寧波GMP純化水設(shè)備解讀：污水處置廠提質(zhì)增效的總體思路及要素
【上海水處理設(shè)備網(wǎng)www.ppyswfy.cn】中國(guó)科學(xué)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(lái)的污水處置（下）為主題的研討會(huì)中，分享了寒冷地區(qū)中小城鎮(zhèn)污水處置工藝提質(zhì)增效的數(shù)值模擬優(yōu)化與應(yīng)用-以萬(wàn)全水廠為例”主題演講，以張家口萬(wàn)全污水廠CA SS工藝提質(zhì)改造為例，系統(tǒng)講解了從問(wèn)題診斷、模型建立、校準(zhǔn)、模擬優(yōu)化，方案實(shí)施、水廠應(yīng)用的全流程，并對(duì)改造后的運(yùn)行效能進(jìn)行了全面分析。
污水處置廠提質(zhì)增效的總體思路及要素
污水處置廠提質(zhì)增效基本分為兩大類：1處置規(guī)模達(dá)標(biāo)，出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)；2處置規(guī)模和出水水質(zhì)均不達(dá)標(biāo)。對(duì)此，污水處置廠升級(jí)改造應(yīng)包括以下要點(diǎn)：
問(wèn)題識(shí)別與診斷：污水處置廠現(xiàn)有運(yùn)行狀況評(píng)估與分析，重點(diǎn)是水質(zhì)特征解析、單元工藝與設(shè)備的運(yùn)行效率、活性污泥特征分析，核心是透徹的進(jìn)水水質(zhì)特征分析、工藝分析和運(yùn)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(wèn)題（水質(zhì)不達(dá)標(biāo)或水質(zhì)和規(guī)模均不達(dá)標(biāo)條件下的主要問(wèn)題）重點(diǎn)包括工藝、設(shè)備、水力等方面的缺乏，確定制約污水處置廠升級(jí)改造的瓶頸”問(wèn)題。
制訂升級(jí)改造的總體工作思路與技術(shù)方案：
污水處置廠的升級(jí)改造主要考慮如下三方面“工藝改造、設(shè)備改造和水力改造”制訂升級(jí)改造的技術(shù)方案需要考慮現(xiàn)有工藝、設(shè)施（構(gòu)筑物等）設(shè)備與場(chǎng)地的利用，統(tǒng)籌兼顧能耗、本錢（包括投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用）核心目標(biāo)是升級(jí)改造后的污水處置廠不只能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行，而且盡可能降低單位投資與運(yùn)行利息和能耗寧波GMP純化水設(shè)備。
例如，針對(duì)脫氮的升級(jí)改造需求：
碳源方面，確定以“進(jìn)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(gòu)筑物，投資少；工藝運(yùn)行可靠、靈活性強(qiáng)；處置效率高，能耗低。
設(shè)施和場(chǎng)地方面：通過(guò)優(yōu)化工藝操作、改善水動(dòng)力條件和選用高效設(shè)備（如曝氣設(shè)備與系統(tǒng)、水下推進(jìn)器等）盡量利用、改造原有構(gòu)筑物、場(chǎng)地與設(shè)備；
新技術(shù)的選用：如短程脫氮、厭氧氨氧化技術(shù)，但需要有工程應(yīng)用的案例和經(jīng)驗(yàn)積累。
模型模擬是制定升級(jí)改造方案的利器，著力從工藝改造和水力改造入手，重點(diǎn)應(yīng)用反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型（如ASM和水力學(xué)模型（如CFD及其耦合模型，為精準(zhǔn)施策、高效制訂升級(jí)改造技術(shù)方案提供技術(shù)支撐。
升級(jí)改造方案的應(yīng)用與評(píng)估：基于上述提出的升級(jí)改造方案，充分吸收現(xiàn)有污水處置廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，方案提出單位、設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位和運(yùn)營(yíng)單位等需要充分協(xié)商討論，重點(diǎn)關(guān)注進(jìn)水水質(zhì)特性、現(xiàn)有工藝設(shè)計(jì)的缺乏、場(chǎng)地與池容受限、投資與運(yùn)行成本（包括能耗）進(jìn)一步優(yōu)化、細(xì)化升級(jí)改造方案和設(shè)計(jì)方案，并經(jīng)過(guò)論證后付諸實(shí)施，然后評(píng)估改造后的污水處置廠運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決改造后的相關(guān)問(wèn)題。
污水處置廠升級(jí)改造的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：經(jīng)過(guò)上述升級(jí)改造過(guò)程，結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研，針對(duì)不同類型工藝、不同地區(qū)、不同規(guī)模的污水處置廠升級(jí)改造進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)與分析，以便今后分類施策、有的放矢推廣應(yīng)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(yùn)行分析，明確現(xiàn)有水廠存在主要問(wèn)題（工藝、構(gòu)筑物和設(shè)備）做好改造措施與現(xiàn)有構(gòu)筑物與設(shè)施的銜接。同時(shí)，污水廠升級(jí)改造過(guò)程，需結(jié)合文獻(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，針對(duì)不同工藝類型、不同地區(qū)、不同規(guī)模的污水處置廠升級(jí)改造進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)與分析，以便今后分類施策、有的放矢推廣應(yīng)用。
