好氧污水处理工艺的稳态与动态模拟.pdf 6页

'第34拳第4期环境科学Vo1．34．NO．42Ol3年4月Apr．，2013ENVIR0NMENTALSCIENCE多模式厌氧／缺氧／好氧污水处理工艺的稳态与动态模拟周振，吴志超，王志伟，杜兴治，蒋玲燕，邢灿(1．上海电力学院环境与化学工程学院，上海200090；2．同济大学环境科学与工程学院，污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092；3．上海城投污水处理有限公司，上海201203)摘要：数学模拟是污水处理系统教学科研、工艺评估、运行优化和自动控制的重要工具，在污水处理厂中得到了广泛应用．利用过程数据对ASM2d模型进行校正，并分析评估了校正模型在多模式厌氧／缺氧／好氧(AAO)工艺3个模式l5个工况下稳态模拟及AO模式下动态模拟的可靠性．15个工况的稳态模拟表明，校正模型能准确模拟污泥浓度和出水水质；在AO模式的动态模拟中。模拟曲线与出水水质以及污泥浓度的变化趋势相一致，模拟结果具有较高的准确度．关键词：污水处理；模拟；活性污泥；数学模型；厌氧／缺氧／好氧工艺中图分类号：X11文献标识码：A文章编号：0250．3301(2013)04—1442．06ModelingandDynamicSimulationoftheMultimodeAnaerobic／Anoxic／AerobicWastewaterTreatmentProcessZHOUZhen，WUZhi-chao，WANGZhi—wei，DUXing—zhi，JIANGLing—yah，XINGCan(1．CollegeofEnvironmentalandChemicalEngineering，ShanghaiUniversityofElectricPower，Shanghai200090，China；2．StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse，CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，China；3．ShanghaiChentouWastewaterTreatmentLimitedCompany，Shanghai201203，China)Abstract：Mathematicalmodelingisausefultoolforprofessionaleducation，processdevelopment，designevaluation，operationaloptimizationandautomaticcontrolofthewastewatertreatmentsystem，andhasbeenextensivelyappliedinnumerousfull—scalewastewatertreatmentplants．TheASM2dmodelwascalibratedbytheprocessdata，andusedtosimulate15operationaltestrunsofthemuhimodeanaerobic／anoxic／aerobic(AAO)process．Aftercalibration，themodelwascapableofsimulatingthesludgeconcentrationsandefluentdatain15testrunsofthemuhimodeAA0system．Thedynamicsimulationresultsshowedanoverallgoodagreementbetweenthemeasuredandsimulateddata，forbothefluentdataandsludgeconcentrations，withagoodreproductionofdynamicprocessesinAOtestruns．Keywords：wastewatertreatment；simulation；activatedsludge；mathematicalmodel；anaerobic／anoxie／aerobieprocess污水生物处理系统的数学模拟是利用数学模和AO模式15个运行工况下稳态模拟及AO模式下型类比复杂的生化反应以寻求过程规律的一种方动态模拟中的准确性，以评估数学模拟在同一进水法，是数学模型在污水处理厂应用的关键性步条件、不同运行工艺下应用的可靠性．骤,21．自从活性污泥数学模型(ASMs)推出以1材料与方法来，数学模拟在污水处理厂的应用得到了快速发展，并出现了许多专业模拟软件．