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全耦合活性污泥模型在A+A2/O工艺污水处理厂中数值模拟应用(1)

返回列表发布人:tianrenhn   发布时间:2018-10-15  09:28:52

1 引言(Introduction)

  在中国, 随着社会经济的高速发展, 环境问题也越来越突出, 尤其是污水处理问题.为了缓解环境压力, 我国提高了污水处理厂各类污染物的排放标准, 河南化工废水处理,因此, 许多污水处理厂都需要进行提标改造以适应新标准.目前, 大多数污水处理厂都采用活性污泥法进行处理, 具有运行费用低、二次污染少、去除效果好等特点, 是现阶段应用最广泛的污水生物脱氮除磷技术(Katipoglu-Yazan et al., 2013; 2015;Lv et al., 2014).污水厂中污染物主要依靠活性污泥系统中微生物的代谢作用去除.由于我国各地环境条件差异较大, 因此, 各地区污水处理厂的进水水质、水量不尽相同.活性污泥系统中微生物的活性也随温度、进水水质及水量的变化而产生改变, 从而影响污水处理厂的生物处理效果(张玲玲等, 2012;Roeleveld et al., 2002).

  目前, 我国大多数污水处理厂的运行管理主要是基于人工经验模型, 无法根据进水水质、水量的波动及时优化调整工艺参数, 导致污水处理厂出水难以稳定达标,河南化工废水处理, 另外也可能造成了资源的过度浪费.因此, 若能实现污水处理厂智能化反馈控制, 并结合工艺模型的模拟结果分析, 将有助于提高污水厂工艺优化效率, 显著降低污水处理工艺参数优化控制试验的成本, 最终实现对污水厂工艺的最优化设计与运行(周雪飞等, 2004).张代钧等(2003)利用ASM1模型, 用MATLAB开发出了一套模拟App, 对污水处理厂中COD和氨氮去除过程进行数值模拟, 并得出了该污水厂运行的最佳工艺参数.河南化工废水处理,另外, Kaelin等(2009)通过对ASM3模型结构的优化, 准确模拟了两步硝化-反硝化过程中亚硝酸盐氮的变化过程.朱向东等(2007)通过ASM2d模型对北京某污水厂的运行工艺进行数值模拟, 试验结果表明, 在模型提供的参考值的基础上, 通过对该厂进水特征的分析, 能够提高模型对运行工艺模拟的准确度.Yang等(2013)通过FCASM4机理模型对绍兴市某污水处理厂进行了工艺建模和工艺优化研究, 模拟结果表明, FCASM4机理模型能对该厂的氧化沟运行过程较好地模拟, 并经过模型对该厂工艺参数的优化控制, 解决了该厂冬季氨氮出水浓度难以稳定达标的问题.然而大部分的研究都忽略了由于各地污水处理厂污水源的水质特征、工艺运行参数及工况特征的差异而产生的各污水处理厂中微生物群落结构的差异.这一差异将最终影响系统中微生物的动力学参数和耗氧速率, 导致模型动力学参数的默认值与实际动力学参数值的不一致.另外, 也有可能产生模型组分划分不合理的问题, 导致模型无法真实反映污染物去除过程.因此, 若要提高模型的准确度, 就有必要测定污水处理厂的进水水质特征及微生物的动力学参数.

  本研究基于全耦合活性污泥3号模型(Fully Coupled Activated Sludge Model No.3, 简称FCASM3), 建立杭州某污水处理A+A2/O工艺模型(孙培德等, 2006;2007;Sun et al., 2009).然后, 通过进水水质特征分析和动力学参数的测定, 完成模型参数的识别工作, 以大幅提高模型预测的精度.最后, 通过模拟确定该厂的最佳运行工况条件, 以解决该厂在运行过程中出水总氮(TN)难以稳定达标的问题, 为实现智能化污水处理厂提供理论基础和技术保障.

