模拟评估大型市政污水厂超负荷运行能力
编者按：为最大限度减少非处理水直排量，大型市政污水处理厂遇升级改造时通常采用逐个工艺改造，而让其余工艺超负荷运行。因此，预先了解和掌握超负荷运行工艺的出水水质以及相应工艺参数对实际运行控制则甚为关键。对此，研究针对北京某大型市政污水处理厂相应案例进行数学模拟，评估该厂在常规运行下最佳工况及超负荷运行条件下不同季节的脱氮能力与进水峰值影响。本文发表于《中国给水排水》（2010年5月）。
文章亮点
1、运用数学模拟技术对A/O工艺在最佳工况和超负荷运行条件下的性能进行了评估，为污水处理厂提供了一种高效、低成本的评估方法。
2、考虑了不同季节对污水处理厂运行能力的影响，特别是在冬季低温条件下，为污水处理厂提供了针对性的运行策略。
3、探讨了污水处理厂在面对进水流量脉冲峰值时的抗冲击负荷能力，这对于提高污水处理厂运行稳定性和可靠性具有重要意义。
1.引言
北京某大型市政污水处理厂升级改造案例中，该厂计划只对4个系列工艺之一进行升级，同时保持其余3个超负荷运行。由于传统理论计算难以提供超负荷水量与出水水质间的全面信息以避免断水停产情况出现，且现场逐级加载试验不现实。因此，研究通过数学模拟技术解决该厂保留工艺超负荷运行能力的评估问题，预测保留系统在超负荷运行状态下的工艺性能及相应的出水水质。从而为该厂提供保留工艺超负荷运行情况下的全息映像，以便厂方事先获得工艺过程的全部技术细节，最大限度地利用保留工艺的处理容量。
2. 工艺概况与超负荷运行
2.1 工艺概况
污水厂3个系列的保留工艺将以A/O形式运行，并在好氧池末端实施化学除磷。每个系列共有6组推流式曝气池（体积比：缺氧/好氧=1/5）。每组曝气池对应1座独立二沉池。曝气池进水水质见表1。单组曝气池的处理水量及主要工艺参数见表2。该工艺虽然设置了内回流，但在目前的运行中并未启用。
表1 初沉池出水水质
表2 单组A/O工艺运行参数
2.2 超负荷运行问题
根据厂方需求，在保证出水水质（COD≤60 mg/L、TP≤1 mg/L、TN≤20 mg/L、NH₄⁺-N≤1 mg/L）前提下，预期通过数学模拟明晰下列问题：
（1）常规负荷下内回流比（r）与MLSS值对工艺脱氮效果的影响，并确定其最佳值；
（2）在超负荷进水条件下温度、DO与MLSS对出水TN及NH₄⁺-N浓度的影响，并由此确定不同超负荷进水条件下使出水水质达到期望标准的最佳运行参数；
（3）进水NH₄⁺-N浓度出现较大峰值时对出水TN及NH₄⁺-N浓度的影响；
（4）进水水量出现较大峰值时曝气池内NH₄⁺-N及NO₃⁻-N浓度所表现出的波动延时效应以及波动程度。
3. 数学模拟方法
3.1 模拟平台及工艺模型建立
模拟评价选用已在该厂进行过校验的TUD联合代谢模型，及AQUASIM 2.0软件进行模拟运算。其中，工艺模型将缺氧池和好氧池分别划分为2个和10个等体积串联的完全混合池，以接近真实的推流情况。考虑到二沉池同样也会发生生化反应，故将其划分为澄清区（60%）与污泥区（40%）两部分，并仅激活后者中所有生化反应过程。
3.2 水质特征与运行参数
根据表1和实测数据，模拟将输入的进水COD划分为：Sᴀ＝6%，Sғ＝43%，Sɪ＝7.5%，Xɪ＝16%，Xs＝27.5%。
常规负荷模拟运算以表2所列运行参数值为依据。在进行超负荷模拟运算时，回流污泥与进水量之比保持在0.8:1；MLSS通过选择不同SRT予以实现；好氧区DO保持在一定范围内取固定值；缺氧区无曝气，设置混合。模拟中设定出水SS保持在20 mg/L。因为现状A/O工艺采用化学除磷，所以模拟中不考虑对磷的去除效果。
