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'应用生化动力学模型修复污水处理工艺缺陷宋和平嘉兴罗斯姆水务科技有限公司摘要活性污泥数学模型(ASM)是一个十分有用的污水处理厂运行管理工具，它模拟污水处理工艺，寻找工艺缺陷提出修补意见，达到优化污水处理工艺的目的。本文以嘉兴联合污水处理厂已运行的氧化沟工艺数据，建立小型试验装置采集生化动力学参数，应用STOAT软件进行IAWQ2（活性污泥动力学模型Ⅱ）建模，仿真模拟各种运行参数，寻找工艺缺陷，优化操作、提高处理效率，降低能源消耗。模型的建立可立即回答各种工艺问题。Activatedsludgemodelisanvaluabletoolformathematicalmodelingfordesignandoperationofbiologicalwastewatertreatmentprocesses.Itpresentsaconceptfordynamicsimulationofcombinedbiologicalprocesses.Itisatoolforprocessoptimizationandtroubleshootingatfull-scaletreatmentplantsanddesignassistance.ThispapershowedthemodelingofInternationalAssociationonWaterQuality(IAWQ2)undertheSTOATforCEPT+OxidationditchtreatmentprocessinJinxingunionwastewatertreatmentplantandwiththemodel,variousprocessparameterswereupdatedinordertoenhancetheremovalrates,reducetheenergyconsumptionandoptimizetheoperationalprocesses.Thebuiltmodelmayanswerdifferentprocessproblems.关键词：污水处理数学模型IAWQ2Keywords:wastewatertreatmentmathematicalmodelIAWQ2applicationofsoftware0．前言要提升一个污水处理厂管理水平，优化操作工艺，达到除碳，脱氮磷的目标，单凭经验已面临挑战。随着计算机技术的发展，应用数学模型管理污水处理工艺已成为现实，世界上优秀的污水处理专家开发了许多污水处理工艺数学模型，其中国际水质协会（IAWQ）研究的活性污泥IAWQ（ASM）数学模型最为广泛应用。污水处理的相关数学模型已被英国水研究中心编制成计算机软件（STOAT）。STOAT是设计及运行的工艺建模软件。可以模拟几十种污水处理工艺过程，设计及管理污水处理厂。软件具有活性污泥模型，生物膜模型，污泥处理模型，工艺控制模型等。本文应用STOAT计算机软件，选用IAWQ2生化动力学模型为嘉兴联合污水处理厂建立氧化沟工艺数学模型，修补工艺缺陷，提高出水水质。IAWQ2是STOAT软件中许多数学模型中的一个，根据嘉兴污水处理厂的实际构筑物情况，我们提出了化学强化一级(CEPT)+氧化沟进行工艺优化方案，并为该工艺建立生化动力学数学模型和小型试验装置，进行了IAWQ2生化动力学和化学计量参数的校正，经校正的IAWQ2模型能良好完成各项工艺运算，能预测水量、水质变化下的操作工艺；优化操作工艺，提高处理能力；分析工艺缺陷，降低运行成本，达到提高出水水质指导生产实践的目的。1．小型试验1 图1小型试验设备2工艺流程Fig.1pictureofthewastewaterpilotplantFig.2SketchmapofCEPT+Oxidationditch1.1试验工艺数据试验地点：嘉兴联合污水处理厂试验时间：2005.6.2-7.30处理能力：15t/d试验工艺：CEPT+好氧。进水来源：嘉兴联合污水处理厂进水水质装置负荷：好氧段水力停留时间4.5hr污泥负荷0.26-0.37kgBOD5/kgMLSS.d数据采集为2005.7.11-30连续20天的试验成果，进出水用ISCO6712自动采样仪每15分钟采集一次样品，每天96个样混合后分析。CODcr、BOD5、SS、Tp、NH3-N平均进出水水质见表1。表1平均出水水质及处理效果Tab.1Influentqualityandeffluencequality项目CODcrmg/lBOD5mg/lSSmg/lTpmg/lNH3-Nmg/l平均进水水质7012643414.4923.9平均出水水质13210.3322.0712.8去除率%819690.553.946.4进厂水质经过CEPT预处理，CODcr去除24.4%，为好氧生化处理提供了良好的条件。