ASM2D模型的多模式AAO工藝模擬和優(yōu)化

占夢潮， 洪俊明， 鄒璐鮮， 戴蘭華， 陳向強(qiáng)， 謝小青

(1. 華僑大學(xué) 化工學(xué)院， 福建 廈門 361021；. 廈門市排水監(jiān)測站， 福建 廈門 361005；3. 廈門水務(wù)中環(huán)污水處理有限公司， 福建 廈門 361005)

ASM2D模型的多模式AAO工藝模擬和優(yōu)化

占夢潮1， 洪俊明1， 鄒璐鮮1， 戴蘭華2,3， 陳向強(qiáng)3， 謝小青3

(1. 華僑大學(xué) 化工學(xué)院， 福建 廈門 361021；. 廈門市排水監(jiān)測站， 福建 廈門 361005；3. 廈門水務(wù)中環(huán)污水處理有限公司， 福建 廈門 361005)

利用活性污泥2D模型(ASM2D)構(gòu)建厭氧-缺氧-好氧(AAO)多模式工藝的模型，通過靈敏度分析，對模型的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行校正.通過改變工藝運(yùn)行模式，排泥量、內(nèi)回流比和外回流比，優(yōu)化多模式AAO工藝.結(jié)果表明：該污水處理廠的最優(yōu)工藝運(yùn)行模式為改良式AAO模式；當(dāng)控制排泥量為2 000 m3·d-1時(shí)，內(nèi)回流比為100%，外回流比為50%，出水CODCr、氨氮和總氮質(zhì)量濃度等指標(biāo)均可達(dá)到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級B標(biāo)準(zhǔn)；經(jīng)過模擬和比較，曝氣能耗比原來節(jié)省28.7%，內(nèi)回流能耗相比原來節(jié)省37.3%. 關(guān)鍵詞： 多模式AAO工藝; ASM2D; 數(shù)學(xué)模擬; 工藝優(yōu)化; 活性污泥

目前污水處理工藝大多依靠工藝工程師的經(jīng)驗(yàn)運(yùn)行，但污水處理過程非常復(fù)雜，不確定性因素較多.因此，可能導(dǎo)致工藝參數(shù)調(diào)整過于保守、運(yùn)行成本高等問題，甚至存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，無法達(dá)到最優(yōu)工況，數(shù)值模擬方法是運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對各種實(shí)際問題進(jìn)行研究的方法，并運(yùn)用于污水處理工藝的運(yùn)行模擬[1-4].活性污泥模型(ASM)是國際水協(xié)發(fā)布的關(guān)于活性污泥反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，近年來，污水處理廠開始采用ASM模型進(jìn)行污水廠的設(shè)計(jì)、運(yùn)營和控制模擬[5]，運(yùn)用ASM2D模型對AAO工藝進(jìn)行模擬[6-9]，優(yōu)化運(yùn)行工藝和成本.Guerrero等[10]利用ASM2D模型模擬AAO，UCT，MUCT，BDP和JHB工藝，得出JHB和MUCT工藝對磷的去除效果最好，而BDP和UCT工藝由于大量的硝酸鹽進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)導(dǎo)致磷的去除率最低，適合反硝化過程.Kim等[11]運(yùn)用ASM模型優(yōu)化改良ABA2工藝曝氣時(shí)間，使COD，TN和TP去除率分別達(dá)到89%，73%和82%，同時(shí)節(jié)約能耗.近年來，國內(nèi)已有眾多研究將模型成功地應(yīng)用于污水處理廠模擬與優(yōu)化控制研究，并取得良好的效果[12-15].活性污泥數(shù)學(xué)模型可作為一種輔助工具指導(dǎo)污水廠的運(yùn)行，為污水廠的升級改造，優(yōu)化運(yùn)行提供指導(dǎo)[16].本文模擬某污水廠多模式AAO工藝模式，通過靈敏度分析優(yōu)化模型參數(shù).

