是导致脱氮除磷效果不佳的主要原因。针对这两大问题，提出了曝气池分区重组、外加碳源、总进水超越初沉池、UCT改造以及结合磷回收等优化运行和工艺改造方案，并通过模拟预测了各种改造方案可能出现的较好运行效果。本文发表于《给水排水》（2007年7月）。
文章亮点
1、采用数学模拟技术对市政污水处理厂工艺运行问题进行诊断，同时提出优化运行方案并进行模拟预测；
2、通过模拟诊断，发现试验污水处理厂倒置A2/O工艺运行中最主要的问题在于进水中可利用碳源（VFAs）不足，其次是厌氧区停留时间（HRT）太短；
3、利用模拟可以确定现有倒置A2/O脱氮除磷工艺系统结合磷回收的最佳测流比为0.16；
4、通过模拟技术提出相应的优化运行和改造方案，如，曝气池分区重组、外加碳源、总进水超越初沉池、实施UCT工艺改造等。
1、引言
有效的数学模拟技术可以用于工艺方案比较与工艺设计、问题诊断与运行优化、试验定向与工程放大。数学模拟技术的这些作用目前在国际上越来越广泛地用于工艺研发、工艺设计和工艺运行。早先的一些工作已实现了对北京某大型市政污水处理厂倒置A2/O工艺的数学模拟（静态与动态），而且总结出一套适合我国污水处理厂采用的水质特性化方法。在此基础上，针对该污水处理厂倒置A2/O工艺运行中存在的问题，采用数学模拟方法首先诊断问题症结，然后提出运行优化措施并通过数学模拟予以验证，以期为实践提供参考。
2、对运行状况的初步模拟评价
该污水处理厂倒置A2/O工艺属于低负荷运行，对有机物的去除效果较好，但对TN、TP的去除率还未达到50%。为此，利用在静态模拟时校正的工艺模型（TUD）在均值水量、水质情况下对此工艺做出初步分析评价：倒置A2/O工艺中并未发生反硝化除磷现象；该工艺系统中，聚磷菌（PAOs）富积生长的适宜温度为10~15 ℃；曝气池第三廊道中DO最佳控制浓度应为0.5 mg/L；强化生物除磷最小污泥龄应为8 d，最佳污泥龄≥12 d；回流比（R）应控制在60％左右；好氧区占曝气池的体积比（fv）宜为3/5~2/3；SS/(SS+XS)为0.5~0.7时，出水TP浓度较低；易生物降解有机物（SS）中的挥发性脂肪酸（VFA：SA）越多对除磷越有利，需使SA≥25 mg/L。
3、工艺运行问题诊断
3.1 进水中VFA不足
对改工艺的静、动态模拟结果均显示，系统中SA不足是制约除磷效果的主要因子。如图1a所示，由缺氧区进入厌氧区的SA极低，不足2 mg/L（与实测值0~3 mg/L相符），它与第二点进水（0.3 Qin）中VFA（SA＝13 mg/L）混合后，进入厌氧区时的平均实际SA也仅为5.3 mg/L。
图1 试验污水厂和对照污水厂缺氧区出水残余VFA
对进入厌氧区SA充足（>50 mg/L）的另一座污水处理厂倒置A2/O工艺进行模拟预测，并与实际运行数据对比的结果亦能反证这一推论，如图1b、图2所示。该厂出水TP可达0.5 mg/L，NH4+-N≤5 mg/L，均能达到一级A排放标准。
图2 对照污水处理厂的模拟结果
3.2 厌氧水力停留时间（HRT）太短
促进PAOs过度吸磷的本质动力与厌氧区水力停留时间（HRT）和厌氧环境的厌氧程度（硝酸氮浓度的大小）有关，在一定范围内厌氧环境的HRT越长，厌氧程度越充分，PAOs的吸磷动力越强。其中，厌氧HRT直接影响专性厌氧细菌进行水解发酵反应程度。有研究表明，当HRT=2.5 d时厌氧发酵反应器内的VFA浓度最高。然而，实际除磷工艺的设计厌氧HRT往往低于2.5 d，甚至在本例试验污水处理厂厌氧区HRT仅为45 min，显然如此低的厌氧HRT远不足以使水解和发酵充分进行，以至于PAOs无法获取足量VFA用以生物除磷。综上所述，厌氧HRT也是影响脱氮除磷的主要因素之一。但究其根本，症结还在VFA缺乏上。
