基于BioWin3.1軟件對Orbal氧化溝中4種組分的模擬研究

馬 昭,劉玉玲,白 戈,宣武赟,鞏書涵

(1.西安理工大學 水利水電學院,西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室,陜西 西安 710048;2.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院,貴州 貴陽 550081)

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基于BioWin3.1軟件對Orbal氧化溝中4種組分的模擬研究

馬 昭1,2,劉玉玲1,白 戈1,宣武赟1,鞏書涵1

(1.西安理工大學 水利水電學院,西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室,陜西 西安 710048;2.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院,貴州 貴陽 550081)

為了模擬Orbal氧化溝工藝有機物去除與脫氮除磷效果,基于ASDM數(shù)學模型,以BioWin3.1軟件為模擬平臺,對Orbal氧化溝工藝進行模擬研究。通過模型模擬值與實驗實測值的對比可知,COD、TN、TP與氨氮的模擬值與實測值誤差較小。說明BioWin3.1軟件可以較好地模擬Orbal氧化溝工藝的有機物去除與脫氮除磷效果,可用于對Orbal氧化溝中的水質(zhì)進行預測,也可為工藝的運行調(diào)試提供參考依據(jù)。

Orbal氧化溝; BioWin3.1; 模擬; 預測

根據(jù)我國2015年1月1日實施的《中華人民共和國環(huán)境保護法》第七十條要求,可明顯看出我國已將環(huán)境保護提到重要日程上。其中,對污水處理企業(yè)也提出了更高的要求,要求企業(yè)應當優(yōu)先使用清潔能源,并采用資源利用率高且污染物排放量少的工藝、設(shè)備、廢棄物綜合利用技術(shù)以及污染物無害化處理技術(shù),以減少污染物的產(chǎn)生。同時,根據(jù)2015年4月16日由國務(wù)院通知的《水污染防治行動計劃》(簡稱“水十條”)正式出臺的內(nèi)容,對污水排放標準與污水處理工藝都提出了更高的要求。此外,我國目前城市污水處理能耗較高,根據(jù)我國的能源發(fā)展戰(zhàn)略,需要開展污水處理工藝的節(jié)能降耗研究[1]。

污水處理工藝涉及的過程復雜,工藝調(diào)整一般依靠工程經(jīng)驗,調(diào)整周期長,成本高,存在一定風險。由于數(shù)值模擬方法可以快速預測不同處理工藝條件下的出水水質(zhì),因此在污水處理廠工藝的設(shè)計和預測運行方面得到了重視和發(fā)展[2]。從20世紀70年代起,研究人員和機構(gòu)陸續(xù)開發(fā)了多種活性污泥系統(tǒng)的數(shù)學模型[3-6],其中以國際水協(xié)會提出的活性污泥數(shù)學模型(Active Sludge Mathematic Models,簡稱ASMs)與厭氧硝化模型(Anaerobic Digestion Mathematic Models,簡稱ADMs)最具代表性[1]。BioWin3.1模擬軟件的核心是主要包含ASMs與ADMs的ASDM綜合模型。本文利用BioWin3.1軟件對西安市某污水廠Orbal氧化溝工藝進行數(shù)值模擬,一方面可通過模型模擬的出水水質(zhì)與實際工藝的出水水質(zhì)對比來驗證模型的準確性,另一方面可通過已驗證的模型對實際污水處理工藝的水質(zhì)進行預測,這對后面的工藝調(diào)試具有一定的指導意義。

1 BioWin簡介

BioWin3.1(全污水處理廠ASDM數(shù)學模型)不僅內(nèi)嵌了IWA推出的ASMs活性污泥系列模型,而且整合了厭氧硝化模型(ADMs)、pH平衡、氣體轉(zhuǎn)移與化學沉淀等模型[7-8],這使得構(gòu)建的模型與實際工藝狀況吻合良好。

BioWin3.1軟件基于ASDM數(shù)學模型,闡述了全污水處理環(huán)節(jié)中50種污水組分以及影響這些污水組分的80個化學、物理與生物反應過程。BioWin3.1模型軟件涵蓋了30個污水處理工藝模塊,包含進出水模塊、生化反應器模塊、沉淀池(初沉池與二沉池等)模塊、污泥處理模塊等。用戶通過整合這些結(jié)構(gòu)化工藝模塊,可以構(gòu)建目標污水處理工藝的概化模型[2]。