  2 材料与方法(Materials and methods)2.1 污水处理厂工艺概括

  本文以杭州市某污水处理厂为研究对象, 该厂采用改良A+A2/O污水二级处理工艺和微絮凝过滤深度处理工艺.污水处理工艺概化图如图 1所示.一期出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)的一级A标准要求(CODCr≤40 mg·L-1);二期工程实施后, 出水水质实行“AA标准”(TN≤10 mg·L-1).污水处理厂技术参数如表 1所示, 2017年上半年进水水质年均值列于表 2.

  图 1


  图 1污水处理工艺流程图

  表 1 污水处理厂技术参数

  表 2 2017上半年进水水质年均值



  2.2 污水处理厂运行数据的动态监测

  为了探究该厂各个生物处理单元的污水处理效果及运行性能, 确定模型的初始条件、边界条件、好氧池的曝气特征及水质组分浓度变化情况, 本研究对该厂的生物处理单元进行水质动态监测, 以满足工艺模型建立的运行特征及精度要求.此次运行数据的监测, 河南化工废水处理,污水处理厂的生物处理单元均布置动态监测点, 具体监测点位置见图 2.取3个平行样, 现场测定的常规水质指标, 如化学需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3--N)、亚硝酸盐氮(NO2--N)、总氮(TN)和正磷酸盐(PO43--P)等各个生物处理单元的浓度值, 具体测定方法参考《水和废水监测分析方法》(第4版)(魏复盛, 2002).

  图 2

  图 2动态监测点位置示意图(☆表示监测采样点)

  2.3 呼吸试验方法2.3.1 呼吸试验设置

  本试验所用反应器为1 L密封的呼吸瓶.反应器进水通过磁力循环泵将进水排入反应器中.呼吸瓶采用磁力搅拌, 搅拌器的转动速率控制在200~250 r·min-1, 以保证反应器内泥水充分混合, 同时内部设有微孔曝气头及溶解氧探头以提供良好的曝气环境.整套装置的运行由“污水智能控制系统”控制和调节磁力循环泵、搅拌器和曝气泵的开启与关闭, 从而实现实时地监测呼吸瓶反应过程中溶解氧变化情况及反应器的连续运行.

  2.3.2 进水水质组分测定

  FCASM3模型中SO2、SNH4、SNO3、SNO2、SPO4、SALK、XTSS等组分(文中符号含义见文献(孙培德等, 2008))通过常规指标的测定可以直接获得.FCASM3组分简单定义详见表 3.具体测定方法参考《水和废水监测分析方法》(第四版)(魏复盛, 2002).根据污水处理厂进水水质特征分析可知, SS、SI、XI、XS需通过与COD确立转换关系计算其各自的浓度, 其余模型组分则可假定在进水中的浓度近似为零.本实验采用好氧间歇呼吸计量法, 通过绘制耗氧速率(OUR)曲线测定进水中易生物降解物质(SS)和慢速可降解基质(XS)的浓度值, 建立与COD之间的转换关系式, 再测定溶解性COD, 分别求出对应的溶解惰性有机物(SI)和惰性不可生物降解有机物(XI).从污水处理厂生物池进水口处取0.2 L进水放置在1 L的呼吸试验瓶中, 河南化工废水处理,并向呼吸瓶中投加2.5 mg硝化作用抑制剂丙烯基硫脲(ATU), 避免硝化反应对耗氧速率造成影响, 利用溶解氧探针监测呼吸瓶反应过程中溶解氧的变化情况, 绘制OUR呼吸速率曲线.根据SS和XS所引起的OUR积分面积再减去微生物内源呼吸的OUR积分面积, 再利用FCASM3公式计算各组分的浓度(刘芳等, 2004;樊杰等, 2012;Dulekgurgen et al., 2006).进水水质组分的确定方法列于表 4.SS和XS则可由公式(1)和(2)得到.

表 3 FCASM3组分简单定义

 

表 4 进水水质组分的确定方法

 


(1)

(2)

  式中, VT为反应器体积(L);VW为所加污水体积(L);YSTO, 河南化工废水处理,O2为XSTO的好氧产率系数;t1、t2为耗氧曲线中对应的拐点时间(min);R1、R2、R3为耗氧曲线中对应的OUR(mg·L-1·h-1)数值.


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