摘要：为满足处理水质的不断提高和运营管理的节能降耗，北美地区采用工艺模拟软件，对污水处理厂进行模拟，用于指导污水处理厂设计及运行，并取得良好的成效。本文介绍了北美地区工艺模拟软件运用的情况，并列举了工艺模拟在北美地区城市污水处理厂提标改造的案例。
1背景与概述
二十世纪以来，为了保护水体环境和防止传染疾病的爆发，北美地区制定了越来越严格的污水排放标准。对于高排放标准的污水处理厂，采用传统参数计算方法难以满足设计要求，故需要引入更好的定量分析工具——模拟设计。
传统的工艺设计方法通常是根据预估的进水特性，参考设计手册提供的方法、公式和参数，然后对污水处理工艺单元的构筑物尺寸、结构进行选择和计算，难以获取设计参数与出水水质之间的定量关系，是一种黑箱方法。模拟设计则提供了一种有效的的辅助设计技术，帮助设计人员量化设计参数与出水水质的关系，从而能够选取比较准确的设计参数，是一种灰箱方法。
在过去的近50年中，污水处理的活性污泥工艺模型已从简单的去除COD和硝化发展为同步生物脱氮除磷模型;从稳态模型发展到动态模型;从单一的二级处理生物反应模型发展到能同时模拟污水和污泥处理工艺的全污水处理厂模型。借助于实施这些数学模型的商用模拟软件，数学模拟技术已从一种研究工具发展成为一种成熟的工程工具，并在北美，欧洲，南非和澳大利亚等地得到了广泛的工程应用，成为污水处理工艺设计，提标改造和优化运行中的标准实践。
北美地区工艺模型主要运用于污水处理设计优化、污水处理能力评估、污水处理运行优化、污水处理工艺比选、工程师培养等几大方面。通过工艺模型的搭建和模拟，工程师建立了污水处理的评估体系，形成污水处理数量化的概念，通过关注工艺单元间的影响和发挥传统工艺的潜能，实现了污水处理高标准排放，污水处理工艺改进，降低运行成本等目标。
2工艺方案设计
在2006年以前，美国北边再生水厂出水水质对TN、TP指标无限制，NH4-N指标为2.5/4.0mg/L(夏季/冬季)。后根据环境需要，提高该再生水厂出水水质标准，如下图所示。
根据上述水质要求，下图列举了具有脱氮除磷的污水处理工艺，并建立评价指标体系对上述工艺进行逐一评价，从中优选了高内回流的A/O工艺、分点进水的多级A/O工艺、4阶段的Bardenpho工艺。
搭建上述3种工艺模型，并调整生化阶段水力停留时间(HRT)，模拟不同HRT下出水水质情况，如下图所示。则达到相应排放标准，最小HRT为4阶段的Bardenpho工艺。由于大型污水处理厂HRT对建设费用影响较大，故优先选择了4阶段的Bardenpho工艺。
3工艺方案设计
基于数学模拟的污水处理工艺或方案的评估和优化的方法可以总结为下图的四个步骤。
西班牙某SBR工艺污水处理厂概况及提升的出水排放标准下图所示。
搭建上述污水处理厂工艺模型后，选择平均流量和峰值流量在3种不同的温度下构成6套工艺方案。对原SBR设计循环进行优化，增加混合段时间，形成6种优化循环方案。
在实际的进水水质条件下，对上述工艺方案在不同的循环方案下分别进行模拟，得到最优的模拟结果如下图所示，并选择该优化循环方案。
4国内案例
南方某改良Bardenpho工艺污水处理厂，利用模拟设计进行优化。在原设计的运行条件下，通过调整运行参数、单位体积、曝气方式等，提高了出水水质，模拟结果出水水质可由一级A标准提升至准Ⅳ类标准。
5结 论
北美等发达地区，污水工艺数学模型已广泛应用于污水处理方案设计、项目评估、运行管理等领域。
传统的定性(或半定量)设计方法已经难以满足实际需要，高标准的污水处理厂设计需要更加精细和科学的方法。
有效应用污水处理数学模型，有利于提高设计的精度与效率。
通过模拟分析以及结合国外案例情况，证实基于传统生化处理工艺的优化可满足高标准排放水质的要求，为高标准污水处理厂的工艺设计提出解决方案。
（作者：叶均磊 福州城建设计研究院有限公司，福建省福州市，350001;）
编辑：赵凡
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