朱向東¹  郝二成¹   周軍¹ 甘一萍¹  王洪臣¹  胡志榮²

¹北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司, 北京市崇文區(qū)龍?zhí)逗崩?號(hào)100061

²Hydromantis Inc., 1685 Main St. West, Suite 302, Hamilton, Ontario, Canada L8S 1G5

　　摘要：本文描述了GPS-X模擬軟件中國際水協(xié)（IWA）的ASM2d模型在北京高碑店污水處理廠應(yīng)用的實(shí)例。該研究的目的包括：1）建立一個(gè)大型污水處理廠的模擬模型，以更好地理解生物處理過程；2）使用建立的模型尋求改善和優(yōu)化污水處理廠脫氮除磷的方案。在該應(yīng)用中模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證是在已有資料基礎(chǔ)上進(jìn)行的，例如：污水廠的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和日常的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因此，避免了在模擬大型污水廠的前期進(jìn)行大量的專門研究工作。因?yàn)橐延械臄?shù)據(jù)不能直接用來作為模型的輸入?yún)?shù)，因此需要把進(jìn)水的COD、N和P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成適合于模型輸入的各種組分。最后，使用經(jīng)校準(zhǔn)和驗(yàn)證的模型對(duì)改善污水廠的脫氮除磷進(jìn)行了初步探討。

　　關(guān)鍵詞：活性污泥2d模型 (ASM2d)  生物除磷  模擬  動(dòng)態(tài)模擬

Application of ASM2d model to Gaobeidian wastewater treatment plant in Beijing

Xiangdong Zhu ¹, Ercheng Hao¹, Jun Zhou¹, Yiping Gan¹, Hongchen Wang¹, Zhirong Hu²

¹Beijing Drainage Group Co., Ltd, No.4 Longtanhubei, Chongwen District, Beijing 100061

²Hydromantis Inc., 1685 Main St. West, Suite 302, Hamilton, Ontario, Canada L8S 1G5

　　Abstract: The IWA ASM2d model, implemented in GPS-X simulator, was used to model Gaobeidian wastewater treatment plant (WWTP) in Beijing. The objectives of this study are to 1) develop a simulation model for this large scale WWTP to better understand biological processes; 2) use the simulation model to improve and optimize the plant behaviour for both N and P removal. The simulation model was calibrated and validated mainly based on the typically available information, such as plant design, operation and routine monitoring data, thus avoiding the need for specialized studies in the earlier stage of modelling large scale WWTPs. This requires converting influent COD, nitrogen and phosphorus matter into a variety of fractions because the available information is not suitable for model input. The calibrated and validated simulation model was used to improve the plant behaviour for N and P removal.

　　KEYWORDS: Activated Sludge Model No.2d, Biological Phosphorus Removal, Modelling, Dynamic Simulation

　　前言

　　隨著人們?cè)絹碓疥P(guān)注水環(huán)境中富營養(yǎng)化的控制，要求污水處理廠進(jìn)行脫氮除磷。傳統(tǒng)的去除有機(jī)物的污水處理廠考慮脫氮除磷導(dǎo)致生物處理工藝變得越來越復(fù)雜。因此單單依靠經(jīng)驗(yàn)來優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行已變得非常困難。為了優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，需要深入理解關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)（例如污泥齡、厭氧、缺氧和好氧反應(yīng)器的體積比例）和系統(tǒng)性能之間的相互聯(lián)系，數(shù)學(xué)模型在這方面能提供極大的幫助（Hu等，2005c）。因此，在最近二十年開發(fā)出了一系列的數(shù)學(xué)模型，如能夠模擬COD的去除、硝化/反硝化的UCTOLD（Dold，1991）和ASM1（Henze,1987）以及能夠模擬COD的去除、硝化/反硝化和生物除磷的UCTPHO（Wentzel,1992）和 ASM2、ASM2d（Henze 1995,1999）。現(xiàn)在，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型已經(jīng)成為污水處理廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐。然而這種實(shí)踐在我國還處于起步階段。