污水处理系统1．1试验装置与运行工况的数学模拟具有4方面的重要作用：①教学科研，多模式AAO试验装置位于白龙港污水处理厂，共设3套，其选择池、缺氧池、厌氧池和好氧池的有通过模拟加深对流程的理解，并根据构思开发新效体积分别为2．7、18．9、10．8和52．8L；二沉池工艺’；②工艺评估，通过模拟评估对比多个工体积为62．4L，深度为1．051TI．多模式AAO工艺可艺方案，在升级改造处理中应用较多’；③根据季节变化、排放要求和进水情况通过内回流的运行优化，通过工艺策略选择提高工艺稳定性，改回流点调整或启闭在AAO、倒置AAO和AO模式善出水水质、降低系统能耗“；④自动控制，将间灵活切换，如图1所示．工艺模型简化后纳入自动控制算法中，提高系统的控制品质．收稿日期：2012—07—27；修订日期：2012-09-05本研究将以多模式厌氧／缺氧／好氧(AAO)工基金项目：国家高技术研究发展计划(863)项目(2012AA063403)；上海市晨光计划项目(2011CG60)；上海市教委科研创艺为对象，以倒置AAO工艺的运行数据校正新项目(12YZ137)作者简介：周振(1981～)，男，博士，副教授，主要研究方向为污水处ASM2d模型，并分析校正模型在AAO、倒置AAO理原理与技术，E—mail：zhouzhen09@yahoo．tom．cn 4期周振等：多模式厌氧／缺氧／好氧污水处理工艺的稳态与动态模拟污水以恒定流量(Qi)200L·d以分段进水方25％～200％．好氧池溶解氧(DO)和pH分别控制式分别进入装置选择池和厌氧池，以分段进水因子，为2．5mg·L和7．0～7．5．污泥龄(SRT)通过剩余表征进入选择池的水量占总进水量的体积分数．污污泥排放控制为10～20d．试验主要工况操作条件泥内外回流比(r和R)范围分别为25％～100％和如表1所示．图1多模式AAO系统的工艺模型Fig．1RuntimemodelofthemuhimodeAAOprocess裹1多模式AAO现场试验工况参数与进水水质表Table1Operationalparametersandinfluentpollutantsofpilot·scalemultimodeAAOtestrllns1．2样品采集与分析方法生物降解组分x。、异养菌X、自养菌和聚磷每隔2～3d取进水、出水和好氧池混合液进行菌，组分划分可采用3组批式试验”完成．由常规分析，分析指标包括进水和出水COD、氨氮于组分划分工作量较大，将其作为模型输入值时将(S)、硝态氮(5。)、总氮(TN)、正磷酸盐(S。)、不考虑季节等因素的影响，假定各组分在COD中所总磷(TP)和总悬浮固体(X)，以及混合液悬浮固占比例在所有水样中均为恒定值，具体划分比例参体(MLSS)、挥发性悬浮固体(MLVSS)和污泥体积见文献[14]．氮磷组分转化因子则通过参数校正指数(SVI)，同时测定好氧段的DO和pH值．工艺确定．过程数据(各反应段的s、Js。和S。)则每周测定2结果与讨论一次．各工况的进水常规分析指标平均值如表1所示．2．1模型构建与参数校正脱氮除磷系统的数学模拟还需进行进水COD模型构建采用WEST3．7．5完成．多模式AAO和氮磷组分划分．COD组分包括溶解性惰性组分工艺试验由于装置体积较小，基本可以充分混合，水s、颗粒性惰性组分、易生物降解组分5、慢速力模型可采用串联反应器模式近似．根据这一原 1444环境科学34卷则构建的多模式AA0工艺模型如图1所示．生化行数据，以过程数据为主、出水水质为辅的校正策反应模型选择ASM2d模型的改进版本略，具体校正方法与过程参见文献[14]．除了氮磷ASM2dTemp，该模型可在不同温度下模拟碳氧化、组分因子i和i外，ASM2d模型校正只需调整硝化一反硝化以及包括反硝化除磷在内的生物除磷K、叼、q和叼4个动力学参数(表．。过程等．二沉池模型则选用一维分层模型——双指2)．二沉池模型参数根据SVI等操作参数计算调数模型．整在本研究的稳态和动态模拟中，除表2所列本研究的模型参数校正采用倒置AAO模式运校正值和特别说明外，其它参数均取默认值．表2模型校正中调整的参数默认值与校正值Table2Calibratedanddefaultparametersoftheprocessmodel2．2多模式AAO不同运行模式的稳态模拟采用表1所列的多模式AAO系统15个工况的下工艺参数，以进水污染物平均浓度为输入值，利用表g2的校正参数对污泥浓度和出水水质进行稳态模蜊拟．稳态模拟值为多模式AAO系统长期稳定运行赠(至少100d)的模拟值；而实测值则为各个工况稳定运行阶段的平均值(元)．对比时还考虑实测值95％(OL=0．