1 污水廠現(xiàn)狀

某城市污水處理廠采用多模式AAO工藝，文中就3種常見AAO進(jìn)行模擬.通過改變進(jìn)水點(diǎn)，回流位點(diǎn)及控制閥門開度，可在常規(guī)、改良型和倒置AAO模式間切換.出水達(dá)到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級B標(biāo)準(zhǔn)[17]，處理能力為15 萬m3·d-1.

2 構(gòu)筑物尺寸運(yùn)行參數(shù)

該污水處理廠分兩期建設(shè)，由于建設(shè)和設(shè)計(jì)時(shí)間不同，設(shè)計(jì)參數(shù)取值略有不同.A，B組前面的構(gòu)筑物都是八格方池，分別為預(yù)缺氧池(1號池)、厭氧池(2號池)、缺氧池(3～8號池)、好氧生物池(A，B1和B2池)、二沉池.合流并進(jìn)行排泥.A組水量為5 萬m3·d-1，厭缺氧段停留時(shí)間為6.56 h，有效容積為1.36 萬m3.好氧段停留時(shí)間為7.64 h，有效容積為1.6 萬m3，ρ(DO)為1.1 mg·L-1.B組水量為10 萬m3·d-1，厭缺氧池有效容積為1.468 萬m3，停留的時(shí)間為7.12 h.好氧池有效容積V=1.599 8 萬m3，停留時(shí)間為7.6 h，ρ(DO)為1.6 mg·L-1.A，B組進(jìn)水均采用分流，預(yù)缺氧池與厭氧池進(jìn)水分配比為0.75.目前該污水廠是以改良AAO模式運(yùn)行，A組內(nèi)的回流量為3.326 4 萬m3·d-1(回流比為150%)，B組內(nèi)回流量為9.968 4 萬m3·d-1(回流比為100%).兩組工藝的外回流分開回流，A組外回流比為50%，B組外回流比為50%.

3 模型的建立

圖1 污水處理廠工藝模擬流程圖Fig.1 Simulated flow-sheet of the waste water treatment plant

模擬工藝流程圖是根據(jù)污水廠實(shí)際運(yùn)行工藝而進(jìn)行設(shè)計(jì)的.污水處理廠工藝模擬流程圖，如圖1所示.針對選取的9，10，11月數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，所有水質(zhì)數(shù)據(jù)均來自于該污水處理廠的日常監(jiān)測.

4 靈敏度分析

國際水協(xié)(IWA)給出了ASM2D中的動(dòng)力學(xué)和化學(xué)計(jì)量參數(shù)的默認(rèn)值，在實(shí)際污水處理工藝應(yīng)用中，為了提高模擬結(jié)果的可信度，仍有許多參數(shù)需要重新校核[18].靈敏度是用來衡量參數(shù)變化對目標(biāo)或系統(tǒng)狀態(tài)產(chǎn)生影響程度的一個(gè)量化指標(biāo).活性污泥法數(shù)學(xué)模型參數(shù)靈敏度分析中最常用的是相對靈敏度，計(jì)算公式[19]為

(1)

將9，10，11這3個(gè)月進(jìn)水組分?jǐn)?shù)據(jù)輸入模型中，進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，并調(diào)節(jié)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，調(diào)節(jié)參數(shù)前和調(diào)節(jié)后的ρ(CODcr)，ρ(TN)，ρ(NH3-N)模擬結(jié)果，如圖2所示.

(a) COD (b) TN (c) NH3-N圖2 出水模擬值和實(shí)際值比較Fig.2 Comparison between the simulation and the real value of the effluent quality

圖2(a)為ρ(CODcr)模擬值和ρ(CODcr)實(shí)測值的對比圖.由圖2(a)可知：模型模擬值與實(shí)測值變化趨勢較為一致，模擬值基本能夠很好地反應(yīng)實(shí)測值ρ(CODcr)的變化.圖2(b)為ρ(TN)模擬值和ρ(TN)實(shí)測值對比圖.由圖2(b)可知：ρ(TN)實(shí)測平均值為(14.42±2.18) mg·L-1，ρ(TN)模擬平均值為(20.46±3.64) mg·L-1.由圖2(c)可知：ρ(NH3-N)模擬平均值為(6.34±2.11) mg·L-1；實(shí)測平均值為(2.09±0.90) mg·L-1.因此，需要對模型的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行一定的調(diào)整.

