朱向東¹  郝二成¹   周軍¹ 甘一萍¹  王洪臣¹  胡志榮²

¹北京城市排水集團有限責任公司, 北京市崇文區龍潭湖北里4號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（IWA）的ASM2d模型在北京高碑店污水處理廠應用的實例。該研究的目的包括：1）建立一個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化污水處理廠脫氮除磷的方案。在該應用中模型的校準和驗證是在已有資料基礎上進行的，例如：污水廠的設計、運行和日常的監測數據，因此，避免了在模擬大型污水廠的前期進行大量的專門研究工作。因為已有的數據不能直接用來作為模型的輸入參數，因此需要把進水的COD、N和P數據轉化成適合于模型輸入的各種組分。最后，使用經校準和驗證的模型對改善污水廠的脫氮除磷進行了初步探討。

　　關鍵詞：活性污泥2d模型 (ASM2d)  生物除磷  模擬  動態模擬

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

　　隨著人們越來越關注水環境中富營養化的控制，要求污水處理廠進行脫氮除磷。傳統的去除有機物的污水處理廠考慮脫氮除磷導致生物處理工藝變得越來越復雜。因此單單依靠經驗來優化系統的設計和運行已變得非常困難。為了優化系統的設計和運行，需要深入理解關鍵的設計參數（例如污泥齡、厭氧、缺氧和好氧反應器的體積比例）和系統性能之間的相互聯系，數學模型在這方面能提供極大的幫助（Hu等，2005c）。因此，在最近二十年開發出了一系列的數學模型，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）。現在，應用數學模型已經成為污水處理廠設計和運行的一個標準實踐。然而這種實踐在我國還處于起步階段。

　　本文探討了將ASM2d模型（Henze等，1999）應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運行，是目前中國最大的生物法去除營養物質的污水廠。高碑店污水廠處理的廢水匯水面積大約96km²，包括市區和郊區的污水，設計處理能力是1，000，000m³/d。該應用的目的是：1）為該廠建立一個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價改善和優化污水廠的脫氮除磷效果方案。在該研究中模型的校準和驗證是在典型的已有資料的基礎上進行的，例如：污水廠的設計、運行和日常的監測數據，因此，避免了在模擬大型污水廠的早期進行大量的專門研究工作。因為已有的數據不適于直接輸入模型，因此需要把進水的COD、N和P物質轉化成可用于模型輸入的各種組分。最后，使用經校準和驗證了的模型對改善污水廠的脫氮除磷進行了初步探討。

　　材料和方法

　　高碑店污水處理廠簡介

　　目前高碑店污水處理廠生物法去除營養物質的工藝是由傳統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。來自污水管道系統的原水一分為二分別進入一期和二期。由于這兩期工藝是相對獨立的且污水廠規模大，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。每組由三個廊道組成。這些廊道被分隔成不同類型的反應器，形成一個倒置的A²O工藝，包括兩個缺氧區，一個厭氧區，三個好氧區和一個二沉池。進入一期的污水首先進入到兩個曝氣沉砂池，然后混合出水分別進入兩個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，因為脫水、濃縮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據；2）一期的十二組系統以等價的一組系統來代替，因為十二組系統的進水和出水都是混合的水流。其參數見表1。

表1  北京高碑店污水處理廠一期A²O法處理工藝的設計參數

　　建立模型的數據組

　　為了建立高碑店污水處理廠一期的模擬模型，必須對該廠的進水進行特征分析并運用監測數據進行模型的校準和驗證。從高碑店污水處理廠得到的2003年1月到12月的運行和監測數據用于進水特征、模型校準及驗證，相關數據見表2。注意工藝進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行和監測參數

　　a 初沉池的流量；b工藝進水//出水；c工藝進水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

　　污水進水特征

　　因為已有的數據（表2）和GPS-X中ASM2d模型（Henze等,1999）所需的參數并不一致，需要把已有的數據進行轉換。為了把常規的數據轉變成模型所需輸入的COD、N、P數據，已經開發了一些方法，稱為進水模型（Hydromantis Inc.,1999）。本研究采用的是TSS/COD進水模型。它需要總COD、總TKN、TSS和幾個化學計量組分（例如：VSS/TSS；COD/VSS見表3）。ASM2d需要用這些輸入的數據來計算其它未知的狀態變量。對ASM2d來說，進水總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)。普通異養菌、聚磷菌、硝化菌和內源生物量濃度（X_Hi+X_AUTi+X_PAOi+X_E）可合理地假定為0。關于這些輸入數據和進水COD組分的關系在GPS-X的技術指導手冊中有詳細說明。進水中的氮和磷組分可以通過各種組分的COD以相應的固定的N和P含量進行計算得到（表3）。

