利用 GPS-X 模拟提升污水处理厂运行性能：探索高效脱氮新策略

为提升龟山污水处理厂 NH4+和 TN 去除效率，研究人员模拟五种场景，发现场景 B、D、E 效果显著，场景 B 能效最佳。

　　# 利用 GPS-X 模拟提升污水处理厂运行性能：探索高效脱氮新策略
在城市的 “地下世界”，污水处理厂就像一个个勤劳的 “隐形卫士”，默默守护着我们的水环境。它们承担着处理生活污水和工业废水的重任，将含有大量有机污染物、氮、磷等物质的污水进行净化，使其达到排放标准后再排入自然水体。

然而，随着人们对环境保护的重视程度不断提高，污水处理面临着越来越严峻的挑战。污水中的氮元素主要以有机氮、氨（NH₄⁺ ）、亚硝酸盐和硝酸盐等形式存在，其中总氮（TN）含量超标会导致水体富营养化，引发藻类过度繁殖，破坏水生态平衡，影响水生生物的生存和繁衍。为了应对这一问题，台湾地区在 2017 年修订了污水处理厂的排放标准，对 NH₄⁺和 TN 的排放限值做出了严格规定，并计划逐步加严标准。

龟山污水处理厂位于台湾桃园市龟山区，处理着来自多个工业园区和居民区的污水，其排放的污水汇入南坎河。但南坎河的水质污染问题较为严重，尽管龟山污水处理厂的出水目前符合现有标准，但其对 NH₄⁺和 TN 的去除效率仍有提升空间。同时，传统的污水处理厂优化设计方法往往需要耗费大量时间和精力，且存在较高的不确定性。

为了解决这些问题，来自台湾中华工程顾问股份有限公司水务部以及桃园市政府水资源局的研究人员 Kuen-Lin Chen、Ching-Wen Hou、Chen-Wuing Liu 和 Han-Yi Wang 开展了一项研究。他们利用 GPS-X 模拟软件，对龟山污水处理厂的氧化沟处理工艺进行优化，相关研究成果发表在《Sustainable Environment Research》上。

研究方法

研究人员以龟山污水处理厂为研究对象，收集了 2021 年该厂的污水处理数据，包括进出水流量、水质指标等。利用这些数据，他们基于 ASM1 模型在 GPS-X 软件中构建了龟山污水处理厂的模拟模型，并进行了校准和验证。随后，研究人员设定了五种模拟场景，分别为：场景 A（提高氧化沟流速）、场景 B（增加氧化沟曝气）、场景 C（将二沉池污泥回流至氧化沟缺氧段）、场景 D（场景 A 和场景 B 的组合）和场景 E（场景 A、B 和 C 的组合）。通过模拟不同场景下污水处理厂的运行情况，分析各场景对污染物去除效率、能耗、电费和碳排放的影响。

研究结果

1. 场景 A：提高流速：模拟结果显示，在不同流速下，BOD、COD、NH₄⁺和 TN 的去除效率差异不明显。当流速从 0.01 m/s 提高到 0.3 m/s 时，由于溶解氧（DO）不足，硝化反应不完全，NH₄⁺去除效率未显著提高。而当流速达到 0.4 m/s 时，部分污染物去除效率反而下降，且 COD 和 SS 甚至高于进水。
2. 场景 B：增加曝气：随着表面曝气器功率增加，BOD、COD、SS 和 NH₄⁺的去除效率提高。但当功率过高时，TN 去除效率下降，这是因为过高的曝气导致溶解氧过高，缺氧区域不足，反硝化速率降低。综合考虑，选择表面曝气器功率为 60 kWh 的模拟结果代表场景 B 进行后续比较。在此条件下，BOD、COD、SS、NH₄⁺和 TN 的去除效率分别为 96%、81%、89%、89% 和 81%，且出水亚硝酸盐 / 硝酸盐氮浓度增加，表明硝化作用增强。
3. 场景 C：污泥回流：将二沉池污泥回流至氧化沟缺氧段后，污水厂出水水质改善不明显。这可能是由于 DO 不足，导致 NH₄⁺和 DO 在出水中的浓度分别为 19.3 mg/L 和 < 0.01 mg/L 。
4. 场景 D：场景 A + 场景 B：该场景下，BOD、COD、SS、NH₄⁺和 TN 的去除率分别达到 96%、81%、89%、93% 和 84%，相较于单独的场景 A 和场景 B，对 BOD、NH₄⁺和 TN 的去除效率有显著提升。研究人员推测，在 DO 充足的情况下，提高氧化沟流速能增加氧转移动力学，从而提高反应速率和污染物去除效率。
5. 场景 E：场景 A + 场景 B + 场景 C：这一组合场景下，BOD、COD、SS、NH₄⁺和 TN 的去除效率分别为 96%、82%、89%、95% 和 86%，是所有场景中去除效率最高的。研究人员认为，在 DO 充足时，提高流速和污泥回流能显著增强硝化和反硝化作用，从而更好地去除 NH₄⁺和 TN。
6. 能耗、电费和碳排放：场景 E 虽然去除效率最高，但能耗和碳排放增加也最多。研究人员进一步分析了各场景单位去除效率增加的碳排放，发现场景 E 在相同的 COD 和 SS 去除效率增加下，碳排放最低；场景 B 在相同的 BOD、SS 和 NH₄⁺去除下，碳排放最低。从能效角度来看，场景 B 是提高出水水质最节能的方法。

研究结论与意义

通过 GPS-X 模拟软件对龟山污水处理厂氧化沟处理工艺的五种场景模拟，研究人员发现场景 B、D 和 E 均能显著提高 NH₄⁺和 TN 的去除效率。尽管场景 E 的去除效率提升最大，但从能效角度考虑，场景 B 在提高出水水质的同时具有最低的碳排放，是最节能的方法。这些模拟场景表明，采用这些改进措施每年可减少多达 142 吨 NH₄⁺和 121 吨 TN 排入南坎河，有助于改善河流水质，加强环境保护。虽然本研究未在实际污水处理厂中实施场景 B 并测量实际效果，但通过 GPS-X 模拟验证了改进措施的可信度。未来研究建议在中试规模或实际污水处理厂中对该模型进行进一步测试。这项研究为污水处理厂优化运行、提高脱氮效率、降低能耗和碳排放提供了重要的参考依据，有助于推动污水处理行业的可持续发展。