05)的置信区间(CI)，计算如式(1)试验工况所示．图2多模式AAO工艺试验15个工况污泥浓度的稳态模拟Fig．2Simulationofsludgecoucentratious％㈩forl5multimodeAAOtcslruns式中，为总标准差，n为样品数量．等指标准确模拟的前提．除T况c1外，表1中多模式AAO工艺15个工况下好氧池污泥浓度的其它14个工况均测定了．在图3(a)中，有3实测值与稳态模拟值的对比如图2所示．从中可个工况(P2、P4和C4)的模拟值明显偏离实测值．见，除工况C3外，所有工况条件下MLSS的稳态模这主要是由于在小规模试验中，二沉池运行易于受拟值均在实测值95％的置信区间内；而在MLVSS各种因素干扰所致，同时系统运行故障导致的好氧模拟中，MLVSS／MLSS取15组工况实测平均值池MLSS波动也会造成的明显变化．显然，这些0．64，有4个工况(R5、P4、P5和C3)的模拟值明显外界干扰所造成的二沉池运行波动很难在二沉池模偏离实测值．经分析知，工况c3出现偏离是由于现型中体现．不过总体而言，校正后的工艺模型基本场试验多次故障导致运行不稳定；而R5和P5的偏能够预测正常运行条件下各工况的．离则是由于MLVSS／MLSS=0．53±0．02，明显低于在COD的稳态模拟中，工况R5、P4和C3的模0．64所致．总体而言，校正后的工艺模型对多模式拟值明显偏离实测值，但偏差均在5mg·L以内．AAO系统污泥浓度的稳态模拟较为准确．工况P4、C2和c5中5的稳态模拟值偏离实测值多模式AAO工艺试验各工况条件下出水TSS、95％的置信区间，但偏差均小于0．2mg·L～．5个COD、S、TN和TP的实测值与稳态模拟值对比如工况(R4、P4、C1、c3和c4)的TN稳态模拟值在图3所示．的准确模拟是出水COD、TN和TP实测值置信区间外，但平均相对标准偏差仅为 4期周振等：多模式厌氧／缺氧／好氧污水处理工艺的稳态与动态模拟9．7％．15个工况下TP的稳态模拟值与实测值最测值基本吻合．为接近，仅工况R5和C1略有偏差．由图3(d)和32．3多模式AAO系统的动态模拟(e)可知，降低回流比(P1～P3、R1～R3)能有效降工况R2的动态模拟曾用于校正模型的验证，低出水TP，但出水TN会显著上升¨；延长污泥龄其实测值与动态模拟曲线基本吻合．本研究将(P4与P5、R4与R5)能削减出水S川，但会造以AO模式工况P2动态模拟分析同一进水条件、成出水TP反弹．模拟值能很好地反映上述变化不同工艺下校正模型应用的可靠性．动态模拟的初趋势．由以上分析知，校正模型的稳态模拟值与实始值为前一工况(P1)的长期稳态模拟值．模拟的准确程度采用式(2)所示的平均相对误差(ARD)评估：ARD：I1一!l(2)Ic⋯(t)l式中，ci(t)和C⋯(t)分别为t时刻模拟和实测值．由图4可见，校正后的污水处理工艺模型能够很好地反映工况P2好氧段MLSS和MLVSS实测值的变化趋势．在工况P2中，MLSS和MLVSS模拟的下ARD值分别为4．81％和5．02％．由于受进水污染物浓度波动的影响，工况P2前5d和最后10d均出凸0U现了活性污泥浓度显著性增长的趋势，校正后工艺模型的动态模拟准确描述了这一规律．姜点Z赠贬图4工况P2中好氧池污泥浓度的实测值与模拟值的对比Fig．4MeasuredandsimulatedsludgeconcentrationsoftestInnP2图5(a)描述了工况P2中模拟值和实测值的变化．工况P2前16d，SVI(49．8mL·g)高于后期(41．3mL·g‘。)造成后期出水较低．由于出水聊对低浓度区沉降特性参数。的变化十分灵敏¨，因此动态模拟时采取分阶段设定y的方法，16d前后y分别设为0．0216和0．0072．采用该方法后的ARD为16．8％，误差集中于沉降性能波动较大的14d和16d，但模拟曲线基本可反映SS的变化趋势．图5(b)对比了工况P2出水COD实测值和动图3多模式AAO工艺试验15个工况出水污染物的稳态模拟态模拟值的变化．校正后的工艺模型模拟COD的Fig．3SimulationofeffluentpollutantsARD值为11．3％，其中第27d实测值(80．2for15multimodeAA0testrunsmg·L)偏离较大．从出水组分来看，由于s在系 1446环境科学34卷统中无法降解也无法沉降去除，该组分在出3结论水COD中所占比例很高，这与文献[16，22]报道结l_∞∞l_∞Ⅲ，00ul_1-昱毗／N上论类似．以倒置AAO模式过程数据对ASM2d模型进行出水综合性指标TN和TP可用于系统总体脱∞校正加，并将校m正5模型应∞用加于多∞模式如A柏AO系统3个"模：2B氮除磷效果的评价．