　　模型的校準和驗證

　　在模擬模型的開發過程中，很關鍵的一步是模型校準，也就是調整模型的參數使模型的預測結果和測量結果相符。在ASM2d模型中有許多模型參數，即化學計量和動力學參數。在模型校準時很重要的一步是調整其中的一些參數。通常有兩種方法：1）基于靈敏度分析的系統工程方法（例如，van Veldhuizen等，1999）；2）基于工藝知識和模擬者的專業經驗的工藝工程法（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計量和動力學參數的默認值變化不會很明顯（例如Gibson, 1992），因此，本研究采用基于專業經驗和專業知識的工藝工程法。默認的動力學和計量學參數在 ASM2d中可以得到(Henze 等, 1999)。

　　如果已有的典型的污水廠的設計和運行數據能用來達到上面的目的，這將極為經濟、方便，因為避免了在模擬研究的早期進行專門的研究。所以，本研究中主要利用現有的數據，在校準時主要集中在工藝出流的COD、TSS、PO₄、NH₄、NO₃以及反應器中的MLSS濃度等參數進行模型的校正。2003年1月到6月的數據將用于模型的校準。校準后，模型采用2003年7月到12月的數據來進行驗證。

　　模擬模型的應用

　　因為高碑店污水廠現有的工藝所達到的脫氮除磷效果有限（圖1），因此嘗試使用經校準和驗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，即厭氧池進水比例對出水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

　　模擬模型和工具

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

　　結果和討論

　　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池組成，每個池子是一個推流活性污泥池。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。

　　污水進水特征

　　在校準過程中，GPS-X的進水TSS/COD模型的默認值和ASM2d中氮和磷的含量均作為初始值。從模型校準中得到的用于驗證過程的最終的化學計量系數和氮磷含量，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  從模型校準獲得的用于驗證的化學計量系數和氮磷濃度

　　模型校準和驗證

　　模型首先用2003年1月到6月的數據進行校準。在模型校準過程中，調整動力學參數的默認值（Henze等提出的）使模型能夠預測污水廠每個月的監測數據。僅有兩個參數需要調整，見表4。由于η_fe的值高則Xs（緩慢降解COD）會大大提高生物除磷(Ekama 和Wentzel 1999；Hu等, 2003)，因此該參數須取低值。模型的校準和驗證也證實了這一點。μ_AUT是一個動力學參數，然而，因為這個參數受進水特征影響很大，因此它經常被看作是污水特征參數（WRC, 1884; Still等, 1996, Hu等, 2005b）。因此，每個污水處理廠的μ_AUT參數都應通過擬合氨的預測數值和監測數值進行校準（Hu等, 2005b）。μ_AUT校準的結果是0.4~0.55。校準的模型然后通過比較污水廠2003年7月到12月的監測值和模型的預測值進行驗證。在驗證過程中，除了μ_AUT外所有的參數都不變。

表4  模型校準和驗證時動力學參數的調整

　　二沉池出水的COD、TSS、NH₄、NO₃以及PO₄濃度和反應器中MLSS的校準和驗證結果見圖3。從圖3可以看出，預測結果和實測結果吻合得相當好。

　　模型應用

　　為了優化第一段缺氧池（脫氮）和厭氧池（除磷）之間的進水分配，采用校準和驗證過的模型對兩種方案進行了靈敏度分析：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，因此進入厭氧池的污水（也就是碳源多）比例多可以提高生物除磷效果（當進入厭氧池的污水比例從0上升到0.4時，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，進入厭氧池的污水比例多也不會提高磷的去除率，因為只有在硝酸鹽利用完后才能建立厭氧條件。在這種情況下，污水廠目前的結構不能達到同時脫氮除磷。需要添加額外的碳源，例如可添加預發酵單元，但這需要作進一步的研究。

　　通過使用校準和驗證的模型，可以評價更多的改善脫氮除磷的方案。同傳統的中試相比，模型是一種簡單且便宜的方法。

圖3  二沉池出水指標與反應器中MLSS的預測值和監測值的擬合結果

　　結論

　　國際水協的ASM2d在大型污水處理廠的應用結果表明，在ASM2d模型默認值基礎上，采用合理的污水進水特征，該模型能較好地模擬高碑店污水廠的性能。校準模型時僅調整了兩個參數。應用還表明典型的已有的數據可以用來進行模型校準；校準和驗證后的模型將成為一個非常有用的工具，可用來更深入認識和改善污水廠的性能。

　　基金項目：北京市自然科學基金資助項目（8052011）

　　Supported by Beijing Natural Science Foundation （8052011）

　　參考文獻

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