基于數(shù)學(xué)模型的多模式AAO系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化研究

周 振,胡大龍,吳志超,王志偉,杜興治,蔣玲燕,喬衛(wèi)敏 (.上海電力學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,上海 00090；.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 0009；.上海城投污水處理有限公司,上海 00)

基于數(shù)學(xué)模型的多模式AAO系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化研究

周 振1*,胡大龍1,吳志超2,王志偉2,杜興治3,蔣玲燕3,喬衛(wèi)敏1(1.上海電力學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,上海 200090；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092；3.上海城投污水處理有限公司,上海 201203)

構(gòu)建了綜合考慮出水水質(zhì)、污泥產(chǎn)量和系統(tǒng)能耗的運(yùn)行成本指數(shù)CPI,并利用數(shù)學(xué)模型對(duì)多模式厭氧/缺氧/好氧(AAO)系統(tǒng)的AAO、倒置AAO(RAAO)和缺氧/好氧(AO)3種模式進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化研究.在處理成本相近的前提下,在污泥齡5～25d范圍內(nèi)AAO模式的污染物去除效率和聚磷菌濃度明顯高于RAAO和AO模式.在運(yùn)行模式篩選的基礎(chǔ)上,通過(guò)回流比優(yōu)化確定了排放標(biāo)準(zhǔn)約束下AAO工藝的達(dá)標(biāo)運(yùn)行區(qū)域和最佳運(yùn)行工況.動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果表明,優(yōu)化工況能夠顯著改善出水水質(zhì),出水高于一級(jí)A的時(shí)間由78.4%下降至37.7%,CPI降低3.9%.

污水處理；優(yōu)化；厭氧/缺氧/好氧工藝；活性污泥；數(shù)學(xué)模型

近年來(lái),水資源的短缺和水污染的加劇使得脫氮除磷成為污水處理廠的首要任務(wù).作為最為廣泛應(yīng)用的污水脫氮除磷技術(shù),厭氧/缺氧/好氧(AAO)工藝通過(guò)不同的反應(yīng)條件營(yíng)造和復(fù)雜的操作變量控制實(shí)現(xiàn)了污水中COD和營(yíng)養(yǎng)元素的同步去除[1-4].張波[5]通過(guò) AAO 工藝厭氧和缺氧段的倒置提出了倒置 AAO(RAAO)工藝,該工藝支持者認(rèn)為其具有前置反硝化強(qiáng)化脫氮、“群體效應(yīng)”強(qiáng)化除磷、避免電子受體干擾厭氧釋磷、厭氧合成的聚 β羥基烷酸(XPHA)高效利用等優(yōu)點(diǎn)[6-8].然而,上述論述更多是基于推斷,AAO 和RAAO的運(yùn)行特性尚缺乏系統(tǒng)的對(duì)比分析.

多模式AAO系統(tǒng)可根據(jù)季節(jié)變化、排放要求和進(jìn)水水質(zhì)在AAO、RAAO和缺氧/好氧(AO)3種模式間靈活切換[9](圖1).由于AAO工藝受污泥齡(SRT)、污泥回流(RAS)、混合液回流(MLR)和曝氣強(qiáng)度等條件影響很大[10-13],多模式 AAO系統(tǒng)在增加系統(tǒng)靈活性的同時(shí)也帶來(lái)了運(yùn)行管理的挑戰(zhàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化存在很大難度.數(shù)學(xué)模擬則能很方便地優(yōu)化污水處理工藝,確定最佳運(yùn)行模式和工況條件[10,14-16].本研究擬在綜合分析出水水質(zhì)、污泥產(chǎn)量和系統(tǒng)能耗的基礎(chǔ)上構(gòu)建運(yùn)行成本指數(shù),并基于此對(duì)多模式AAO系統(tǒng)的3種運(yùn)行模式對(duì)比分析與優(yōu)化以確定最佳運(yùn)行條件.

1 材料與方法

1.1 多模式AAO系統(tǒng)

以白龍港污水處理廠多模式AAO系統(tǒng)為優(yōu)化對(duì)象,其工藝流程如圖1所示.該系統(tǒng)可通過(guò)閥門V1和V2的啟閉在3種模式間切換: V1關(guān)閉V2開(kāi)啟,為AAO模式;V1開(kāi)啟V2關(guān)閉,為RAAO模式; V1和V2同時(shí)關(guān)閉,為AO模式.