由图5(c)知，出水TN浓度的式l5个工况的模拟．15个工况污泥浓度和出水水模拟值与实测值基本吻合，工况P2动态模拟的质的模拟结果表明，校正后模型的稳态模拟值基本ARD为6．12％．而TP动态模拟的ARD为14．8％，都在实测值95％的置信区间内．对AO模式的动态沉降性能波动较大的14d和16d以及第27d的误模拟结果表明，模型校正后的模拟曲线与出水、差较大．但动态模拟曲线基本能够反映TP的波动COD、TN和TP以及好氧段活性污泥的变化趋势相趋势及出水SS波动对TP的显著性影响[图5一致，模拟结果具有较高的准确度．参考文献：(d)]．但在工况P2最后15d中，TP的模拟值略高[1]GernaeyKV，VanLoosdrechtMCM，HenzeM，eta1．于实测值，这可能是由于最后15d实际温度降低至Activatedsludgewastewatertreatmentplantmodellingand15．0oC，而模拟采用平均温度17．3℃．由于属simulation：Stateoftheart[J]．EnvironmentalModelling&于嗜冷性细菌，因此实际试验的除磷效率会略Software，2004，19(9)：763-783．高于模拟值．[2]MakiniaJ，RosenwinkelKH，SperingV．Long-termsimulationoftheactivatedsludgeprocessattheHanover—GtimmerwaldpilotWWTP[J]．WaterResearch，2005，39(3)：1489-1502．[3]HenzeM，GujerW，MinoT，eta1．ActivatedsludgemodelsASM1，ASM2，ASM2dandASM3[R]．London：lAWPublishing，2000．[4]周振，吴志超，顾国维．活性污泥系统仿真软件的研究进展[J]中国给水排水，2010，26(4)：1．5．[5]SalemS，BerendsD，HeijnenJJ，eta1．Mode1．basedevaluationofanewupgradingconceptforN—removal[J]．WaterScienceandTechnology，2002，45(6)：169-176[6]MorgenrothE，ArvinE，VanrolleghemPTheuseofmathematicalmodelsinteachingwastewatertreatmentengineering[J]．WaterScienceandTechnology，2002，45(6)：229-233．[7]HaoXD，VanLoosdrechtMCM，VanMeijerSCF．eta1．ModelbasedevaluationoftwoBNRprocesses—UCTandA2N[J]．WaterResearch，2001，35(12)：2851-2860．[8]郝晓地，仇付国，张璐平，等．应用数学模拟技术升级改造二级污水处理工艺[J]．中国给水排水，2007，23(16)：25．29．[9]张代钧，卢培利，陈丹琴，等．传统活性污泥法COD去除及脱氮改造的模拟[J]．环境科学学报，2002，22(4)：448—453．[1O]NiBJ，XieWM，LiuSG，eta1．Modelingandsimulationofthesequencingbatchreactoratafull-scalemunicipalwastewatertreatmentplant[J]．AIChEJournal，2009，55(8)：2186—2196．[11]XieWM，ZhangR，LiWW，eta1．Simulationandoptimizationofafull—scaleCarrouseloxidationditchplantformunicipalwastewatertreatment[J]．BiochemicalEngineeringJournal，2011，56(1—2)：9—16．[12]ShenWH，ChenXQ，CorriouJP．ApplicationofmodelpredictivecontroltotheBSM1benchmarkofwastewatertreatment图5工况P2的出水综合性指标实测值与动态模拟值的对比process[J]．ComputersandChemicalEngineering，2008，32Fig．5Measuredandsimulatedeffluentcomposite(12)：2849-2856．