探討CAST工藝運(yùn)行優(yōu)化與控制

嚴(yán)俊泉

(揚(yáng)州市潔源排水有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225004)

CAST工藝作為污水二級(jí)處理工藝，具有工藝流程簡(jiǎn)單、土建和設(shè)備投資少(無(wú)初沉池和二沉池以及規(guī)模較大的回流污泥泵站);運(yùn)行靈活，能很好地緩沖進(jìn)水水質(zhì)、水量的波動(dòng);無(wú)污泥膨脹，沉淀過(guò)程在靜止環(huán)境中進(jìn)行，無(wú)漂泥現(xiàn)象，工藝過(guò)程穩(wěn)定;自動(dòng)化程度高，人員費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。已在歐美國(guó)家得到廣泛應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)主要將其用于需脫氮除磷的城市污水及制藥、啤酒、印染和化工等行業(yè)廢水的處理［1］。與其他工藝相比，CAST工藝對(duì)過(guò)程控制的各項(xiàng)參數(shù)、自動(dòng)化控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性有更高的要求，而目前污水廠大多采用依賴于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的恒定參數(shù)控制模式，已無(wú)法適應(yīng)進(jìn)水水質(zhì)、水量的時(shí)刻變化和滿足更嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)［2］。

鑒于此，筆者結(jié)合揚(yáng)州湯汪污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行情況，通過(guò)整理分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，應(yīng)用活性污泥模型ASM2D模擬得出適用于該污水廠的最佳調(diào)控參數(shù)，以期進(jìn)一步提高CAST工藝的運(yùn)行效率和處理效果，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 污水處理廠概況

湯汪污水處理廠屬于淮河流域水污染防治工程和南水北調(diào)東線治污工程之一，設(shè)計(jì)總規(guī)模為18×104m3/d，分兩期實(shí)施，一期規(guī)模為10×104m3/d，二期規(guī)模為8×104m3/d0處理對(duì)象為由合流管網(wǎng)收集的揚(yáng)州老城區(qū)、瘦西湖風(fēng)景區(qū)及周邊區(qū)域內(nèi)的污水，依次經(jīng)粗格柵、進(jìn)水泵房、細(xì)格柵、曝氣沉砂池、CAST生物池處理后排入京杭大運(yùn)河，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918－2002)的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。作為重點(diǎn)治污工程，該廠要求進(jìn)一步提高出水水質(zhì)，響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策。筆者的研究對(duì)象為該廠的一期工藝，目前實(shí)際處理量平均為6×104m3/d。

1.2 進(jìn)水水質(zhì)

湯汪污水廠的進(jìn)水 COD、BOD5、SS、NH3－N、TN 和 TP分別為 310、151、180、24.4、36.1 和 4.34mg/L，進(jìn)水碳源充足，B/C值(0.49)、BOD5/TN值(4.2)和BOD5/TP值(34.8)均較高，可生化性較好。

1.3 運(yùn)行工況

一期工藝設(shè)有厭氧選擇區(qū)和8個(gè)完全混合式CAST池，分為4個(gè)控制模塊，每2個(gè)池組成一個(gè)模塊并列啟動(dòng)，由于現(xiàn)階段進(jìn)水量不足，僅運(yùn)行了3個(gè)模塊。模塊I:進(jìn)水/曝氣—曝氣—沉淀—潷水;模塊II:沉淀—潷水—進(jìn)水/曝氣—曝氣;模塊III:潷水—進(jìn)水/曝氣—曝氣—沉淀;模塊IV:曝氣—沉淀—潷水—進(jìn)水/曝氣。設(shè)計(jì)運(yùn)行周期為4h、四階段各為1h;實(shí)際運(yùn)行周期為5.5h，四階段依次運(yùn)行 110、83.3、76.7、60minQ進(jìn)水/曝氣階段DO控制在1.8－2.0mg/L，曝氣階段DO控制在2～2.5mg/L，污泥回流比為22%，污泥齡為18d0

1.4 試驗(yàn)方法

以GPS－X為軟件平臺(tái)，采用ASM2D模型對(duì)污水處理廠的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬。ASM2D模型不僅包括含碳有機(jī)物的去除過(guò)程，還描述了通過(guò)硝化和反硝化作用對(duì)含氮物質(zhì)的去除過(guò)程，以及厭氧水解和發(fā)酵、生物除磷、化學(xué)沉淀、PAOs的反硝化等反應(yīng)過(guò)程［3］。湯汪污水處理廠的核心工藝為CAST生物池，其實(shí)質(zhì)為活性污泥法，因此該模型的建立以活性注污泥模型為主，不包括格柵、沉砂池及消毒等設(shè)施。模型建立后，必須利用該廠的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

