基于ASM2D模型對(duì)改良DAT-IAT工藝脫氮除磷能力優(yōu)化

摘 " " "要： 以ASM2D模型為基礎(chǔ)、STOAT軟件為工具，對(duì)改良DAT-IAT工藝進(jìn)行外回流比、內(nèi)回流比、DAT池DO質(zhì)量濃度、溫度單因素模擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：外回流比對(duì)NH4+-N與TN去除成正相關(guān)，對(duì)TP去除成負(fù)相關(guān)；在一定范圍內(nèi)，內(nèi)回流比與出水NH4+-N與TN去除成正相關(guān)；DAT池DO質(zhì)量濃度對(duì)出水NH4+-N去除成正相關(guān)，對(duì)出水TN去除成負(fù)相關(guān)；當(dāng)進(jìn)水溫度在10～16 ℃范圍時(shí)，出水NH4+-N、TP出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)的情況。根據(jù)4因素5水平正交試驗(yàn)，分析確定了各影響因素對(duì)工藝出水水質(zhì)的顯著性大小和最佳工況。分析表明，當(dāng)外回流比為140%、內(nèi)回流比為150%、DAT池DO質(zhì)量濃度為2.0 mg·L-1、溫度為22 ℃時(shí)為改良DAT-IAT工藝的最優(yōu)組合，在該條件下模擬時(shí)段內(nèi)的工藝出水水質(zhì)均滿足一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān) "鍵 "詞：ASM2D模型；改良DAT-IAT工藝； STOAT；工藝優(yōu)化

中圖分類號(hào)：X703 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " " 文章編號(hào)：1004-0935（2023）04-0493-06

針對(duì)污水處理廠工藝運(yùn)行條件單一導(dǎo)致處理效能低，僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)難以保證處理水質(zhì)達(dá)標(biāo)這一問(wèn)題，為了在污水排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)苛條件下，能靈活改變工藝運(yùn)行條件，使處理出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，本文根據(jù)數(shù)學(xué)模型具有快速準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)污水處理工藝出水水質(zhì)這一優(yōu)勢(shì)[1-6]，以校參后的改良DAT-IAT工藝[7]模型作為基礎(chǔ)，模擬外回流比、內(nèi)回流比、DAT池DO質(zhì)量濃度以及溫度對(duì)處理水質(zhì)的影響。通過(guò)單因素分析與多因素協(xié)同分析不同條件下的出水水質(zhì)，獲取工藝參數(shù)優(yōu)化的策略。

1 "研究方法

1.1 "模擬對(duì)象

撫順某污水處理廠一期工藝采用改良DAT-IAT工藝，該廠改良DAT-IAT工藝日處理水量25萬(wàn)m3，DAT-IAT工藝前端設(shè)置1座厭氧池，厭氧池出水均勻分配流入DAT-IAT池中，厭氧池總長(zhǎng)73 m，寬31 m，水深8.3 m，混合液回流比為200%，污泥回流比為100%。

1.2 "模型的搭建

STOAT軟件含有預(yù)設(shè)的排水設(shè)備模型，有助于污水處理及受納水體的綜合模擬[7]。根據(jù)改良DAT-IAT工藝各反應(yīng)單元的流態(tài)特征與物料守恒原理，利用STOAT5.0作為平臺(tái)，以STOAT軟件模型庫(kù)中的ASM2D模型作為模擬基礎(chǔ)，使用STOAT軟件中各種工藝單元組件搭建改良DAT-IAT工藝 "流程。

1.3 "常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)

對(duì)2016年12月至2017年4月污水廠進(jìn)出水常規(guī)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)平均值如表1所示。

1.4 "常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)

2016年12月至2017年4月期間，對(duì)該污水處理廠的進(jìn)水進(jìn)行取樣（共23次），按照文獻(xiàn)[8]方法對(duì)進(jìn)水COD組分進(jìn)行劃分，取平均比例作為COD的組分。利用文獻(xiàn)[9-10]中靈敏度分析的方法對(duì)所構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，確定將參數(shù)異養(yǎng)YH、PAO YPAO、bH、異養(yǎng)fXI、iTSS，XI、iTSS，XS、iTSS，BM、自養(yǎng)KO2、自養(yǎng)KNH4、PAO Kmax、iP，XBM、iP，XS分別調(diào)整為0.567、0.6、1.08、0.09、0.714、0.788、0.81、0.8、1.6、0.5、0.08、0.003后，模型穩(wěn)態(tài)模擬各出水指標(biāo)模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差控制在10%以內(nèi)，達(dá)到較好的模擬仿真效果。