圖2 Orbal氧化溝概化模型Fig.2 Generalized model of the Orbal oxidation ditch

2 污水廠概況

研究的污水處理工藝為西安市某污水處理廠以O(shè)rbal氧化溝為核心的二級生物處理工藝。其中,Orbal氧化溝的外、中、內(nèi)溝容積比為52.6∶29.7∶17.7,采用轉(zhuǎn)刷曝氣。污水進入到進水控制井,再經(jīng)過粗格柵、污水泵房、細格柵、曝氣沉砂池(單格尺寸為38 m×4.8 m×2.0 m)進行除渣、沉砂、撇油等預處理后,依次經(jīng)過分配井、厭氧選擇池(單池尺寸為27 m×9.8 m×4.35 m)、氧化溝(單池尺寸為108.2 m×50.2 m×4.5 m)、沉淀池(單池直徑為42 m,深度為4.5 m)進行生化處理,最后出水。二沉池排出的污泥進入濃縮池、平衡池并被離心脫水處理后,外運衛(wèi)生填埋。具體流程見圖1。

圖1 Orbal氧化溝工藝流程圖Fig.1 Orbal oxidation ditch process flow diagram

該污水處理廠共有4座氧化溝,每座氧化溝有效容積為18 745 m3,每組池寬為50.2 m,溝長為108.2 m,有效水深為4.5 m。每個氧化溝內(nèi)有轉(zhuǎn)刷曝氣機14臺,其中外圈6臺,中圈6臺,內(nèi)圈2臺。每單座氧化溝中部橫跨安裝3臺潛水推進器,外溝2臺,中溝1臺,起推流作用。氧化溝內(nèi)部混合液濃度大約為4 000～6 000 mg/L,水力停留時間約為20 h,污泥回流比為60%,污泥齡約為20 d,外、中、內(nèi)三溝的寬度分別為9 m、6 m和4.3 m。

3 工藝模擬過程

3.1 構(gòu)建工藝概化模型

基于Orbal氧化溝工藝運行原理,構(gòu)建Orbal氧化溝工藝概化模型[9],如圖2所示(交叉點處未連接)。同時根據(jù)上述污水廠概況中Orbal氧化溝的實際尺寸來設(shè)定模型各單元的幾何尺寸。

BioWin3.1軟件中沒有提供推流式反應器結(jié)構(gòu)模塊,但提供了轉(zhuǎn)刷曝氣反應器與生物反應器等結(jié)構(gòu)單元。通過設(shè)置與編輯其中的相關(guān)參數(shù),可以利用這些單元來構(gòu)建可以用于準確模擬的推流式反應器。因此,根據(jù)實際氧化溝的有效容積、溝長、有效水深等幾何尺寸以及其他附屬設(shè)備的數(shù)量與功能來構(gòu)建工藝概化模型。本文應用了14個轉(zhuǎn)刷曝氣單元與20個非曝氣的生物反應器單元來進行建模。轉(zhuǎn)刷曝氣單元用來模擬氧化溝中的曝氣轉(zhuǎn)刷及其附屬構(gòu)筑物,非曝氣的生物反應器單元通過連接兩個相鄰轉(zhuǎn)刷曝氣單元來模擬相鄰轉(zhuǎn)刷間的溝道。

根據(jù)穩(wěn)態(tài)模擬[7]的結(jié)果,轉(zhuǎn)刷曝氣單元的體積在外、中、內(nèi)三溝道分別設(shè)為150 m3、100 m3和90 m3。同時,外溝中每個厭氧反應器單元的幾何尺寸(長×寬×深度)為10.73 m×9 m×4.5 m,溶解氧控制在0.0 mg/L;中溝每個反應器單元的幾何尺寸設(shè)為6.8 m×6 m×4.5 m,溶解氧控制在1.0 mg/L;內(nèi)溝中每個反應器單元的幾何尺寸設(shè)為28.21 m×4.3 m×4.5 m,溶解氧控制在2.0 mg/L,以此實現(xiàn)與Orbal氧化溝實際情況的最佳吻合。

