推流式A2O 工藝強(qiáng)化脫氮數(shù)值模擬研究

樊佳，武延坤，許仕榮*，張金松，李秀

(1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 深圳 518052； 3.深圳市水務(wù)(集團(tuán))有限公司，廣東 深圳 518030；4.清華大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳 518055)

城市污水處理廠處理污水時(shí)，垃圾滲濾液的混入會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水中NH4+–N 含量和TN 含量升高，出水面臨TN 含量超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)[1]。部分污水處理廠在運(yùn)行管理過程中對(duì)混合液回流比、污泥回流比和溶解氧濃度等因素在脫氮過程中所起的作用認(rèn)識(shí)不深，TN 含量去除難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)[2]。目前，國內(nèi)針對(duì)A2O 工藝的強(qiáng)化脫氮措施大都采用中試或生產(chǎn)性試驗(yàn)的方式，選取A2O 工藝中一個(gè)或幾個(gè)運(yùn)行參數(shù)，考察其對(duì)脫氮的影響[3–4]，而對(duì)污水處理廠的運(yùn)行進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)分析和調(diào)整工藝參數(shù)的研究鮮見報(bào)道?；钚晕勰鄶?shù)學(xué)模型已被證實(shí)是研究、發(fā)展、優(yōu)化污水處理過程的有效手段之一[5]。筆者基于活性污泥數(shù)學(xué)模型ASM2d，以GPS–X 軟件為平臺(tái)，結(jié)合污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)污水處理廠污水處理流程進(jìn)行模擬，通過模擬試驗(yàn)得出較佳運(yùn)行工況，旨在為污水處理廠強(qiáng)化脫氮提供參考。

1 污水處理廠概況

試驗(yàn)污水處理廠為某城市污水處理廠，共有4座A2O 生物處理池。單池的設(shè)計(jì)處理量為4.5×104m3/d。厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)的容積分別為3 110、7 358、14 500 m3，總水力停留時(shí)間為13.3 h，混合液回流比為100% ～300%，設(shè)計(jì)污泥齡為16.9 d，污泥回流比為33% ～ 100%。單池對(duì)應(yīng)6個(gè)長(zhǎng)方形平流式二沉池，長(zhǎng)、寬、高分別為50、8、3.7 m。為滿足排放要求，污水處理廠采取輔助化學(xué)除磷，處理后水質(zhì)要求達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918—2002 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。

該污水處理廠主要處理城市污水(水中摻雜部分垃圾滲濾液)。垃圾滲濾液具有成分復(fù)雜、水質(zhì)水量變化大、污染物濃度高等特點(diǎn)[6–7]，滲濾液中主要污染物為溶解性有機(jī)物和NH4+–N。由于垃圾滲濾液的引入，該廠進(jìn)水中TN 含量和NH4+–N 含量濃度較高(表1)，超出了該廠的設(shè)計(jì)處理能力。

表1 污水處理廠2013年8—9月進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo) Table 1 Influent characteristics from sewage treatment plant during August to Sepetember, 2013 mg/L

2 試驗(yàn)方法

2.1 模型的構(gòu)建與校驗(yàn)

2.1.1 模型的構(gòu)建

反應(yīng)器構(gòu)建是對(duì)污水處理工藝進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬的首要環(huán)節(jié)，決定了模擬結(jié)果的可靠性和真實(shí)性，其構(gòu)建應(yīng)遵循“簡(jiǎn)化而不簡(jiǎn)單”的原則[8]。根據(jù)污水處理廠的設(shè)計(jì)進(jìn)水流量和各池的尺寸，計(jì)算出厭氧池、缺氧池和好氧池的佩克拉準(zhǔn)數(shù)Pe(分別為18.7、12.3和10.5 時(shí)可認(rèn)為是理想推流反應(yīng)器[9])。結(jié)合污水處理廠實(shí)際情況，分別利用1 段、2 段和4 段推流式反應(yīng)器來模擬該污水處理廠厭氧池、缺氧池和好氧池，以上反應(yīng)器生化反應(yīng)機(jī)理模型均采用ASM2d 模型。污水處理廠的二沉池為矩形平流沉淀池，故采用矩形平流沉淀池模塊對(duì)其進(jìn)行模擬，其沉淀機(jī)理模型采用 Takacs 簡(jiǎn)單的一維模型。利用加拿大Hydromantis 公司的GPS–X 仿真模擬軟件構(gòu)建上述推流式A2O 工藝的活性污泥模擬程序。采用龍格–庫塔–費(fèi)爾伯格法對(duì)模型的微分方程進(jìn)行求解。