2 "單因素影響模擬

2.1 "外回流比對(duì)出水水質(zhì)的影響

本模擬試驗(yàn)分析了在外回流比為20%、40%、60%、80%、100%、120%、140%條件下各污染物的變化規(guī)律和去除效果，模擬結(jié)果如圖1所示。

從圖1可知，模擬出水的NH4+-N質(zhì)量濃度隨外回流比增大而減小，其中外回流比由20%增加到60%時(shí)，出水質(zhì)量濃度由11.48 mg·L-1降低到 " "2.65 mg·L-1，去除率上升了65.4%；當(dāng)外回流比由60%增加到140%過(guò)程中，出水NH4+-N減小幅度變緩，質(zhì)量濃度由2.65 mg·L-1降低到1.32 mg·L-1，去除率上升了9.85%。模擬出水的TN隨DAT-IAT工藝的外回流比增大而減小，其中外回流比由20%增加到80%時(shí)，出水TN質(zhì)量濃度由13.3 mg·L-1降低到9.83 mg·L-1，去除率上升了12.3%。模擬出水的TP隨外回流比的增大而增大，其中外回流比由20%增大到140%時(shí)，出水TP質(zhì)量濃度上升了 " " "0.58 mg·L-1，去除率下降了15.7%。

綜合來(lái)看，外回流比是改良DAT-IAT工藝的一個(gè)重要的運(yùn)行參數(shù)，明顯影響系統(tǒng)的脫氮除磷效果，若外回流比控制在60%～100%范圍內(nèi)可保證良好的出水水質(zhì)及較好的脫氮除磷能力。

2.2 "內(nèi)回流比對(duì)出水水質(zhì)的影響

本模擬試驗(yàn)分析了在內(nèi)回流比為0%、50%、100%、150%、200%、250%、300%條件下各污染物的變化規(guī)律和去除效果，模擬結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，內(nèi)回流比的增大會(huì)使出水NH4+-N質(zhì)量濃度減小，其中內(nèi)回流比由0增大到100%時(shí)，出水NH4+-N質(zhì)量濃度減小了1.99 mg·L-1，去除率上升了14.7%；內(nèi)回流比由0增大至150%，模擬出水TN質(zhì)量濃度逐漸減小，出水TN質(zhì)量濃度由 " 13.89 mg·L-1降低到9.49 mg·L-1，去除率由50.9%上升到66.5%；隨著內(nèi)回流比的增大，模擬出水TP質(zhì)量濃度逐漸增大，當(dāng)內(nèi)回流比由0增大至300%，出水TP質(zhì)量濃度由0.37 mg·L-1上升到0.55 mg·L-1，去除率下降了4.9%。

綜合來(lái)看，內(nèi)回流比對(duì)系統(tǒng)硝化效果與反硝化效果有明顯的影響，對(duì)除磷效果影響較小，從各污染物去除效果與節(jié)省能耗方面上看，可將內(nèi)回流比控制在50%～150%范圍內(nèi)，在該范圍內(nèi)提高內(nèi)回流比可有效強(qiáng)化系統(tǒng)硝化與反硝化能力，有效提高對(duì)NH4+-N與TN的去除率，保證良好的出水水質(zhì)。

2.3 "DAT池DO對(duì)出水水質(zhì)的影響

分別模擬DAT池DO為1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0 mg·L-1條件下各污染物的變化規(guī)律和去除效果，模擬結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著DAT池中DO質(zhì)量濃度升高，出水NH4+-N質(zhì)量濃度逐漸降低，當(dāng)DAT池DO質(zhì)量濃度由1 mg·L-1上升至3 mg·L-1，出水NH4+-N質(zhì)量濃度由2.38 mg·L-1下降至1.03 mg·L-1，去除率由82.4%上升至92.4%。DAT池DO質(zhì)量濃度與出水TN去除率成負(fù)相關(guān)，隨著DAT池中DO質(zhì)量濃度升高，出水TN質(zhì)量濃度由8.87 mg·L-1上升至 " 10.56 mg·L-1，去除率下降了5.9%，表明DAT池DO質(zhì)量濃度對(duì)出水TN影響較小。DAT池中DO質(zhì)量濃度對(duì)出水TP質(zhì)量濃度基本沒(méi)有影響，出水TP質(zhì)量濃度穩(wěn)定在0.48～0.50 mg·L-1范圍內(nèi)，去除率穩(wěn)定在86.7%左右。

