污水处理厂升级改造背景
近年来，随着我国经济持续健康发展，城镇污水处理事业稳步增长，根据建设部统计，到2010年6月我国已建成城市污水处理厂两千余座，日处理能力超过1亿立方米。在城镇污水处理厂飞速建设的同时，污水厂的排放标准也日益严格。
国家环境保护总局在2006年第21号公告中指出“城镇污水处理厂出水排入国家和省确定的重点流域及湖泊、水库等封闭、半封闭水域时，执行一级标准的A标准，排入GB3838地表水Ⅲ类功能水域(划定的饮用水源保护区和游泳区除外)、GB3097海水二类功能水域时，执行一级标准的B标准”，这意味着几乎所有污水处理厂都要达到一级B以上标准，而一级A标准也将在全国范围内普及。但是，由于建设年限和设计标准问题，目前我国绝大多数已经运行的城市污水处理厂是按照二级排放标准设计的，这些污水处理厂必须通过工艺优化，增设构筑物等工程措施使出水达到一级B或一级A标准。
目前，安恒公司集十余年的行业经验，与国内知名的科研机构合作，推出了业界先进的污水处理工艺模拟评估体系，并在实践中得到了印证，为国内污水处理厂升级改造的综合评估填补了空白。
污水处理工艺模拟评估方法
传统的污水处理厂设计通常以历史数据或标准值作为设计基础，并考虑实际情况的不确定性采用一定的安全系数。这种设计方法简单易用，但是难以评价进水负荷和运行条件发生变化时对工艺处理效果的影响，往往会选择较大的安全系数，从而导致工艺设计尺寸过大，基建投资费用过高，但处理效率较低。无论工艺设计是否做到了最优化，一旦污水处理厂建成投产后只有通过优化运行，才能达到满意的处理效果，而目前污水厂的工艺优化一般依靠工程经验，调整周期长，成本高，存在一定风险。
近年来，活性污泥系统的数学模型得到快速发展，通过建立污水处理厂的工艺模型，采用数值模拟的方法可以快速预测不同处理工艺条件下的出水水质，因此在污水处理厂工艺的设计和优化运行方面得到了重视和发展，为上述矛盾的解决提供了新的方法和途径。
污水处理工艺模拟评估软件
从20世纪70年代起，研究人员和机构陆续开发了多种活性污泥系统的数学模型，其中以国际水协会提出的活性污泥模型(ASM)和厌氧消化模型(ADM)较具代表性。在此基础上，研究人员开发了计算机应用软件通过模拟各种污水处理工艺。商业水处理软件的推出和升级大大促进了数学模拟在污水处理方面的发展,常用的有GPS-X、WEST、BioWin等。其中，BioWin是20世纪90年代由加拿大Envirosim环境咨询公司推出的一款污水处理工艺数学模拟软件。
经过十几年的不断完善开发，BioWi在北美和澳大利亚等地得到了广泛的应用，成为当地污水处理运行和设计的标准工程工具。在污水处理工艺设计、评估和比较中利用软件模拟可以使工作量大为减少，起到事半功倍的效果；在工艺运行中，利用软件模拟可以诊断和优化污水处理厂各种因素的变化对处理效果的影响，提出优化运行策略供运行人员参考。
工艺设计和优化的模拟评估案例
案例1：某大型城市污水处理厂工艺设计方案评估
某大型城市污水处理厂设计处理规模60万m3/d，采用分段进水的改良AAO工艺，工艺设计的排放标准为一级A(GB18918-2002)。工程设计中一般要经过方案比较后方能实施工艺设计，传统方案比较往往根据经验或可借鉴工程实例进行，经济的可比性可根据不同工艺在占地、耗材、耗能等方面的信息得出判断，而技术方面的可比性常常就靠想当然来推断，很少有运行过程与处理效果的科学预知性。在某种程度上，方案比较演变成为了比较而比较，形同虚设。本案利用数学模拟的先进技术手段，对污水处理厂的初步设计方案进行评估分析，定量预测了各种设计条件和运行工况下的出水水质，确定工艺设计方案和优化运行策略。
首先，根据污水厂的《初步设计说明书》核定建模需要的各项参数，利用ASDM活性污泥综合模型建立该厂的工艺模型，模拟预测了12种工艺设计条件，包括进水负荷变化、水温变化、是否投加甲醇、曝气量分配变化和污泥活性变化，评估不同设计条件下的出水达标情况。根据工艺设计方案的评估结果，设计单位按业主需求对工艺设计进行调整，将缺氧区末段改为可以曝气的可调区，以解决冬季低温情况下氨氮硝化效果不理想的问题。
图1. 某大型城市污水处理厂数学模拟的工艺模型工艺设计方案修改后，又针对低温条件下的出水氨氮情况进行了模拟，定量预测了延长泥龄、增加好氧区、提高溶解氧等60种不同工况条件下的出水水质，确定了氨氮达标的优化运行条件，为业主提供了足够的背景信息和方向性的指导。
本案为污水处理厂的工艺设计提供了一种全新的技术解决方案，借助数学模拟的技术手段，能够快速有效地对工艺设计方案进行评估和比选，确保设计工艺稳定达标，减少基建和运行费用，实现污水处理厂工艺设计的最优化。
案例2：某中型城市污水处理厂提标改造的工艺优化
城镇污水处理厂作为城市基础设施工程，具有规模大、投资和运行费用高的特点，在升级改造过程中，应先工艺优化再工程措施，对污水处理厂进行细致深入的技术评估，通过工艺参数的优化调整最大限度地挖掘现有工艺的潜力，使部分或全部指标达到更高的排放标准。
某城市污水处理厂日处理能力15万吨，采用的工艺为浮动填料活性污泥法，设计出水达到GB18918—2002的二级标准，目前正面临一级B的升级改造。通过对该厂2009年水质、水量历史数据的深入分析，发现氨氮浓度较高是出水不能达到一级B标准的的主要瓶颈，将氨氮达标排放作为模拟优化条件的主要目标。利用基于活性污泥数学模型的商业软件Biowin建立了该厂的工艺模型，模拟了溶解氧、填料分配方式、回流比和排泥量等工艺参数对出水水质的影响。
模拟结果表明，通过改变溶解氧、填料投配方式、排泥量和回流比均能改善系统的硝化效果，其中提高溶解氧、减小排泥量和增加回流比可以使出水氨氮达到一级B标准， 而延长污泥龄是很有效和经济的手段，将延长泥龄至10天（设计值5天），可以在目前的水质条件下达到一级B的排放标准。
图2. 某中型城市污水处理厂数学模拟的工艺模型
该厂参照模拟的结果在实际生产中进行了调试，调整了污泥龄和溶解氧浓度后，COD、SS、TP和NH4+-N均可达到一级B标准，并且各项出水水质的指标与数学模拟优化的结果基本一致。
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