模拟评价、优化污水处理厂升级改造方案
编者按：为模拟评价并优化北京某大型市政污水处理厂升级改造方案，应用TUD模型对改良A²/O工艺进行模拟评价。结果发现，存在TP超标风险，预缺氧池设置不利于生物除磷，而水解酸化能提高生物除磷效果。基于模拟结果，提出优化方案，包括将初沉池改造为厌氧池，取消脱氧池，并通过侧流化学除磷来提高处理效率。模拟预测显示，优化后的工艺能实现稳定且良好的出水水质。本文发表于《中国给水排水》（2009年9月）。
整理 | 曲雯钰
责编 | 郝晓地
文章亮点
1、采用TUD模型对改良A²/O工艺进行模拟评价，为污水处理厂升级改造提供科学依据；
2、将现有工艺进行改进，如，将初沉池改造为厌氧池，取消脱氧池，并实施侧流化学除磷，有助于提高污水处理厂运行效率和出水水质；
3、优化工艺方案模拟预测显示了不同工况下的出水水质情况。模拟预测对于评估改造方案具有重要参考价值。
1.引言
北京某大型市政污水处理厂的设计处理规模为 100×10⁴ m³/d，原工艺为倒置A²/O和A/O工艺两期路线。为满足出水提标改造需求，某设计院提出改良A²/O工艺升级改造方案。为对该方案进行性能和效果预测，本文应用数学模拟诊断/优化工艺技术，对其进行模拟评价，并根据评价结果来优化工艺设计。
2. 改良A²/O工艺改造方案
2.1 升级改造工艺
该方案是在原倒置A²/O工艺的基础上进行的：1、将原初沉池（单池尺寸为75 m×14 m×2.5 m，共24座）中的1/3区域改造为回流污泥反硝化池（预缺氧池），回流污泥进入预缺氧池后与10%的进水混合；约2/3的初沉池用作水解酸化池（无污泥回流），同时设置自循环泵（循环比为20%）；2、在缺氧池首端增设碳源投加设备，通过调整混合液回流（内循环）的进水点位置调节缺氧池与好氧池的体积比（fᴠ）；3、在好氧池末端设置脱氧池，并增设化学除磷药剂投加设备。
2.2 水质与工艺设计参数
升级改造工艺方案设计参数见表1和表2。进水水质见表3。
表1 现状工艺设计参数
表2 改良A²/O工艺中各反应池参数
表3 进水水质
3. 升级改造方案的模拟评价
3.1 运行效果模拟预测
采用在原倒置A²/O工艺模型中校验过的动力学参数来建立改良A²/O工艺模型。对总进水COD组分的测试结果表明：固体有机物（Xs+Xɪ）比例为72.12%、VFAs（Sᴀ）仅为1.62%、溶解性有机物（Sғ+Sɪ）为26.26%。水解酸化试验表明，水解酸化后COD的各组分改变为：（Xs+Xɪ）=50%、Sᴀ=12.36%、（Sғ+Sɪ）=37.64%。对模拟预测中所采用的COD组分进行设定（见表2），参数选择15（SRT=15 d）、20（SRT=10 d）和25 ℃（SRT=8 d）等3种温度对改良工艺进行模拟预测，结果见表4。
由表4可知，出水TP有超标风险，需对其进行优化。
表4 对升级改造方案的模拟预测
3.2 预缺氧池模拟评价
设置预缺氧池及分点进水的目的是为了消除回流污泥中所含NO₃⁻对厌氧释磷效果的影响。为验证预缺氧池对生物除磷效果，以平均进水水质条件为依据，在适温（T=20 ℃）与污泥龄（SRT=10 d）下，模拟了预缺氧池进水比（rᵢₙ）对生物除磷效果的影响。模拟时设定rᵢₙ=0时，原水直接进入厌氧池。当0<rᵢₙ<100%时，则成为带预缺氧池的改良A²/O工艺。在此种情况下，生化反应池的总容积实际上增加了24 480 m³。模拟结果见图1。
图1 预缺氧池进水比对生物除磷效果的影响
结果表明，生物除磷效果的提高是因为预缺氧池增大了厌氧区有效容积。只要加大厌氧池容积，一点进水式的标准A²/O工艺即可满足生物除磷的要求。因此，设置预缺氧池及两点进水方式在促进生物除磷方面没有任何实际意义。
3.3 水解酸化作用模拟评价
水解酸化可强化进水中非溶解性的COD向VFAs（Sᴀ）的转化，但并不会增加碳源总量。模拟预测的工艺条件：预缺氧池作为厌氧池，直接采用一点进水的标准A²/O方式运行；水温为15 ℃，SRT为15 d。结果如图2所示，图2显示通过水解酸化作用，保持进水Sᴀ/COD为10%～15%（Sᴀ=33.3～50 mg/L）较适宜，过分强化水解酸化程度并不具有实际意义。
