ASM2d模型在北京高碑店污水处理厂的应用

朱向东¹  郝二成¹   周军¹ 甘一萍¹  王洪臣¹  胡志荣²

¹北京城市排水集团有限责任公司, 北京市崇文区龙潭湖北里4号100061

²Hydromantis Inc., 1685 Main St. West, Suite 302, Hamilton, Ontario, Canada L8S 1G5

　　摘要：本文描述了GPS-X模拟软件中国际水协（IWA）的ASM2d模型在北京高碑店污水处理厂应用的实例。该研究的目的包括：1）建立一个大型污水处理厂的模拟模型，以更好地理解生物处理过程；2）使用建立的模型寻求改善和优化污水处理厂脱氮除磷的方案。在该应用中模型的校准和验证是在已有资料基础上进行的，例如：污水厂的设计、运行和日常的监测数据，因此，避免了在模拟大型污水厂的前期进行大量的专门研究工作。因为已有的数据不能直接用来作为模型的输入参数，因此需要把进水的COD、N和P数据转化成适合于模型输入的各种组分。最后，使用经校准和验证的模型对改善污水厂的脱氮除磷进行了初步探讨。

　　关键词：活性污泥2d模型 (ASM2d)  生物除磷  模拟  动态模拟

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

　　随着人们越来越关注水环境中富营养化的控制，要求污水处理厂进行脱氮除磷。传统的去除有机物的污水处理厂考虑脱氮除磷导致生物处理工艺变得越来越复杂。因此单单依靠经验来优化系统的设计和运行已变得非常困难。为了优化系统的设计和运行，需要深入理解关键的设计参数（例如污泥龄、厌氧、缺氧和好氧反应器的体积比例）和系统性能之间的相互联系，数学模型在这方面能提供极大的帮助（Hu等，2005c）。因此，在最近二十年开发出了一系列的数学模型，如能够模拟COD的去除、硝化/反硝化的UCTOLD（Dold，1991）和ASM1（Henze,1987）以及能够模拟COD的去除、硝化/反硝化和生物除磷的UCTPHO（Wentzel,1992）和 ASM2、ASM2d（Henze 1995,1999）。现在，应用数学模型已经成为污水处理厂设计和运行的一个标准实践。然而这种实践在我国还处于起步阶段。

　　本文探讨了将ASM2d模型（Henze等，1999）应用于高碑店污水处理厂的情况。高碑店污水厂由北京排水集团运行，是目前中国最大的生物法去除营养物质的污水厂。高碑店污水厂处理的废水汇水面积大约96km²，包括市区和郊区的污水，设计处理能力是1，000，000m³/d。该应用的目的是：1）为该厂建立一个模拟模型以便更好地理解该厂的生物处理过程；2）使用该模型探讨和评价改善和优化污水厂的脱氮除磷效果方案。在该研究中模型的校准和验证是在典型的已有资料的基础上进行的，例如：污水厂的设计、运行和日常的监测数据，因此，避免了在模拟大型污水厂的早期进行大量的专门研究工作。因为已有的数据不适于直接输入模型，因此需要把进水的COD、N和P物质转化成可用于模型输入的各种组分。最后，使用经校准和验证了的模型对改善污水厂的脱氮除磷进行了初步探讨。

　　材料和方法

　　高碑店污水处理厂简介

　　目前高碑店污水处理厂生物法去除营养物质的工艺是由传统的活性污泥法改造而来的，它包括两期工艺：一期是倒置A²O工艺，二期是AO工艺。来自污水管道系统的原水一分为二分别进入一期和二期。由于这两期工艺是相对独立的且污水厂规模大，为方便起见本研究集中在一期。高碑店污水处理厂的一期工艺由两个平行的系列组成，分别称为一、二系列，每系列有六组平行的处理系统。每组由三个廊道组成。这些廊道被分隔成不同类型的反应器，形成一个倒置的A²O工艺，包括两个缺氧区，一个厌氧区，三个好氧区和一个二沉池。进入一期的污水首先进入到两个曝气沉砂池，然后混合出水分别进入两个系列各自的六组初沉池中。初沉池出水首先混合然后均分到两个系列的12组曝气池中。二沉池出水混合后排入受纳河中。

