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'第23卷第14期中国给水排水Vo.l23No.142007年7月CHINAWATER&WASTEWATERJu.l2007数学模拟技术用于污水处理工艺的运行诊断与优化11,213333郝晓地,宋虹苇,胡沅胜,郝二成,周军,甘一萍,王洪臣(1.北京建筑工程学院可持续环境生物技术研发中心,北京100044;2.内蒙古工业大学土木工程学院,内蒙古呼和浩特010051;3.北京城市排水集团有限公司,北京100063)2摘要:采用TUD模型与AQUASIM模拟软件对某大型市政污水处理厂倒置A/O工艺的运行问题进行诊断,同时提出优化运行方案并进行了模拟预测。结果表明,进水中的碳源特别是挥发性脂肪酸(VFA)不足和厌氧水力停留时间(HRT)太短是导致脱氮除磷效果不佳的主要原因。针对这两大问题,提出了曝气池分区重组、外加碳源、总进水超越初沉池、UCT改造以及结合磷回收等优化运行和工艺改造方案,并通过模拟预测了各种改造方案可能出现的较好运行效果。2关键词:污水处理;倒置A/O工艺;数学模拟;诊断问题;运行优化;挥发性脂肪酸;厌氧水力停留时间中图分类号:X703.1文献标识码:C文章编号:1000-4602(2007)14-0094-06ApplicationofMathematicSimulationTechnologytoTrouble-shootingandOperationalOptimizationofWastewaterTreatmentProcesses11,213HAOXiao-di,SONGHong-wei,HUYuan-sheng,HAOEr-cheng,333ZHOUJun,GANY-iping,WANGHong-chen(1.R&DCenterforSustainableEnvironmentalBiotechnology,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China;2.SchoolofCivilEngineering,InnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot010051,China;3.BeijingMunicipalDrainageGroupCo.Ltd.,Beijing100063,China)2Abstract:TheoperationproblemsofreversedA/Oprocessinalargemunicipalwastewatertrea-tmentplantwerediagnosedusingTUDmodelandAQUASIMsimulationsoftware,andtheoptimizationschemeswereproposedandsimulated.Theresultsshowthatlackofcarbonsource,especiallyVFA,intheinfluentandshorteranaerobicHRTarekeyfactorstolimitnutrientremova.lTowardsovercomingthesetwoproblems,someoptimizationmeasureswereproposedandsimulated,suchasreconfigurationofaerationtanks,additionofexternalcarbonsource,bypassingtheprimarysettler,reconstructionofUCTsystemandcombinationwithphosphorusrecovery.Itwaspredictedbysimulationthatgoodoperationre-sultsmayoccurbytakingeachproposedoptimizationmeasure.2Keywords:wastewatertreatmen;treversedA/Oprocess;mathematicsimulation;trouble-shooting;operationoptimization;VFA;anaerobicHRT基金项目:北京市可持续水与废物循环利用技术/学术创新团队0项目(BJE10016200611);北京市自然科学基金资助项目(8052011);国家高技术研究发展计划(863)项目(2006AA06Z320)#94# www.watergasheat.com郝晓地,等:数学模拟技术用于污水处理工艺的运行诊断与优化第23卷第14期数学模拟技术并非为了模拟而模拟,更不是单211进水中VFA不足纯为了展示拟合实测数据的技巧。