運用數(shù)學(xué)模型對水解酸化A2O組合工藝的模擬優(yōu)化

左玉春,譚嘉偉,姚 昕,宋 穎

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601)

隨著我國城市化進程的加劇,過量的氮磷進入河流,導(dǎo)致水體嚴(yán)重富營養(yǎng)化,威脅城市供水和生態(tài)環(huán)境安全,國家雖然加大水污染的處理的力度,但是情況依然不是很樂觀,為了能夠落實我國可持續(xù)發(fā)展政策,實現(xiàn)綠色節(jié)能、環(huán)境保護,對污水處理廠的優(yōu)化是十分重要的[1-6].雖然A2O工藝具有較高的脫氮除磷作用,但是A2O工藝自身存在碳源競爭的矛盾,需要外投加碳源,限制了其發(fā)展,增加了運行維護成本[7-10].如何充分用污水當(dāng)作碳源,將水解酸化池和A2O工藝裝置很好地結(jié)合,探索最優(yōu)工況,增加脫氮效率,是本次試驗研究的意義所在.

近年來,活性污泥模型應(yīng)用逐漸廣泛,越來越多的人將水處理工藝與模型相結(jié)合[11],國內(nèi)外很多學(xué)者、研究人員,利用計算機對ASM系列模型進行優(yōu)化,對參數(shù)進行校正及二次開發(fā)編程[12],實現(xiàn)基于在ASM基礎(chǔ)上[13],開發(fā)眾多應(yīng)用型軟件,并且在實際生活中應(yīng)用較為廣泛.本次試驗通過組合工藝處理生活污水,再使用模型尋求組合系統(tǒng)的最優(yōu)工況.

1 試驗與模型建立

1.1 試驗裝置與試驗用水

圖1為水解酸化池示意圖.圖2為A2O工藝裝置.表1為實驗裝置設(shè)置參數(shù).該反應(yīng)器總高度1.4 m,總?cè)莘e23 L.該反應(yīng)器設(shè)置了中下部循環(huán)系統(tǒng),通過蠕動泵將中上部的污水泵入反應(yīng)器底部,使反應(yīng)器內(nèi)污泥可以充分懸浮,與進水充分接觸.

圖1 水解酸化池

圖2 A2O工藝裝置

表1 A2O工藝試驗裝置參數(shù)

1.2 模型的建立

1987年推出的活性污泥1號模型(ASM1)是廢水生物模型的里程碑.該模型以廢水生物處理的基本原理、過程和動態(tài)模擬為重點,將脫氮過程納入模型,并以矩陣形式表示[14].ASM1的矩陣為8行13列,描述的是8種生化反應(yīng)和13種模型組分[15].

首先,建立確定反應(yīng)器模型和水力傳遞模型,說明污水處理的方法,系統(tǒng)運行的常規(guī)條件,設(shè)備的類型及尺寸以及運行過程的參數(shù)等,由此來確定模擬的對象,選擇模擬類型[16].其次,選擇合適的活性污泥模型.然后構(gòu)建組合系統(tǒng)模型,對所建立的模型進行校驗;最后基于所建立的模型,對影響組合工藝處理效果的因素進行分析、優(yōu)化,從而達到尋找最優(yōu)工況的目的.模型模擬結(jié)果如表2所示.

表2 水解酸化A2O組合工藝模型的模擬結(jié)果

1.3 試驗用水與分析方法

實驗選用合肥某大學(xué)生活污水，水質(zhì)如表3所示.

表3 某大學(xué)校內(nèi)生活污水水質(zhì) mg/L

參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)》中水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)分析方法[17],如表4所示.

表4 常規(guī)指標(biāo)分析方法

1.4 模擬方法

本文研究在設(shè)定活化污泥回流比為100%的前提下,分別設(shè)定內(nèi)回流比150%、200%、300%、400%,觀察污染物去除效果.

設(shè)置混合液內(nèi)回流比在最優(yōu)的情況下,分別設(shè)定活化污泥回流比60%、70%、80%、100%,觀察是否增強反應(yīng)器內(nèi)污染物的去除.

在混合液內(nèi)回流比和活化污泥回流比為最優(yōu)工況下,研究在處理15 L/h的水量時,本實驗設(shè)定3種工況:厭氧池進水10 L/h,水解酸化池進水5 L/h(工況1);厭氧池進水7.5 L/h,水解酸化池進水7.5 L/h(工況2);厭氧池進水5 L/h,水解酸化池進水10 L/h(工況3),觀察污染物去除效果.

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬混合液內(nèi)回流比對組合系統(tǒng)的影響

2.1.1 模擬混合液內(nèi)回流比對COD去除

不同混合液內(nèi)回流比對COD的影響如圖3所示.水解酸化A2/O組合系統(tǒng)的進水COD濃度平均為244 mg/L,混合液內(nèi)回流比為150%時,出水平均濃度為33.56 mg/L,平均去除率能夠達到86.32%;當(dāng)混合液內(nèi)回流比為200%時,出水平均濃度為32.41 mg/L,平均去除率能夠達到86.56%;當(dāng)混合液內(nèi)回流比為300%時,出水平均濃度為31.18 mg/L,平均去除率能夠達到87.11%;當(dāng)混合液內(nèi)回流比為400%時,出水平均濃度為30.71 mg/L,平均去除率能夠達到87.32%.從圖3可以看出,調(diào)節(jié)控制混合液內(nèi)回流比方案下,COD的去除率始終大于85%,出水COD濃度隨回流比的增大會有所降低,但是幅度不大,COD的去除受到混合液內(nèi)回流影響比較小.