variablesoftestrnnP2[13]周振，吴志超，王志伟，等．基于活性污泥数学模型的污水 4期周振等：多模式厌氧／缺氧／好氧污水处理工艺的稳态与动态模拟1447COD组分划分方案研究[J]．环境科学，2010，31(6)：1478-dimensionalconvectiondiffusionmodelforsecondarysettling1482．tanks[J]．ChemicalEngineeringCommunications，2005，192[14]ZhouZ，WuZC，WangZW，eta1．Simulationandperformance(12)：1567—1585．evaluationoftheanoxic／anaerobic／aerobicprocessforbiological[20]周振，吴志超，王志伟，等．基于批式呼吸计量法的溶解性nutrientremoval[J]．KoreanJournalofChemicalEngineering，COD组分划分[J]．环境科学，2009，30(1)：75-79．2011，28(5)：1233-1240．[21]周振，吴志超，王志伟，等．污水中溶解性惰性有机物含量[15]ZhouZ，WuZC，GuGW，eta1．Parameterestimationprotocol的测定方法及其研究进展[J]．工业水处理，2010，30(10)：forsecondaryclarifiermodelsbasedonsludgevolumeindexandl7．20．operationalparameters[J]．Asia—PacificJournalofChemical[22]RoeleveldPJ．VanLoosdrechtMCM．ExperiencewithEngineering，2011，6(3)：266-273．guidelinesforwastewatercharacterisationintheNetherlands[J]．[16]NuhogluA，KeskinlerB，YildizE．MathematicalmodellingofWaterScienceandTechnology，2002，45(6)：77—87．theactivatedsludgeprocess—theErzincancase[J]．Process[23]PanswadT，DoungchaiA，AnotaiJ．TemperatureefectonBiochemistry，2005，40(7)：2467—2473．microbialcommunityofenhancedbiologicalphosphorusremoval[17]KargiF，UygurA．Nutrientremovalperformanceofasequencingsystem[J]．WaterResearch，2003，37(2)：409-415．batchreactorasafunctionofthesludgeage[J]．Enzymeand[24]PanswadT，TongkhammakN，AnotaiJ．EstimationofMicrobialTechnology，2002，31(6)：842—847．intracellularphosphoruscontentofphosphorus-accumulating[18]LeeJK，ChoiCK，LeeKH，eta1．Massbalanceofnitrogen，organismsatdiferentP：CODfeedingratios[J]．JournalofandestimatesofCOD，nitrogenandphosphorususedinmicrobialEnvironmentalManagement，2007，84(2)：141-145．synthesisasafunctionofsludgeretentiontimeinasequencing[25]Lopez—VazquezCM，OehmenA，HooijmansCM，eta1．batchreactorsystem[J]．BioresourceTechnology，2008，99ModelingthePAO—GAOcompetition：Effectsofcarbonsource，(16)：7788-7796．pHandtemperature[J]．WaterResearch，2009，43(2)：450-[19]VerdicktL．SmetsI．VanImpeJ．Sensitivityanalysisofaone一462．'