　　本文探討了將ASM2d模型（Henze等，1999）應(yīng)用于高碑店污水處理廠的情況。高碑店污水廠由北京排水集團(tuán)運(yùn)行，是目前中國最大的生物法去除營養(yǎng)物質(zhì)的污水廠。高碑店污水廠處理的廢水匯水面積大約96km²，包括市區(qū)和郊區(qū)的污水，設(shè)計(jì)處理能力是1，000，000m³/d。該應(yīng)用的目的是：1）為該廠建立一個(gè)模擬模型以便更好地理解該廠的生物處理過程；2）使用該模型探討和評(píng)價(jià)改善和優(yōu)化污水廠的脫氮除磷效果方案。在該研究中模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證是在典型的已有資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，例如：污水廠的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和日常的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因此，避免了在模擬大型污水廠的早期進(jìn)行大量的專門研究工作。因?yàn)橐延械臄?shù)據(jù)不適于直接輸入模型，因此需要把進(jìn)水的COD、N和P物質(zhì)轉(zhuǎn)化成可用于模型輸入的各種組分。最后，使用經(jīng)校準(zhǔn)和驗(yàn)證了的模型對(duì)改善污水廠的脫氮除磷進(jìn)行了初步探討。

　　材料和方法

　　高碑店污水處理廠簡(jiǎn)介

　　目前高碑店污水處理廠生物法去除營養(yǎng)物質(zhì)的工藝是由傳統(tǒng)的活性污泥法改造而來的，它包括兩期工藝：一期是倒置A²O工藝，二期是AO工藝。來自污水管道系統(tǒng)的原水一分為二分別進(jìn)入一期和二期。由于這兩期工藝是相對(duì)獨(dú)立的且污水廠規(guī)模大，為方便起見本研究集中在一期。高碑店污水處理廠的一期工藝由兩個(gè)平行的系列組成，分別稱為一、二系列，每系列有六組平行的處理系統(tǒng)。每組由三個(gè)廊道組成。這些廊道被分隔成不同類型的反應(yīng)器，形成一個(gè)倒置的A²O工藝，包括兩個(gè)缺氧區(qū)，一個(gè)厭氧區(qū)，三個(gè)好氧區(qū)和一個(gè)二沉池。進(jìn)入一期的污水首先進(jìn)入到兩個(gè)曝氣沉砂池，然后混合出水分別進(jìn)入兩個(gè)系列各自的六組初沉池中。初沉池出水首先混合然后均分到兩個(gè)系列的12組曝氣池中。二沉池出水混合后排入受納河中。

　　為了方便起見，在建立模型時(shí)作了如下考慮：1）沒有考慮初沉池，只考慮了生物處理單元，因?yàn)槊撍饪s和厭氧消化單元的上清液回流到初沉池且沒有這些水流的流量數(shù)據(jù)；2）一期的十二組系統(tǒng)以等價(jià)的一組系統(tǒng)來代替，因?yàn)槭M系統(tǒng)的進(jìn)水和出水都是混合的水流。其參數(shù)見表1。

表1  北京高碑店污水處理廠一期A²O法處理工藝的設(shè)計(jì)參數(shù)

　　建立模型的數(shù)據(jù)組

　　為了建立高碑店污水處理廠一期的模擬模型，必須對(duì)該廠的進(jìn)水進(jìn)行特征分析并運(yùn)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證。從高碑店污水處理廠得到的2003年1月到12月的運(yùn)行和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于進(jìn)水特征、模型校準(zhǔn)及驗(yàn)證，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。注意工藝進(jìn)水指的是初沉池出水，工藝出水指的是高碑店污水處理廠一期的二沉池出水。

表2  2003年1月到12月高碑店污水處理廠運(yùn)行和監(jiān)測(cè)參數(shù)

