寧波GMP純化水設備解讀：污水處置廠提質增效的總體思路及要素
【上海水處理設備網(wǎng)straitstimes.cn】中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心魏源送研究員近日在以“面向未來的污水處置（下）為主題的研討會中，分享了寒冷地區(qū)中小城鎮(zhèn)污水處置工藝提質增效的數(shù)值模擬優(yōu)化與應用-以萬全水廠為例”主題演講，以張家口萬全污水廠CA SS工藝提質改造為例，系統(tǒng)講解了從問題診斷、模型建立、校準、模擬優(yōu)化，方案實施、水廠應用的全流程，并對改造后的運行效能進行了全面分析。
污水處置廠提質增效的總體思路及要素
污水處置廠提質增效基本分為兩大類：1處置規(guī)模達標，出水水質不達標；2處置規(guī)模和出水水質均不達標。對此，污水處置廠升級改造應包括以下要點：
問題識別與診斷：污水處置廠現(xiàn)有運行狀況評估與分析，重點是水質特征解析、單元工藝與設備的運行效率、活性污泥特征分析，核心是透徹的進水水質特征分析、工藝分析和運行操作分析，尤其是脫氮所需的碳源特征及其分配分析。明確主要問題（水質不達標或水質和規(guī)模均不達標條件下的主要問題）重點包括工藝、設備、水力等方面的缺乏，確定制約污水處置廠升級改造的瓶頸”問題。
制訂升級改造的總體工作思路與技術方案：
污水處置廠的升級改造主要考慮如下三方面“工藝改造、設備改造和水力改造”制訂升級改造的技術方案需要考慮現(xiàn)有工藝、設施（構筑物等）設備與場地的利用，統(tǒng)籌兼顧能耗、本錢（包括投資費用和運行費用）核心目標是升級改造后的污水處置廠不只能穩(wěn)定達標運行，而且盡可能降低單位投資與運行利息和能耗寧波GMP純化水設備。
例如，針對脫氮的升級改造需求：
碳源方面，確定以“進水碳源的優(yōu)化分配為主，外加碳源為輔”原則；
工藝選擇的原則：著重考慮盡量利用原有構筑物，投資少；工藝運行可靠、靈活性強；處置效率高，能耗低。
設施和場地方面：通過優(yōu)化工藝操作、改善水動力條件和選用高效設備（如曝氣設備與系統(tǒng)、水下推進器等）盡量利用、改造原有構筑物、場地與設備；
新技術的選用：如短程脫氮、厭氧氨氧化技術，但需要有工程應用的案例和經(jīng)驗積累。
模型模擬是制定升級改造方案的利器，著力從工藝改造和水力改造入手，重點應用反應動力學模型（如ASM和水力學模型（如CFD及其耦合模型，為精準施策、高效制訂升級改造技術方案提供技術支撐。
升級改造方案的應用與評估：基于上述提出的升級改造方案，充分吸收現(xiàn)有污水處置廠運行經(jīng)驗的基礎上，方案提出單位、設計單位、建設單位和運營單位等需要充分協(xié)商討論，重點關注進水水質特性、現(xiàn)有工藝設計的缺乏、場地與池容受限、投資與運行成本（包括能耗）進一步優(yōu)化、細化升級改造方案和設計方案，并經(jīng)過論證后付諸實施，然后評估改造后的污水處置廠運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)和解決改造后的相關問題。
污水處置廠升級改造的經(jīng)驗總結：經(jīng)過上述升級改造過程，結合文獻調研，針對不同類型工藝、不同地區(qū)、不同規(guī)模的污水處置廠升級改造進行系統(tǒng)總結與分析，以便今后分類施策、有的放矢推廣應用。
特別提醒：改造不同于新建，特別需要注意水廠的資料收集與運行分析，明確現(xiàn)有水廠存在主要問題（工藝、構筑物和設備）做好改造措施與現(xiàn)有構筑物與設施的銜接。同時，污水廠升級改造過程，需結合文獻與現(xiàn)場調研，針對不同工藝類型、不同地區(qū)、不同規(guī)模的污水處置廠升級改造進行系統(tǒng)總結與分析，以便今后分類施策、有的放矢推廣應用。
以萬全污水處置廠為例，提質增效的總體思路：以總氮TN達標為例，CA SS工藝的數(shù)值模擬與優(yōu)化
其技術路線如下：
改造前項目基本情況：