綜合來(lái)看，提高DAT池DO質(zhì)量濃度僅對(duì)出水NH4+-N與TN有較小影響，即使DAT池在低DO質(zhì)量濃度的條件下也可保證各指標(biāo)有較好的去除效果，可適量降低DAT池DO質(zhì)量濃度，將其控制在1～2 mg·L-1范圍內(nèi)，這樣既減小了對(duì)IAT池停曝階段缺氧環(huán)境的影響又能降低能耗。

2.4 "溫度對(duì)出水水質(zhì)的影響

本模擬試驗(yàn)分析了溫度為10、13、16、19、22 ℃條件下各污染物的變化規(guī)律和去除效果，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)溫度由10 ℃上升至13 ℃，出水NH4+-N質(zhì)量濃度由5.72 mg·L-1下降至1.58mg·L-1，NH4+-N去除率由57.6%上升至88.3%，升高溫度對(duì)NH4+-N處理效能明顯提高；由13 ℃上升至22 ℃過(guò)程中，出水NH4+-N質(zhì)量濃度變化幅度減小，去除率上升了6.4%。當(dāng)溫度由10 ℃上升至16 ℃，出水TN質(zhì)量濃度由10.25 mg·L-1降低至9.47 mg·L-1，去除率由63.8%上升至66.5%；當(dāng)溫度由16 ℃上升至22 ℃，出水TN質(zhì)量濃度由9.47 mg·L-1上升至12.02 mg·L-1，去除率下降了9.0%。TP的去除率隨著溫度的升高有明顯的提高。當(dāng)溫度由10 ℃上升至22 ℃，出水TP質(zhì)量濃度由1.29 mg·L-1下降至0.17 mg·L-1，去除率由65.1%上升至95.4%。

綜合來(lái)看，當(dāng)進(jìn)水溫度在10～16℃范圍時(shí)，為保證出水NH4+-N、TP能達(dá)標(biāo)，需增加系統(tǒng)污泥質(zhì)量濃度來(lái)強(qiáng)化硝化反應(yīng)，并延長(zhǎng)厭氧區(qū)的水力停留時(shí)間提高除磷效果。

3 "多因素協(xié)同作用的影響

3.1 "正交試驗(yàn)

本研究選取外回流比、內(nèi)回流比、DAT池DO、溫度4個(gè)因素，每個(gè)因素選取5個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)?zāi)M，其中各因素水平的選取根據(jù)單因素模擬結(jié)果中得到較優(yōu)的數(shù)值來(lái)選擇，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案表見(jiàn)表2。

借助SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)上述4因素5水平的正交試驗(yàn)方案進(jìn)行正交分析，得出25組不同的組合的工況條件。利用STOAT軟件并基于已校核的改良DAT-IAT工藝模型對(duì)25組不同工況進(jìn)行模擬，正交模擬試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

3.2 "正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)結(jié)果分析數(shù)據(jù)如表4至表9所示。

顯著性（Sig）越低，影響越顯著，在本研究中取0.05作為顯著性的界限值。結(jié)果表明，對(duì)出水NH4+-N影響的由大到小順序?yàn)椋簻囟?、DAT池DO質(zhì)量濃度、外回流比、內(nèi)回流比，其中僅有溫度對(duì)出水NH4+-N的影響是極其顯著。對(duì)出水TN影響的由大到小順序?yàn)椋簻囟?、?nèi)回流比、外回流比、DAT池DO質(zhì)量濃度，其中溫度對(duì)出水TN影響很顯著，外回流比對(duì)出水TN顯著性一般。對(duì)出水TP影響的由大到小順序?yàn)椋簻囟?、外回流比、?nèi)回流比、DAT池DO質(zhì)量濃度，其中溫度和外回流比對(duì)出水TP的影響是極其顯著的。

根據(jù)對(duì)正交試驗(yàn)的極差分析，出水NH4+-N的最低工況為外回流比140%，內(nèi)回流比150%，DAT池DO質(zhì)量濃度2.0 mg·L-1，溫度22 ℃；出水TN的最低工況為外回流比140%，內(nèi)回流比150%，DAT池DO質(zhì)量濃度1.4 mg·L-1，溫度16℃；出水TP的最低工況為外回流比60%，內(nèi)回流比200%，DAT池DO質(zhì)量濃度2.0 mg·L-1，溫度22 ℃。

