三溝式氧化溝曝氣系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化模擬

楊 躍，張金松，劉禮祥，徐子明

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，518055廣東深圳，yangyueww@126．com;2．深圳市能源環(huán)保有限公司，518052廣東深圳;3．深圳市水務(wù)(集團(tuán))有限公司，518030廣東深圳)

三溝式氧化溝曝氣系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化模擬

楊 躍1，2，張金松1，3，劉禮祥3，徐子明1

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，518055廣東深圳，yangyueww@126．com;2．深圳市能源環(huán)保有限公司，518052廣東深圳;3．深圳市水務(wù)(集團(tuán))有限公司，518030廣東深圳)

以降曝氣系統(tǒng)運(yùn)行能耗為目的，通過數(shù)學(xué)模擬方法提出三溝式氧化溝工藝曝氣系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方案，即正常運(yùn)行工況下將中溝轉(zhuǎn)刷開啟臺(tái)數(shù)由5臺(tái)降至4臺(tái);當(dāng)水量增幅超過25%或污染物質(zhì)量濃度增幅超過50%時(shí)增開曝氣轉(zhuǎn)刷至5臺(tái);當(dāng)水量負(fù)荷低于正常工況時(shí)，將轉(zhuǎn)刷開啟臺(tái)數(shù)降低至3臺(tái)．按照此方案運(yùn)行2個(gè)月，該污水廠不僅出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，而且降低了污水處理能耗．

三溝式氧化溝工藝;曝氣轉(zhuǎn)刷;模擬;節(jié)能

污水處理是能源密集型的綜合技術(shù)［1］，在為減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)、削減污染物排放、改善水環(huán)境提供有力保障的同時(shí)，也面臨著能源短缺、電力供應(yīng)不足的困境［2］．優(yōu)化能耗策略，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，是污水處理事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路．截至2006年，我國(guó)具有能耗資料的559座城鎮(zhèn)污水處理廠的平均電耗為0.290 kW·h/m3［3］，僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家20世紀(jì)初或更早期的污水處理能耗水平，具有一定節(jié)能空間．而在污水處理的各個(gè)能耗環(huán)節(jié)中，生物處理的曝氣能耗所占比例最大，通常占總處理能耗的 50% ～70%［4－5］，因此，曝氣設(shè)備節(jié)能是實(shí)現(xiàn)污水處理工藝節(jié)能降耗的核心環(huán)節(jié)．

本文以某城市污水處理廠的三溝式氧化溝工藝為研究對(duì)象，采用數(shù)學(xué)模擬方法，以某污水處理仿真軟件為平臺(tái)，研究其曝氣轉(zhuǎn)刷的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)出水水質(zhì)的影響效果，提出曝氣系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化方案，并通過實(shí)際工藝進(jìn)行驗(yàn)證．

1 三溝式氧化溝工藝特征及能耗分析

1.1 工藝分析

三溝式氧化溝工藝是一種典型的交替運(yùn)行式氧化溝工藝［6］，保留了氧化溝工藝完全混合的特點(diǎn)，同時(shí)又具有序批式工藝的特征［7］，可在不設(shè)二沉池的條件下連續(xù)運(yùn)行，脫氮除磷效果好［8］．圖1為某城市污水處理廠三溝式氧化溝工藝簡(jiǎn)圖，單座設(shè)計(jì)日處理量為6.25×104t，總停留時(shí)間為15.2 h，污泥回流比為(50～100)%．為強(qiáng)化生物除磷效果，氧化溝前置厭氧池并回流活性污泥，厭氧池前增設(shè)回流污泥濃縮池，以提高回流污泥濃度，減少進(jìn)入?yún)捬醭氐南跛猁}質(zhì)量濃度．厭氧池設(shè)計(jì)污泥回流比100%，經(jīng)回流污泥濃縮池后為50%．