4. 模拟结果与讨论
4.1 常规负荷下的最佳内回流比与MLSS
4.1.1 最佳内回流比（r）
模拟中分别取DO为2 mg/L（设计值）与4.1 mg/L（实测值），曝气池MLSS保持约为4 150 mg/L。结果（图1）显示，在不同的好氧池DO值下，出水TN与NO₃⁻-N浓度均随r的增大而减小，其r从0提升到200%时，减小趋势尤为明显。此时好氧池末端残存NH₄⁺-N及硝化形成的NO₃⁻-N一并循环至缺氧池前端，使前者有机会再次经历硝化过程而降低出水浓度。但当r=100%~200%时，曝气池中混合液流速过快，NH₄⁺-N在好氧池中的停留时间相对缩短而来不及硝化便被带出好氧池，致使出水NH₄⁺-N浓度升高。且此时硝化能力减弱，将导致回流至缺氧池的NO₃⁻-N量减少，加之DO一并被快速循环至缺氧池，势必会降低反硝化效果，致使出水脱氮量增幅下降。为此，加之考虑能耗问题后，常规负荷下的最佳r应为100%。此外，好氧池内较高DO值对维持较低出水NH₄⁺-N十分有利。
图1 不同内回流比下的各种出水氮浓度
4.1.2 最佳MLSS浓度
取DO为4.1 mg/L，r分别为0（实际值）及100%（最佳值），模拟预测不同MLSS值下出水中各种氮的浓度。结果表明，提高MLSS浓度可以显著增强好氧池硝化能力。但由于此时进水碳源已成为限制因子，反硝化能力及TN去除率并不会提高。最后，在r=100%时选择MLSS=4 000 mg/L既可满足出水水质要求，又能避免过高MLSS浓度导致的曝气困难以及过量曝气带来的无谓能耗。
4.2 超负荷运行下的脱氮能力
该部分选择系统总进水量为（70×10⁴）、（80×10⁴）、（90×10⁴）m³/d条件下的出水效果及相应的工艺参数。
4.2.1 常温下超负荷运行的脱氮能力
模拟取温度为20 ℃，DO为4.1 mg/L， MLSS为4 181 mg/L，分别模拟r为0、100%时的出水水质。结果显示（表3），当无内回流时系统硝化与反硝化能力均显不足，出水TN与NH₄⁺-N均超标；然而当内回流比为100%时，出水水质明显提高并达到规定标准。这说明，在超负荷运行条件下，设置适宜的r（100%）是保证出水水质达标的必要条件。
表3 常温下超负荷运行时的模拟出水水质
4.2.2 冬季低温下超负荷运行的脱氮能力
以15 ℃作为冬季平均水温，并仍采用上述3个进水量进行模拟以全面考查温度影响。
当进水量为70×10⁴ m³/d时选定MLSS为4 150 mg/L，考察不同DO值下的各种出水氮浓度；同时固定DO为3 mg/L考察不同MLSS（3 000、3 500、4 000、4 500、5 000 mg/L，对应SRT分别为8.2、10.1、12.1、13.7、15.7 d）下的各种出水氮浓度。
结果（图2及表4）显示，适宜的内回流比对硝化以及反硝化甚为关键；提高好氧池的DO以及MLSS或SRT值均能有效提高工艺的硝化能力。然而，曝气设备的供氧能力和二沉池的污泥通量极限值限制了DO或MLSS的提高。因此，A/O工艺所能承受的超负荷运行水量存在一个极限值。综合结果，夏季超负荷运行水量可达90×10⁴ m³/d以上，而冬季不宜超过80×10⁴ m³/d。
图2 进水量为70×10⁴ m³/d时不同运行参数下的各种出水的氮浓度
表4 超负荷运行时出水氮达标所需工艺条件