在模型中,曝氣沉砂池后的點沉淀池沒有體積,點沉淀池的作用只是將曝氣沉砂池中沉淀的物質(zhì)排至污泥濃縮池,進行后續(xù)處理,直至污泥排放。同時,對于污泥濃縮池構(gòu)筑物,由于模型中沒有單獨的模塊來構(gòu)建污泥濃縮池,本模型中應用污泥濃縮池與脫水間模塊共同構(gòu)建污泥濃縮池,如圖3(a)所示。污泥濃縮池運行參數(shù)的設(shè)置見圖3(b)與(c),污泥濃縮池底流流量設(shè)置為100.000 0 m3/d,脫水間底流流量設(shè)置為1.000 0 m3/d。如圖3(d)與(e)所示,二沉池構(gòu)筑物由理想沉淀池模塊構(gòu)建,其運行參數(shù)的設(shè)置選擇同步流,同步于進水流量(即同步流)的25%,此時,設(shè)定的運行參數(shù)可以使模型出水模擬值與污水廠出水實測值吻合較好,說明模型可以準確反映實際污水處理工藝的運行狀況。

圖3 Orbal氧化溝模型中污泥濃縮池與二沉池Fig.3 Sludge thickener and secondary clarifier in the Orbal oxidation ditch model

3.2 輸入水質(zhì)水量與相關(guān)參數(shù)

構(gòu)建的Orbal氧化溝工藝模型中,進水水量與水質(zhì)采用實測進水水量與水質(zhì)的平均值(見表1)。由于實驗條件的限制,目前我處實驗設(shè)備不能測定部分組分數(shù)據(jù),則模型不能進行準確模擬,所以本文這部分組分默認為IWA推薦的典型污水組分(見表2)。IWA推薦的典型污水組分與污水廠組分有一定的差異,但兩者的偏差在模擬誤差允許的范圍內(nèi),模型可以較為準確地對工藝進行模擬,模擬結(jié)果能反映出污水廠的運行狀況。對于涉及的模型參數(shù)(動力學與化學計量學參數(shù))的設(shè)置,其中部分模型相關(guān)參數(shù)基于間歇OUR法[10]原理,通過呼吸計量裝置(見圖4)在特定條件下對污水中微生物氧呼吸速率(OUR)[11]進行實測,再通過相關(guān)參數(shù)計算公式進行計算,實測與計算的參數(shù)值見表3。

表1 污水處理廠實測水量與組分

注:表1中提及的每月水質(zhì)數(shù)據(jù)平均值是由每日監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)求平均所得;表1中只列舉部分常用水質(zhì)數(shù)據(jù)。

表2 典型污水組分(最初污水)

表3 Orbal氧化溝工藝中化學計量學與動力學參數(shù)推薦值與實測值

注:由于實驗條件的限制,只實測了部分化學計量學與動力學參數(shù)(列于表4)。

表3中實測的化學計量參數(shù)有異養(yǎng)菌與自養(yǎng)菌的產(chǎn)率系數(shù)YH與YA,動力學參數(shù)有異養(yǎng)菌與自養(yǎng)菌的衰減系數(shù)bH與bA,異養(yǎng)菌與自養(yǎng)菌的比增長速率uH與uA。

模型中其它參數(shù)值默認為國際水協(xié)(IWA)推薦值(見表4)。

表4 化學計量學與動力學參數(shù)的推薦值

注:由于模型中化學計量學與動力學參數(shù)較多,加之文章篇幅限制,所以此處只列舉了部分推薦數(shù)據(jù),而模型模擬時 所需參數(shù)已默認為推薦值。

圖4 呼吸計量裝置Fig.4 Respiratory measuring device

3.3 工藝模擬與結(jié)果分析

先將表1與表3的實測數(shù)據(jù)輸入到上述概化模型中,設(shè)置其它參數(shù)為污水廠實際運行參數(shù)或國際水協(xié)推薦值來進行穩(wěn)態(tài)模擬;后將出水模擬值與實測值進行對比分析,同時通過調(diào)整部分參數(shù)實現(xiàn)模型的校準。以下對模型校正前后TN、TP、氨氮與COD的出水濃度與去除率的模擬值進行分析,見圖5～8。