對模擬結(jié)果影響較大的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如表1所示.表1中：對ρ(CODcr)影響較大的參數(shù)有μPAO，KO2，qPP，其次為KA，Kpp；對ρ(TN)有影響的參數(shù)為μPAO，KO2，qPP，其他參數(shù)影響較??；影響ρ(NH3-N)較大的參數(shù)有qpp，μPAO，KO2，KA，其他參數(shù)影響較小，甚至無影響.

表1 靈敏度較高的動(dòng)力學(xué)參數(shù)Tab.1 Kinetic parameters with higher sensitivity mg·L-1

調(diào)整聚磷菌(PAO)的最大生長速率μPAO由1.0至0.8.由于該參數(shù)可影響PHA的好氧生長，PHA只與PAO有關(guān)，且PAO可進(jìn)行反硝化，調(diào)節(jié)該參數(shù)可改變出水ρ(TN)值.然后，通過調(diào)整氧的飽和/抑制系數(shù)KO2由0.2至0.1.由于改變異養(yǎng)菌的氧飽和抑制系數(shù)可改變異養(yǎng)菌的發(fā)酵過程，有利于硝化菌的生長，從而可調(diào)節(jié)出水氨氮值.參數(shù)調(diào)整后，對比圖3(b)校準(zhǔn)前和校準(zhǔn)后數(shù)據(jù)，出水ρ(TN)模擬值(16.94±3.64) mg·L-1和實(shí)測值(14.42±2.18) mg·L-1更接近，ASM2D模型對氨氮的模擬值基本可以反映氨氮的降解趨勢，氨氮模擬值(3.20±1.73) mg·L-1和實(shí)測值(2.09±0.90) mg·L-1也基本達(dá)到一致.經(jīng)過參數(shù)校正后，模擬值與實(shí)測值的偏差率為34.7%，能模擬污水處理工藝運(yùn)行的要求[20].

5 數(shù)學(xué)模型的工藝優(yōu)化

基于調(diào)整后的動(dòng)力學(xué)參數(shù)模型，分別對不同的工藝模式、排泥量、內(nèi)回流比和外回流比等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.

5.1 不同運(yùn)行模式下的AAO工藝

常規(guī)AAO法主要適用于污水處理廠氨氮和總磷進(jìn)水質(zhì)量濃度較低的情況，即可使出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)；改良AAO法主要適用于污水處理廠進(jìn)水總磷質(zhì)量濃度較高，而氨氮質(zhì)量濃度不高，且需要強(qiáng)化除磷的情況；倒置AAO法主要適用于污水處理廠進(jìn)水氨氮較高，需要強(qiáng)化生物脫氮處理效果的情況，如果總磷的質(zhì)量濃度過高也可通過化學(xué)除磷的方式進(jìn)行處理[21].

不同模式AAO工藝的出水水質(zhì)變化的模擬，如圖3所示.由圖3可知：3種工藝模式下ρ(CODcr)的去除，最優(yōu)者為倒置AAO工藝，其次為常規(guī)AAO工藝.因?yàn)榈怪肁AO工藝缺氧池位于厭氧區(qū)前面，反硝化菌可以優(yōu)先獲得碳源，所以其碳源消耗比其他工藝更快，進(jìn)而出水ρ(CODcr)更低.

對于TP的去除率，最優(yōu)者為改良型AAO工藝，這是因?yàn)槠湓趨捬鯀^(qū)前端有一個(gè)預(yù)缺氧區(qū).回流污泥先經(jīng)過預(yù)缺氧區(qū)消耗部分溶解氧后，再流入?yún)捬鯀^(qū)，從而減少帶入?yún)捬鯀^(qū)的溶解氧量，這樣可以改善厭氧區(qū)的厭氧環(huán)境，保證厭氧區(qū)的釋磷效果，好氧區(qū)的吸磷能力也相應(yīng)得到增強(qiáng)[22]，故其除磷能力相對更強(qiáng).而倒置AAO除磷能力相對較弱，主要是由于大部分碳源分配到缺氧池，影響厭氧池中聚磷菌厭氧釋磷及好氧吸磷的作用[23].

