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摘 要：当前随着我国国民经济的不断发展以及群众生活水平的不断提升，城市用水量呈现出逐年上涨的趋势，相应的城市污水排放量也逐渐增多，而城市污水成分复杂，污染性强，且处理难度较大，一旦处理不当将给城市生态环境和居民的生活质量带来严重威胁。因此国家和政府一直在大力整治城市生活污水问题，确保居民生活安全，维护正常的城市生态环境。本文基于现实的角度运用高数模拟的形式对城市生活污水处理的一般流程和取得的效果进行分析，旨在进一步推动城市生活污水处理技术的完善和发展。
关键词：城市生活污水 高数 处理流程
一、引言
我国是一个严重缺水的国家，很多地区的城市生活用水一直处于紧缺状态，国家大力推动的南水北调工程其基本目的就是为了解决北方城市的缺水问题。因此，强化城市生活污水处理技术，提升水资源的利用效率一直是国家相关部门重点关注的焦点问题之一。数学模拟技术作为一种简单、高效的工艺设计和模拟技术其在污水处理领域内的应用极大地方便了工艺方案的设计、优化以及性能测试等环节，达到了问题诊断和优化运行的最终目的，提升了污水处理部门的工作效率，并为今后的处理方案的设计和改进提供了新的工作思路。
二、我国城市生活污水处理现状和难点分析
1.城市生活污水处理现状。虽然我国幅员辽阔，淡水储量丰富，但是受限于我国世界第一的人口基数，导致人均淡水占有量仅仅达到了世界人均水平的四分之一，属于极度缺水的国家。加之过去几十年来我国重发展、轻环保的经济发展理念导致全国各地的生态环境遭到了不同程度的损害，城市生活环境也越来越差，同时水资源质量也有明显的下降。据国家相关地质勘探部门的统计数据显示，当前我国地表水资源质量达到一、二级标准的只有32.2%，三、四类标准的有28.9%，而五、六类标准的则是38.9%，这些地表水资源的污染主要由于工业废水和城市生活污水的肆意排放造成的。而作为主要污染源的城市生活污水中含有大量的蛋白质、纤维素、油脂以及其他矿物质，这些物质的营养成分含量较多，一旦处理不当而肆意排放到大自然的水环境中将导致区域水资源的富营养化，滋生大量的细菌和真菌，进而出现赤潮现象，对水资源生态系统来说是一个致命的威胁。而水资源环境的破坏又反过来威胁到人们的身心健康，使得人类的生命安全遭到严重的威胁。
2.城市生活污水处理的难点。与工业污水相比，城市生活污水的污染物含量较低，但是基于城市面积较大，人口较多，使得城市生活污水总量呈显著逐年上涨的趋势，加之污水中的污染物种类较多，成分较复杂，给城市污水处理部门带来加大的难题。城市生活污水的来源主要有厕所污水和厨房污水两大类，概括起来其技术难点主要有污染情况差异化严重、污染等级难以评估以及污水处理技术受到自然环境的限制等三个方面。首先，厨房污水的污染物成分相对单一，但是厨房污水中含有大量的油脂、蛋白质、糖类等有机物以及其他矿物质，这些有机物和矿物质的成分较为复杂，需要经过多道处理工序才能副符合排放标准，处理难度极大；其次，由于全国各地区的生活水平和生活方式存在较大差异，且存在一定的季节性，难以用一套统一的标准来评判和判断污水污染等级，这就大大增加了污水处理难度，无法选择统一的处理工艺来对其进行净化处理；最后，由于大多数的处理技术都是在实验室中研究出来的，研究环境相对稳定，但是大自然中环境随时可能发生变化，这些参数的变化不可避免的会对处理工艺和处理效果带来一定的影响，处理结果具备一定的不确定性。
三、高数模拟技术应用于城市污水处理的流程分析
本文借助近年来应用范围最为广泛的TUD模型分析技术与AQUASM模拟软件对倒置A2/O工艺流程与存在问题进行了系统的研究与分析，结果如下：