4、倒置A2/O工艺的运行优化模拟分析
4.1 曝气池分区重组方案
针对上述分析所得厌氧HRT太短问题，结合初步分析评价中所得最佳好氧区比例，将系统中原有缺氧、厌氧、好氧区体积比（V1∶V2∶V3＝1∶1∶7）调整为V1∶V2∶V3＝1∶2∶6以增大厌氧区体积来延长其HRT，从而为间接获取更多VFA创造工艺条件。
结合初步分析评价中建议的运行参数（SRT=8 d、DO=0.5 mg/L、R=60%），动态模拟曝气池分区重组后的运行工况。结果如图3所示，优化后出水NH4+-N为10 mg/L 左右，TP为1 mg/L左右，剩余污泥量也明显减少（QS）。
图3 曝气池分区重组后模拟结果
4.2 外加碳源方案
上述方案是间接增加系统中的VFA，而最直接有效的解决办法莫过于向进水中投加碳源（甲醇、乙酸等）。根据初步分析评价中所得最佳SS /（SS＋XS）=0.5~0.7可知，当现有系统进水VFA浓度（SA）升至25 mg/L将有利于脱氮除磷，换算为投加甲醇量为500 kg/d。此时，VFA约占进水COD的15%，而SS /（SS＋XS）为0.63。模拟结果见图4。可见，投加碳源后的系统运行效果大为改善，出水NH4+-N可降至5 mg/L，TP可达1 mg/L左右；剩余污泥量也可减少约300 m3/d。
图4 投加碳源后模拟结果
4.3 总进水超越初沉池改造方案
除上述方案外，使污水处理厂总进水（VFA=25~35 mg/L，10%总进水COD）超越初沉池，直接分点进入曝气池亦能增加碳源（SS）或VFA（SA）。采用建议的运行参数，模拟试验结果如图5所示。改造后出水水质明显好转，TN、NH4+-N与TP都能达标，而且出水COD及TSS仍在系统所能承受的处理范围之内。
图5 总进水超越初沉池后模拟结果
4.4 UCT工艺改造方案
由于设计忽略了反硝化除磷作用，倒置A2/O工艺中生物除磷效果存在天然缺陷。对此，可将其改造为UCT工艺以提升生物除磷效果。模拟试验表明，在取消UCT工艺中从好氧区至缺氧区的内回流后，处理效果得到较大改善（图6）。
图6 改造为UCT工艺后模拟结果
（r2=0，SRT=7 d，R=50%，r1=150%）
4.5 结合磷回收工艺改造
采用化学除磷辅助生物除磷亦为改进除磷效果有效手段。二者的有机结合能够避免传统化学除磷方式缺陷，如降低初沉污泥可生化性（进水中投加），影响较长SRT细菌数量（曝气池中投加）、宏量磷去除效果好而微量效果差（二沉池出水投加）。同时，采用厌氧池上清液侧流化学磷回收方式不仅能够有效降低进水磷负荷，还能够间接提高系统COD/N与COD/P比值，从而强化生物除磷效果。基于此，改造工艺方案如图7所示。其模拟结果显示，最佳侧流比为0.16，此时磷的回收率为25%。当侧流比大于此值时将增大磷回收的成本，而且除磷效果也将受到消极影响。
图7 倒置A2/O工艺结合磷回收改造工艺方案
图8 结合磷回收工艺模拟预测结果
5、结论
通过模拟诊断，发现试验污水处理厂倒置A2/O工艺运行中最主要的问题在于进中可利用碳源（VFAs）不足，其次是厌氧区停留时间（HRT）太短。针对这两大问题，提出了相应的优化运行和改造方案，如，曝气池分区重组、外加碳源、总进水超越初沉池、实施UCT改造以及结合磷回收的工艺改造方案等，并通过模拟预测了各种改造方案可能出现的较好运行效果。