圖3 不同模式AAO工藝下的出水水質(zhì)Fig.3 Effluent quality under different AAO processes

5.2ρ(DO)值的影響

ρ(DO)值對模擬出水效果的影響，如圖4所示.由圖4可知：ρ(DO)從0.5 mg·L-1增加至2.0 mg·L-1時(shí)，此時(shí)有機(jī)物的消耗速率明顯地加快，微生物會(huì)在有氧的條件下，利用有機(jī)物進(jìn)行有氧代謝合成新的細(xì)胞，好氧池硝化菌也可以更好地將氨氮氧化為硝態(tài)氮.因此，出水ρ(CODcr)降低，出水ρ(TN)和ρ(NH3-N)下降.出水ρ(TP)反而升高，這是因?yàn)棣?DO)增加，好氧池中NO3-增多，導(dǎo)致回流至前端的NO3-增多，影響聚磷菌厭氧釋磷.因此，污水廠好氧段最優(yōu)的ρ(DO)為1.0 mg·L-1，此時(shí)出水ρ(CODcr)，ρ(TP)，ρ(NH3-N)和ρ(TN)均指標(biāo)達(dá)到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級B標(biāo)準(zhǔn).通過對ρ(DO)和鼓風(fēng)機(jī)曝氣能耗進(jìn)行核算，工藝優(yōu)化后曝氣能耗可節(jié)省28.7%(相比污水廠A組1.1 mg·L-1和B組1.6 mg·L-1).利用污水處理廠2013年12月進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行溶解氧質(zhì)量濃度調(diào)整驗(yàn)證，優(yōu)化后的模型ρ(DO)設(shè)為1.0 mg·L-1.

5.3 排泥量的影響

活性污泥工藝對磷的去除主要是通過排放高含磷污泥而實(shí)現(xiàn)的，如排泥量過少，除磷效果差，同時(shí)造成污泥中磷的重新釋放，降低除磷效果[24-25].排泥過多，則回流至預(yù)缺氧池的污泥較少，進(jìn)入?yún)捬醭氐奈勰鄿p少，導(dǎo)致脫氮效果減弱，但是排泥過多也會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的污泥處理費(fèi)用增加.不同排泥量條件下的出水水質(zhì)，如圖5所示.

圖4 不同ρ(DO)下水質(zhì)的變化 圖5 不同排泥量下的出水水質(zhì)Fig.4 Effluent quality of simulation Fig.5 Effluent quality of simulation under different ρ(DO) under different sludge volume

由圖5可知：排泥量增加，出水ρ(CODcr)和ρ(TP)下降，但出水ρ(TN)和ρ(NH3-N)反而上升.出水ρ(TP)的降低，主要是排泥除磷(污泥中含有大量的聚磷菌)；而排泥量增加也會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的外回流污泥減少，ρ(TN)和ρ(NH3-N)增加.因此，綜合考慮兩方面的影響，排泥量應(yīng)該設(shè)置在2 000 m3·d-1，這和污水處理廠原來設(shè)置值一致.

5.4 回流比的影響

模擬內(nèi)回流比為50%，100%，150%，200%條件下的污染物去除效果，結(jié)果如圖6所示.A，B組不同外回流比的出水水質(zhì)，結(jié)果如圖7所示.