拟合实测数据只通过初步模拟评价可知,污水中易生物降解是为使人们相信模拟的准确性和有效性。实际上,COD浓度(SS)尤其是其中VFA浓度(SA)会显著影有效的模拟可以用于工艺方案比较与工艺设计、问响生物除磷系统性能。在动态模拟分析中,再次证题诊断与运行优化、试验定向与工程放大。数学模实了系统中SA不足确实是制约除磷效果的主要因拟技术的这些作用目前在国际上越来越广泛地用于子。通过动态模拟[见图1(a)]发现,由缺氧区进[1~4]工艺研发、工艺设计和工艺运行。入厌氧区的SA极低,不足2mg/L(与实测值0~3对污水处理厂运行工况进行数学模拟的最终目mg/L相符),它与第二点进水(0.3Qin)中的VFA的是为了诊断问题并优化运行。在对污水处理厂运(SA=13mg/L)混合后,进入厌氧区时的平均实际行工况取得满意模拟效果的前提下,运用模拟技术SA也仅为5.3mg/L。诊断运行中存在的问题比传统经验方法或试验方式为进一步验证进水VFA浓度(SA)对除磷效果省时、省力,而且可以从理论上逐一弄清影响运行的的影响,模拟试验还采用了另外一座污水处理厂的2关键因子。目前,在荷兰已有100多座污水处理厂倒置A/O工艺水质数据进行模拟预测[见图1实现了数学模拟诊断运行问题,并在此基础上对运(b)、图2],并与实际运行数据进行对比。图1(b)[1、2]行进行了优化。显示,该污水处理厂由缺氧区进入厌氧区进水中早先的一些工作已实现了对北京某大型市政污VFA浓度(SA)高达50mg/L以上,再加上第二点进2水处理厂倒置A/O工艺的数学模拟(静态与动水中的VFA,远远超过初步模拟评价中的最低值(25[5]态),而且总结出一套适合我国污水处理厂采用mg/L)。显然,对照污水处理厂进水有机物含量不[6]的水质特性化方法。在此基础上,针对该污水处会成为生物除磷的限制性因子,这一推论可从图22理厂倒置A/O工艺运行中存在的问题,采用数学中得到证实。图2显示,出水TP甚至可以达到0.5+模拟方法首先诊断问题症结,然后提出运行优化措mg/L,与此同时出水NH4-N[5mg/L,也能达到施并通过数学模拟予以验证。一级A排放标准。1对运行状况的初步模拟评价2该污水处理厂倒置A/O工艺对BOD5的去除率为91.2%,SS去除率为90.2%,TN去除率为40%,TP去除率为40%。该工艺属于低负荷运行,对有机物的去除效果较好,但对TN、TP的去除率还未达到50%。利用在静态模拟时校正的工艺模型(TUD)在均值水量、水质情况下对此工艺做出初步2分析评价:在倒置A/O工艺中并没有发生反硝化2除磷现象;倒置A/O工艺系统中,10~15e是聚磷菌(PAOs)不被其他菌属抑制而富积生长的适宜温度;曝气池第三廊道中DO的最佳控制浓度应为0.5mg/L;强化生物除磷PAOs出现的最小污泥龄应为8d,而最佳的污泥龄不应小于12d;适宜的回流比(R)应控制在60%左右;好氧区占曝气池的体积比(fv)宜为3/5~2/3;SS/(SS+XS)为0.5~0.7时,出水TP浓度较低;易生物降解有机物(SS)中的挥发性脂肪酸(VFA:SA)越多对除磷越有利,需使SA图1试验污水厂和对照污水厂缺氧区出水残余VFA25mg/L。Fig.1ResidualVFAineffluentofanoxicsectionoftest2工艺运行问题诊断WWTPandcontrolWWTP#95# 第23卷第14期中国给水排水www.watergasheat.comHRT远不足以使水解和发酵充分进行。在自身进水VFA含量不足的情况下,PAOs并不能间接获取更多的VFA用以生物除磷。综上所述,厌氧HRT也是影响脱氮除磷的主要因素之一。但究其根本,症结还在VFA缺乏上。23倒置A/O工艺的运行优化模拟分析311曝气池分区重组方案针对上述分析得到的厌氧HRT太短这一问题,结合初步分析评价中得到的最佳好氧区比例,将系统中原有缺氧、厌氧、好氧区体积比(V1BV2BV3=1B1B7)调整为V1BV2BV3=1B2B6,目的是通过增大厌氧区体积来延长厌氧区HRT,从而为间接获取更多VFA创造工艺条件。结合初步分析评价中建议的运行参数(SRT=8d、DO=0.5mg/L、R=60%),动态模拟曝气池分区重组后的运行工况,结果见图3。图3(a)显示,出+水NH4-N为10mg/L左右,TP为1mg/L左右。图2对照污水处理厂的模拟结果此外,剩余污泥量也可明显减少[如图3(b)所示]。Fig.2SimulationresultsincontrolWWTP对照污水处理厂实际污水(总进水,无初沉池)的COD与VFA水质分析显示,进水COD为400~600mg/L,其中VFA占10%~20%,比试验污水处理厂进水VFA(占6.5%)要高得多。