2.1.2 模型的校驗(yàn)

由于ASM2d 模型中包含了大量的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和化學(xué)計(jì)量學(xué)參數(shù)，模型使用中的一項(xiàng)關(guān)鍵工作就是取得適合于特定污水處理廠的活性污泥數(shù)學(xué)模型參數(shù)值。本研究中首先應(yīng)用靜態(tài)模擬法對(duì)模型進(jìn)行校正，再使用動(dòng)態(tài)模擬法對(duì)校正后的模型進(jìn)行驗(yàn)證。

在靜態(tài)模擬基礎(chǔ)上利用式(1)[10]進(jìn)行靈敏度分析：

式中， a1、a2分別表示參數(shù)的典型值和變化后的值，y1、y2表示水質(zhì)考察指標(biāo)在 a1和 a2下的對(duì)應(yīng)結(jié)果。根據(jù)上式對(duì)ASM2d 中的所有化學(xué)計(jì)量學(xué)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。

2.2 數(shù)值模擬試驗(yàn)

針對(duì)出水TN 含量超標(biāo)問題，選取A2O 工藝中對(duì)出水TN 含量影響較大且污水處理廠易于調(diào)控的混合液回流比、污泥回流比和好氧段溶解氧(DO)3個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行分析。在已建立的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分別通過單因素試驗(yàn)和多因素正交試驗(yàn)?zāi)M3個(gè)因素對(duì)污水處理廠污水處理效果的影響，以確定較佳工藝參數(shù)組合。初始試驗(yàn)條件：水質(zhì)與水量采用污水處理廠2013年8—9月每日監(jiān)測(cè)值，運(yùn)行參數(shù)(混合液回流比、污泥回流比和好氧段溶解氧)均采用污水處理廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2.2.1 單因素試驗(yàn)

1) 混合液回流比的選取。A2O 工藝中混合液回流的作用是為缺氧段的反硝化反應(yīng)提供硝酸鹽?；旌弦夯亓鞅鹊拇笮≈苯佑绊懛聪趸摰男Ч鸞11]。本次模擬考察混合液回流比為100%、200%、300%和400%時(shí)系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果。

2) 污泥回流比的選取。污泥回流比也是A2O工藝中重要的運(yùn)行參數(shù)之一，污泥回流的主要作用是向系統(tǒng)提供活性污泥微生物，影響系統(tǒng)內(nèi)污染物，特別是氮、磷的去除。本次模擬中考察污泥回流比為60%、80%、100%和120%時(shí)系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果。

3) 好氧段溶解氧濃度的選取。在A2O 工藝中，好氧池中的溶解氧濃度對(duì)NH4+–N 含量去除起關(guān)鍵作用，而過低、過高的溶解氧濃度對(duì)TN 含量的去除都不利[12]。本次模擬考察好氧段溶解氧分別為1、 2、3、4mg/L 時(shí)系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果。

2.2.2 正交試驗(yàn)

采取正交試驗(yàn)法來確定推流式A2O 工藝的較佳運(yùn)行工況。以出水TN 含量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用L9(34)正交試驗(yàn)確定混合液回流比(A)、污泥回流比(B)和好氧段溶解氧濃度(C)的較優(yōu)水平。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型的構(gòu)建與校驗(yàn)結(jié)果

GPS–X仿真界面如圖1所示。仿真界面中構(gòu)筑物的形狀、尺寸、有效水深等物理參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)一致。

圖1 某污水處理廠推流式A2O工藝流程模擬圖 Fig. 1 A simulated chart of simulated process for plug-flow A2O

靜態(tài)模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)為該廠2012年8—9月的進(jìn)水水量與水質(zhì)指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)平均值，即 Q 為3.66×104m3/d，COD 為470mg/L，TN 質(zhì)量濃度為59mg/L，質(zhì)量濃度為45mg/L，TP 質(zhì)量濃度為4.0mg/L，SS 質(zhì)量濃度為230mg/L。進(jìn)水COD組分采用文獻(xiàn)[13]中的研究成果進(jìn)行調(diào)整校正。將系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后得到的模擬結(jié)果平均值與實(shí)測(cè)結(jié)果平均值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)除含量外，其他指標(biāo)模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差均小于10%。

