作者：吴启悦1 李泓宣1 张凤山2 景宜1 刘鸿斌1,2* （1.南京林业大学林业资源高效加工利用协同创新中心，南京 210037；2.山东华泰纸业股份有限公司，山东东营 257335）

摘 要：废水处理过程是一个多变量、复杂且庞大的系统，并且存在 实地调研、优化改进的不方便性和巨额的成本损耗等问题。本文介绍 了Hydromantis公司的废水处理模拟软件GPS-X的基本信息及其建模的 过程，并采用该软件中的C n l i b模型库构建国内某造纸厂工艺模型。通 过模拟动态入水数据，实现对该模型进行动态情况下的质量监控，模 拟结果出水参数中化学需氧量、生化需氧量及固体悬浮物浓度均达到 该厂的排放标准。

关键词：造纸废水处理过程；动态过程；质量监控；系统设计；GPS-X

引言

制浆造纸作为轻工业中的重要一员，同时作为我国 国民经济的重要构成部分，随着生产规模的大型化和日 益增强的环保意识，生产中的废水问题也逐渐显现。据 统计，2015年全国总消耗新鲜水量达到386.96亿t，工 业污水总排放量181.55亿t，出水水质中的重要指标： 化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD)总 排放量达到255.5万t[1]。从生产工段这一方面可将制浆 造纸废水大致分为：备料废水、蒸煮工段废水、中段废 水、纸机白水以及废纸制浆废水[2]。其中，中段废水的 定义为经过黑液提取后的蒸煮浆料在洗涤、筛选、漂白 以及打浆等过程中的所排废水。中段废水中残留有较多 可溶性CODＣr,一般中段废水pH在7～9，BOD5为400～ 1000 mg/L，CODＣr为1200～3000 mg/L，SS为500～ 1500 m g/L[2]。按照对废水处理的作用原理，我们将制 浆造纸废水的处理方法分为物理处理法、化学处理法 以及生物处理法。在实际的处理过程中以生物处理法为 主流，同时结合物理处理法以及化学处理法，以确保更 好的处理效果[3]。 经过处理后排放的水满足预设指标是废水处理的 最终目的[4]。企业要提高造纸废水处理的效果，现今主 要方法是在现有工艺、设备的基础上进行优化改进，但 污水处理是一个变量非常多、庞大复杂的系统，如何在 现有的基础上优化得到最佳效果，废水处理工艺参数如 何调整能实现更好的处理效果，这些问题过去往往依靠 专家的经验来判断解决，现在看来已是远远不够[5]。针 对这个问题，仿真建模这一方法的优点便凸显出来了。 在活性污泥模型广为使用之前，科研人员陆续建 立了Monod模型、Ecken felder模型以及McKinney模 型[6]。而从上世纪80年代至今国际水质协会建立了四种 活性污泥模型:ASM1、ASM2、ASM2d以及ASM3，目 前主流的污水处理模拟软件都是基于这些模型的基础 上才得以开发，这些模型是重要的里程碑[7]。在这些数 学模型的基础上，各公司开发出了相关的水处理模拟软 件。通过使用这些软件仿真建模，构建出现实中污水处 理厂的计算机模型，在计算机上模拟仿真并进行分析优 化，可以在最大程度上降低因优化带来的成本损失。因 此运用好这些模拟软件，就可以更加快捷且科学地研 究污水处理过程并进行优化改进，这是未来研究的趋 势。 目前国内外主流的废水处理软件有B i o w i n、 G P S -X、S T O A T、W E S T等，其中  B i o w i n 和 GPS-X 最为广泛使用[8]。本文利用Hyd roma nti s公司 的废水处理软件G P S-X，通过计算机建模的方法，搭 建基于国内某造纸废水处理厂的软件模型，再研究造 纸废水处理过程的动态质量监控。此模型经未来完善 后，可以作为该厂将来对废水处理过程进行动态质量监 控，并进行工艺优化及改进。此后对该厂的相关废水处 理的研究都可以用此类计算机软件进行建模仿真，实 现由实地考察调研到计算机数字化建模仿真研究的飞 跃。

1 方法原理

GPS-X软件是Hydromantis公司开发的广泛应用 于市政和工业废水处理的一种模块化建模仿真软件[9]。 通过使用G P S-X软件中内置的各种废水处理模块，用 户可以根据城市或工厂处理废水的实际情况将各个模 块进行连接，直至将完整的废水处理过程模型建立出 来[10]。GPS-X软件可以将处理过程的数据进行输出，方 便进行展示与汇报。与此同时也可以通过绘制曲线图以 及表格来表现各个模块的水质变化过程，这样为工厂 进行参数的调整与修改提供了数据支持[10]。此外，对于 污水处理厂，软件还可以通过设置直接读取利用污水处 理厂的实际数据，是理想的企业对于工厂工艺建模的 模拟软件[11]。 基于上述的种种优势，本文通过G P S-X废水处理 软件对该厂脱墨漂白浆中段水和麦草浆中段水的工艺 处理流程进行建模仿真，旨在对其动态出水质量进行监 控，符合工厂要求出水水质。 2 模型的建立