1.运行状况的初步模拟评价。通过我们对配置TUD和AQUASM模拟分析系统的某城市生活废水处理站点的废水处理情况进行实地考察和分析，并调取相关数据进行分析，得知该处理厂的倒置A2/O工艺对BOD5、SS、TN以及TP的处理率分别为91.2%、90.2%、40%和40%，虽然其低负荷运行状态下的污染物去除效率尚可，但是TN和TP两种污染物的处理效率还不到百分之五十。利用TUD模型对均水质、均水量情況的倒置A2/O工艺处理效果进行了初步的估量，结果如下：在整个倒置A2/O工艺流程中并没有发现明显的反硝化除磷现象；聚磷菌在10℃-15℃的温度范围内最不容易被其他细菌所抑制而出现大面积的繁殖和生长；强化生物除磷PAOs出现的最小污泥龄应该为8天而最佳的污泥龄不应该小于12天；好氧区的最佳体积占比为五分之三到三分之二之间；易生物降解有机物中的挥发性脂肪酸越多对除磷越有利，需要使脂肪酸的浓度大于或等于25mg/L。
2.倒置A2/O工艺运行问题分析。通过我们对工艺处理结果进行模拟分析，发现该工艺主要有以下两方面的问题：一是污水中易生物讲解COD浓度尤其是其中VFA的浓度会显著影响生物除磷系统的性能。在动态模拟分析实验中，证实了系统中的VFA的浓度不足确实是影响除磷污水除磷效果的关键因素，如由缺氧区流向厌氧区的VFA浓度小于等于2mg/L，而与第二进水点中的VFA（其浓度为13mg/L）混合后，进入厌氧区的VFA浓度也仅仅达到了5.3mg/L。二是厌氧水力停留时间过短。实际调研中发现促进PAOs过度吸磷的本质动力与厌氧区水利停留时间和厌氧环境中的厌氧程度有关，通常情况下厌氧水力停留时间越长，则除磷能力越强。但是受很多现实环境因素的影响，除磷工艺中的设计厌氧时间往往低于2.5天，而本次实验中的厌氧时间则仅仅只有45min，显然如此低的厌氧水力停留时间无法达到理想的除磷效果。
3.曝气池分区重组方案。针对上述的厌氧水力停留时间过短的问题，可以充分结合软件模拟分析得出的最佳分区比例将缺氧区、厌氧区和好氧区的体积比例由原来的1：1：1调整为1：2：6，实际上是通过增大厌氧区的体积占比来人为的增加厌氧水力停留时间，从而提升厌氧区内的有机物降解效率。为此我们专门做了系统优化和软模拟，相关参数分别为SPT=8d，DO=0.5mg/L，R=60%。通过系统的模拟和分析之后，发现出水口处的NH4+-N含量为10mg/L左右，TP为1mg/L左右，处理效果较为理想，且污泥含量也大大减少。
4.外加碳源方案。上述方法实际上从间接方面增加了系统中的VFA，而最直接和有效的方法就是向系统中外加碳源，如甲醇或是短链脂肪酸都是理想的碳源。通过软件模拟分析得知SS/（SS+XS）的最佳控制范围为0.5-0.7，使现有的系统进水VFA浓度升至25mg/L最有利于脱氮除磷，换算成投入的甲醇含量则为500kg/d，此时VFA约占进水COD的15%，而SS/（SS+XS）值为0.63，正好处于最佳控制范围内。通过系统的模拟分析之后，发现污水处理效果明显改善，其中NH4+-N含量可以降到5mg/L左右，TP含量可以达到1mg/L，且单位污泥含量也降低了300m3/d，证明外加碳源的方法可以有效的改善污水净化和处理效果。
四、结语
综上所述，城市污水处理是一项复杂的技术性难题，处理不当将给城市生态环境带来严重的威胁和侵害。高数模拟方法是一种简单、方便的工艺设计、改进和模拟技术，可大大降低工艺改进过程中的成本消耗，为城市生活污水处理工艺的研究和发展带来了一种新的思路，适合进行大面积推广。
参考文献：
[1]薛艳霞，李少峰. 借用高数浅识城市生活污水处理的流程[J/OL]. 电子测试，2016，（20）：105-106（2016-12-01）.