作為一種交替式運(yùn)行的污水處理工藝，三溝式氧化溝的運(yùn)行過程具有周期性時(shí)序特征．其運(yùn)行周期為8.0 h，上、下半周期運(yùn)行模式完全對(duì)稱，僅水流方向相反，時(shí)間均為4.0 h．中溝始終作為反應(yīng)池，維持好氧曝氣的運(yùn)行狀態(tài)，兩邊溝則交替作為反應(yīng)池和沉淀池，先后處于缺氧、好氧、預(yù)沉淀和沉淀狀態(tài)，每種狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間分別為1.5、1.5、1.0和4.0 h．進(jìn)水在作為反應(yīng)池的邊溝與中溝之間切換．

圖1 三溝式氧化溝工藝簡(jiǎn)圖

1.2 能耗現(xiàn)狀分析

為降低全廠綜合處理能耗，2007年起，該污水廠一期A2/O工藝采取滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行方式，二期三溝式氧化溝工藝則發(fā)揮水量調(diào)節(jié)作用．由于水量波動(dòng)較大，主要用電設(shè)備并未隨水量變化進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，三溝式氧化溝工藝能耗相對(duì)較高，2007年平均噸水單耗為0.293 kW·h/m3，遠(yuǎn)高于一期0.187 kW·h/m3的水平．與此同時(shí)，該廠2007年進(jìn)水水量比2006年有所提高，進(jìn)水污染物質(zhì)量濃度更是大幅提高，在二期主要耗電設(shè)備沒有進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整的情況下，負(fù)荷電耗仍維持在較低的水平．上述分析表明，該廠三溝式氧化溝工藝仍具有一定的節(jié)能空間．而氧化溝工藝的能耗中，曝氣轉(zhuǎn)刷能耗超過80%，單臺(tái)轉(zhuǎn)刷日耗電量占氧化溝日總耗電量5%左右．因此，合理控制轉(zhuǎn)刷運(yùn)行模式對(duì)三溝式氧化溝工藝節(jié)能降耗意義重大．

由于邊溝處于間歇曝氣狀態(tài)，中溝始終處于好氧曝氣狀態(tài)，因此，中溝轉(zhuǎn)刷的調(diào)控對(duì)三溝式氧化溝節(jié)能貢獻(xiàn)更大．以中溝為主要研究對(duì)象，研究以節(jié)能為目標(biāo)的曝氣轉(zhuǎn)刷運(yùn)行方式．

2 反應(yīng)器構(gòu)建

利用三溝式氧化溝工藝時(shí)序?qū)ΨQ性對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅模擬半個(gè)周期即可了解另外半周期的運(yùn)行狀況，進(jìn)而了解整個(gè)周期的運(yùn)行狀況．

三溝式氧化溝工藝中3條溝具有不同特性，中溝主要為完全混合及推流特性．優(yōu)化前，中溝開啟5臺(tái)轉(zhuǎn)刷，將中溝分割成5個(gè)串聯(lián)的完全混合反應(yīng)器(Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR)以模擬其推流特性［11］;通過最低流速、截面積和進(jìn)水流量等數(shù)據(jù)設(shè)置內(nèi)回流比，以模擬其完全混合特性．作為沉淀池的邊溝采用矩形理想沉淀池反應(yīng)器模擬．作為反應(yīng)池的邊溝主要特性為序批特性，采用序批式反應(yīng)器(Sequnencing Batch Reactor，SBR)進(jìn)行模擬，其周期設(shè)置與三溝式氧化溝半周期時(shí)序一致．各反應(yīng)器體積均與三溝式氧化溝工藝設(shè)計(jì)值一致．模擬流程圖見圖2．

圖2 三溝式氧化溝反應(yīng)器構(gòu)建方式示意圖

3 基于數(shù)學(xué)模擬的曝氣系統(tǒng)節(jié)能方案

3.1 節(jié)能運(yùn)行方案的提出

以活性污泥數(shù)學(xué)模型［9－11］ASM2D 為模擬機(jī)理，以GPS－X軟件［12］為模擬平臺(tái)搭建工藝流程圖，采用龍格－庫塔－費(fèi)爾伯格法求解生化反應(yīng)微分方程．對(duì)各工藝參數(shù)敏感性進(jìn)行分析并校正模型后，以該廠2009年9～10月實(shí)際原水水質(zhì)平均值(COD為340 mg/L，TN為31 mg/L，NH4+－N為21 mg/L，TP為4 mg/L，pH 為7.45)為模擬水質(zhì)初值，令設(shè)計(jì)水量6.25×104t/d為Q，研究進(jìn)水水量從0.7Q至1.3Q的情況下，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行45 d后，轉(zhuǎn)刷開啟臺(tái)數(shù)對(duì)出水水質(zhì)的影響，模擬結(jié)果平均值見圖3．

