閉式雙泥齡AO工藝的過程模擬與菌種流失控制研究

林 哲

(上海煦歐節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰荆虾Ｊ?200072)

1 閉式雙泥齡AO工藝簡介

閉式雙泥齡AO工藝是以靜態(tài)泥齡法為基礎設計開發(fā)的一種實用新型工藝，其主要設計思路是在傳統活性污泥法工藝的基礎上，將生化處理池分為兩個完全獨立部分：一部分為除碳池，不考慮硝化反應；另一部為完全硝化池，在完全硝化部分內設置缺氧池及內回流系統用于脫氮，原理如同AO脫氮工藝。在運行過程中，采用分點進水的方式，將大部分進水輸送至常規(guī)活性污泥法進行除碳處理，將需要硝化部分輸送至AO脫氮工藝進行脫氮處理，兩股出水混合后輸送至二沉池進行泥水分離。其主體工藝流程如圖1所示。

圖1 閉式雙泥齡工藝流程示意圖

2 研究要點與關鍵技術分析

閉式雙泥齡AO工藝以定量配水和菌種混合回流為基礎手段實現“按需硝化”以降低建設和運行成本，但該工藝遭到業(yè)界眾多專家質疑，其主要原因是泥齡表征活性污泥在系統內的停留時間主要通過排泥來進行控制，因此在同一個排泥系統內實現不可能存在“雙泥齡”。從工藝運行過程來看，在閉式雙泥齡AO工藝系統中，異養(yǎng)菌與硝化菌在流出生物池后充分混合，并在同一個二沉池內沉淀并回流。由于回流的硝化污泥隨進水一同被分配，會導致硝化菌被稀釋，且由于硝化菌世代期相對較長，若進入除碳池內的硝化污泥因污泥停留時間（泥齡）達不到硝化菌的世代期，則存在硝化污泥徹底流失的可能性。因此，為防止硝化菌的稀釋流失，閉式雙泥齡AO工藝在運行參數設計上主要通過控制回流污泥的分配（配水比）和系統排泥保持脫氮單元中硝化菌的最低水平；同時通過硝化段的內回流系統控制和補償該段的菌種濃度[1]。

上述的工藝控制手段對微生物系統的作用過程十分復雜，受影響的因素眾多，閉式雙泥齡AO工藝的設計意圖能否真正實現需要進行進一步深入研究。本文以活性污泥數學活性為基礎，通過計算機技術對閉式雙泥齡AO工藝的運行過程進行仿真模擬，研判在不同配水比、泥齡和內回流比率情況下系統中菌種繁殖、變化情況，驗證工藝設計意圖，尋找優(yōu)化控制和節(jié)能減排的空間。

3 研究方法

3.1 模型選擇與參數驗證

在眾多的污水處理數學模型中，國際水協推出的ASM系列模型已經成為該領域發(fā)展最為成熟，使用最為普遍的模型[2]。本研究采樣ASM的系列模型中的1號模型作為模擬閉式雙泥齡AO工藝的基礎模型，并通過靈敏度分析比較與實驗室測定對模型參數進行分析驗證和賦值[3]。模型采用參數值如表1所示。

3.2 模型構建與模擬軟件的使用

本研究選用GPS-X軟件對閉式雙泥齡工藝進行模型構建和仿真模擬[4]。由于閉式雙泥齡AO工藝為新型工藝，因此在使用軟件時采用工藝自定義工具進行構筑物的設計和連接，直接采用平流式二沉池模型模擬泥分離過程，而不是簡單地采用簡化的分離系數描述沉淀效果。GPS-X模擬單個過程是將其作為在完全混合理想反應器（CSTR）內發(fā)生的，因此在構建反應器過程中，分別將除碳池、缺氧池和硝化池分別分解為10個CSTR反應器串聯而成，替代推流式（PFR）構筑物。