　　为了方便起见，在建立模型时作了如下考虑：1）没有考虑初沉池，只考虑了生物处理单元，因为脱水、浓缩和厌氧消化单元的上清液回流到初沉池且没有这些水流的流量数据；2）一期的十二组系统以等价的一组系统来代替，因为十二组系统的进水和出水都是混合的水流。其参数见表1。

表1  北京高碑店污水处理厂一期A²O法处理工艺的设计参数

　　建立模型的数据组

　　为了建立高碑店污水处理厂一期的模拟模型，必须对该厂的进水进行特征分析并运用监测数据进行模型的校准和验证。从高碑店污水处理厂得到的2003年1月到12月的运行和监测数据用于进水特征、模型校准及验证，相关数据见表2。注意工艺进水指的是初沉池出水，工艺出水指的是高碑店污水处理厂一期的二沉池出水。

表2  2003年1月到12月高碑店污水处理厂运行和监测参数

　　a 初沉池的流量；b工艺进水//出水；c工艺进水TKN/出水氨/出水NO₃；d一期的混合液悬浮固体浓度；e污水的温度

　　污水进水特征

　　因为已有的数据（表2）和GPS-X中ASM2d模型（Henze等,1999）所需的参数并不一致，需要把已有的数据进行转换。为了把常规的数据转变成模型所需输入的COD、N、P数据，已经开发了一些方法，称为进水模型（Hydromantis Inc.,1999）。本研究采用的是TSS/COD进水模型。它需要总COD、总TKN、TSS和几个化学计量组分（例如：VSS/TSS；COD/VSS见表3）。ASM2d需要用这些输入的数据来计算其它未知的状态变量。对ASM2d来说，进水总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)。普通异养菌、聚磷菌、硝化菌和内源生物量浓度（X_Hi+X_AUTi+X_PAOi+X_E）可合理地假定为0。关于这些输入数据和进水COD组分的关系在GPS-X的技术指导手册中有详细说明。进水中的氮和磷组分可以通过各种组分的COD以相应的固定的N和P含量进行计算得到（表3）。

　　模型的校准和验证

　　在模拟模型的开发过程中，很关键的一步是模型校准，也就是调整模型的参数使模型的预测结果和测量结果相符。在ASM2d模型中有许多模型参数，即化学计量和动力学参数。在模型校准时很重要的一步是调整其中的一些参数。通常有两种方法：1）基于灵敏度分析的系统工程方法（例如，van Veldhuizen等，1999）；2）基于工艺知识和模拟者的专业经验的工艺工程法（例如，Cinar等, 1998）。然而，一种污水和另一种污水之间的大部分化学计量和动力学参数的默认值变化不会很明显（例如Gibson, 1992），因此，本研究采用基于专业经验和专业知识的工艺工程法。默认的动力学和计量学参数在 ASM2d中可以得到(Henze 等, 1999)。

　　如果已有的典型的污水厂的设计和运行数据能用来达到上面的目的，这将极为经济、方便，因为避免了在模拟研究的早期进行专门的研究。所以，本研究中主要利用现有的数据，在校准时主要集中在工艺出流的COD、TSS、PO₄、NH₄、NO₃以及反应器中的MLSS浓度等参数进行模型的校正。2003年1月到6月的数据将用于模型的校准。校准后，模型采用2003年7月到12月的数据来进行验证。

　　模拟模型的应用

　　因为高碑店污水厂现有的工艺所达到的脱氮除磷效果有限（图1），因此尝试使用经校准和验证后的模型探讨提高脱氮除磷效率（出水P浓度小于1mg/l）的可行性。本研究主要集中在优化第一段缺氧池（脱氮）和厌氧池（除磷）污水的分配，即厌氧池进水比例对出水PO₄和NO₃的影响（见图2）。