表2为CEPT处理效果。CEPT+氧化沟工艺CODcr去除率81%，总处理效果见表1，图3、4、5。表2CEPT进出水质Tab.2CEPTofInfluentqualityandeffluencequality项目进水水质CEPT出水水质去除率%CODcrmg/l701.4530.524.42.模拟结果与讨论2 经修正的生化动力学参数和化学计量参数的CEPT+IAWQ2模型对嘉兴联合污水厂已建装置进行优化工艺操作模拟。其验证后的CEPT+IAWQ2模型是优化工艺、预测处理效果的重要工具，可以回答了不同工艺操作条件下对出水水质的影响，污泥的增减量，最低供氧量，营养盐平衡问题及氨氮硝化进程等大量工艺问题。模拟基本参数见表3、4。模拟结果见图3、4、5。模拟应用污水厂实际的污水处理构筑物尺寸与实际进水水质和水力平均停留时间。模拟氧化沟的溶解氧DO与实际池子内的溶解氧一致，控制最大耗氧速率KLa=5，符合实际的最大供氧能力。表3污水处理厂主要构筑物Tab.3WWPTMainPools构筑物初沉池m3氧化沟m3二沉池m3参数构筑物尺寸6976144482*6873表4模拟基本参数Tab.4SimulateOperationalParameters项目处理水量(t/hr)水温(℃)PH水力停留时间参数(hr)进水水量水质312531-366.8-8.5好氧4.5hr900800700600500400CODmg/l300进水COD模拟值COD实测值COD20010001234567891011121314151617181920天图3CEPT工艺CODcr实测与模拟值Fig.2CEPTCODcrMeasuredandSimulatedResults3 900800700600500400模拟值COD实测值COD进水CODCODmg/l30020010001234567891011121314151617181920天图4CEPT+氧化沟工艺CODcr实测与模拟值Fig.4CEPT+CODcrMeasuredandsimulatedresults45实测值NH3-N模拟值NH3-N进水NH3-N4035302520NH3-Nmg/l1510501234567891011121314151617181920天图5NH3-N实测与模拟值Fig.5NH3-NMeasuredandSimulatedresults3．工艺优化嘉兴市联合污水处理厂处理能力30万吨/日，采用初沉+氧化沟工艺。由于设计水质负荷与实际水质负荷上的差异使污水处理工艺不能达到正常运行状态，排放水质不能达到标准。这对污水处理厂的管理是一个挑战。迎接这个挑战不仅需要现实的工作经验，还需要新技术的支持。这个新技术就是世界水质协会（IAWQ）发展的活性污泥法模型（ActivatedSludgeModels）。活性污泥数学模型是揭示微生物生长内在规律，分析工艺缺陷，验证运行结果，优化工艺和解决污水处理厂实际问题的新技术。经模拟-试验-模拟，分析了该工艺的实际情况，提出了CEPT+氧化沟处理的改进方案，并运用校正后的模型进行工艺参数的优化，回答了处理效果、营养平衡、污泥产生量、氧增加量、药剂量、增加处理费用、工艺控制条件、新增设备量、总的改造资金等问题。3.1磷含量对污水处理的影响4 在污水处理中磷对微生物生长起着重要，有效磷含量少了影响处理效果，多了需要脱磷。嘉兴联合污水处理厂以工业污水为主，有效磷偏少，影响污泥产率和处理效果。问题的发现有助于工艺的改进。本节模拟进水水质见图3、4，表1。表1表明，进水水质Tp3.2-5.8，污泥产率系数YH.a控制在0.35CODcrg/CODcrg，这样的污泥产率只有正常值的55%。污泥产率系数下降主要原因是缺少有效磷源，使得微生物生长速率慢，代谢速度缓慢。污泥产量少，就不敢排泥，污泥在长泥龄时不断自身氧化，分解的磷源供新生代微生物所用，导致泥龄长达52天。污3-泥老化，菌胶团松散，出水SS增加。模拟当加入P043mg/l，污泥产率提高到0.6CODcrg/CODcrg/l，污泥排放量增加，污泥龄达到正常值，CODcr去除率提高18.4%，出水质可以保持在排放标准内。模拟结果见图6。