2.1 造纸废水处理工艺 本次设计的三期废水处理工艺主要是由三级处理 构成，处理工艺流程见图1。 以图中的初沉池、二沉池及三沉池为节点分别对 应于废水处理中的一级处理、二级处理、三级处理，其 中二级处理是运用的A-O工艺。 此次设计相关的国内某造纸废水处理厂的废水来源分为两部分，即脱墨漂白浆的中段水和麦草浆的中段 水。其中该厂的一级处理，基于相关的物理原理，沉降 去除了污水中大量S S与不溶性C O D。二级处理是工厂 的主要污水处理部分，采用A-O工艺。而经二级处理后 的污水中仍残留的难生物降解的污染物便通过三级处 理的物理化学方法进行去除，至此，由三沉池溢流出的 水便可达到排放标准。从初沉池、兰美拉沉淀池及三沉 池排出的污泥经污泥浓缩池浓缩后加入PA M后进入板 框压滤机脱水，所得的泥饼进行焚烧处理或定期运送 填埋。

2.2 建模流程 通过GPS-X废水处理软件的模型建立过程如下:  (1）参照该厂的实际工艺流程，选择与实际生产部 件相匹配适应的模块，接着按实际工艺流程对模块进 行依次连接。 (2）输入各组件的尺寸和流量，确定输入的进水情 况。 (3）反复调整并最终确定与工厂实际相匹配的参 数，进行模型编译及调试，确保不出现运行错误，保证 模型的可靠性。 3 结果与讨论

3.1 GPS-X五日动态模拟结果 为确保建模的正确性与可靠性，选用工厂的平均 数据结合软件内置的比例模式作为验证。此处设定的数 值是根据该厂的参数而设置的每日的平均进水情况，然 而废水进水是一个动态过程，所以需要右键点击废水 进水模块>组分>装载类型的选择，将装载类型调整为 每天组成比例，接着调整比例因子，即可实现进水水质 的动态变化。除此之外，G P S-X支持调整装载类型为 每天数据，而后输入取样的实际工厂每日进水数据，就 能够模拟出真实的工厂进水情况。此情况将在下文结果 中继续介绍。 废水水质设定完成，还需继续设定废水的流量情 况，右键点击污水进水模块>流量>流量数据，同设置 进水参数类似地设置为动态进水流量。以上便是脱墨 漂白浆中段水的进水设置，麦草浆中段水采取同样的设 置，不再赘述。通过以上操作便可以验证该模型的正确 性与可靠性。 为较好地观察废水处理的情况，分别于脱墨漂白 浆中段水和麦草浆中段水的入水处、初沉池处、兰美拉 沉淀池处、二沉池处和最终排放口设置了五个取样观察 点，并在每个取样点绘制了关于废水流量、S S、C O D和 BOD5的动态变化图表，如此便可了解到过程中以及最终排放的废水水质情况。 通过将装载类型调整为每天数据，而后输入根据 每日平均进水数据模拟出的五日进水数据，此时便可 以大致反应出该厂的真实情况。如图2所示为模拟出五 天的动态结果,为展现出废水处理中的变化趋势，图2 中包含了入水处、兰美拉沉淀池处和最终排放口的水质 动态变化图表。最终排放口结果显示均符合该厂出水 COD<450 mg/L，SS<100 mg/L，BOD5<100 mg/L 的工艺要求，模拟符合该厂实际要求。

3.2 GPS-X七日动态模拟结果 在上一节五天的动态模拟结果的基础上，在考虑 到周六、周日双休日废水处理量下降的情况下，将模拟 仿真的时间由五天延长为七天，如此便更加符合该厂的 实际情况。由此可以得出该厂在动态变化下的七天模拟 结果。 如 图 3 所 示 为 七 天 的 动 态 模 拟 结 果 ，最 终 排 放口结果显示均符合该厂出水C O D<450 m g/L， S S<100 m g/L，B O D5<100 m g/L的工艺要求，模拟 符合该厂实际要求。

4 结论 废水处理系统是一个多变量的慢响应系统，难于 进行快速且有效地控制，其控制参数多且实际线下更改 参数控制运行操作难度大。本文采用G P S-X软件模拟 国内某造纸厂的废水处理流程，通过仿真动态运行发现 可以较好地反映工厂实际情况，能够在此基础上对该厂 在科学设计、参数更改、系统优化、员工教培训等方面开展深入研究。