表1 模型參數的賦值

4 研究結果與分析

4.1 工藝配水比的影響分析

工藝配水比主要決定了污水及回流污泥進入傳統活性污泥工藝段和缺氧/好氧段的量，是閉式雙泥齡AO工藝控制硝化菌流失的最重要手段。不同配水比的模擬工況如表2所示，異養(yǎng)菌和硝化菌隨配水比的變化情況如圖2所示。

通過模擬結果可以發(fā)現在工況A1-A7條件下，異養(yǎng)菌濃度XH穩(wěn)定維持在1 300 mg/L(COD)左右，不隨配水比的變化有大的起伏。這主要是因為除碳池和硝化池的全曝氣環(huán)境為異養(yǎng)菌生存提供良好的環(huán)境條件，好氧條件下異養(yǎng)菌的生長速率高于硝化菌，使其在微生物群落中占據優(yōu)勢地位。A8工況關閉了缺氧/好氧工段，模型所建立的物料平衡方程發(fā)生改變，在新的工藝條件下XH濃度達到1 996 mg/L(COD)。從工藝機理上可以認為在沒有缺氧池情況下異養(yǎng)菌好氧增殖活性進一步加劇，使得其濃度有明顯提高。

另一方面，硝化菌XA的濃度隨著配水比的增加（進入缺氧/好氧工段的水量降低）而逐漸降低，在配水比大于60%后開始大幅下降，這證明在閉式雙泥齡AO工藝設計計算時認為配水比將對硝化菌（即硝化菌）的濃度有重要影響的論斷是正確的。然而，計算機仿真的結果表明無論配水比如何調節(jié)，系統內始終有一定濃度的硝化菌存在，卻并沒有出現設計報告所認為的硝化菌最終流失，失去硝化功能的情況出現。這主要是因為靜態(tài)的工藝設計方式認為硝化菌的增殖（硝化反應）只發(fā)生在硝化池內，除碳池回流污泥進入硝化池將稀釋硝化菌，造成菌種流失，ASM模型則認為硝化菌的增殖在任何條件下都會存在，不同的環(huán)境條件將影響其增殖速率的大小，顯然這種論述更加符合微生物的活動規(guī)律。

表2 不同配水比條件下的模擬工況設置

圖2 不同配水比條件下的菌種濃度

4.2 污泥齡的影響分析

排泥是活性污泥法工藝中控制污泥性狀的重要手段，通過排泥量除了可以直接影響污泥濃度外還能決定污泥在系統內的停留時間，即污泥齡。由于不同菌種的世代生長周期不同，污泥齡的長短將對活性污泥中菌種的繁殖代數產生影響，進而導致各菌種濃度的變化。不同泥齡條件下的工況設計參數見表3，異養(yǎng)菌和硝化菌隨污泥齡的變化情況如圖3所示。

表3 不同污泥齡條件下的模擬工況設置

圖3 不同污泥齡條件下的菌種濃度

通過模擬結果可以發(fā)現不同泥齡相對應的異養(yǎng)菌XH和硝化菌XA的數量影響明顯，隨著泥齡的提升而顯著增加?；钚晕勰嗍且粋€綜合的復雜生物系統，各種不同的菌種共同存在于一個微生物環(huán)境。在水質凈化過程中，各種微生物通過不同的代謝方式消耗廢水中各類基質并借此獲得個體生長繁殖的能量，如硝化菌XA通過氧化廢水中NH3-N或NO2--N獲得能量，而異養(yǎng)菌XH通過氧化分解廢水中各類有機質而獲得能量。微生物的不同代謝方式將直接影響其獲取能量的數量和難易程度。因此，以不同基質作為主要能量來源的菌群具有不同的生長速率，其在活性污泥系統中的比例也因此受到影響。在閉式雙泥齡AO工藝中，異養(yǎng)菌易于從氧化分解各類有機質中獲取能量，其世代期短，繁殖快，在活性污泥系統中占主導數量。硝化菌群能量獲取途徑單一，比增長速率低、繁殖慢，往往需要較長時間的積累才能在系統中達到一定的比例，因此要求相應的泥齡較長。從圖3可以看出，隨著污泥齡的增長，異養(yǎng)菌和硝化菌濃度都有所提高，但硝化菌提高更快。由工況B1到B7異養(yǎng)菌濃度XH從1 050 mg/L(COD)升至1 490 mg/L(COD)，增加近50%；硝化菌濃度XA則從30 mg/L(COD)升至108 mg/L(COD)，增加了260%。由此可知，在閉式雙泥齡AO工藝中通過提高整體泥齡而增加硝化菌的數量是可行的。當泥齡為20.6 d時的硝化菌濃度達到上限，不再隨泥齡延長而提高。