根據(jù)(1)式對(duì)ASM2d 中所有化學(xué)計(jì)量學(xué)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析的結(jié)果表明，對(duì)出水含量和TN 含量影響最大的參數(shù)依次為自養(yǎng)菌最大比增長(zhǎng)率AUTμ 、自養(yǎng)菌衰減速率AUTb 和PHA 貯存的速率常數(shù)PHAq 。另有研究表明，硝化菌的最大比增長(zhǎng)速率AUTμ 是對(duì)模擬結(jié)果影響最大的因素之一[14–15]，因此，考慮到進(jìn)廠水中含有部分垃圾滲濾液，含量超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，本研究中著重對(duì)AUTμ 進(jìn)行校核。運(yùn)用GPS–X 軟件中自帶的參數(shù)優(yōu)化求解器，確定校核后，AUTμ 由典型值1 d–1調(diào)整為0.8 d–1。參數(shù)調(diào)整后所有指標(biāo)模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差均小于10%。

動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)為污水處理廠2013年8—9月(60 d)進(jìn)水水量與水質(zhì)每日監(jiān)測(cè)值，運(yùn)用靈敏度分析結(jié)果調(diào)整參數(shù)AUTμ 為0.8 d–1，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，出水中COD、TN 含量以及含量模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差分別為2.1%、2.6%和1.6%。模擬結(jié)果表明，調(diào)整后的模型能很好地模擬污水處理廠的運(yùn)行，可在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行下一步模擬試驗(yàn)研究。

3.2 模擬試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

適宜混合液回流比的選取。由圖2 可知，當(dāng)混合液回流比由100%上升至300%時(shí)，出水TN 含量平均濃度有明顯降低，TN 含量去除率平均值由54.4%上升至70.5%，而混合液回流比再由300%上升至400%時(shí)，出水TN 含量去除率稍有下降，但下降并不明顯?？梢?，系統(tǒng)的脫氮效率隨混合液回流比的增加而升高，且混合液回流比的提升能強(qiáng)化系統(tǒng)的硝化和反硝化能力。結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果與能耗分析，選取較佳混合液回流比為300% ～400%。

圖2 不同混合液回流比條件下60 d 內(nèi)出水的TN 含量 Fig. 2 Different internal return ratios on contents of TN in 60 d

適宜污泥回流比的選取。由于污泥回流含有硝化反應(yīng)結(jié)束的硝酸鹽，回流比越大，被反硝化去除的硝酸鹽的量也越多，厭氧區(qū)和缺氧區(qū)的反硝化過程被強(qiáng)化。由圖3可知，當(dāng)污泥回流比由60%提升至120%時(shí)，出水TN 含量平均值由14.83mg/L 降低至12.93mg/L。磷是通過排放剩余污泥來去除的，生物除磷時(shí)需要較短的污泥齡，并且污泥回流比過高會(huì)增大曝氣費(fèi)用和二沉池的負(fù)荷，污泥回流比不宜取得過大，因此，選取較佳污泥回流比為100%。

圖3 不同污泥回流比條件下60 d 內(nèi)出水的TN 含量 Fig.3 Different sludge return ratios on contents of TN in 60 d

好氧段溶解氧濃度的選取。溶解氧是A2O 工藝中脫氮的重要影響因素。由圖4 可知，DO 質(zhì)量濃度由1mg/L 上升到3mg/L 時(shí)，出水TN 質(zhì)量濃度平均值由17.00mg/L 下降到14.38mg/L，再將DO升至4mg/L，TN 質(zhì)量濃度反而上升，且出水中含量上升。其原因是當(dāng)好氧段DO 質(zhì)量濃度上升時(shí)，混合液回流中DO 被攜帶至缺氧段，破壞了缺氧段的反應(yīng)環(huán)境，影響了反硝化效果。在保證脫氮效果的前提下，考慮到運(yùn)行能耗，將好氧段溶解氧質(zhì)量濃度控制在3mg/L 為宜。