圖5 模型校準前后總氮TN出水濃度與去除率Fig.5 TN effluent concentrations and removal effect before and after the model calibration

由圖5可知,出水TN濃度的模擬值與實測值存在偏差。其原因有:6月與8月含有污染物濃度較高的污水進入污水廠,使進水TN濃度偏高,再者污水廠工藝中微生物長期處于穩(wěn)定環(huán)境中,含有較高濃度污染物的污水混入,使微生物受沖擊而對TN的去除率下降;西安市8月份雨水較多,大量雨水的混入,超過污水廠處理水量,部分污水未經(jīng)處理直接排放;在活性污泥系統(tǒng)中生物脫氮由硝化與反硝化兩個過程共同來完成,其中生物硝化是硝化細菌(包含硝化桿菌與亞硝化單胞菌)將污水中氨氮最終轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的生化過程,而生物反硝化是反硝化菌將硝化過程產(chǎn)生的硝酸鹽轉(zhuǎn)化為N2、NO與N2O的生化過程,最終達到脫氮的效果[12]。生物脫氮的適宜溫度為25 ℃～30 ℃,而西安市11月與12月正處于冬季,氣溫較低,低溫不但影響硝化細菌的比增長速率,而且影響硝化細菌中生化酶的活性,繼而影響生物脫氮率;在對污水廠水質(zhì)測定時,人為因素帶來的誤差也不可避免。這些因素均會使出水TN濃度模擬值與實測值存在一定偏差。由圖5還可知,TN的實際去除率大致在64.929%～78.570%范圍內(nèi),模擬去除率范圍大致為64.914%～77.896%,兩者的TN去除率百分比差值在0.024%～3.971%范圍內(nèi)。就TN總體去除率而言,模型可以準確模擬出水TN濃度。

圖6 模型校準前后總磷TP出水濃度與去除率Fig.6 TP effluent concentrations and removal effect before and after the model calibration

由圖6可知,總磷TP出水濃度的模擬值與實測值也存在偏差。其原因除了上述高濃度污水的混入對微生物的沖擊、雨水量大造成部分污水直排以及低溫與微生物生理活動的關(guān)系等因素外,還有硝化作用產(chǎn)生的硝酸鹽抑制厭氧段聚磷菌釋磷,繼而影響易降解有機物的貯存與聚磷菌好氧段吸磷,這些因素都會使出水TP濃度的模擬值與實測值存在一定偏差。由圖6還可知,實際的TP去除率在95.052%～97.087%之間,模擬的TP去除率大致范圍為94.795%～97.064%,兩者的TP去除率百分比差值在0.031%～0.385%范圍內(nèi)。綜上所述,模型可以對出水TP濃度進行較為準確的模擬。

圖7 模型校準前后氨氮出水濃度與去除率Fig.7 Ammonia effluent concentrations and removal effect before and after the model calibration

由圖7可知,出水氨氮濃度的模擬值與實測值也存在偏差。尤其是6月與8月的出水氨氮平均濃度相對偏高,原因為6月與8月含有污染物濃度較高的污水進入污水廠,污水中含有大量的氨氮成分,高濃度的氨氮對微生物活性有抑制作用,會降低微生物對有機污染物的降解效率;高濃度的氨氮使污水中碳氮比過低,因此微生物營養(yǎng)元素比例失調(diào),難以進行有效的硝化作用;污水中還存在一定量的重金屬、絡(luò)合離子或有毒有機物,對硝化細菌與反硝化細菌有毒害作用。這些都會造成實測出水氨氮濃度偏高,與模型模擬值存在一定的偏差。由圖7還可知,氨氮的實測去除率大致在79.694%～95.606%之間,氨氮的模擬去除率大致范圍為82.009%～96.095%,兩者的氨氮去除率百分比差值在0.078%～2.905%范圍內(nèi)。就氨氮整體去除率而言,模型可以準確模擬出水氨氮濃度。