　　a 初沉池的流量；b工藝進(jìn)水//出水；c工藝進(jìn)水TKN/出水氨/出水NO₃；d一期的混合液懸浮固體濃度；e污水的溫度

　　污水進(jìn)水特征

　　因?yàn)橐延械臄?shù)據(jù)（表2）和GPS-X中ASM2d模型（Henze等,1999）所需的參數(shù)并不一致，需要把已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了把常規(guī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成模型所需輸入的COD、N、P數(shù)據(jù)，已經(jīng)開發(fā)了一些方法，稱為進(jìn)水模型（Hydromantis Inc.,1999）。本研究采用的是TSS/COD進(jìn)水模型。它需要總COD、總TKN、TSS和幾個(gè)化學(xué)計(jì)量組分（例如：VSS/TSS；COD/VSS見表3）。ASM2d需要用這些輸入的數(shù)據(jù)來計(jì)算其它未知的狀態(tài)變量。對(duì)ASM2d來說，進(jìn)水總COD表示成S_Ai+S_Fi+X_Si+X_Ii+S_Ii+X_Hi+X_AUTi+X_PAOi+X_E (Henze等,1999；Hu等，2005)。普通異養(yǎng)菌、聚磷菌、硝化菌和內(nèi)源生物量濃度（X_Hi+X_AUTi+X_PAOi+X_E）可合理地假定為0。關(guān)于這些輸入數(shù)據(jù)和進(jìn)水COD組分的關(guān)系在GPS-X的技術(shù)指導(dǎo)手冊(cè)中有詳細(xì)說明。進(jìn)水中的氮和磷組分可以通過各種組分的COD以相應(yīng)的固定的N和P含量進(jìn)行計(jì)算得到（表3）。

　　模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證

　　在模擬模型的開發(fā)過程中，很關(guān)鍵的一步是模型校準(zhǔn)，也就是調(diào)整模型的參數(shù)使模型的預(yù)測(cè)結(jié)果和測(cè)量結(jié)果相符。在ASM2d模型中有許多模型參數(shù)，即化學(xué)計(jì)量和動(dòng)力學(xué)參數(shù)。在模型校準(zhǔn)時(shí)很重要的一步是調(diào)整其中的一些參數(shù)。通常有兩種方法：1）基于靈敏度分析的系統(tǒng)工程方法（例如，van Veldhuizen等，1999）；2）基于工藝知識(shí)和模擬者的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)的工藝工程法（例如，Cinar等, 1998）。然而，一種污水和另一種污水之間的大部分化學(xué)計(jì)量和動(dòng)力學(xué)參數(shù)的默認(rèn)值變化不會(huì)很明顯（例如Gibson, 1992），因此，本研究采用基于專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)的工藝工程法。默認(rèn)的動(dòng)力學(xué)和計(jì)量學(xué)參數(shù)在 ASM2d中可以得到(Henze 等, 1999)。

　　如果已有的典型的污水廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行數(shù)據(jù)能用來達(dá)到上面的目的，這將極為經(jīng)濟(jì)、方便，因?yàn)楸苊饬嗽谀M研究的早期進(jìn)行專門的研究。所以，本研究中主要利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，在校準(zhǔn)時(shí)主要集中在工藝出流的COD、TSS、PO₄、NH₄、NO₃以及反應(yīng)器中的MLSS濃度等參數(shù)進(jìn)行模型的校正。2003年1月到6月的數(shù)據(jù)將用于模型的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后，模型采用2003年7月到12月的數(shù)據(jù)來進(jìn)行驗(yàn)證。

　　模擬模型的應(yīng)用

　　因?yàn)楦弑晡鬯畯S現(xiàn)有的工藝所達(dá)到的脫氮除磷效果有限（圖1），因此嘗試使用經(jīng)校準(zhǔn)和驗(yàn)證后的模型探討提高脫氮除磷效率（出水P濃度小于1mg/l）的可行性。本研究主要集中在優(yōu)化第一段缺氧池（脫氮）和厭氧池（除磷）污水的分配，即厭氧池進(jìn)水比例對(duì)出水PO₄和NO₃的影響（見圖2）。

圖1  高碑店污水處理廠2003年出水指標(biāo)

　　模擬模型和工具

　　在本研究中使用的生物模型是國際水協(xié)的ASM2d模型（Henze等，1999），二沉池模型采用的是Takacs簡(jiǎn)單的一維模型（Takacs等，1991），所有模擬都是在Hydromantis的GPS-X軟件平臺(tái)上進(jìn)行的。

　　結(jié)果和討論

　　高碑店污水處理廠模型

　　從上面的高碑店一期描述中得知，生物處理由不同的反應(yīng)池組成，每個(gè)池子是一個(gè)推流活性污泥池。用GPS-X建立的高碑店污水處理廠模擬模型的流程圖如圖2所示。

　　污水進(jìn)水特征

　　在校準(zhǔn)過程中，GPS-X的進(jìn)水TSS/COD模型的默認(rèn)值和ASM2d中氮和磷的含量均作為初始值。從模型校準(zhǔn)中得到的用于驗(yàn)證過程的最終的化學(xué)計(jì)量系數(shù)和氮磷含量，見表3。

