污水厂生化处理工艺：手把手教你基于模型验证污水厂设计工艺

污水厂生化处理工艺我们都不陌生当我们已经习惯了使用设计规范来设计污水处理厂的生化处理工艺时，大家是否曾有过疑问：这样设计真的可以满足要求么？所幸的是，我们有行业标准，大家只要按照这个标准去设计就没有问题，出再大的事也找不到你头上。

我们知道国际水协早在很多年之前就开发了关于污水厂生化处理工艺的模拟理论框架，按照功能来分，主要分为除碳-除氮模拟和除碳-除氮-除磷模拟，涉及到的模型主要有ASM1，ASM2，ASM2D和ASM3，其中ASM1和ASM3主要用于模拟除碳、脱氮，ASM2和ASM2D用于模拟除碳、脱氮和除磷。

既然是案例，我们当然是拿经典的AAO工艺来做。接下来将书中涉及到的主要设计内容摘录如下：

1）设计参数

如表1所示，列出了工艺中的主要设计参数。

表1 AAO生物脱氮除磷工艺主要设计参数

2）已知条件

如表2所示，列出了工艺的设计进出水水质要求，从数值上看，出水标准属于一级B（书的出版日期比较旧）。

表2 工艺设计进出水水质

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3）设计计算（采用污泥负荷法）

详细设计过程这里省略，下面列出主要的设计参数和设计结果：

有关设计参数：

设计结果：

最后，需要注意的是，以上过程中省略了大部分跟管道以及设备相关的计算内容，因为后面模型模拟的主要关注内容是生化反应。

首先需要说明的是，这里涉及到的所有内容都需要用到WEST软件，并且，小编默认大家是有使用教程的，所以不是零基础内容哦。

另外，一般设计时构筑物都是至少两组，不过在模型里面，小编偷了懒，只用了一条工艺线，就没分组了，大家可以自行分组。

有了前面的设计结果，我们就可以在WEST中好好玩玩了，接下来，我们也是分以下两个部分来跟大家介绍如何应用数学模型来对设计工艺进行验证分析：

模型搭建

涉及的单元节点大家直接在节点库中即可找到，下面针对参数的设置进行逐一说明。

1. 进水节点

因为一般设计工况是最高日工况（比如对于构筑物是高日均时，对于管道等是高日高时），这种情况下，在模型中需要用到稳态模拟，而WEST本质是动态模拟器，所以在进行稳态模拟时需要简单处理下，即需要把该设计工况做成时间序列，只是对于每个时间步长下，进水水质是不变的，比如这里时间可以取200d，时间步长为1d，如果需要在同一进水文件中反映边界变化对模拟结果的影响，可相应的增加时间长度。（这里说了这么一大段话，稍微有些啰嗦，其实是很简单的操作，打开模型文件你就知道了）

图1 steady state（稳态）

图2 dynamic state（动态）

即这里的输入实际是动态的时间序列，只是在稳态那里对动态时间序列数据进行了平均处理。

图3 组分分解关系

组分分解的逻辑，在这里用图表示下：

图4 组分分解数学逻辑

这里涉及各种组分的进一步分解，关于如何分解，软件里提供了模板，而具体比例系数的确定，一般情况下是要通过实验分析来获得的，不过因为模型在最初开发的时候就已经综合考虑了世界上绝大部分污水厂的进水特性，给出了一些典型取值，这里可以先按照典型值来模拟，然后通过调整部分比例系数来对比模拟的变化（比如看是否能满足达标的要求）。这里给出小编这边的比例设置：

图5 进水组分比例系数

简单的看，这里有3个参数：kla、Temp（温度）和vol（体积）。复杂的看，其实还有好多动力学参数、化学计量学参数等，但是这里为了让大家容易上手，其他就按照默认即可，就不看复杂的设置了。其中kla用于控制曝气，temp用于控制温度，这两个后面会说，那只剩下体积了，而前面的设计计算结果里是有这部分的，直接填上去即可。

图7 缺氧池单元设置

图8 好氧池单元设置

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c. 二沉池

图9 二沉池单元设置

d. 曝气

设计院的同学在进行曝气计算的时候主要依据是实际耗氧量，具体组成在前面内容已经提到。那么算出来的最终曝气参数如何输入给模型？我们知道最终是要提供曝气风量、曝气头个数以及供气管路的设置，由于模型中不模拟具体的曝气管路，故上述计算结果中可以输入的为曝气风量和曝气头个数。不过，要说明的是，对于曝气的模拟可不仅仅靠这两个参数就行了哦，里面还有很多其他参数，不同的研究成果使用的参数可能还不一样，WEST主要参考Boyle et al. (1989)和Rosso et al. (2005)（里面做了进一步拓展，即基于αSOTE、系统SRT以及空气流量的相互关系来修正kla的计算结果），详细信息可参考软件使用手册里内容。