由圖8可知,COD出水濃度的模擬值與實測值也存在偏差,其原因除了人為監(jiān)測帶來的誤差、污水量過大部分直排、高濃度污水進入水廠對系統(tǒng)的沖擊等影響因素外,還有環(huán)境溫度的影響,由于活性污泥系統(tǒng)中的微生物多屬嗜溫菌,其適宜溫度介于15 ℃～30 ℃之間[12],適宜的溫度能夠促進微生物的新陳代謝并強化微生物體內(nèi)生化酶的活性,有助于微生物對污染物進行降解。相反,溫度較低會抑制微生物對污染物的降解。由圖8還可知,COD的實際去除率大致在91.429%～94.589%范圍內(nèi),模擬去除率范圍大致為91.957%～94.477%,兩者COD去除率百分比差值在0.013%～0.577%范圍內(nèi)。綜上所述,模型可以對出水COD濃度進行較為準確的模擬。

圖8 模型校準前后COD出水濃度與去除率Fig.8 COD effluent concentrations and removal effect before and after the model calibration

奧貝爾氧化溝工藝中COD、TN、TP與氨氮的模擬值與實測值出現(xiàn)誤差的共同原因主要有以下幾點。

1) 試驗過程中難免存在測定誤差,將它們運用到模型中對模擬結(jié)果的準確度必然產(chǎn)生一定影響;

2) 所建模型將Orbal氧化溝工藝模型化,部分模擬過程被理想化,同時模型中使用的參數(shù)推薦值與實際污水處理工藝的運行參數(shù)有出入,也會對模擬結(jié)果造成一定的影響;

3) 模擬溫度均設(shè)為20 ℃,而實際反應溫度隨著環(huán)境溫度變化,這會對模擬結(jié)果造成一定的誤差;

4) 所建模型對工藝中曝氣池的流態(tài)、二沉池的功能等都進行了一定的簡化,這與實際情況也存在一定差距;

5) BioWin3.1構(gòu)建的模型只是一個與實際Orbal氧化溝工藝不斷靠近的模型,然而模型設(shè)定的條件與實際污水處理工藝的環(huán)境條件存在一定差距。

4 結(jié) 語

本文以西安市某污水處理廠Orbal氧化溝工藝為研究對象,先通過BioWin3.1軟件構(gòu)建工藝模型并進行模型校正,后用校正后的模型對TN、TP、氨氮與COD進行模擬,模擬結(jié)果表明BioWin3.1模型軟件可以較準確地模擬污水處理工藝的運行狀況,同時驗證了實測相關(guān)參數(shù)的準確性。該模型可為后期的水質(zhì)預測、故障診斷與工藝調(diào)試、設(shè)計和提標改造提供參考依據(jù)。

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(責任編輯 王衛(wèi)勛)

Simulation of four components based on BioWin software in the Orbal oxidation ditch

MA Zhao1,2,LIU Yuling1,BAI Ge1,XUAN Wuyun1,GONG Shuhan1

(1.School of Water Resources and Hydroelectric Engineering, Xi’an University of Technology; State Key Laboratory of Eco-Hydraulic Engineering, Xi’an 710048, China; 2.Guiyang Survey,Design & Research Institute of State Power Corporation of China,Guiyang 550081, China)

In order to simulate the organics removal and denitrification and phosphorus removal effect of the Orbal oxidation ditch process, the Orbal oxidation ditch process is numerically simulated based on the ASDM mathematical model and the BioWin simulation software. The comparisons between the analog values of the model and the experimental measured values show that the simulated COD, TN, TP and ammonia nitrogen are approximately in agreement with the experimental ones. Studies have shown that the BioWin software can precisely simulate the organics removal and denitrification and phosphorus removal effect of the Orbal oxidation ditch process, which can be used at the same time for forecast of water quality in the Orbal oxidation ditch and provide the reference basis for operation and Debugging.

Orbal oxidation ditch; BioWin3.1; simulation; forecast

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.04.018

2015-06-11

國家自然科學基金資助項目(51178391);陜西省教育廳重點實驗室科學研究計劃資助項目(15JS063);陜西省科學研究計劃資助項目(2014K15-03-05)

馬昭,男,碩士生,研究方向為環(huán)境污染控制技術(shù)。E-mail:840192526@qq.com

劉玉玲,女,博士,教授,博導,研究方向為水污染控制理論與技術(shù)。E-mail:liuyuling@xaut.edu.cn

X703.1

A

1006-4710(2016)04-0481-07