4.3 NH₄⁺-N峰值削弱因素
该部分针对可能出现的进水水质（特别是NH₄⁺-N）脉冲式峰值现象，及曝气池对其波峰的削弱作用进行模拟研究。其中，设定在某时间段出现一个浓度为61.1 mg/L的NH₄⁺-N峰值（正常值为45.6 mg/L）。
4.3.1 DO对峰值的影响
取MLSS=4 150 mg/L、r=0，结果如图3所示，其中，谷值即为无进水峰值情况。
图3 不同DO值下出水总氮的峰值与谷值
模拟结果显示，DO值越大，对出水NH₄⁺-N峰值的削弱作用越明显，但对出水TN峰值以及削减作用的影响有限。特别是当DO=2 mg/L时，可以保证出水NH₄⁺-N达标，但出水TN则难以达标。
4.3.2 内回流比对峰值的影响
取MLSS=4 150 mg/L、DO=4.1 mg/L，结果如图4所示。显然，r为100%与200%时分别对NH₄⁺-N和TN峰值的削弱作用最大。综合考虑，选择r=100%有益于削减出水氮峰值。
图4 不同内回流比下出水氮的峰值与谷值
4.3.3 缺氧池比例对峰值的影响
在反应池总体积不变前提下，控制MLSS=4 150 mg/L，好氧段DO为4.1 mg/L，r=0。结果如图5所示，在一定范围内，缺氧池体积越小，出水NH₄⁺-N及TN浓度越低，对进水氮波峰的削弱作用也越大。
图5 不同缺氧池比例下出水氮浓度的峰值与谷值
4.3.4 MLSS对峰值的影响
取好氧段体积比为1/6、DO为4.1 mg/L、r=0。结果（图6）显示，随着MLSS浓度的提高，出水NH₄⁺-N浓度减小，对其波峰的削弱作用增强。但同4.1.2所述，仅通过提高MLSS难以保证出水NH₄⁺-N与TN达标。
图6 不同MLSS值下出水氮的峰值与谷值
总之，选取适当r、提高DO及MLSS浓度、增大好氧池体积在一定程度上可以削弱NH₄⁺-N进水峰值的影响，但对出水TN峰值的削弱作用仍十分有限。
4.4 曝气池中氮浓度对进水流量峰值的响应
该部分针对可能出现的进水流量出现峰值现象，及其对出水水质的影响进行模拟研究。结果显示，当进水流量出现峰值时（13 h），工艺HRT缩短而硝化能力不足，曝气池中在之后的时间段内出现NH₄⁺-N（15 h）的峰值和NO₃⁻-N（14 h）的谷值，并积累至曝气池廊道中后部。但曝气池抗冲击负荷能力，使得二者在此变得比较缓和。流量峰值过后，NO₃⁻-N浓度从谷值逐渐恢复，并出现一个峰值（23.5 h），然后恢复正常。
由于该厂曝气池廊道为推流形式，NH₄⁺-N峰值在曝气池中传递的速度和水体流速基本一致。因此，氮浓度的峰值传递速度与廊道中水流速度基本一致。
5.结论
1）现状A/O工艺在常规运行条件下最佳内回流比为100％，最佳MLSS=4 000 mg/L。
2）超负荷运行时，通过选取适宜内回流r比、提高DO及MLSS值可以强化工艺硝化能力，可降低出水NH₄⁺甚至TN浓度。在适宜r=100%下，A/O工艺所能承受的超负荷运行水量在夏季可达90×10⁴ m³/d以上，冬季不宜超过80×10⁴ m³/d
3）当进水NH₄⁺出现较大峰值时，选择合适r值、提高DO值、增加好氧区体积均可削弱其对出水NH₄⁺的影响，但很难使出水TN达标。仅通过提高MLSS浓度均难以保证出水NH₄⁺、TN达标。
4）当进水流量出现脉冲峰值时，曝气池中将随后出现NH₄⁺和NO₃⁻谷值。流量峰值过后，后者将逐渐恢复并出现一个峰值，然后恢复正常。在A/O工艺中，N浓度峰值传递速度与廊道中水流速度基本一致。