圖4 不同好氧段溶解氧條件下60 d 內(nèi)出水的TN 含量 Fig.4 Different concentration of dissolved oxygen in aerobic tank

3.4 多因素正交模擬試驗(yàn)結(jié)果

由表2 可知，試驗(yàn)9 條件下平均出水TN 質(zhì)量濃度模擬值最低為10.75mg/L。由試驗(yàn)極差可知，3個(gè)因子對(duì)出水TN 含量的影響從大到小依次為B(污泥回流比(%))、A(混合液回流比(%))、C(好氧段溶解氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg/L))，A2O 工藝強(qiáng)化脫氮較佳工況為B3A3C2(混合液回流比400%，污泥回流比100%，好氧段溶解氧質(zhì)量濃度為3mg/L。

表2 多因素正交模擬試驗(yàn)結(jié)果 Table 2 Result of orthogonal experiment with multi-factor

4 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，基于ASM2d 搭建的推流式A2O 工藝數(shù)學(xué)模型能準(zhǔn)確模擬污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行?；谒⒌哪Ｐ瓦M(jìn)行模擬試驗(yàn)，得出的優(yōu)化運(yùn)行方案對(duì)污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行具有較好的指導(dǎo)作用。

混入垃圾滲濾液后TN 含量超標(biāo)時(shí)，污水處理廠提高混合液回流比和污泥回流比能有效降低出水TN 含量。

多因素正交試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)維持混合液回流比為400%，污泥回流比為100%，好氧段溶解氧為3mg/L 時(shí)，該污水處理廠可達(dá)到較佳脫氮效果。

[1] 石明巖，馮兆繼，余建恒，等．城市污水混合垃圾滲濾液脫氮試驗(yàn)研究[J]．環(huán)境工程，2010，28(5)：39–46．

[2] 熊建新，王佳偉，周軍，等．內(nèi)外回流比對(duì)A2/O 工藝生物脫氮的影響[J]．給水排水，2008，34(12)：38–41．

[3] 馬艷娜，王素蘭，李瑞，等．A2O工藝強(qiáng)化脫氮效果中試研究[J]．水處理技術(shù)，2012，38(8)：80–87．

[4] 陳東宇，周少奇，趙蓉，等．A–A2O 工藝脫氮實(shí)踐運(yùn)行效果及優(yōu)化[J]．環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2012，6(4)：1149–1153．

[5] Penya-Roja J M，Seco A，F(xiàn)errer J．Calibration and validation of activated sludge model No.2 d for spanish municipal wastewater[J]．Environmental Technology，2002，23(8)：849–862．

[6] 喬勇，趙國志．垃圾滲濾液接入城市污水處理廠存在的問題探討[J]．給水排水，2006，32(2)：13–16．

[7] Ferhan ?e?en，Didem ?ak?rog lu．Impact of landfill leachate on the co-treatment of domestic wastewater[J]. Biotechnology Letters，2001，23：821–826．

[8] 楊躍，張金松，劉禮祥．三溝式氧化溝工藝數(shù)學(xué)模擬的反應(yīng)器構(gòu)建方法[J]．中國給水排水，2010，26(7)：46–49．

[9] 孫培德，宋英奇，王如意．活性污泥動(dòng)力學(xué)模型及數(shù)值模擬導(dǎo)論[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

[10] 董姍燕，姚重華．單級(jí)活性污泥過程數(shù)學(xué)模型 ASM2D 參數(shù)的靈敏度分析[J]．環(huán)境化學(xué)，2005，24(2)：129–133．

[11] 王洪臣，周軍，王佳偉．5F–A2/O—脫氮除磷工藝的實(shí)踐與探索[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009．

[12] 李培，潘楊．A2/O 工藝內(nèi)回流中溶解氧對(duì)反硝化的影響[J]．環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2011，35(1)：103–106．

[13] 鄧仁健．MSBR 工藝脫氮除磷及其優(yōu)化控制的研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014．

[14] 施漢昌，邱勇．污水生物處理的數(shù)學(xué)模型與應(yīng)用[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014．

[15] Gernaey K V，Van Loosdrecht M C M，Henze M，et al. Activated sludge wastewater treatment plant modeling and simulation：State of art[J]．Environmental Modelling and Software，2004，19(9)：763–783．