1.5 分析項(xiàng)目與方法

COD:重鉻酸鉀法;B0D5:稀釋與接種法;TN:過(guò)硫酸鉀氧化一紫外分光光度法;NH3－N:納氏試劑分光光度法;TP:鉬酸銨分光光度法;SS:重量法。對(duì)于活性污泥降解污染物的基本參數(shù)，包括耗氧速率、硝化速率、反硝化速率、磷的釋放及吸收速率等均采用活性污泥測(cè)定儀(美國(guó)生化公司專利分析工具)測(cè)定，其由一個(gè)電腦操控的控制箱和反應(yīng)器組成，可定量描述污水處理廠的運(yùn)行狀況并校正污泥模型［4］。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥活性分析

采用活性污泥測(cè)定儀對(duì)CAST工藝中的污泥活性進(jìn)行了分析，在低溫(15℃)下污泥混合液的硝化速率為1.15mgNH3－N/(L·h)，耗氧速率為5.25～9.6mg02/(L·h)，反硝化速率為2.9mgN/(L·h)，與其他污水廠相比，污泥活性偏低。這主要是因?yàn)楸O(jiān)測(cè)時(shí)段受到大量工業(yè)廢水的沖擊，使進(jìn)水中含有部分毒性或惰性污染物，抑制了污泥的活性。故在優(yōu)化運(yùn)行控制過(guò)程中，需對(duì)進(jìn)水污染物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并采用前饋控制預(yù)警沖擊負(fù)荷對(duì)核心CAST工藝的影響，以及時(shí)計(jì)算、調(diào)整最佳工藝參數(shù)，確保污水廠穩(wěn)定高效運(yùn)行。

2.2 設(shè)計(jì)方案預(yù)測(cè)

在使用ASM2D模型校正成功的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了36種設(shè)計(jì)方案預(yù)測(cè)。分別在12和20℃兩種典型水溫下，針對(duì)CAST工藝的不同曝氣時(shí)間(包含曝氣及微曝氣階段，60～120min)進(jìn)行模擬調(diào)整，篩選了幾種優(yōu)化方案進(jìn)行討論，其中生物池的MLSS設(shè)置為4g/L。

以12℃的水溫模擬預(yù)測(cè)湯汪污水處理廠在冬季運(yùn)行狀況。在DO較低(1mg/L)時(shí)，氨氮的硝化效果較差。預(yù)測(cè)方案結(jié)果顯示，若要達(dá)到較好的硝化效果，曝氣時(shí)間要延長(zhǎng)至120min，此時(shí)出水氨氮和總氮濃度較曝氣時(shí)間為60min時(shí)的可降低好31.8%和34.1%。當(dāng)DO提高到2mg/L時(shí)，出水水質(zhì)有所提高。其中，曝氣時(shí)間為60min時(shí)對(duì)氨氮的去除率提高了18.2%;要想達(dá)到理想的硝化效果，則需將曝氣時(shí)間增至120min，此時(shí)出水氨氮降為6mg/L。因此在低溫條件下，通過(guò)提高生物反應(yīng)池的溶解氧濃度來(lái)使出水氨氮達(dá)標(biāo)的方案是可行的。繼續(xù)將DO增至3mg/L時(shí)，出水氨氮可下降1～2mg/L，但降幅不大，且出水總氮濃度幾乎無(wú)變化，而能耗卻增加了14.3%左右。因此將DO控制在2mg/L較為理想。湯汪污水處理廠目前在DO為2mg/L的條件下運(yùn)行，平均曝氣時(shí)間為150min(含曝氣和微曝氣階段)，雖然可確保出水氨氮達(dá)標(biāo)，但同時(shí)也増大了曝氣能耗。

在水溫較高(20℃)的條件下，設(shè)定了兩個(gè) DO值(1和2mg/L)進(jìn)行模擬。當(dāng)DO為1mg/L時(shí)，曝氣60min后，出水氨氮可降至5mg/L;在相同的曝氣時(shí)間下，高溫條件下比低溫條件下對(duì)氨氮的去除率有顯著提高，由此也說(shuō)明了溫度對(duì)硝化進(jìn)程、硝化菌活性的重要影響;另外模擬結(jié)果顯示，出水COD、BOD5、NH3－N和TN濃度均能滿足GB18918—2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。若設(shè)定曝氣吋間為100min，不僅可保證出水穩(wěn)定達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，與該廠實(shí)際工況相比，每天的總曝氣時(shí)間也可縮短80～280min、D0降低1mg/L，從而可節(jié)約28% ～36%的曝氣能耗。當(dāng)DO調(diào)整為2mg/L時(shí)，出水氨氮、總氮濃度可進(jìn)一步降低，但與DO為1mg/L時(shí)的模擬結(jié)果相比，對(duì)氨氮的去除率增加不明顯;而與實(shí)際工況相比，當(dāng)設(shè)定曝氣時(shí)間(含微曝氣階段)為60min時(shí)，模擬出水氨氮濃度略高于實(shí)際工況的，但也能夠滿足GB18918－2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)總曝氣時(shí)間縮短，每天可以增加1～2個(gè)運(yùn)行周期，可以應(yīng)對(duì)進(jìn)水高峰、水量明顯增加的情況。

