基于工藝模擬的城市污水處理廠提標(biāo)改造 ——北美經(jīng)驗(yàn)與案例

摘要：為滿足處理水質(zhì)的不斷提高和運(yùn)營管理的節(jié)能降耗，北美地區(qū)采用工藝模擬軟件，對污水處理廠進(jìn)行模擬，用于指導(dǎo)污水處理廠設(shè)計(jì)及運(yùn)行，并取得良好的成效。本文介紹了北美地區(qū)工藝模擬軟件運(yùn)用的情況，并列舉了工藝模擬在北美地區(qū)城市污水處理廠提標(biāo)改造的案例。

1背景與概述

二十世紀(jì)以來，為了保護(hù)水體環(huán)境和防止傳染疾病的爆發(fā)，北美地區(qū)制定了越來越嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)。對于高排放標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠，采用傳統(tǒng)參數(shù)計(jì)算方法難以滿足設(shè)計(jì)要求，故需要引入更好的定量分析工具——模擬設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)方法通常是根據(jù)預(yù)估的進(jìn)水特性，參考設(shè)計(jì)手冊提供的方法、公式和參數(shù)，然后對污水處理工藝單元的構(gòu)筑物尺寸、結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇和計(jì)算，難以獲取設(shè)計(jì)參數(shù)與出水水質(zhì)之間的定量關(guān)系，是一種黑箱方法。模擬設(shè)計(jì)則提供了一種有效的的輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，幫助設(shè)計(jì)人員量化設(shè)計(jì)參數(shù)與出水水質(zhì)的關(guān)系，從而能夠選取比較準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參數(shù)，是一種灰箱方法。

 

在過去的近50年中，污水處理的活性污泥工藝模型已從簡單的去除COD和硝化發(fā)展為同步生物脫氮除磷模型;從穩(wěn)態(tài)模型發(fā)展到動(dòng)態(tài)模型;從單一的二級處理生物反應(yīng)模型發(fā)展到能同時(shí)模擬污水和污泥處理工藝的全污水處理廠模型。借助于實(shí)施這些數(shù)學(xué)模型的商用模擬軟件，數(shù)學(xué)模擬技術(shù)已從一種研究工具發(fā)展成為一種成熟的工程工具，并在北美，歐洲，南非和澳大利亞等地得到了廣泛的工程應(yīng)用，成為污水處理工藝設(shè)計(jì)，提標(biāo)改造和優(yōu)化運(yùn)行中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐。

 

北美地區(qū)工藝模型主要運(yùn)用于污水處理設(shè)計(jì)優(yōu)化、污水處理能力評估、污水處理運(yùn)行優(yōu)化、污水處理工藝比選、工程師培養(yǎng)等幾大方面。通過工藝模型的搭建和模擬，工程師建立了污水處理的評估體系，形成污水處理數(shù)量化的概念，通過關(guān)注工藝單元間的影響和發(fā)揮傳統(tǒng)工藝的潛能，實(shí)現(xiàn)了污水處理高標(biāo)準(zhǔn)排放，污水處理工藝改進(jìn)，降低運(yùn)行成本等目標(biāo)。

2工藝方案設(shè)計(jì)

在2006年以前，美國北邊再生水廠出水水質(zhì)對TN、TP指標(biāo)無限制，NH4-N指標(biāo)為2.5/4.0mg/L(夏季/冬季)。后根據(jù)環(huán)境需要，提高該再生水廠出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，如下圖所示。

 

根據(jù)上述水質(zhì)要求，下圖列舉了具有脫氮除磷的污水處理工藝，并建立評價(jià)指標(biāo)體系對上述工藝進(jìn)行逐一評價(jià)，從中優(yōu)選了高內(nèi)回流的A/O工藝、分點(diǎn)進(jìn)水的多級A/O工藝、4階段的Bardenpho工藝。

 

搭建上述3種工藝模型，并調(diào)整生化階段水力停留時(shí)間(HRT)，模擬不同HRT下出水水質(zhì)情況，如下圖所示。則達(dá)到相應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)，最小HRT為4階段的Bardenpho工藝。由于大型污水處理廠HRT對建設(shè)費(fèi)用影響較大，故優(yōu)先選擇了4階段的Bardenpho工藝。

 

3工藝方案設(shè)計(jì)

基于數(shù)學(xué)模擬的污水處理工藝或方案的評估和優(yōu)化的方法可以總結(jié)為下圖的四個(gè)步驟。

 

西班牙某SBR工藝污水處理廠概況及提升的出水排放標(biāo)準(zhǔn)下圖所示。

搭建上述污水處理廠工藝模型后，選擇平均流量和峰值流量在3種不同的溫度下構(gòu)成6套工藝方案。對原SBR設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)行優(yōu)化，增加混合段時(shí)間，形成6種優(yōu)化循環(huán)方案。

 

在實(shí)際的進(jìn)水水質(zhì)條件下，對上述工藝方案在不同的循環(huán)方案下分別進(jìn)行模擬，得到最優(yōu)的模擬結(jié)果如下圖所示，并選擇該優(yōu)化循環(huán)方案。

4國內(nèi)案例

南方某改良Bardenpho工藝污水處理廠，利用模擬設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。在原設(shè)計(jì)的運(yùn)行條件下，通過調(diào)整運(yùn)行參數(shù)、單位體積、曝氣方式等，提高了出水水質(zhì)，模擬結(jié)果出水水質(zhì)可由一級A標(biāo)準(zhǔn)提升至準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

 

5結(jié) 論

北美等發(fā)達(dá)地區(qū)，污水工藝數(shù)學(xué)模型已廣泛應(yīng)用于污水處理方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目評估、運(yùn)行管理等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的定性(或半定量)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)難以滿足實(shí)際需要，高標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠設(shè)計(jì)需要更加精細(xì)和科學(xué)的方法。

有效應(yīng)用污水處理數(shù)學(xué)模型，有利于提高設(shè)計(jì)的精度與效率。

通過模擬分析以及結(jié)合國外案例情況，證實(shí)基于傳統(tǒng)生化處理工藝的優(yōu)化可滿足高標(biāo)準(zhǔn)排放水質(zhì)的要求，為高標(biāo)準(zhǔn)污水處理廠的工藝設(shè)計(jì)提出解決方案。（作者：葉均磊 福州城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建省福州市，350001）