萬全污水凈化研究中心（城鎮(zhèn)污水處置廠）始建于2007年7月，2009年7月投入運行。采用CA SS工藝，其生物污水處置工藝進水為生活污水，設計出水水質為一級B規(guī)范。設計處置規(guī)模為20000m3d-1實際處置規(guī)模15000m3d-1提質增效要求處置出水排放執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處置廠污染物排放規(guī)范》GB18918-2002一級A規(guī)范。
問題識別與診斷：
根據(jù)歷史運行數(shù)據(jù)，分析其B/C值在0.360.95范圍，大部分在0.4~0.8進水可生化性較好。改造前出水COD氨氮和TN平均濃度分別為25.41.216.3mgL-1其中TN基本均在15mgL-1以上，不能達標排放，尤其是冬、春季。
歷史運行數(shù)據(jù)：
夏季運行過程中，主反應區(qū)初始COD濃度較高，隨著進水時期曝氣的進行，COD濃度下降較快，但氨氮濃度有所上升。當COD下降到18mgL-1左右時，氨氮開始迅速下降，硝酸鹽濃度逐漸上升。但總氮濃度基本不變。這主要是由于周期運行戰(zhàn)略導致，進水過程中直接曝氣，使得主反應區(qū)沒有反硝脫氮階段，使得最后總氮出水不達標。
通過對張家口萬全污水處置廠全年進出水水質、水量變化特征進行綜合分析，主要得出以下結論：
水量、水質動搖大。全年進水波動較大，夏季水量較大，冬季水量相對較低；全年水質指標變化相對較大，夏季各污染物濃度明顯低于春、秋、冬，但冬季各污染物指標相對較高；
進水可生化性較好，碳源充足。目前碳源利用不夠合理，需要合理化利用碳源，以滿足反硝化脫氮過程，有潛力通過操作參數(shù)調控、無外加碳源，來實現(xiàn)污水廠總氮的達標排放；
污水廠當前的運行模式，出水可滿足CODNH4+-N一級A達標排放，但總氮去除率較低，不能滿足排放規(guī)范；
工藝操作有待進一步優(yōu)化。CA SS全流程分析結果標明，盡管設置了缺氧區(qū)，回流、溢流設施與設備先天性缺乏，造成缺氧區(qū)面積小，水力停留時間短；同時好氧區(qū)產(chǎn)生的硝酸鹽無法大量回流至缺氧區(qū)，造成缺氧區(qū)COD無法進行有效去除。無論是冬季還是夏季，缺氧區(qū)出水COD濃度較高，后續(xù)的好氧曝氣中，COD占用了大量曝氣能耗，同時還嚴重擠占好氧池硝化反應所需的水力停留時間。
模型建立及組分特征參數(shù)
通過GPS-X軟件對CA SS工藝進行模型建立，并利用呼吸速率法測定夏季和冬季進水COD組分。
模型校準與驗證
對模型參數(shù)進行靈敏度分析，調整影響模型模擬結果的關鍵動力學參數(shù)和化學計量系數(shù)。
1影響出水CODNH4+-N和TN最顯著參數(shù)（絕對值）夏季的前三個參數(shù)分別為kh>μH,max>KS,KO,H>μA,max>kh,kh>μH,max>KS2冬季為kh>KX>KNH;kh>KS>bA ;KS>KX>μH,max
2參數(shù)kh,μH,max,KS,KO,H和μA,max污水處置廠CA SS工藝ASM1模型建立過程中在夏季影響最大，而參數(shù)kh,KX,KNH,KS,bA ,μH,max冬季影響最大。由于參數(shù)fP對夏季和冬季的兩個季節(jié)幾乎沒有影響，因此將默認值用于模型校準。之后，選擇上述16個參數(shù)以進一步校準和驗證CA SS系統(tǒng)中應用的ASM1模型。
污水處置廠CA SS工藝不同季節(jié)模型動態(tài)模擬、驗證、優(yōu)化結果(a夏季；b冬季
模型優(yōu)化
通過對現(xiàn)有水廠設備、工況，結合回流比、體積比、排水比的模擬結果，可以看出不可能實現(xiàn)總氮達標排放；因此提出利用主反應區(qū)進行反硝化，充分利用進水碳源寧波GMP純化水設備。
通過對夏季四種、冬季三種運行戰(zhàn)略進行模擬，發(fā)現(xiàn)夏季的方案3冬季的方案6可以使出水水質滿足一級A排放規(guī)范