圖2  用GPS-X建立的高碑店污水處理廠一期工藝（倒置A²O）模型

表3  從模型校準(zhǔn)獲得的用于驗(yàn)證的化學(xué)計(jì)量系數(shù)和氮磷濃度

　　模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證

　　模型首先用2003年1月到6月的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。在模型校準(zhǔn)過程中，調(diào)整動(dòng)力學(xué)參數(shù)的默認(rèn)值（Henze等提出的）使模型能夠預(yù)測(cè)污水廠每個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。僅有兩個(gè)參數(shù)需要調(diào)整，見表4。由于η_fe的值高則Xs（緩慢降解COD）會(huì)大大提高生物除磷(Ekama 和Wentzel 1999；Hu等, 2003)，因此該參數(shù)須取低值。模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證也證實(shí)了這一點(diǎn)。μ_AUT是一個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，然而，因?yàn)檫@個(gè)參數(shù)受進(jìn)水特征影響很大，因此它經(jīng)常被看作是污水特征參數(shù)（WRC, 1884; Still等, 1996, Hu等, 2005b）。因此，每個(gè)污水處理廠的μ_AUT參數(shù)都應(yīng)通過擬合氨的預(yù)測(cè)數(shù)值和監(jiān)測(cè)數(shù)值進(jìn)行校準(zhǔn)（Hu等, 2005b）。μ_AUT校準(zhǔn)的結(jié)果是0.4~0.55。校準(zhǔn)的模型然后通過比較污水廠2003年7月到12月的監(jiān)測(cè)值和模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證。在驗(yàn)證過程中，除了μ_AUT外所有的參數(shù)都不變。

表4  模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證時(shí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的調(diào)整

　　二沉池出水的COD、TSS、NH₄、NO₃以及PO₄濃度和反應(yīng)器中MLSS的校準(zhǔn)和驗(yàn)證結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合得相當(dāng)好。

　　模型應(yīng)用

　　為了優(yōu)化第一段缺氧池（脫氮）和厭氧池（除磷）之間的進(jìn)水分配，采用校準(zhǔn)和驗(yàn)證過的模型對(duì)兩種方案進(jìn)行了靈敏度分析：1）硝化不完全的情況（2003年3月）；2）硝化完全的情況（2003年9月），其結(jié)果列于表5中，從表5可知：

　　1）在硝化不完全的情況下，反硝化受到硝酸鹽和污泥回流比的限制，因此進(jìn)入?yún)捬醭氐奈鬯ㄒ簿褪翘荚炊啵┍壤嗫梢蕴岣呱锍仔Чó?dāng)進(jìn)入?yún)捬醭氐奈鬯壤龔?上升到0.4時(shí)，出水的PO₄從2.54降到1.27）；

　　2）在硝化完全的情況下，反硝化受到碳源的限制，進(jìn)入?yún)捬醭氐奈鬯壤嘁膊粫?huì)提高磷的去除率，因?yàn)橹挥性谙跛猁}利用完后才能建立厭氧條件。在這種情況下，污水廠目前的結(jié)構(gòu)不能達(dá)到同時(shí)脫氮除磷。需要添加額外的碳源，例如可添加預(yù)發(fā)酵單元，但這需要作進(jìn)一步的研究。

　　通過使用校準(zhǔn)和驗(yàn)證的模型，可以評(píng)價(jià)更多的改善脫氮除磷的方案。同傳統(tǒng)的中試相比，模型是一種簡(jiǎn)單且便宜的方法。

圖3  二沉池出水指標(biāo)與反應(yīng)器中MLSS的預(yù)測(cè)值和監(jiān)測(cè)值的擬合結(jié)果

　　結(jié)論

　　國際水協(xié)的ASM2d在大型污水處理廠的應(yīng)用結(jié)果表明，在ASM2d模型默認(rèn)值基礎(chǔ)上，采用合理的污水進(jìn)水特征，該模型能較好地模擬高碑店污水廠的性能。校準(zhǔn)模型時(shí)僅調(diào)整了兩個(gè)參數(shù)。應(yīng)用還表明典型的已有的數(shù)據(jù)可以用來進(jìn)行模型校準(zhǔn)；校準(zhǔn)和驗(yàn)證后的模型將成為一個(gè)非常有用的工具，可用來更深入認(rèn)識(shí)和改善污水廠的性能。

　　基金項(xiàng)目：北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（8052011）

　　Supported by Beijing Natural Science Foundation （8052011）

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