基于工藝模擬的城市污水處理廠提標改造
——北美經驗與案例
葉均磊
福州城建設計研究院有限公司，福建省福州市，350001；
在9月4日召開的第二屆中國污水處理廠提標改造高級研討會上，福州城建設計研究院有限公司的葉均磊副所長做了題為“基于工藝模擬的城市污水處理廠提標改造——北美經驗與案例”的報告。
摘要：為滿足處理水質的不斷提高和運營管理的節能降耗，北美地區采用工藝模擬軟件，對污水處理廠進行模擬，用于指導污水處理廠設計及運行，并取得良好的成效。本文介紹了北美地區工藝模擬軟件運用的情況，并列舉了工藝模擬在北美地區城市污水處理廠提標改造的案例。
1.背景與概述
二十世紀以來，為了保護水體環境和防止傳染疾病的爆發，北美地區制定了越來越嚴格的污水排放標準。對于高排放標準的污水處理廠，采用傳統參數計算方法難以滿足設計要求，故需要引入更好的定量分析工具——模擬設計。
傳統的工藝設計方法通常是根據預估的進水特性，參考設計手冊提供的方法、公式和參數，然后對污水處理工藝單元的構筑物尺寸、結構進行選擇和計算，難以獲取設計參數與出水水質之間的定量關系，是一種黑箱方法。模擬設計則提供了一種有效的的輔助設計技術，幫助設計人員量化設計參數與出水水質的關系，從而能夠選取比較準確的設計參數，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和硝化發展為同步生物脫氮除磷模型；從穩態模型發展到動態模型；從單一的二級處理生物反應模型發展到能同時模擬污水和污泥處理工藝的全污水處理廠模型。借助于實施這些數學模型的商用模擬軟件，數學模擬技術已從一種研究工具發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用，成為污水處理工藝設計，提標改造和優化運行中的標準實踐。
北美地區工藝模型主要運用于污水處理設計優化、污水處理能力評估、污水處理運行優化、污水處理工藝比選、工程師培養等幾大方面。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，形成污水處理數量化的概念，通過關注工藝單元間的影響和發揮傳統工藝的潛能，實現了污水處理高標準排放，污水處理工藝改進，降低運行成本等目標。
2.工藝方案設計
在2006年以前，美國北邊再生水廠出水水質對TN、TP指標無限制，NH4-N指標為2.5/4.0mg/L(夏季/冬季)。后根據環境需要，提高該再生水廠出水水質標準，如下圖所示。
根據上述水質要求，下圖列舉了具有脫氮除磷的污水處理工藝，并建立評價指標體系對上述工藝進行逐一評價，從中優選了高內回流的A/O工藝、分點進水的多級A/O工藝、4階段的Bardenpho工藝。
搭建上述3種工藝模型，并調整生化階段水力停留時間（HRT），模擬不同HRT下出水水質情況，如下圖所示。則達到相應排放標準，最小HRT為4階段的Bardenpho工藝。由于大型污水處理廠HRT對建設費用影響較大，故優先選擇了4階段的Bardenpho工藝。
3.工藝方案設計
基于數學模擬的污水處理工藝或方案的評估和優化的方法可以總結為下圖的四個步驟。
西班牙某SBR工藝污水處理廠概況及提升的出水排放標準下圖所示。
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種不同的溫度下構成6套工藝方案。對原SBR設計循環進行優化，增加混合段時間，形成6種優化循環方案。
在實際的進水水質條件下，對上述工藝方案在不同的循環方案下分別進行模擬，得到最優的模擬結果如下圖所示，并選擇該優化循環方案。
4.國內案例
南方某改良Bardenpho工藝污水處理廠，利用模擬設計進行優化。在原設計的運行條件下，通過調整運行參數、單位體積、曝氣方式等，提高了出水水質，模擬結果出水水質可由一級A標準提升至準Ⅳ類標準。
5.結論
l 北美等發達地區，污水工藝數學模型已廣泛應用于污水處理方案設計、項目評估、運行管理等領域。
l 傳統的定性（或半定量）設計方法已經難以滿足實際需要，高標準的污水處理廠設計需要更加精細和科學的方法。
l 有效應用污水處理數學模型，有利于提高設計的精度與效率。
l 通過模擬分析以及結合國外案例情況，證實基于傳統生化處理工藝的優化可滿足高標準排放水質的要求，為高標準污水處理廠的工藝設計提出解決方案。