因此,碳源不足特别是VFA的缺乏是试验污水处理厂影响脱氮除磷效果的/瓶颈0。212厌氧水力停留时间(HRT)太短促进PAOs过度吸磷的本质动力与厌氧区水力停留时间(HRT)和厌氧环境的厌氧程度(硝酸氮浓[3]度的大小)有关,在一定范围内厌氧环境的HRT越长,厌氧程度越充分,PAOs的吸磷动力越强。VFA来源有两个:进水本身含有,或者由兼性异养菌(HMOs)对溶解性易发酵有机物(SF)进行水解而产生,但水解取决于厌氧HRT的长短。从总体上说,水解反应和发酵反应都是通过专性厌氧细菌进行的,同时由于专性厌氧细菌的生化效率很低,上述过程需要较长的HRT。图3曝气池分区重组后模拟结果Andrews和Pearson曾利用溶解性有机污水和Fig.3Simulationresultsafterreconfigurationofaeration无机合成污水对厌氧发酵过程的VFA产生动力学tanks[7]规律进行了研究。结果表明,当HRT=2.5d时312外加碳源方案反应器内的VFA浓度最高。然而,实际除磷工艺的上述方案是间接增加系统中的VFA,而最直接设计厌氧HRT往往低于2.5d,在本例试验污水处有效的解决办法莫过于向进水中投加碳源,如甲醇理厂厌氧区HRT仅为45min,显然如此低的厌氧或短链脂肪酸(乙酸等)。根据初步分析评价中对#96# www.watergasheat.com郝晓地,等:数学模拟技术用于污水处理工艺的运行诊断与优化第23卷第14期SS/(SS+XS)分析得到的最佳控制范围(0.5~-N与TP都能达标,而且出水COD及TSS也不会0.7),使现有系统进水VFA浓度(SA)升至25mg/L由于总进水负荷的增大而超标,仍在系统所能承受有利于脱氮除磷,换算为投加甲醇量为500kg/d。的处理范围之内。此时,VFA约占进水COD的15%,而SS/(SS+XS)为0.63。模拟结果见图4。可见,投加碳源后的系+统运行效果大为改善,出水NH4-N可降至5mg/L,TP可达1mg/L左右;剩余污泥量也可减少约3003m/d。图5总进水超越初沉池后模拟结果Fig.5Simulationresultsafterbypassingprimarysettler314UCT工艺改造方案2根据初步模拟评价,倒置A/O工艺设计中忽略了反硝化除磷作用,使原本可以合二为一的除磷图4投加碳源后的模拟结果(SRT=8d,R=60%)与脱氮过程分裂,以致完全对立起来。实际上,在常2Fig.4Simulationresultswithexternalcarbonsource规的UCT或A/O工艺中,普遍存在着反硝化除磷(SRT=8d,R=60%)作用。2313总进水超越初沉池改造方案如果在不改变曝气池容积情况下将倒置A/O另一种增加碳源或VFA的/自给自足0方案是工艺改造为UCT工艺,从理论上讲可利用UCT中使污水处理厂的总进水超越初沉池,直接分点进入的反硝化除磷作用节省碳源。模拟试验表明,在取曝气池。这样,可以提高系统中的SS或SA。总进消UCT工艺中从好氧区至缺氧区的内回流后,处理水水质见表1。经实际测定,总进水中VFA为25~效果仍能得到较大改善(见图6)。35mg/L左右,约占总进水COD的10%。从理论上讲,可以在一定程度上利用原水直接解决VFA不足的问题。表1总进水水质-1Tab.1Influentdatamg#L+-3-水质指标CODTNNH4-NNO3-NTPPO4-PTSS数值35349.133.30.495.943.83324采用建议的运行参数,模拟试验结果见图5,采+用超越改造方案后的出水水质明显好转,TN、NH4#97# 第23卷第14期中国给水排水www.watergasheat.com2如图7所示,以现有倒置A/O脱氮除磷工艺为主要流程,在厌氧区R3末端设置一挡板进行泥水分离,让分流上清液QSN进入化学沉淀池中,调节2+pH值或投加化学药剂(Mg盐)使磷化合物以沉淀形式(如鸟粪石MgNH4PO4#6H2O形式)析出。磷沉淀后的上清液再回到主流工艺,参与后续生物除磷作用。[8]2根据郝晓地等人对A/O工艺结合磷回收的模拟试验研究结果,在生活污水(以地下水为主要图6改造为UCT工艺后模拟结果(r2=0,水源的饮用水中就含有大量钙、镁离子)本身含有SRT=7d,R=50%,r=150%)1大量钙、镁离子情况下,只需投加Ca(OH)2或Fig.6SimulationresultswithareformedUCTsystemNaOH将pH值调节到9以上即可实现磷回收;在侧315结合磷回收工艺改造流比(进入化学沉淀池的厌氧上清液QSN与进水Qin用化学除磷辅助生物除磷通常也是改进除磷效的比值)为20%时,磷的总回收率为34%(沉淀池果的有效手段。