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www.esdzu.com】中國科學院生態環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，分享了寒冷地區中小城鎮污水處置工藝提質增效的數值模擬優化與應用-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，系統講解了從問題診斷、模型建立、校準、模擬優化，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處置規模達標，出水水質不達標；2處置規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有工藝、設施（構筑物等）設備與場地的利用，統籌兼顧能耗、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、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，充分吸收現有污水處置廠運行經驗的基礎上，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商討論，重點關注進水水質特性、現有工藝設計的缺乏、場地與池容受限、投資與運行成本（包括能耗）進一步優化、細化升級改造方案和設計方案，并經過論證后付諸實施，然后評估改造后的污水處置廠運行狀況，及時發現和解決改造后的相關問題。
污水處置廠升級改造的經驗總結：經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、不同規模的污水處置廠升級改造進行系統總結與分析，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，需結合文獻與現場調研，針對不同工藝類型、不同地區、不同規模的污水處置廠升級改造進行系統總結與分析，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工藝的數值模擬與優化
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規范。設計處置規模為20000m3d-1實際處置規模15000m3d-1提質增效要求處置出水排放執行《城鎮污水處置廠污染物排放規范》GB18918-2002一級A規范。
問題識別與診斷：
根據歷史運行數據，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。
歷史運行數據：
夏季運行過程中，主反應區初始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略導致，進水過程中直接曝氣，使得主反應區沒有反硝脫氮階段，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調控、無外加碳源，來實現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，不能滿足排放規范；
工藝操作有待進一步優化。CA SS全流程分析結果標明，盡管設置了缺氧區，回流、溢流設施與設備先天性缺乏，造成缺氧區面積小，水力停留時間短；同時好氧區產生的硝酸鹽無法大量回流至缺氧區，造成缺氧區COD無法進行有效去除。無論是冬季還是夏季，缺氧區出水COD濃度較高，后續的好氧曝氣中，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
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和化學計量系數。
1影響出水CODNH4+-N和TN最顯著參數（絕對值）夏季的前三個參數分別為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kh,KX,KNH,KS,bA ,μH,max冬季影響最大。由于參數fP對夏季和冬季的兩個季節幾乎沒有影響，因此將默認值用于模型校準。之后，選擇上述16個參數以進一步校準和驗證CA SS系統中應用的ASM1模型。
污水處置廠CA SS工藝不同季節模型動態模擬、驗證、優化結果(a夏季；b冬季
模型優化
通過對現有水廠設備、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總氮達標排放；因此提出利用主反應區進行反硝化，充分利用進水碳源寧波GMP純化水設備。
通過對夏季四種、冬季三種運行戰略進行模擬，發現夏季的方案3冬季的方案6可以使出水水質滿足一級A排放規范
流態優化
A SM模型假定生物反應器內為CSP全混狀態，但很多實際水廠在運行過程中由于設計經驗缺乏導致水流存在短流或者死區現象。因此，良好的混合狀態，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進行模擬，并對改造方案中在主反應區增加攪拌的布置方式、裝置角度等，進行了對比優化，其中主反應區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，可以使反應體系內部流態混合更均勻，且流速更有利于反硝化進行。
優化后運行效果
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穩定在301.515mgL-1以下，處置效果優于冬季。
上述結果標明，經過優化調整，該污水處置廠出水在冬春季均能滿足《城鎮污水處置廠污染物排放規范》GB18918-2002一級A排放規范。
能耗分析
優化后噸水能耗：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中出現了更多的變形桿菌，可以堅持活性污泥系統的穩定運行，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：數值模擬仿真是污水處置行業的剛需
對污水處置廠提質增效方案的應用與評估：充分吸收現有污水處置廠運行經驗的基礎上，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商討論，重點關注進水水質特性、現有工藝設計的缺乏、場地與池容受限、投資與運行成本（包括能耗）進一步優化、細化升級改造方案和設計方案，并經過論證后付諸實施，然后評估改造后的污水處置廠運行狀況，及時發現和解決改造后的相關問題。
污水處置廠提質增效的經驗總結：經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、不同規模的污水處置廠升級改造進行系統總結與分析，以便今后分類施策、有的放矢推廣應用。
數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，污水處置行業的剛需。該研究案例可以為類似污水處置廠的優化研究提供科學支撐。
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