圖1 多模式AAO系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Flow chart of the multi-mode anaerobic/anoxic/oxic (MAAO)system

多模式 AAO系統(tǒng)處理水量為 200000m3/d,選擇、厭氧、缺氧和好氧水力停留時(shí)間分別為0.3、1.3、2.3和 8.1h.系統(tǒng)運(yùn)行工況為進(jìn)水分配1:1,MLR和RAS比均為50%,SRT為15d,好氧區(qū)溶解氧(SO)為2.0mg/L,水溫20.℃進(jìn)水水質(zhì)如表1所示, COD組分參照Z(yǔ)hou等[17].進(jìn)水SO、氮?dú)?SN2)、硝化菌(XAUT)、聚磷酸鹽(XPP)和 XPHA輸入值均為活性污泥模型[18]推薦值 0.001mg/L,金屬氫氧化物(XMeOH)和磷酸鹽(XMeP)取0.01mg/L.

表1 白龍港污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)特性Table 1 Influent characteristics of the Bailonggang wastewater treatment plant

1.2 模型構(gòu)建與參數(shù)校正

模型構(gòu)建采用WEST 3.7.5軟件完成.多模式AAO系統(tǒng)水力模型采用串聯(lián)反應(yīng)器模式.生化反應(yīng)模型選擇 ASM2dTemp模型,該模型可模擬不同溫度下的碳氧化、硝化-反硝化以及包括反硝化除磷在內(nèi)的生物除磷過(guò)程等.二沉池模型選用一維分層模型–雙指數(shù)模型[19].本研究所用模型及其參數(shù)校正與驗(yàn)證參見(jiàn)文獻(xiàn)[9,20].

1.3 模擬結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)

本研究在COST 624/682基準(zhǔn)[21]及Gernaey等[22]模擬經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了針對(duì)水質(zhì)、能耗、污泥產(chǎn)量等方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,該體系主要用于初始時(shí)刻 t0到終止時(shí)刻 tf的動(dòng)態(tài)模擬,其中部分評(píng)價(jià)指標(biāo)亦可簡(jiǎn)化后用于穩(wěn)態(tài)模擬評(píng)估.

1.3.1 出水水質(zhì)指數(shù)(EQ)出水水質(zhì)指數(shù) EQ(kg污染物/d)計(jì)算如下:

式中:Qe為出水流量,m3/d;污染物負(fù)荷 PU(t)為各組分污染物之和.

各組分污染物負(fù)荷PUk(mg/L)可計(jì)算如下

式中:βk和 Ck分別為出水組分權(quán)重因子和濃度.西歐[21-22]通 常 取 βTSS=2;βCOD=1;βBOD=2;βTN=20;βTP=20.而根據(jù)我國(guó)《排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》[23]核算,βTSS=0.25;βCOD=1;βBOD=2;βTN=0;βTP=4,該辦法更側(cè)重于有機(jī)物去除.本文綜合考慮“十二五”氨氮減排要求和脫氮除磷,擬取值如下:βTSS=0.25;βCOD=1;βBOD=2;βNH=30;βTN=20;βTP=20.

1.3.2 出水超標(biāo)(EV)出水超標(biāo)評(píng)估是污水處理廠優(yōu)化的重要內(nèi)容[21].本文擬按照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)[24]一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化評(píng)估.出水超標(biāo)以超標(biāo)次數(shù)(NV)和超標(biāo)時(shí)間百分比(PV)定量衡量.NV指超標(biāo)時(shí)間段的個(gè)數(shù), PV則是一段時(shí)間內(nèi)超標(biāo)時(shí)間所占百分比.比較而言,PV更能準(zhǔn)確反映出水超標(biāo)的時(shí)間長(zhǎng)度,兩者取間隔15min的輸出數(shù)據(jù)計(jì)算.

1.3.3 運(yùn)行成本 運(yùn)行成本需考慮污泥產(chǎn)量、水泵能耗、曝氣能耗和混合能耗 4方面.污泥產(chǎn)量PAS(kg/d)為剩余污泥排放總量,可計(jì)算為:

式中:Qw為剩余污泥排放流量,m3/d;Xw為剩余污泥濃度,mg/L.水泵能耗PE(kW·h/d)計(jì)算為:

式中:Qa和Qr分別為MLR和RAS流量,m3/d.曝氣能耗 AE(kW·h/d)計(jì)算應(yīng)基于COST基準(zhǔn)并考慮反應(yīng)器體積[25]:

式中:KLa,i和 Vi為反應(yīng)器 i的傳質(zhì)系數(shù)和體積,Vref為 1333m3.厭氧段和缺氧段需要攪拌混合以防污泥沉降.混合能耗 ME(kW·h/d)是反應(yīng)區(qū)體積的函數(shù):

其中,f(Vi)定義如下

1.3.4 運(yùn)行成本性能參數(shù) 運(yùn)行成本性能參數(shù)(CPI)可作為污水處理廠運(yùn)行情況的總體衡量指標(biāo),計(jì)算如下:

式中:α 值采用如下推薦值[22]:αEQ=50;αAE=αPE=αME=25;αAS=75.出水污染物超標(biāo)罰款(EF)部分的α值為 αEQ的 2倍.基于這一定義,出水中每一單位污染物排放均需繳納一定數(shù)量的罰金.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同SRT下3種模式的運(yùn)行特性對(duì)比

圖2為不同SRT下多模式AAO系統(tǒng)3種運(yùn)行模式出水水質(zhì)模擬值的對(duì)比.當(dāng) SRT范圍為5～25d時(shí),20℃下3種模式的出水COD模擬值均在 32～39mg/L間波動(dòng),低于一級(jí) A標(biāo)準(zhǔn)限定值.其中,AAO和RAAO的模擬曲線幾乎重合,而AO工藝的模擬值則略高.

