污水处理厂设备工艺

中国科学院生态环境研究中心魏源送研究员近日在以“面向未来的污水处理（下）”为主题的研讨会中，分享了“寒冷地区中小城镇污水处理工艺提质增效的数值模拟优化与应用-以万全水厂为例”的主题报告，以张家口万全污水厂CASS工艺提质改造为例，系统讲解了从问题诊断、模型建立、校准、模拟优化，到方案实施、水厂应用的全流程，并对改造后的运行效能进行了全面分析。

污水处理厂提质增效的总体思路及要素

污水处理厂提质增效基本分为两大类：1）处理规模达标，出水水质不达标；2）处理规模和出水水质均不达标。对此，污水处理厂升级改造应包含以下要点：

问题识别与诊断：污水处理厂现有运行状况评估与分析，重点是水质特征解析、单元工艺与设备的运行效率、活性污泥特征分析，核心是透彻的进水水质特征分析、工艺分析和运行操作分析，尤其是脱氮所需的碳源特征及其分配分析。明确主要问题（水质不达标或水质和规模均不达标条件下的主要问题），重点包括工艺、设备、水力等方面的不足，确定制约污水处理厂升级改造的“瓶颈”问题。

制订升级改造的总体工作思路与技术方案：

污水处理厂的升级改造主要考虑如下三方面“工艺改造、设备改造和水力改造”，制订升级改造的技术方案需要考虑现有工艺、设施（构筑物等）、设备与场地的利用，统筹兼顾能耗、成本（包括投资费用和运行费用），核心目标是升级改造后的污水处理厂不仅能稳定达标运行，而且尽可能降低单位投资与运行成本和能耗。

例如，针对脱氮的升级改造需求：

在碳源方面，确定以“进水碳源的优化分配为主，外加碳源为辅”的原则；工艺选择的原则：着重考虑尽量利用原有构筑物，投资少；工艺运行可靠、灵活性强；处理效率高，能耗低。在设施和场地方面：通过优化工艺操作、改善水动力条件和选用高效设备（如曝气设备与系统、水下推进器等），尽量利用、改造原有构筑物、场地与设备；新技术的选用：如短程脱氮、厌氧氨氧化技术，但需要有工程应用的案例和经验积累。污水处理厂设备工艺

模型模拟是制定升级改造方案的利器，着力从工艺改造和水力改造入手，重点应用反应动力学模型（如ASM）和水力学模型（如CFD）及其耦合模型，为精准施策、高效制订升级改造技术方案提供技术支撑。

升级改造方案的应用与评估：基于上述提出的升级改造方案，在充分吸收现有污水处理厂运行经验的基础上，方案提出单位、设计单位、建设单位和运营单位等需要充分协商讨论，重点关注进水水质特性、现有工艺设计的不足、场地与池容受限、投资与运行成本（包括能耗），进一步优化、细化升级改造方案和设计方案，并经过论证后付诸实施，然后评估改造后的污水处理厂运行状况，及时发现和解决改造后的相关问题。

污水处理厂升级改造的经验总结：经过上述升级改造过程，结合文献调研，针对不同类型工艺、不同地区、不同规模的污水处理厂升级改造进行系统总结与分析，以便今后分类施策、有的放矢推广应用。

特别提醒：改造不同于新建，特别需要注意水厂的资料收集与运行分析，明确现有水厂存在的主要问题（工艺、构筑物和设备），做好改造措施与现有构筑物与设施的衔接。同时，污水厂升级改造过程，需结合文献与现场调研，针对不同工艺类型、不同地区、不同规模的污水处理厂升级改造进行系统总结与分析，以便今后分类施策、有的放矢推广应用。

以万全污水处理厂为例，提质增效的总体思路：以总氮TN达标为例，CASS工艺的数值模拟与优化

其技术路线如下：

改造前项目基本情况：

万全污水净化研究中心（城镇污水处理厂）始建于2007年7月，2009年7月投入运行。采用CASS工艺，其生物污水处理工艺进水为生活污水，设计出水水质为一级B标准。设计处理规模为20000 m3·d-1，实际处理规模15000 m3·d-1，提质增效要求处理出水排放执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。

问题识别与诊断：

根据历史运行数据，分析其B/C值在0.36～0.95范围，大部分在0.4 ~ 0.8，进水可生化性较好。改造前出水COD、 氨氮和TN 的平均浓度分别为25.4、1.2、16.3 mgL-1，其中TN 基本均在15 mgL-1 以上，不能达标排放，尤其是在冬、春季。

历史运行数据：

夏季运行过程中，主反应区初始COD浓度较高，随着进水时期曝气的进行，COD浓度下降较快，但氨氮浓度有所上升。当COD下降到18 mgL-1左右时，氨氮开始迅速下降，硝酸盐浓度逐渐上升。但总氮浓度基本不变。这主要是由于周期运行策略导致，进水过程中直接曝气，使得主反应区没有反硝脱氮阶段，使得最后总氮出水不达标。

通过对张家口万全污水处理厂全年进出水水质、水量变化特征进行综合分析，主要得出以下结论：

水量、水质波动大。全年进水波动较大，夏季水量较大，冬季水量相对较低；全年水质指标变化相对较大，夏季各污染物浓度明显低于春、秋、冬，但冬季各污染物指标相对较高；进水可生化性较好，碳源充足。目前碳源利用不够合理，需要合理化利用碳源，以满足反硝化脱氮过程，有潜力通过操作参数调控、无外加碳源，来实现污水厂总氮的达标排放；污水厂当前的运行模式，出水可满足COD、NH4+-N的一级A达标排放，但总氮去除率较低，不能满足排放标准；工艺操作有待进一步优化。CASS全流程分析结果表明，尽管设置了缺氧区，回流、溢流设施与设备先天性不足，造成缺氧区面积小，水力停留时间短；同时好氧区产生的硝酸盐无法大量回流至缺氧区，造成缺氧区COD无法进行有效去除。无论是在冬季还是夏季，缺氧区出水COD浓度较高，在后续的好氧曝气中，COD 占用了大量曝气能耗，同时还严重挤占好氧池硝化反应所需的水力停留时间。