[2]王琦，刘创喜，刘阳. 城市污水处理厂能耗优化的数学模型建立[J]. 沈阳航空工业学院学报，2009，26（04）：74-77.
[3]王琦，刘创喜，王英. 城市污水处理厂能耗优化数学模型研究[J]. 环境保护科学，2009，35（02）：22-24.
关键词：城市生活污水 高数 处理流程
一、引言
我国是一个严重缺水的国家，很多地区的城市生活用水一直处于紧缺状态，国家大力推动的南水北调工程其基本目的就是为了解决北方城市的缺水问题。因此，强化城市生活污水处理技术，提升水资源的利用效率一直是国家相关部门重点关注的焦点问题之一。数学模拟技术作为一种简单、高效的工艺设计和模拟技术其在污水处理领域内的应用极大地方便了工艺方案的设计、优化以及性能测试等环节，达到了问题诊断和优化运行的最终目的，提升了污水处理部门的工作效率，并为今后的处理方案的设计和改进提供了新的工作思路。
二、我国城市生活污水处理现状和难点分析
1.城市生活污水处理现状。虽然我国幅员辽阔，淡水储量丰富，但是受限于我国世界第一的人口基数，导致人均淡水占有量仅仅达到了世界人均水平的四分之一，属于极度缺水的国家。加之过去几十年来我国重发展、轻环保的经济发展理念导致全国各地的生态环境遭到了不同程度的损害，城市生活环境也越来越差，同时水资源质量也有明显的下降。据国家相关地质勘探部门的统计数据显示，当前我国地表水资源质量达到一、二级标准的只有32.2%，三、四类标准的有28.9%，而五、六类标准的则是38.9%，这些地表水资源的污染主要由于工业废水和城市生活污水的肆意排放造成的。而作为主要污染源的城市生活污水中含有大量的蛋白质、纤维素、油脂以及其他矿物质，这些物质的营养成分含量较多，一旦处理不当而肆意排放到大自然的水环境中将导致区域水资源的富营养化，滋生大量的细菌和真菌，进而出现赤潮现象，对水资源生态系统来说是一个致命的威胁。而水资源环境的破坏又反过来威胁到人们的身心健康，使得人类的生命安全遭到严重的威胁。
2.城市生活污水处理的难点。与工业污水相比，城市生活污水的污染物含量较低，但是基于城市面积较大，人口较多，使得城市生活污水总量呈显著逐年上涨的趋势，加之污水中的污染物种类较多，成分较复杂，给城市污水处理部门带来加大的难题。城市生活污水的来源主要有厕所污水和厨房污水两大类，概括起来其技术难点主要有污染情况差异化严重、污染等级难以评估以及污水处理技术受到自然环境的限制等三个方面。首先，厨房污水的污染物成分相对单一，但是厨房污水中含有大量的油脂、蛋白质、糖类等有机物以及其他矿物质，这些有机物和矿物质的成分较为复杂，需要经过多道处理工序才能副符合排放标准，处理难度极大；其次，由于全国各地区的生活水平和生活方式存在较大差异，且存在一定的季节性，难以用一套统一的标准来评判和判断污水污染等级，这就大大增加了污水处理难度，无法选择统一的处理工艺来对其进行净化处理；最后，由于大多数的处理技术都是在实验室中研究出来的，研究环境相对稳定，但是大自然中环境随时可能发生变化，这些参数的变化不可避免的会对处理工艺和处理效果带来一定的影响，处理结果具备一定的不确定性。
三、高数模拟技术应用于城市污水处理的流程分析
本文借助近年来应用范围最为广泛的TUD模型分析技术与AQUASM模拟软件对倒置A2/O工艺流程与存在问题进行了系统的研究与分析，结果如下：