传统做法是向进水或曝气池中投加内磷的沉淀效率为95%),同时可节约生物除磷过Fe(OH)3等化学药剂,将进水中部分磷通过沉淀去程中25%~30%的碳源,即相对增大了后续生物除除。然而,这种做法也存在着明显的弊端:①在进水磷的COD/P值。这与郝晓地等利用数学模拟技术中投加化学药剂将使初沉污泥的可生化性降低,影[9]得到的模拟试验结果基本一致,在保证出水水质响其厌氧消化效果;②如果在曝气池中投加化学药达标(TP[1mg/L)的情况下,进水最小COD/P(可剂势必导致一些SRT较长的细菌(如硝化菌和生物降解COD)值可由20降低到10,此时的磷回收PAOs)在曝气池中沉淀,从而影响这些细菌的数量;率为36%。显然,这对于提高碳源不足的污水处理③对二沉池出水实施化学除磷(即所谓的深度处厂的生物除磷效果具有非常积极的作用。理),所需化学药剂投量大而除磷效果未必明显。2利用模拟可以确定现有倒置A/O脱氮除磷工因此,传统化学除磷辅助手段已逐渐被淘汰,代之以艺系统结合磷回收的最佳侧流比为0.16,即从厌氧化学磷回收与生物除磷相结合的方式进行。区上清液中分流出16%进入磷沉淀池时出水水质理论和实践均已表明,将化学除磷与生物除磷最佳(见图8),此时磷的回收率为25%。当侧流比合二为一,能将两者的优点有机结合在一起,发挥各大于此值时将增大磷回收的成本,而且除磷效果也自的优势,达到优化出水水质的目的。由于全球磷将受到消极影响。资源的日益匮乏,化学除磷当今以磷回收的形式进行已渐成有目共睹的国际趋势。2倒置A/O工艺结合磷回收改造工艺方案如图7所示。图8结合磷回收工艺模拟预测结果Fig.8Simulationresultsincombinationwithphosphorusrecovery图7倒置A2/O工艺结合磷回收改造工艺方案4结语2Fig.7ReconstructionschemeofreversedA2/Oprocess通过模拟诊断,发现试验污水处理厂倒置A/Oincombinationwithphosphorusrecovery工艺运行中最主要的问题在于进水中可利用碳源#98# www.watergasheat.com郝晓地,等:数学模拟技术用于污水处理工艺的运行诊断与优化第23卷第14期(VFA)不足,其次是厌氧区停留时间(HRT)太短。erlands:DelftUniversityofTechnology,2001.针对这两大问题,提出了相应的优化运行和改造方[5]郝晓地,宋虹苇,胡沅胜,等.采用TUD模型及缺省参2案,如曝气池分区重组、外加碳源、总进水超越初沉数模拟倒置A/O工艺运行工况[J].中国给水排水,2007,23(5):1-4.池、实施UCT改造以及结合磷回收的工艺改造方案[6]郝晓地,宋虹苇,胡沅胜,等.数学模型应用中的关键等,并通过模拟预测了各种改造方案可能出现的较步骤)))污水水质(COD)特征化方法[J].中国给水好运行效果。排水,2007,23(13):7-10.[7]AndrewsJF,PearsonEA.Kineticsandcharacteristicsof参考文献:volatileacidproductioninanaerobicfermentationprocess[1]郝晓地,甘一萍,周军,等.数学模拟技术在污水处理[J].JAirWaterPollut,1965,9(7-8):439-461.工艺设计、优化、研发中的应用(上)[J].给水排水,[8]郝晓地,戴吉,周军,等.磷回收促进生物除磷作用试2004,30(5):33-36.验验证[J].中国给水排水,2006,22(17):22-25.[2]MeijerSCF.Theoreticalandpracticalaspectsofmode-l[9]郝晓地,戴吉,MarkvanLoosdrecht.采用数学模拟评ingactivatedsludgeprocesses[M].Delft,theNether-价生物营养物去除工艺的除磷效果[J].中国给水排lands:DelftUniversityofTechnology,2004.水,2006,22(5):30-34.[3]郝晓地.可持续污水)废物处理技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.电话:(010)68322128[4]HAOXiaod.iMode-lbasedoptimizationofsustainableb-iE-mail:haoxiaod@ibucea.edu.cnologicalnutrientremovalprocesses[M].Delft,theNeth-收稿日期:2007-03-21#99#'