以萬(wàn)全污水處置廠為例，提質(zhì)增效的總體思路：以總氮TN達(dá)標(biāo)為例，CA SS工藝的數(shù)值模擬與優(yōu)化
其技術(shù)路線如下：
改造前項(xiàng)目基本情況：
萬(wàn)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(yùn)行。采用CA SS工藝，其生物污水處置工藝進(jìn)水為生活污水，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)為一級(jí)B規(guī)范。設(shè)計(jì)處置規(guī)模為20000m3d-1實(shí)際處置規(guī)模15000m3d-1提質(zhì)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(jí)A規(guī)范。
問(wèn)題識(shí)別與診斷：
根據(jù)歷史運(yùn)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(jìn)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(dá)標(biāo)排放，尤其是冬、春季。
歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)：
夏季運(yùn)行過(guò)程中，主反應(yīng)區(qū)初始COD濃度較高，隨著進(jìn)水時(shí)期曝氣的進(jìn)行，COD濃度下降較快，但氨氮濃度有所上升。當(dāng)COD下降到18mgL-1左右時(shí)，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(yùn)行戰(zhàn)略導(dǎo)致，進(jìn)水過(guò)程中直接曝氣，使得主反應(yīng)區(qū)沒有反硝脫氮階段，使得最后總氮出水不達(dá)標(biāo)。
通過(guò)對(duì)張家口萬(wàn)全污水處置廠全年進(jìn)出水水質(zhì)、水量變化特征進(jìn)行綜合分析，主要得出以下結(jié)論：
水量、水質(zhì)動(dòng)搖大。全年進(jìn)水波動(dòng)較大，夏季水量較大，冬季水量相對(duì)較低；全年水質(zhì)指標(biāo)變化相對(duì)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(biāo)相對(duì)較高；
進(jìn)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(guò)程，有潛力通過(guò)操作參數(shù)調(diào)控、無(wú)外加碳源，來(lái)實(shí)現(xiàn)污水廠總氮的達(dá)標(biāo)排放；
污水廠當(dāng)前的運(yùn)行模式，出水可滿足CODNH4+-N一級(jí)A達(dá)標(biāo)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(jìn)一步優(yōu)化。CA SS全流程分析結(jié)果標(biāo)明，盡管設(shè)置了缺氧區(qū)，回流、溢流設(shè)施與設(shè)備先天性缺乏，造成缺氧區(qū)面積小，水力停留時(shí)間短；同時(shí)好氧區(qū)產(chǎn)生的硝酸鹽無(wú)法大量回流至缺氧區(qū)，造成缺氧區(qū)COD無(wú)法進(jìn)行有效去除。無(wú)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(shí)還嚴(yán)重?cái)D占好氧池硝化反應(yīng)所需的水力停留時(shí)間。
模型建立及組分特征參數(shù)
通過(guò)GPS-X軟件對(duì)CA SS工藝進(jìn)行模型建立，并利用呼吸速率法測(cè)定夏季和冬季進(jìn)水COD組分。
模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證
對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，調(diào)整影響模型模擬結(jié)果的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)參數(shù)和化學(xué)計(jì)量系數(shù)。
1影響出水CODNH4+-N和TN最顯著參數(shù)（絕對(duì)值）夏季的前三個(gè)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(guò)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(duì)夏季和冬季的兩個(gè)季節(jié)幾乎沒有影響，因此將默認(rèn)值用于模型校準(zhǔn)。之后，選擇上述16個(gè)參數(shù)以進(jìn)一步校準(zhǔn)和驗(yàn)證CA SS系統(tǒng)中應(yīng)用的ASM1模型。
污水處置廠CA SS工藝不同季節(jié)模型動(dòng)態(tài)模擬、驗(yàn)證、優(yōu)化結(jié)果(a夏季；b冬季
模型優(yōu)化