另外，由于SRT值是波动的（实时计算获取），所以这里另外添加了计算节点（calculator节点），并将计算SRT给到曝气控制器，避免手动设置了，当然你也可以手动设定一个不变的SRT。

图10 曝气控制器参数（部分）

e. 回流

图11 内回流比例

图12 污泥回流比例

f. 排泥

图13 排泥量设置

g. 温度

文件输入方式需要通过以下几个步骤来完成：

第一步：在top-level items里面找到interface variables，添加temp变量如下图：

图14 设置温度参数

第二步：节点库中找到input节点，这里input节点类似于进水节点的设置（双击进入属性设置），不同的是这里没有组分分解。

图15 找到输入节点

图16a 设置输入节点

图16b 设置输入节点

图16c 设置输入节点

图16d 设置输入节点-温度外部文件

到这里我们基本就配置完了，出水的设置跟教程中完全一样。最后看下我们的设置成果吧，看着稍微有些乱，可以通过图层的开关来进行切换查看

图17 最终布置图

图18 图层管理

模型分析

接下来我们就开始分析。

正所谓不会炒菜的模型工程师不是一个好的厨子。。。。。。停停停~小编又开始胡说了，其实小编想表达的意思是：每个人的思维都是不一样的，想到的分析点也是千差万别的，所以使用模型到底能分析什么，得到什么结果需要使用者结合自身的专业知识来确定，那么，小编就先抛砖引玉下。

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1) 温度

图19 温度对比（前100d为14℃条件下，后100d为25℃条件下）

从图19中可以直观看到，当前的模拟出水是满足一级B标准的，所以符合处理要求。

在这个基础上，我们尝试分析下TN和TP这两条曲线，TN的降低可以通过观察NH4和NO3-N的变化得出，即温度的升高是促进了反硝化过程。（但，不是想象的那么简单，继续看后面）

图20 好氧池出水NH4和NO3-N

然后TP的升高，可以通过模型找到一个线索，如图21所示，因为在厌氧阶段的释磷效果变差（X_PP降低），导致好氧池中相应的吸磷效果变差，另外从宏观角度分析也可得出，因为在整个系统中脱氮除磷是相互制约的，脱氮的效果变好，相应的除磷的效果就会变差（这种定性的分析，没了数据支持，感觉有点虚，哈哈）。

图21 厌氧池聚磷酸（X_PP）盐浓度变化

另外，小编通过模拟分析发现了个有点“违背常理”的现象，随着温度的升高，生物池中的MLSS浓度居然下降了，如图22所示。

图22 好氧池中MLSS浓度的变化

这是什么原因？难道是模型不靠谱？莫急，咱们继续往后看。

我们看下生物池中DO的变化，如图23所示。

图23 好氧池DO变化

原来是溶解氧出了问题，那继续看不同微生物的浓度变化：异养菌（X_H）、聚磷菌（X_PAO）和自养菌（X_AUT），如图24所示：

图24 不同微生物的浓度变化

看到没有，大家是不是发现居然聚磷菌还变多了，另外两个多少都有点降低，特别是异养菌降低的还挺多的，为什么出现这个现象，恐怕小编得去找些相关文献来支持了，先不纠结这块，基于这个现象倒是可以看出来，供氧不足导致异养菌浓度（严格来说，其实聚磷菌也是异养的）的降低，反倒是让聚磷菌稍微“膨胀”了下，不过因为前面X_PP的降低，聚磷菌在好氧段没好好做“吸磷”的工作，在缺氧段干起了反硝化的事情（ASM2D中是有模拟这一现象的哦，ASM2中没有）。那么，同学可能会问，为啥X_PP会降低？那这也是有图可依的，给个思路：释磷过程主要是将低分子有机物（主要是S_A）存起来形成PHA，即要消耗ATP，形成ADP，并且释放正磷酸盐，所以问题出在了低分子有机物，大家可以自行模拟验证下。

感觉像是破了个案，小编的脑细胞已经死了一片~

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2）去除率以及BOD的查看

图25 去除率以及BOD去除效果

污水厂生化处理工艺中如何用数学模型来验证你的设计工艺，想升职加薪的就赶紧学习吧。这部分内容涉及到具体操作步骤，大家可以跟着小编一起操作练习，当然，前提是你手头有这样一款模拟软件，比如WEST。另外需要补充的是，由于小编并非直接从事设计工作。第二部分主要介绍如何拿数学模型验证第一部分中的设计成果就到这里。