1.运行状况的初步模拟评价。通过我们对配置TUD和AQUASM模拟分析系统的某城市生活废水处理站点的废水处理情况进行实地考察和分析，并调取相关数据进行分析，得知该处理厂的倒置A2/O工艺对BOD5、SS、TN以及TP的处理率分别为91.2%、90.2%、40%和40%，虽然其低负荷运行状态下的污染物去除效率尚可，但是TN和TP两种污染物的处理效率还不到百分之五十。利用TUD模型对均水质、均水量情況的倒置A2/O工艺处理效果进行了初步的估量，结果如下：在整个倒置A2/O工艺流程中并没有发现明显的反硝化除磷现象；聚磷菌在10℃-15℃的温度范围内最不容易被其他细菌所抑制而出现大面积的繁殖和生长；强化生物除磷PAOs出现的最小污泥龄应该为8天而最佳的污泥龄不应该小于12天；好氧区的最佳体积占比为五分之三到三分之二之间；易生物降解有机物中的挥发性脂肪酸越多对除磷越有利，需要使脂肪酸的浓度大于或等于25mg/L。
2.倒置A2/O工艺运行问题分析。通过我们对工艺处理结果进行模拟分析，发现该工艺主要有以下两方面的问题：一是污水中易生物讲解COD浓度尤其是其中VFA的浓度会显著影响生物除磷系统的性能。在动态模拟分析实验中，证实了系统中的VFA的浓度不足确实是影响除磷污水除磷效果的关键因素，如由缺氧区流向厌氧区的VFA浓度小于等于2mg/L，而与第二进水点中的VFA（其浓度为13mg/L）混合后，进入厌氧区的VFA浓度也仅仅达到了5.3mg/L。二是厌氧水力停留时间过短。实际调研中发现促进PAOs过度吸磷的本质动力与厌氧区水利停留时间和厌氧环境中的厌氧程度有关，通常情况下厌氧水力停留时间越长，则除磷能力越强。但是受很多现实环境因素的影响，除磷工艺中的设计厌氧时间往往低于2.5天，而本次实验中的厌氧时间则仅仅只有45min，显然如此低的厌氧水力停留时间无法达到理想的除磷效果。
3.曝气池分区重组方案。针对上述的厌氧水力停留时间过短的问题，可以充分结合软件模拟分析得出的最佳分区比例将缺氧区、厌氧区和好氧区的体积比例由原来的1：1：1调整为1：2：6，实际上是通过增大厌氧区的体积占比来人为的增加厌氧水力停留时间，从而提升厌氧区内的有机物降解效率。为此我们专门做了系统优化和软模拟，相关参数分别为SPT=8d，DO=0.5mg/L，R=60%。通过系统的模拟和分析之后，发现出水口处的NH4+-N含量为10mg/L左右，TP为1mg/L左右，处理效果较为理想，且污泥含量也大大减少。
4.外加碳源方案。上述方法实际上从间接方面增加了系统中的VFA，而最直接和有效的方法就是向系统中外加碳源，如甲醇或是短链脂肪酸都是理想的碳源。通过软件模拟分析得知SS/（SS+XS）的最佳控制范围为0.5-0.7，使现有的系统进水VFA浓度升至25mg/L最有利于脱氮除磷，换算成投入的甲醇含量则为500kg/d，此时VFA约占进水COD的15%，而SS/（SS+XS）值为0.63，正好处于最佳控制范围内。通过系统的模拟分析之后，发现污水处理效果明显改善，其中NH4+-N含量可以降到5mg/L左右，TP含量可以达到1mg/L，且单位污泥含量也降低了300m3/d，证明外加碳源的方法可以有效的改善污水净化和处理效果。
四、结语
综上所述，城市污水处理是一项复杂的技术性难题，处理不当将给城市生态环境带来严重的威胁和侵害。高数模拟方法是一种简单、方便的工艺设计、改进和模拟技术，可大大降低工艺改进过程中的成本消耗，为城市生活污水处理工艺的研究和发展带来了一种新的思路，适合进行大面积推广。
参考文献：
[1]薛艳霞，李少峰. 借用高数浅识城市生活污水处理的流程[J/OL]. 电子测试，2016，（20）：105-106（2016-12-01）.
[2]王琦，刘创喜，刘阳. 城市污水处理厂能耗优化的数学模型建立[J]. 沈阳航空工业学院学报，2009，26（04）：74-77.
[3]王琦，刘创喜，王英. 城市污水处理厂能耗优化数学模型研究[J]. 环境保护科学，2009，35（02）：22-24.