此外，在低水量、較高水溫情況下，可適當(dāng)降低DO濃度，因?yàn)镈O過(guò)高會(huì)影響缺氧反硝化過(guò)程，并且過(guò)大的曝氣強(qiáng)度會(huì)影響污泥顆粒的吸附和絮凝性能，使得出水ss增加。

2.3 優(yōu)化方案總結(jié)

對(duì)比以上五種模擬方案可知，提高DO濃度和延長(zhǎng)曝氣時(shí)間可有效降低出水氨氮濃度。對(duì)湯汪污水處理廠來(lái)說(shuō)，為進(jìn)一步提局出水水質(zhì)和運(yùn)行穩(wěn)定性，當(dāng)水溫較低時(shí)，提高氧的轉(zhuǎn)移效率，在曝氣過(guò)程中保持DO設(shè)定值;當(dāng)水溫較高時(shí)，則根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)、水量情況以及模擬結(jié)果調(diào)整運(yùn)行周期、DO濃度等參數(shù)，避免在保證出水達(dá)標(biāo)排放的情況下浪費(fèi)能源。同時(shí)，由于硝化能力的提高，將會(huì)產(chǎn)生更多的硝酸鹽，這將會(huì)提高反硝化效率，進(jìn)一步降低出水總氮濃度。

2.4 優(yōu)化診斷成果的執(zhí)行和實(shí)現(xiàn)

以上述CAST工藝診斷結(jié)果為基礎(chǔ)，建立生物工藝智能優(yōu)化控制系統(tǒng)(BIOS)，該系統(tǒng)的核心是活性污泥模型，配備專有的在線儀表與污水廠中央控制系統(tǒng)(SCADA)接口，將污水廠進(jìn)、出水的實(shí)時(shí)水質(zhì)數(shù)據(jù)輸入該實(shí)時(shí)模型對(duì)CAST工藝的處理效果進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果反饋給SCADA，然后輸出CAST工藝的各控制目標(biāo)參數(shù)，包括DO、內(nèi)回流比、外回流比及排泥量等。此方法解決了傳統(tǒng)控制方式不適應(yīng)水質(zhì)、水量變化的問(wèn)題以及在線儀表反饋滯后導(dǎo)致的延時(shí)性和誤差問(wèn)題，體現(xiàn)了智能自動(dòng)化控制的特點(diǎn)，從而可保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，而且實(shí)現(xiàn)了節(jié)省能耗、降低運(yùn)行費(fèi)用的目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)湯汪污水處理廠CAST工藝的污泥活性偏低，硝化速率為.l5mgNH3－N/(L·h)、耗氧速率為 5.25－9.6mg02/(L.h)、反硝化速率為2.9mgN/(L·h)，主要受監(jiān)測(cè)時(shí)段高負(fù)荷工業(yè)廢水的沖擊，故需對(duì)污水廠進(jìn)水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采用前饋控制，以及時(shí)調(diào)整最佳工藝參數(shù)來(lái)確保污水廠穩(wěn)定高效運(yùn)行。

(2)對(duì)于湯汪污水處理廠的CAST工藝，在低水溫條件下，需確保曝氣過(guò)程中DO值達(dá)到2mg/L，以彌補(bǔ)低溫對(duì)微生物活性的不利影響;在較高水溫條件下，根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)、水量及模型模擬結(jié)果調(diào)整最佳運(yùn)行周期、DO濃度等參數(shù)，以避免在保證出水達(dá)標(biāo)排放的情況下浪費(fèi)能源。

(3)以CAST工藝診斷結(jié)果為基礎(chǔ)建立開發(fā)的生物工藝智能優(yōu)化控制系統(tǒng)可使優(yōu)化成果得以執(zhí)行，從而解決了在工藝運(yùn)行控制方面缺乏科學(xué)依據(jù)、明顯滯后的問(wèn)題，提高了CAST工藝的自動(dòng)化控制技術(shù)水平及污水處理廠運(yùn)行人員的管理水平。

［1］房安富，王旭，王文光.CAST工藝在大連老虎灘污水處理廠的應(yīng)用［J］.中國(guó)給水排水，2007，23(4):61 －64.

［2］熊紅權(quán)，李文彬.CASS工藝在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.中國(guó)給水排水，2003，19(2):34 －35.

［3］郭亞萍，顧國(guó)維.ASM2d在污水處理中的研究與應(yīng)用［J］.中國(guó)給水排水，2006，22(6):8 －10.

［4］李金國(guó)，焦建文，劉杰，等.揚(yáng)州六圩污水廠的工藝改進(jìn)及優(yōu)化控制設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)給水排水，2009，25(22):25 －30.