圖2 多模式AAO系統(tǒng)出水水質(zhì)隨SRT的變化Fig.2 Variations of effluent pollutants of the MAAO system with SRT

由圖 2(b)和 2(c)知,20℃時(shí) 3種模式的出水SNH、TN與SRT曲線呈類似趨勢(shì),這是因?yàn)橄趸敲摰那疤醄1,26].兩條曲線拐點(diǎn)均在7.5d左右:當(dāng)SRT由7.5d降低到5.0d時(shí),出水SNH和TN會(huì)迅速上升;當(dāng)SRT＞7.5d時(shí),出水SNH和TN分別低于2.0和14.0mg/L且緩慢降低.這也說(shuō)明活性污泥系統(tǒng)存在硝化所需的最小SRT[27],且SRT＞7.5d時(shí)3種模式的SNH和TN均能穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A的要求.值得注意的是,低泥齡時(shí) RAAO 工藝更容易出現(xiàn)硝化和脫氮效果惡化的現(xiàn)象.

由圖2(d)知,3種模式下出水TP模擬值均隨SRT的升高而升高,這說(shuō)明低SRT有利于生物除磷.AAO出水TP要明顯低于RAAO和AO.如果要達(dá)到一級(jí)A對(duì)出水氮和磷的要求,AAO和AO模式的SRT范圍分別為6～15和6～10d,而RAAO在5～25d的范圍內(nèi)無(wú)法達(dá)到一級(jí)A的要求.

圖3為20℃時(shí)3種模式下好氧段混合液懸浮固體(MLSS)及微生物濃度隨SRT的變化.在3種運(yùn)行模式下,MLSS均隨SRT增長(zhǎng)近似呈線性增長(zhǎng),且 3者相差不大.AO 模式下異養(yǎng)菌(XH)濃度要高于RAAO和AAO,在SRT升高時(shí)該趨勢(shì)尤為明顯.3種模式下XAUT濃度均隨SRT增加而增加,其中RAAO的XAUT略低于其他兩種模式.在3種運(yùn)行模式中,AAO的XPAO濃度明顯高于其它兩種模式,而AO又高于RAAO,這一模擬結(jié)果也可解釋圖2(d)中3種模式出水TP的差異.

圖4為3種模式綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)CPI隨SRT的變化趨勢(shì)對(duì)比.由圖4知,CPI-SRT曲線在SRT為 7.5d時(shí)存在極小值,在 SRT由 7.5d增加到25.0d時(shí),CPI基本不變.CPI-SRT曲線與出水SNH和TN曲線類似,這說(shuō)明3種模式下運(yùn)行成本主要受出水水質(zhì)影響.比較而言,RAAO模式的CPI最高,而AAO模式略高于AO模式.

圖4 多模式AAO系統(tǒng)CPI隨SRT的變化Fig.4 Variations of CPI in the MAAO system with SRT

2.2 多模式AAO系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行優(yōu)化

通過(guò) 3種模式對(duì)比分析知,在處理成本相近時(shí),AAO的污染物去除效率明顯高于 RAAO和AO,特別是對(duì)生物除磷而言.因此,本部分運(yùn)行優(yōu)化將針對(duì)AAO模式.由圖2和4知,為穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A,SRT可設(shè)定為12d.除SRT外,RAS和MLR也會(huì)顯著影響 AAO的效果[1,10,12-13].本部分將模擬分析不同回流比對(duì)系統(tǒng)性能的影響,并通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)操作圖確定最優(yōu)工況.RAS和MLR變化范圍分別為50%～125%和0～200%,步長(zhǎng)取25%.