圖3中的模擬結(jié)果顯示，水量負(fù)荷不同，開啟轉(zhuǎn)刷臺(tái)數(shù)不同，出水水質(zhì)大不相同．開啟5臺(tái)轉(zhuǎn)刷，在水量負(fù)荷增加30%的情況下，出水各項(xiàng)指標(biāo)仍滿足一級(jí)B(GB18918—2002)標(biāo)準(zhǔn)要求，即COD≤60 mg/L，TP≤1 mg/L，TN≤20 mg/L，NH4

+－N≤8 mg/L，因此，仍具有一定節(jié)能空間．開啟4臺(tái)轉(zhuǎn)刷，在水量負(fù)荷增加25%的情況下，出水各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均能達(dá)標(biāo)，但水量負(fù)荷增加30%時(shí)，出水總磷將超標(biāo)．而開啟3臺(tái)轉(zhuǎn)刷，當(dāng)水量負(fù)荷低于設(shè)計(jì)值Q時(shí)，可以保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，但當(dāng)水量負(fù)荷超過設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，由于曝氣供氧能力不足，出水水質(zhì)不能達(dá)標(biāo)．總體來說，開啟4臺(tái)轉(zhuǎn)刷可以承受一定的水量沖擊負(fù)荷，使出水水質(zhì)滿足達(dá)標(biāo)要求，且降低了曝氣能耗．

圖3 轉(zhuǎn)刷開啟臺(tái)數(shù)對(duì)出水水質(zhì)影響模擬結(jié)果

設(shè)置轉(zhuǎn)刷開啟數(shù)量為4臺(tái)，在上述模擬水質(zhì)初始值基礎(chǔ)上，逐漸增加污染物質(zhì)量濃度，并模擬相應(yīng)出水水質(zhì)，模擬時(shí)間為45 d，模擬結(jié)果平均值見表1．

從表1中可以看出，當(dāng)進(jìn)水底物質(zhì)量濃度增加50%時(shí)，出水的各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足達(dá)標(biāo)要求;當(dāng)進(jìn)水底物質(zhì)量濃度增加60%時(shí)，由于曝氣供氧能力不能滿足硝化反應(yīng)的順利進(jìn)行，出水氨氮超標(biāo)．這說明4臺(tái)轉(zhuǎn)刷的曝氣供氧能力可以承受一定的水質(zhì)沖擊負(fù)荷，當(dāng)進(jìn)水底物質(zhì)量濃度增加時(shí)，開啟4臺(tái)轉(zhuǎn)刷基本可以滿足出水達(dá)標(biāo)的要求．

表1 開啟4臺(tái)轉(zhuǎn)刷出水水質(zhì)隨進(jìn)水水質(zhì)變化模擬結(jié)果

從上述模擬結(jié)果的分析可知，降低曝氣轉(zhuǎn)刷開啟臺(tái)數(shù)至4臺(tái)，即可滿足出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，又可以降低曝氣能耗，且減少工作轉(zhuǎn)刷的數(shù)量，相當(dāng)于增加備用設(shè)備數(shù)量，也在一定程度上提高了生產(chǎn)的安全性，增加了對(duì)曝氣設(shè)備調(diào)節(jié)的空間．通過模擬曝氣轉(zhuǎn)刷運(yùn)行工況對(duì)出水水質(zhì)的影響情況，確定了曝氣系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行方案，即在正常運(yùn)行工況下，將中溝轉(zhuǎn)刷開啟臺(tái)數(shù)由5臺(tái)降至4臺(tái);如遇突發(fā)水量、水質(zhì)沖擊負(fù)荷(水量增幅超過25%或污染物質(zhì)量濃度增幅超過50%)時(shí)，應(yīng)增開曝氣轉(zhuǎn)刷以保證出水水質(zhì);在水量負(fù)荷低于設(shè)計(jì)值時(shí)，可考慮將轉(zhuǎn)刷開啟臺(tái)數(shù)降至3臺(tái)，以適應(yīng)水量的波動(dòng)，達(dá)到節(jié)能的目的．

