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(jié)能降耗，北美地區(qū)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(qū)工藝模擬軟件運用的情況，并列舉了工藝模擬在北美地區(qū)城市污水處理廠提標改造的案例。
1.背景與概述
二十世紀以來，為了保護水體環(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(tǒng)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(tǒng)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(fā)展為同步生物脫氮除磷模型；從穩(wěn)態(tài)模型發(fā)展到動態(tài)模型；從單一的二級處理生物反應模型發(fā)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(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用，成為污水處理工藝設計，提標改造和優(yōu)化運行中的標準實踐。
北美地區(qū)工藝模型主要運用于污水處理設計優(yōu)化、污水處理能力評估、污水處理運行優(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，形成污水處理數量化的概念，通過關注工藝單元間的影響和發(fā)揮傳統(tǒng)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(huán)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(yōu)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(yōu)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(yōu)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(huán)進行優(yōu)化，增加混合段時間，形成6種優(yōu)化循環(huán)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(huán)方案下分別進行模擬，得到最優(yōu)的模擬結果如下圖所示，并選擇該優(yōu)化循環(huán)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(yōu)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(fā)達地區(qū)，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(tǒng)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(tǒng)生化處理工藝的優(yōu)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。