4.3 硝化液回流的影響分析

硝化液回流設置在缺氧/好氧工段的硝化池末端，主要目的是為了將經過硝化的混合液中的硝酸鹽回流至缺氧段，通過異養(yǎng)菌的缺氧生長活動將硝酸鹽還原為氮氣，實現廢水脫氮的目的。不同硝化液回流比的模擬工況設計見表4。異養(yǎng)菌和硝化菌隨不同硝化液回流比的變化情況如圖4所示。

表4 不同硝化液回流比條件下的模擬工況設置

如圖4所示，異養(yǎng)菌濃度XH隨硝化液回流量的增加沒有顯著變化，維持在1 290～1 300 mg/L(COD)；硝化菌濃度XA隨硝化液回流量的增加略有升高，但幅度很小，從69.7mg/L(COD)升至71.2mg/L(COD)，菌種濃度隨內回流比增加沒有顯著變化。閉式雙泥齡AO工藝企圖通過硝化池末端的回流延長硝化菌在AO工藝內的實際停留時間，防止硝化菌稀釋流失的設計意圖難以實現。這主要是因為硝化菌的增殖不是如同穩(wěn)態(tài)的設計理論那樣只發(fā)生在缺氧/好氧工段中，除碳池也同樣存在一定程度的硝化菌增殖活動。南方污水廠普遍存在的進水中碳源不足，抑制了異養(yǎng)菌的活動，硝化菌在除碳池中增殖速率較高，與缺氧/好氧工段接近也使得增加硝化液回流量不能顯著提高缺氧/好氧工段中的硝化菌濃度。

圖4 不同硝化液回流條件下的菌種濃度

5 結論

本研究通過對閉式雙泥齡AO工藝的計算機仿真，模擬工藝運行過程中菌種濃度變化的影響因素和影響程度，研判為防止硝化菌流失而設計的工藝控制措施的有效性，主要結論如下：

（1）閉式雙泥齡AO工藝的傳統活性污泥法工段和缺氧/好氧工段同時存在硝化菌和異養(yǎng)菌，且兩個工段的菌種濃度相同，同時存在硝化反應。

（2）配水比對系統的硝化菌濃度存在顯著影響，隨著進入缺氧/好氧工段的污水和回流污泥的比例降低，硝化菌濃度逐漸較少，但只要AO工藝沒有關閉，系統中的硝化菌濃度能夠維持滿足硝化的基本需要，不會出現完全流失的情況。

（3）各反應池中的菌種濃度不受反應池的理論泥齡影響，無論在何種工況下各工段的菌種濃度和組成基本一致，系統內的菌種組分由系統的總體泥齡決定，延長總體泥齡可以提高污泥濃度和硝化菌比例。

（4）硝化液回流變化對菌種濃度影響很小，對防止硝化菌稀釋流失沒有幫助。

[1]唐群，丁薊羽，勵建全.竹園第二污水處理廠氨氮運行數據分析探討[J].給水排水，2009，35（7）:46-48.

[2]IWAQ.活性污泥數學模型[M].張亞雷,李詠梅，譯.上海:同濟大學出版社,2002.

[3]Lin zhe，Liu suiqing.Research and Improvement of Detection Method of Wastewater Characteristic Parameters in Activated sludge model[A].Mechanic Automation and Control Engineering(MACE)[C].Piscataway：IEEE Press，2010.

[4]Hidromantis.GPS-X Technical Reference[M].Ontario:Hidromantis Inc.Canada,2006.