通過(guò)對(duì)現(xiàn)有水廠設(shè)備、工況，結(jié)合回流比、體積比、排水比的模擬結(jié)果，可以看出不可能實(shí)現(xiàn)總氮達(dá)標(biāo)排放；因此提出利用主反應(yīng)區(qū)進(jìn)行反硝化，充分利用進(jìn)水碳源寧波GMP純化水設(shè)備。
通過(guò)對(duì)夏季四種、冬季三種運(yùn)行戰(zhàn)略進(jìn)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(zhì)滿足一級(jí)A排放規(guī)范
流態(tài)優(yōu)化
A SM模型假定生物反應(yīng)器內(nèi)為CSP全混狀態(tài)，但很多實(shí)際水廠在運(yùn)行過(guò)程中由于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)缺乏導(dǎo)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(yīng)系統(tǒng)的有效容積利用率。通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)對(duì)改造前污水處置廠的流態(tài)進(jìn)行模擬，并對(duì)改造方案中在主反應(yīng)區(qū)增加攪拌的布置方式、裝置角度等，進(jìn)行了對(duì)比優(yōu)化，其中主反應(yīng)區(qū)攪拌器型號(hào)如表所示。
通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)，主要對(duì)攪拌器的兩種裝置位置進(jìn)行了模擬，一種是主反應(yīng)區(qū)兩側(cè)各裝兩個(gè)攪拌器，傾角45°，另一種是四個(gè)攪拌器安裝在同一側(cè)，角度分別為60°、45°、30°和90°。計(jì)算流體力學(xué)模擬反應(yīng)器裝置攪拌前后內(nèi)部速度場(chǎng)分布情況如圖所示。
結(jié)果標(biāo)明：激進(jìn)攪拌器安裝在兩側(cè)，盡管可以使流態(tài)混合均勻，但局部流速過(guò)大，有利于缺氧反硝化，并且過(guò)大的水力湍流對(duì)攪拌機(jī)的損耗過(guò)大；同側(cè)安裝，可以使反應(yīng)體系內(nèi)部流態(tài)混合更均勻，且流速更有利于反硝化進(jìn)行。
優(yōu)化后運(yùn)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(jié)果：
圖(a盡管進(jìn)水水質(zhì)動(dòng)搖較大、水溫較低，且進(jìn)水COD高于模擬值，依照模擬方案穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)行過(guò)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(jié)果標(biāo)明，經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)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(jí)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(jié)構(gòu)
污水廠在改造后，與夏季相比，冬季變形桿菌（Proteobacteria相對(duì)豐度從53.85％增加到56.02％，這標(biāo)明水溫下降導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)了更多的變形桿菌，可以堅(jiān)持活性污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)在厭氧和缺氧階段分別釋放磷和反硝化作用。
結(jié)論與展望：數(shù)值模擬仿真是污水處置行業(yè)的剛需
對(duì)污水處置廠提質(zhì)增效方案的應(yīng)用與評(píng)估：充分吸收現(xiàn)有污水處置廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，方案提出單位、設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位和運(yùn)營(yíng)單位等需要充分協(xié)商討論，重點(diǎn)關(guān)注進(jìn)水水質(zhì)特性、現(xiàn)有工藝設(shè)計(jì)的缺乏、場(chǎng)地與池容受限、投資與運(yùn)行成本（包括能耗）進(jìn)一步優(yōu)化、細(xì)化升級(jí)改造方案和設(shè)計(jì)方案，并經(jīng)過(guò)論證后付諸實(shí)施，然后評(píng)估改造后的污水處置廠運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決改造后的相關(guān)問(wèn)題。
污水處置廠提質(zhì)增效的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：經(jīng)過(guò)上述升級(jí)改造過(guò)程，結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研，針對(duì)不同類型工藝、不同地區(qū)、不同規(guī)模的污水處置廠升級(jí)改造進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)與分析，以便今后分類施策、有的放矢推廣應(yīng)用。
數(shù)值模擬仿真是一種有效的工具，可讓我預(yù)測(cè)污水處置廠在不同運(yùn)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(xué)支撐。
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