图2 SA/COD值对生物除磷效果的影响
3.4 脱氧池作用模拟评价
改造方案在好氧池末端设置了脱氧池，其目的是减少进入缺氧段的DO量。脱氧池采用间歇曝气方式运行，在硝化反应不充分时开启曝气，以补充好氧池容积。为验证效果，在T=15 ℃、SRT=15 d的条件下分别模拟开启和关闭脱氧池曝气器的情形。
结果显示：两种情况下的出水TN仅相差1 mg/L左右，表明设置脱氧池对脱氮效果的强化作用十分有限，可将脱氧池容积调整至缺氧或厌氧反应区。
4. 升级改造方案优化建议
4.1 初沉池改造为厌氧池
模拟结果显示，通过水解酸化作用，保持进水Sᴀ/COD在10%～15%时对强化生物除磷效果较为适宜。研究该厂旧倒置A²/O工艺的模拟发现，在没有水解酸化单元时初沉池出水的Sᴀ/COD可达6.5%（建议比例范围下限10％）。因此将初沉池和脱氧池全部改造为厌氧池，共增加厌氧池容积达63 532 m³，使厌氧水力停留时间增至2.8 h；污泥回流至原初沉池首端与原水同时进入，以标准A²/O工艺运行。
以该建议优化方案为依据，采用表3所示水质及新近试验测得的COD组分（Sᴀ=1.62%，Sғ=17.25%，Sɪ=9.01%，Xɪ=25.98%，Xs=46.16%），分别对水温为15（SRT=15 d）、20（SRT=10 d）和25 ℃（SRT=8 d）下的运行效果进行模拟预测，结果显示：经过改造运行效果与设置水解酸化单元时的基本一致，且对TN的去除率略有升高；经水解酸化后，Xs从进水的154 mg/L下降至88 mg/L，而相应的Sғ仅为4.5 mg/L，大部分由水解酸化转化而来的溶解性COD已变为Sᴀ。这说明，改造为厌氧池的初沉池具有较强的水解发酵反应。
4.2 优化缺氧与好氧池的容积比
如上所述，该装置需要运用反硝化除磷来节省碳源，同时要优化好氧曝气部分的容积。以3.1节的工艺流程为依据，在T=15 ℃、SRT=15 d的条件下模拟考察fV对脱氮除磷效果的影响，结果见图3。
图3 缺氧与好氧池的容积比对运行效果的影响
由图3可确定最佳容积比为30%。此时的出水TN、NO₃⁻-N、NH₄⁺-N、TP及PO₄³⁻-P浓度分别为12.88、8.77、1.56、0.74、0.17 mg/L，与仅改造为厌氧池相比，出水水质得到明显改善。
4.3 厌氧池上清液侧流除磷
为保证低浓度出水TP，改造方案在好氧池末端设置了化学除磷设施，取消在曝气池中投加化学药剂的方法。PAOs对磷的亲和性强，由于进水中缺乏充足的碳源导致出水磷浓度超标。将厌氧池中的上清液引出进行侧流除磷可相对增加后续生物除磷所需的C/P值。以侧流离线方式去除厌氧上清液中的磷优点为：①投药量少；②产生的沉淀不会影响主流生物处理系统；③实现对磷资源的回收。以4.1节的工艺流程为依据，在T=15 ℃、SRT=15 d的条件下模拟考察不同侧流比（r侧）对系统运行效果的影响，结果如表5所示。
表5显示，当r侧=0.2时，侧流除磷能显著降低出水TP、TN的浓度。
表5 侧流比对脱氮除磷效果的影响
5. 建议优化方案及运行参数
综合对升级改造方案模拟预测与评价以及上述技术效果的考虑，建议采用如下优化设计方案：
① 采用标准A²/O运行方式；
② 在现存倒置A²/O工艺的基础上，将初沉池全部改为厌氧池；
③ 取消脱氧池，将其容积并入厌氧池；
④ 维持升级改造方案中缺氧、好氧区的容积不变；
⑤ 在厌氧池末端抽取上清液实施侧流除磷。
以上述优化方案为依据，对SRT为15 d、侧流比为20%的运行效果进行模拟，结果见表6。与表4相比，建议的设计优化方案运行效果明显优于升级改造方案。
表6 建议优化方案运行效果的模拟预测
6. 结论
对升级改造方案运行模拟评价表明，在20 ℃以下的温度范围运行时有超标风险，预缺氧池不能消除NO₃⁻对厌氧释磷的影响，还会浪费有限的碳源。为满足强化生物除磷效果，进水中的非溶解性有机物（约10%）经水解酸化作用转化为VFAs，而实现这个目标只需将初沉池全部改造为厌氧池，并且将脱氧池改为厌氧池。
以模拟评价为依据，建议采用如下优化方案：①以标准A²/O工艺运行；②改造全部初沉池为厌氧池；③取消脱氧池而将其容积并入厌氧池；④在厌氧池末端抽取上清液实施侧流除磷。