圖6 不同內(nèi)回流比下的出水水質(zhì) 圖7 不同外回流比下的出水水質(zhì)Fig.6 Effluent quality of simulation under Fig.7 Effluent quality of simulation under different internal reflux ratio different external reflux ratio

由圖7可知：外回流比從50%增加至200%時(shí)，出水的ρ(CODcr)由20.72 mg·L-1增加至29.87 mg·L-1；而總磷質(zhì)量濃度則由1.12 mg·L-1增加至2.21 mg·L-1；總氮?jiǎng)t由17.50 mg·L-1下降至14.64 mg·L-1，總氮降低19.4%；氨氮由5.69 mg·L-1降低值2.09 mg·L-1，且在外回流比100%時(shí)降至最低5.4 mg/L.外回流比的增大并沒有使得COD的去除率進(jìn)一步增加，可能是因?yàn)榛亓鞅冗^大，導(dǎo)致污泥在各個(gè)反應(yīng)器的沉積降低了有機(jī)物的去除.總磷增加比較明顯，這是由于回流污泥中含有大量的硝化液，使得反硝化作用也在厭氧池中進(jìn)行，從而與釋磷菌爭奪碳源，影響除磷效果(特別是進(jìn)水碳源較少時(shí))，導(dǎo)致出水TP增加.而氨氮和總氮質(zhì)量濃度的下降，是因?yàn)榛亓魑勰嗔看?，反硝化作用更加充分，氮的去除較高.隨著污泥回流比的增大，運(yùn)行費(fèi)用也將增加.綜合各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，建議該污水廠A，B組外回流比控制在50%，這和污水處理廠設(shè)定值一致.

6 結(jié)束語

以ASM2D模型為基礎(chǔ)，對污水廠AAO工藝進(jìn)行模擬，通過靈敏度的分析，校正動(dòng)力學(xué)參數(shù)，使得出水的ρ(CODcr)，ρ(NH3-N)和ρ(TN)模擬值與實(shí)際值基本一致.改良AAO模式為最優(yōu)的工藝模式，在ρ(DO)設(shè)置為1.0 mg·L-1時(shí)，排泥量可以控制在2 000 m3·d-1,內(nèi)回流比均為100%，外回流比50%的出水水質(zhì)最佳；同時(shí),ρ(DO)能耗相比原來節(jié)省28.7%，內(nèi)回流能耗相比原來降低37.3%.通過工藝優(yōu)化，ρ(DO)、排泥量、內(nèi)回流比和外回流比整體能耗相比原來下降了27.3%.

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(責(zé)任編輯： 陳志賢 英文審校： 劉源崗)

Multi-Mode AAO Process Simulation and Optimization Based on ASM2D Model

ZHAN Mengchao1, HONG Junming1, ZOU Luxian1,DAI Lanhua2,3, CHEN Xiangqiang3, XIE Xiaoqing3

(1. College of Chemical Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China；2. Drainage Monitoring Station, Xiamen 361005, China；3. General Water of Xiamen Sewage Company Limited, Xiamen 361005, China)

Activated sludge model No 2D (ASM2D) has been used to establish the model of multi-mode anaerobic-anoxic-oxic (AAO) process. The kinetic parameters of the model were calibrated through the sensitivity analysis, and the sludge discharge capacity, the interior return ratio and external reflux ratio were adjusted in order to optimize the operation of multi-AAO process. The results showed that the optimal process operation of sewage treatment plant was the Modified AAO mode. If the capacity of sludge discharge was controlled to 2 000 m3·d-1, the interior return ratio could be 100%, the external reflux ratio 50%, and the concentrations of the effluentρ(CODcr),ρ(NH3-N) andρ(TN) all below the threshold values set out by the Chinese legislation ofDischargeStandardofPollutantsforMunicipalWastewaterTreatmentPlants: GB 18918-2002 Class 1B. Meanwhile, after simulations and comparisons, the aeration energy consumption decreased by 28.7%, and the consumption of the internal reflux energy dropped by 37.3% compared to those of the past. Keywords： multi-mode anaerobic-anoxic-oxic process； activated sludge model No 2D; mathematical modeling; process optimization； activated sludge

10.11830/ISSN.1000-5013.201701013

2015-09-28

洪俊明(1974-)，男，副教授，博士，主要從事水污染控制的研究.E-mail:jmhong@hqu.edu.cn.

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012ZX07313-001-08); 福建省高校產(chǎn)學(xué)研重大項(xiàng)目(2014Y4006); 福建省廈門市科技計(jì)劃項(xiàng)目(3502Z20140057， 3502Z20151256)

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A

1000-5013(2017)01-0069-06