16014012010080CODmg/l6040Tp3-6mg/lTp5-8mg/l2001234567891011121314151617181920天图6磷Tp3-6mg/l,5-8mg/l模拟处理出水的影响Fig.6TheimpactoneffluentqualityundersimulateTpconcentration3-6mg/Land5-8mg/L3.2最低氧消耗量IAWQ2模型将氧化沟分成9段，每段最大耗氧速率设定KLa=5，第一段到第5 7060504030O2kg/hr201001149297445593741889103711851333148116291777192520732221236925172665281329613109325734053553370138493997/9hr图7最小需氧量Fig.7minimumquantityofoxygenconsumption九段最小耗氧量见图7。模拟表明最小耗氧量544kg/hr。如果氧化沟上每片转蝶充氧量1kgO2/hr，18组转蝶充氧能力达到558kgO2/hr，当然这样的运行将是不安全。计算表明安全的设备供氧量在750kg/hr，需要每条线增加一台罗茨风机，备用一台，以保证耗氧量的需求。增加罗茨风机为51.5m3/min，每小时可供氧量约O2=143kg/hr。能耗75Kwh。3.3污泥产生量模拟的CEPT和氧化沟污泥生产量见表5。表5CEPT、氧化沟污泥生产量Tab.5SludgeQuantityofCEPTandOxidationditch污泥CEPT污泥(t)活性污泥(t)合计含水率日排泥量小时排泥量日排泥量小时排泥量(日排污泥量)干污泥12.90.5412.10.50425含水率64.52.760.482.52124.98(80%)4.IAWQ2动力学参数主要修正的IAWQ2动力学参数和化学计量参数见表6。表6主要修正的动力学参数Tab.6Mainupdateddynamicparameterso参数典型值20C修正值异养菌最大生长速率-μH,max(day-1)67自养菌最大生长速率-μA,max(day-1)10.8异养菌半饱和系数Ks(g/CODm-3)2040自养菌氨半饱和系数KNH（g/Nm-3）1.00.75-1自养菌氧半饱和系数KO,H(gO2g/m-3)0.20.18-1异养菌氧半饱和系数KO,A(gO2g/m-3)1.01.0-1异养菌死亡系数bH,a（day）0.620.264-0.196 -1自养菌死亡系数bA。n（day）0.010.05-0.15异养菌产率系数YH.a(gCOD/gCOD)0.630.35-0.6自养菌产率系数YH.a(gCOD/gCOD)0.240.2不沉淀颗粒0.0010.025.结论1、修正动力学参数的IAWQ2模型的模拟结果与嘉兴联合污水处理厂实际运行数据吻合，验证了模型的实用性能。验证建立的CEPT+IAWQ2模型是优化污水处理工艺的重要工具。2、增加的CEPT工艺起到削减冲击负荷进入生化池的作用，控制生化池运行负荷。本模拟加三价铁17mg/l，CODcr去除率达到24%与小型试验结果一致。3、为了保证处理水量，需要在高污泥负荷的工况下运行，CODcr负荷1.2kgCODcr/kgMLSS.d。污泥负荷的控制是污水处理工程的设计和运行中重要的参数。将影响供氧量，出水水质及生物生长速率等。3-4、足够的有效磷对处理出水有重要影响，模拟当加入P043mg/l，污泥产率提高到0.6CODcrg/CODcrg/l，污泥排放量增加，污泥龄达到正常值，CODcr去除率提高18.4%，出水质可以保持在排放标准内。5、供氧量与水质中有机物浓度及氨氮硝化程度有关，当好氧池供氧不足时出水水质就会变差，硝化程度大为降低。污水处理厂需要配有足够的风机对付缺氧的时段。参考文选1HenzeandGujer.ActivatedSludgeModelNo2,IAWQScientificandTechnicalReportsNo3,IAWQ,ISSN1025-0913,London,1995.2DrolkaandPlazlTheresultsofMathematicalModelandpilotplantresearchofWastewaterTreatment.ModelandWastewaterTreatment,Chem.Biochem.Eng.Q.15(2)71-74(2001)3GujerandLarsen.TheImplementationofBiokineticsandConservationPrinciplesinASIM.Wat.Sci.Tech.Vol.31.No.2pp.257-266.1995作者简介：宋和平，男，1952年7月出生，1976年毕业于浙江大学化学工程专业，工程师。从事环境保护管理及研究工作，现任嘉兴罗斯姆水务科技公司经理。联系地址：嘉兴罗斯姆水务科技有限公司浙江嘉兴城南路1369号一号楼609室宋和平7'