流態(tài)優(yōu)化
A SM模型假定生物反應器內(nèi)為CSP全混狀態(tài)，但很多實際水廠在運行過程中由于設計經(jīng)驗缺乏導致水流存在短流或者死區(qū)現(xiàn)象。因此，良好的混合狀態(tài)，可以充分增加活性污泥與污染物的混合水平，提高反應系統(tǒng)的有效容積利用率。通過計算流體力學對改造前污水處置廠的流態(tài)進行模擬，并對改造方案中在主反應區(qū)增加攪拌的布置方式、裝置角度等，進行了對比優(yōu)化，其中主反應區(qū)攪拌器型號如表所示。
通過計算流體力學，主要對攪拌器的兩種裝置位置進行了模擬，一種是主反應區(qū)兩側各裝兩個攪拌器，傾角45°，另一種是四個攪拌器安裝在同一側，角度分別為60°、45°、30°和90°。計算流體力學模擬反應器裝置攪拌前后內(nèi)部速度場分布情況如圖所示。
結果標明：激進攪拌器安裝在兩側，盡管可以使流態(tài)混合均勻，但局部流速過大，有利于缺氧反硝化，并且過大的水力湍流對攪拌機的損耗過大；同側安裝，可以使反應體系內(nèi)部流態(tài)混合更均勻，且流速更有利于反硝化進行。
優(yōu)化后運行效果
改造后污水廠在冬季(以2018年12月為例)春季(以2019年4月為例)出水結果：
圖(a盡管進水水質動搖較大、水溫較低，且進水COD高于模擬值，依照模擬方案穩(wěn)定運行后，出水CODNH4+-NTN濃度分別為(23.23±2.761.16±0.769.83±1.4mgL-1均穩(wěn)定在403和15mgL-1以下。
污水廠春季運行過程中，出水CODNH4+-NTN濃度分別為(19.2±1.520.71±0.2411.45±1.15mgL-1穩(wěn)定在301.515mgL-1以下，處置效果優(yōu)于冬季。
上述結果標明，經(jīng)過優(yōu)化調整，該污水處置廠出水在冬春季均能滿足《城鎮(zhèn)污水處置廠污染物排放規(guī)范》GB18918-2002一級A排放規(guī)范。
能耗分析
優(yōu)化后噸水能耗：夏季由0.4kWh/m3降至0.3kWh/m3下降25%冬季由0.42kWh/m3降至0.35kWh/m3下降16.67%單位氮去除所需能耗：夏季、冬季分別為6.48和2.90kWh/kgN分別下降8.99%和40.57%
微生物群落結構
污水廠在改造后，與夏季相比，冬季變形桿菌（Proteobacteria相對豐度從53.85％增加到56.02％，這標明水溫下降導致系統(tǒng)中出現(xiàn)了更多的變形桿菌，可以堅持活性污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，同時在厭氧和缺氧階段分別釋放磷和反硝化作用。
結論與展望：數(shù)值模擬仿真是污水處置行業(yè)的剛需
對污水處置廠提質增效方案的應用與評估：充分吸收現(xiàn)有污水處置廠運行經(jīng)驗的基礎上，方案提出單位、設計單位、建設單位和運營單位等需要充分協(xié)商討論，重點關注進水水質特性、現(xiàn)有工藝設計的缺乏、場地與池容受限、投資與運行成本（包括能耗）進一步優(yōu)化、細化升級改造方案和設計方案，并經(jīng)過論證后付諸實施，然后評估改造后的污水處置廠運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)和解決改造后的相關問題。
污水處置廠提質增效的經(jīng)驗總結：經(jīng)過上述升級改造過程，結合文獻調研，針對不同類型工藝、不同地區(qū)、不同規(guī)模的污水處置廠升級改造進行系統(tǒng)總結與分析，以便今后分類施策、有的放矢推廣應用。
數(shù)值模擬仿真是一種有效的工具，可讓我預測污水處置廠在不同運行條件下的處置效能，污水處置行業(yè)的剛需。該研究案例可以為類似污水處置廠的優(yōu)化研究提供科學支撐。
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