圖5為20℃時(shí)MLR和RAS對(duì)AAO系統(tǒng)出水TN、TP和CPI的影響.由于TN和TP在脫氮除磷系統(tǒng)中的重要性,圖5(a)可作為AAO的達(dá)標(biāo)排放操作圖.曲線TP=0.5mg/L、TN=15mg/L和操作圖邊界間的區(qū)域可作為一級(jí)A達(dá)標(biāo)運(yùn)行區(qū)域;而曲線TP=1.0mg/L和邊界圍成的區(qū)域則是一級(jí)B達(dá)標(biāo)運(yùn)行區(qū).圖5(a)中所有MLR和RAS值均可滿足二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求.在圖 5(b)的等高線圖中存在CPI為16.27k€/d的最小值點(diǎn)(125,75),該點(diǎn)在一級(jí)B達(dá)標(biāo)運(yùn)行區(qū)內(nèi);如果考慮一級(jí)A的達(dá)標(biāo)要求, CPI在(150,50)處取最小值16.57k€/d.

圖5 AAO系統(tǒng)出水TN、TP和CPI隨MLR和RAS的變化(SRT=12d,20)℃Fig.5 Variations of effluent TN, TP and CPI with MLR and RAS in the AAO system (SRT=12d, 20)℃

圖6為AAO系統(tǒng)按照基本工況與一級(jí)A約束優(yōu)化工況運(yùn)行時(shí)的出水水質(zhì)對(duì)比.由圖 6的動(dòng)態(tài)模擬數(shù)據(jù)計(jì)算得到的出水水質(zhì)、污泥產(chǎn)量和系統(tǒng)能耗指標(biāo)如表2所示.由圖6可知,優(yōu)化工況的出水 COD略低于基本工況.由于優(yōu)化工況的SRT(12d)低于基本工況(15d),所以優(yōu)化工況下出水SNH略高.優(yōu)化工況降低SRT實(shí)際上是在排放標(biāo)準(zhǔn)約束下脫氮和除磷效率的有效平衡.圖 6中優(yōu)化工況的出水TN和TP均低于基本工況.由表2可知,工況優(yōu)化后EQ由62.70t/d降低至54.18t/d,出水水質(zhì)明顯改善,出水超標(biāo)時(shí)間由 78.4%下降至37.7%,CPI指數(shù)降低了3.9%.

圖6 20℃時(shí)AAO系統(tǒng)出水水質(zhì)的優(yōu)化對(duì)比Fig.6 Effluent quality of the AAO system under basic and optimal operational mode

表2 不同工況條件下AAO系統(tǒng)性能參數(shù)匯總Table 2 Performance indices of the AAO system under different operational conditions

3 結(jié)論

3.1 在處理成本相近的前提下, SRT 5～25d范圍內(nèi)AAO模式的污染物去除效率和聚磷菌濃度明顯高于RAAO和AO模式.

3.2 通過(guò)內(nèi)外回流比優(yōu)化確定了一級(jí)A約束條件下AAO工藝的達(dá)標(biāo)運(yùn)行區(qū)域,并以CPI指數(shù)為目標(biāo)函數(shù)確定最佳運(yùn)行工況為 SRT=12d,MLR=150%, RAS=50%.

3.3 動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果表明,優(yōu)化工況能夠顯著改善出水水質(zhì),出水超過(guò)一級(jí)A的時(shí)間由78.4%下降至37.7%,CPI指數(shù)降低了3.9%.

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Model-based optimization of the multimode anaerobic/anoxic/aerobic system.

ZHOU Zhen1*, HU Da-long1, WU Zhichao2, WANG Zhi-wei2, DU Xing-zhi3, JIANG Ling-yan3, QIAO Wei-min1(1.College of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China；2.College of Environmental Science and Engineering, State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Tongji University, Shanghai 200092, China；3.Shanghai Chengtou Wastewater Treatment Limited Company, Shanghai 201203, China). China Environmental Science,2014,34(7)：1734～1739

The cost performance index (CPI)of a wastewater treatment plant operating with multimode anaerobic/anoxic/oxic (AAO)system was calculated based on effluent quality, sludge production and energy consumption using a mathematical model. The multimode AAO system could be operated under three modes: AAO, reversed AAO(RAAO)and anoxic/oxic (AO), and CPI for each mode was studied and compared. On the promise of similar operation costs, the AAO mode showed higher pollutants removal efficiency and concentration of phosphorus-accumulating organisms than RAAO and AO modes at sludge retention time of 5～25d. The optimal operation parameters and qualified operational region under discharge standard restraint were established for the AAO process by regulating recirculation ratios. Dynamic simulation results showed that under optimized operating condition, effluent quality was significantly improved with percentage of violation decreased from 78.4% to 37.7%, and the CPI index was reduced by 3.9%.

wastewater treatment；optimization；anaerobic/anoxic/aerobic process；activated sludge；mathematical model

X703

A

1000-6923(2014)07-1734-06

2013-10-25

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2012AA063403);上海市科委能力建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目(12250500900)

* 責(zé)任作者, 副教授, zhouzhen@shiep.edu.cn

周 振(1981-),男,山東臨沂人,副教授,博士,主要從事水污染控制方面的研究.發(fā)表論文60余篇.