图1  高碑店污水处理厂2003年出水指标

　　模拟模型和工具

　　在本研究中使用的生物模型是国际水协的ASM2d模型（Henze等，1999），二沉池模型采用的是Takacs简单的一维模型（Takacs等，1991），所有模拟都是在Hydromantis的GPS-X软件平台上进行的。

　　结果和讨论

　　高碑店污水处理厂模型

　　从上面的高碑店一期描述中得知，生物处理由不同的反应池组成，每个池子是一个推流活性污泥池。用GPS-X建立的高碑店污水处理厂模拟模型的流程图如图2所示。

　　污水进水特征

　　在校准过程中，GPS-X的进水TSS/COD模型的默认值和ASM2d中氮和磷的含量均作为初始值。从模型校准中得到的用于验证过程的最终的化学计量系数和氮磷含量，见表3。

图2  用GPS-X建立的高碑店污水处理厂一期工艺（倒置A²O）模型

表3  从模型校准获得的用于验证的化学计量系数和氮磷浓度

　　模型校准和验证

　　模型首先用2003年1月到6月的数据进行校准。在模型校准过程中，调整动力学参数的默认值（Henze等提出的）使模型能够预测污水厂每个月的监测数据。仅有两个参数需要调整，见表4。由于η_fe的值高则Xs（缓慢降解COD）会大大提高生物除磷(Ekama 和Wentzel 1999；Hu等, 2003)，因此该参数须取低值。模型的校准和验证也证实了这一点。μ_AUT是一个动力学参数，然而，因为这个参数受进水特征影响很大，因此它经常被看作是污水特征参数（WRC, 1884; Still等, 1996, Hu等, 2005b）。因此，每个污水处理厂的μ_AUT参数都应通过拟合氨的预测数值和监测数值进行校准（Hu等, 2005b）。μ_AUT校准的结果是0.4~0.55。校准的模型然后通过比较污水厂2003年7月到12月的监测值和模型的预测值进行验证。在验证过程中，除了μ_AUT外所有的参数都不变。

表4  模型校准和验证时动力学参数的调整

　　二沉池出水的COD、TSS、NH₄、NO₃以及PO₄浓度和反应器中MLSS的校准和验证结果见图3。从图3可以看出，预测结果和实测结果吻合得相当好。

　　模型应用

　　为了优化第一段缺氧池（脱氮）和厌氧池（除磷）之间的进水分配，采用校准和验证过的模型对两种方案进行了灵敏度分析：1）硝化不完全的情况（2003年3月）；2）硝化完全的情况（2003年9月），其结果列于表5中，从表5可知：

　　1）在硝化不完全的情况下，反硝化受到硝酸盐和污泥回流比的限制，因此进入厌氧池的污水（也就是碳源多）比例多可以提高生物除磷效果（当进入厌氧池的污水比例从0上升到0.4时，出水的PO₄从2.54降到1.27）；

　　2）在硝化完全的情况下，反硝化受到碳源的限制，进入厌氧池的污水比例多也不会提高磷的去除率，因为只有在硝酸盐利用完后才能建立厌氧条件。在这种情况下，污水厂目前的结构不能达到同时脱氮除磷。需要添加额外的碳源，例如可添加预发酵单元，但这需要作进一步的研究。

　　通过使用校准和验证的模型，可以评价更多的改善脱氮除磷的方案。同传统的中试相比，模型是一种简单且便宜的方法。

图3  二沉池出水指标与反应器中MLSS的预测值和监测值的拟合结果

　　结论

　　国际水协的ASM2d在大型污水处理厂的应用结果表明，在ASM2d模型默认值基础上，采用合理的污水进水特征，该模型能较好地模拟高碑店污水厂的性能。校准模型时仅调整了两个参数。应用还表明典型的已有的数据可以用来进行模型校准；校准和验证后的模型将成为一个非常有用的工具，可用来更深入认识和改善污水厂的性能。

　　基金项目：北京市自然科学基金资助项目（8052011）

　　Supported by Beijing Natural Science Foundation （8052011）

　　参考文献

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