3.3 "最佳工況的驗(yàn)證

將以上幾組較優(yōu)工藝參數(shù)帶入到改良DAT-IAT工藝模型中進(jìn)行模擬，所得出水結(jié)果見(jiàn)表10所示。

通過(guò)上述分析，考慮單因素和顯著性的影響，同時(shí)考慮到改良DAT-IAT系統(tǒng)的脫氮除磷作用，本節(jié)按照出水NH4+-N、TN、TP一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)，來(lái)選出改良DAT-IAT工藝最適工況點(diǎn)。在本研究給定條件下確定改良DAT-IAT工藝的最佳脫氮除磷工況為：當(dāng)外回流比為140%，內(nèi)回流比為150%，DAT池DO質(zhì)量濃度為2.0 mg·L-1，溫度為22 ℃。將2016年12月至2017年4月的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)代入到模型中進(jìn)行模擬，所得模擬結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在此條件下NH4+-N、TN和TP的出水平均質(zhì)量濃度分別為1.07 mg·L-1、9.80 mg·L-1和0.34 mg·L-1，平均去除率分別為91.99%、64.18%和89.27%，此模擬時(shí)段中出水NH4+-N、TN和TP質(zhì)量濃度均滿足一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

4 "結(jié) 論

1）在外回流比由20%增加到60%過(guò)程中，出水NH4+-N與TN去除率隨著外回流比的增大而增大，外回流比繼續(xù)增大，出水NH4+-N與TN去除率升高幅度減??；隨著外回流比的升高，TP處理效果變差。

2）在一定范圍內(nèi)增大內(nèi)回流比會(huì)使出水NH4+-N、TN質(zhì)量濃度減小，當(dāng)內(nèi)回流比增大至150%后繼續(xù)增大內(nèi)回流比出水NH4+-N、TN質(zhì)量濃度幾乎不變；內(nèi)回流比對(duì)出水TP影響較小，隨著內(nèi)回流比增大，TP質(zhì)量濃度小幅度增大。

3）提高DAT池DO質(zhì)量濃度僅對(duì)出水NH4+-N與TN有較小影響，即使DAT池在低DO質(zhì)量濃度的條件下也可保證各指標(biāo)有較好的去除效果，可適量降低DAT池DO質(zhì)量濃度，這樣既減小了對(duì)IAT池停曝階段缺氧環(huán)境的影響又能降低能耗。

4）在10～22 ℃范圍內(nèi)變化時(shí)，出水TN質(zhì)量濃度先降低后升高，但系統(tǒng)能保持比較穩(wěn)定的TN去除率；當(dāng)進(jìn)水溫度在10～16 ℃范圍內(nèi)變化時(shí)，溫度越低出水NH4+-N、TP質(zhì)量濃度升高，出水NH4+-N、TP會(huì)出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)的情況。

5）對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果綜合分析，得出當(dāng)外回流比為140%、內(nèi)回流比為150%、DAT池DO質(zhì)量濃度為2.0 mg·L-1、溫度為22 ℃時(shí)為改良DAT-IAT工藝的最優(yōu)組合。

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Optimization of Nitrogen and Phosphorus Removal

Capability of Improved DAT-IAT Process Based on ASM2D Mode

LIU Qi， KANG Ning

（School of Municipal and Environmental Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110168， China）

Abstract： Based on the ASM2D model and using the STOAT software as a tool， single factor simulation experiments of external reflux ratio， internal reflux ratio， DO concentration in DAT pool and temperature were carried out for the improved DAT-IAT process. The results showed that the external reflux ratio was positively correlated with the removal of NH4+-N and TN， and negatively correlated with the removal of TP; Within a certain range， the internal reflux ratio was positively correlated with the removal of NH4+-N and TN in the effluent; The DO mass concentration of the DAT pool had a positive correlation with the effluent NH4+-N ， a negative correlation with the removal of TN in the effluent; When the inlet water temperature was in the range of 10～16 ℃， the NH4+-N and TP in the effluent were not up to the standard. According to the orthogonal test of 4 factors and 5 levels， the significance of each influencing factor on the quality of process effluent and the optimal working conditions were determined. The analysis results showed that when the external reflux ratio was 140%， the internal reflux ratio was 150%， the DO mass concentration in the DAT tank was 2.0 mg·L-1， and the temperature was 22 ℃， it was the optimal combination of the improved DAT-IAT process. The quality of the effluent of the process all met the Class A standard.

Key words： ASM2D model; Improved DAT-IAT process; STOAT; Process optimization