3.2 曝氣轉(zhuǎn)刷節(jié)能運(yùn)行方案的驗(yàn)證

2009年12月起，該廠三溝式氧化溝曝氣系統(tǒng)采用上述節(jié)能模式運(yùn)行．表2為2009年12月及2010年1月該廠在節(jié)能方案下運(yùn)行實(shí)際出水水質(zhì)的平均值．

表2 轉(zhuǎn)刷節(jié)能運(yùn)行模式下出水水質(zhì) mg·L－1

從表2可以看出，按照曝氣系統(tǒng)節(jié)能方案運(yùn)行，可以獲得較好的處理效果．尤其是在2010年1月進(jìn)水底物質(zhì)量濃度較高的情況下，出水水質(zhì)仍能保證達(dá)標(biāo)，證明了該方案的合理性和可行性．通過對(duì)曝氣系統(tǒng)采取適當(dāng)?shù)墓?jié)能措施，以及配合相關(guān)精確控制及輔助節(jié)能措施，2009年該廠三溝式氧化溝工藝的噸水能耗已降至0.224 kW·h/m3，比2008年下降14%，取得了較好的節(jié)能效果．

4 結(jié)論

1)在正常運(yùn)行工況下，將中溝轉(zhuǎn)刷開啟臺(tái)數(shù)由5臺(tái)降至4臺(tái)，既可滿足出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，又可以降低曝氣能耗．如遇突發(fā)水量、水質(zhì)沖擊負(fù)荷(水量增幅超過25%或污染物質(zhì)量濃度增幅超過50%)時(shí)，可通過增開曝氣轉(zhuǎn)刷的辦法保證出水水質(zhì);在水量負(fù)荷低于設(shè)計(jì)值時(shí)，可考慮將轉(zhuǎn)刷開啟臺(tái)數(shù)降至3臺(tái)，以適應(yīng)水量的波動(dòng)，達(dá)到節(jié)能的目的．

2)將曝氣系統(tǒng)節(jié)能方案應(yīng)用于實(shí)際運(yùn)行，不僅可以獲得較好的出水水質(zhì)，而且可實(shí)現(xiàn)能耗降低的目的．通過采取節(jié)能降耗措施，該廠三溝式氧化溝工藝 2009年的噸水單耗已降至0.224 kW·h/m3，比2008年下降超過14%，節(jié)能效果顯著．

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Optimization simulation of aeration mode in a triple oxidation ditch wastewater treatment process

YANG Yue1，2，ZHANG Jin-song1，3，LIU Li-xiang3，XU Zi-ming1

(1．Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School，518055 Shenzhen，Guangdong，China，yangyueww@126．com;2．Shenzhen Energy Environment Engineering Co．Ltd．，518052 Shenzhen，Guangdong，China;3．Shenzhen Water(Group)Co．Ltd．，518030 Shenzhen，Guangdong，China)

Based on mathematical simulation method，an optimization scheme of aeration system was proposed to save energy，which reduced the number of running aeration brush from 5 to 4 in the middle ditch under the normal operation condition．When the increasing degree of inflow was over 25%or the substrate concentration above 50%，the number of running aeration brush would be increased to 5．When the inflow were lower than normal condition，the number would be decreased to 3．With implementing this scheme for two months，the water quality of effluent could always meet the first class of B standard．

triple oxidation ditch process;aeration brush;simulation;energy saving

X703

A

0367－6234(2011)08－0076－04

2010－03－10．

國(guó)家“十一五”科技支撐項(xiàng)目(2006BAC19B06)．

楊 躍(1981—)，女，博士;

張金松(1963—)，男，教授級(jí)高工，博士生導(dǎo)師．

(編輯 劉 彤)