模型建立及组分特征参数

通过GPS-X软件对CASS工艺进行模型建立，并利用呼吸速率法测定夏季和冬季进水COD组分。

模型校准与验证

对模型参数进行灵敏度分析，调整影响模型模拟结果的关键动力学参数和化学计量系数。

1）影响出水COD，NH4+-N和TN的最显著参数（绝对值）：夏季的前三个参数分别为kh > μH,max > KS, KO,H >μA,max > kh, kh >μH,max > KS；2）冬季为kh > KX > KNH; kh > KS > bA; KS > KX >μH,max。

2）参数kh, μH,max, KS, KO,H和μA,max在污水处理厂CASS工艺ASM1模型建立过程中在夏季影响最大，而参数kh, KX, KNH, KS, bA, μH,max在冬季影响最大。由于参数fP对夏季和冬季的两个季节几乎没有影响，因此将默认值用于模型校准。之后，选择上述16个参数以进一步校准和验证CASS系统中应用的ASM1模型。

污水处理厂CASS工艺不同季节模型动态模拟、验证、优化结果(a)夏季；(b)冬季

模型优化

通过对现有水厂设备、工况，结合回流比、体积比、排水比的模拟结果，可以看出不可能实现总氮达标排放；因此提出利用主反应区进行反硝化，充分利用进水碳源。

通过对夏季四种、冬季三种运行策略进行模拟，发现夏季的方案3，冬季的方案6，可以使出水水质满足一级A排放标准

流态优化

ASM模型假定生物反应器内为CSTR全混状态，但很多实际水厂在运行过程中由于设计经验不足导致水流存在短流或者死区现象。因此，良好的混合状态，可以充分增加活性污泥与污染物的混合程度，提高反应系统的有效容积利用率。通过计算流体力学对改造前污水处理厂的流态进行模拟，并对改造方案中在主反应区增加搅拌的布置方式、安装角度等，进行了对比优化，其中主反应区搅拌器型号如表所示。

通过计算流体力学，主要对搅拌器的两种安装位置进行了模拟，一种是主反应区两侧各装两个搅拌器，倾角45°，另一种是四个搅拌器安装在同一侧，角度分别为60°、45°、30°和90°。计算流体力学模拟反应器安装搅拌前后内部速度场分布情况如图所示。

结果表明：传统搅拌器安装在两侧，尽管可以使流态混合均匀，但局部流速过大，不利于缺氧反硝化，并且过大的水力湍流对搅拌机的损耗过大；同侧安装，可以使反应体系内部流态混合更均匀，且流速更有利于反硝化进行。

优化后运行效果

改造后污水厂在冬季(以2018年12月为例)、春季(以2019年4月为例)的出水结果：

图(a)，尽管进水水质波动较大、水温较低，且进水COD高于模拟值，按照模拟方案稳定运行后，出水COD、NH4+-N、TN浓度分别为(23.23±2.76)、(1.16±0.76)、(9.83±1.4) mg·L-1，均稳定在40、3和15 mg·L-1以下。

污水厂春季运行过程中，出水COD、NH4+-N、TN浓度分别为(19.2±1.52)、(0.71±0.24)、(11.45±1.15) mg·L-1，稳定在30、1.5、15 mg·L-1以下，处理效果优于冬季。

上述结果表明，经过优化调整，该污水处理厂出水在冬春季均能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A排放标准。

能耗分析

优化后吨水能耗：夏季由0.4 kW·h/m3降至0.3 kW·h/m3，下降25%；冬季由0.42 kW·h/m3降至0.35 kW·h/m3，下降16.67%；单位氮去除所需能耗：夏季、冬季分别为6.48和2.90 kW·h/kgN，分别下降8.99%和40.57%。

微生物群落结构

污水厂在改造后，与夏季相比，冬季变形杆菌（Proteobacteria）的相对丰度从53.85％增加到56.02％，这表明水温下降导致系统中出现了更多的变形杆菌，可以保持活性污泥系统的稳定运行，同时在厌氧和缺氧阶段分别释放磷和反硝化作用。

结论与展望：数值模拟仿真是污水处理行业的刚需

对污水处理厂提质增效方案的应用与评估：在充分吸收现有污水处理厂运行经验的基础上，方案提出单位、设计单位、建设单位和运营单位等需要充分协商讨论，重点关注进水水质特性、现有工艺设计的不足、场地与池容受限、投资与运行成本（包括能耗），进一步优化、细化升级改造方案和设计方案，并经过论证后付诸实施，然后评估改造后的污水处理厂运行状况，及时发现和解决改造后的相关问题。

污水处理厂提质增效的经验总结：经过上述升级改造过程，结合文献调研，针对不同类型工艺、不同地区、不同规模的污水处理厂升级改造进行系统总结与分析，以便今后分类施策、有的放矢推广应用。

数值模拟仿真是一种有效的工具，可让我们预测污水处理厂在不同运行条件下的处理效能，是污水处理行业的刚需。该研究案例可以为类似污水处理厂的优化研究提供科学支撑。

来源：JIEI创新实验室

作者：魏源送