圖3 不同混合液內(nèi)回流比對COD的影響

2.1.2 模擬混合液內(nèi)回流比對TN去除

混合液內(nèi)回流比對TN的去除影響如圖4所示.從圖4中可以看出:總氮的去除率有明顯的不同；系統(tǒng)TN的平均進水濃度為36.9 mg/L,分別為150%、200%、300%,TN的去除率隨著內(nèi)回流比的增大分別可以達到70.8%、73.7%、76.7%;但是當(dāng)混合液內(nèi)回流比為400%時,去除率快速下降到62.3%,TN的平均出水濃度為13.9 mg/L,并且出現(xiàn)幾日的出水濃度會超過排放標(biāo)準(zhǔn)中15mg/L.這現(xiàn)象表明在一定范圍內(nèi),隨著混合液內(nèi)回流比的增大,組合系統(tǒng)對總氮的去除率也在逐漸增大,但混合液內(nèi)回流比為400%時,TN的去除率比前面幾種方案相差較大,這可能是因為內(nèi)回流的混合液中溶解氧的濃度過高,導(dǎo)致缺氧池溶解氧濃度變高.

圖4 不同混合液內(nèi)回流比對TN的影響

2.1.3 模擬混合液內(nèi)回流比對NH3-N去除

不同混合液內(nèi)回流比對NH3-N的影響如圖5所示.在平均進水NH3-N濃度為33.32 mg/L時,在不同的混合液內(nèi)回流比平均NH3-N出水濃度為0.745 、0.676、0.654、0.639 mg/L,平均去除率達到97.74%、97.92%、97.98%、98.03%;出水NH3-N去除率隨著回流比的增大有所增加,增加幅度不大.從圖5可以得出,調(diào)節(jié)內(nèi)回流比對組合工藝氨氮的去除影響不大.

圖5 不同混合液內(nèi)回流比對NH3-N的影響

考慮到污染物的去除效果和經(jīng)濟效應(yīng),選擇300%為組合工藝的最優(yōu)混合液內(nèi)回流比.

2.2 模擬不同活化污泥回流比對組合系統(tǒng)的影響

2.2.1 模擬活化污泥回流比對COD去除

從圖6可以看出,不同活化污泥對COD的去除率變化不大.在COD的進水濃度為245 mg/L時,不同活化污泥回流比的出水濃度為33.81、31.89 、31.18、31.19 mg/L,平均去除率可達到86.04%、86.69%、87.12%、87.09%.活化污泥回流是為了穩(wěn)定組合系統(tǒng)中有一定的污泥濃度,不需要太大,增加系統(tǒng)能耗.

圖6 不同活化污泥回流比對COD去除的影響

2.2.2 模擬活化污泥回流比對TN去除

圖7為不同活化污泥比對TN的去除影響,可以看出：在不同的活化污泥回流比下對TN去除的影響非常大；在系統(tǒng)TN的平均進水濃度為36.5 mg/L時,當(dāng)污泥回流比為60%、70%、80%、100%條件時,TN的去除率分別可以達到70.05%、71.81%、73.95%、74.05%.后面2種活化污泥回流比對系統(tǒng)總氮的去除相差不大,考慮去除效果和經(jīng)濟成本選用80%的回流比.

圖7 不同活化污泥回流比對TN去除的影響

2.2.3 模擬活化污泥回流比對NH3-N去除

圖8為不同活化污泥回流比對NH3-N去除的影響,隨著活化污泥比的增大,NH3-N的去除率也在增加.并且不同情況的活化污泥去除率均大于95%.在NH3-N平均進水濃度為33.35 mg/L,在以下4種不同的活化污泥回流比條件下,NH3-N平均出水濃度為0.785、0.763、0.689、0.639 mg/L,平均去除率達到97.54%、97.75%、97.90%、98.05%;出水的NH3-N均達到一級A標(biāo)準(zhǔn).組合工藝的NH3-N去除沒有受到活化污泥回流太大影響.

圖8 不同活化污泥回流比對NH3-N去除的影響

活化污泥回流比的增加能提高系統(tǒng)的污染物的去除,保證反應(yīng)器有一定污泥濃度和維持反應(yīng)器污染物去除效果、考慮經(jīng)濟成本,選用80%為最佳活化污泥回流比.

2.3 模擬厭氧池和水解酸化池進水比對組合系統(tǒng)的影響

2.3.1 模擬厭氧池和水解酸化池進水比對COD去除

在圖9中,進水中COD的平均濃度為243.55 mg/L,不同工況出水的濃度為32.58、31.16、30.11 mg/L,去除率分別為86.52%、87.11%、87.61%.COD的去除率相差不大,說明不同厭氧池與水解酸化池進水比對COD的去除影響不大.

圖9 不同厭氧池和水解酸化池進水比對COD去除的影響

2.3.2 模擬厭氧池和水解酸化池進水比對TN去除

在圖10中,系統(tǒng)TN的進水濃度為36.9 mg/L,工況1的去除效果最好,出水濃度為9.88 mg/L比其他都低,TN的平均去除率在不同工況下分別為73.44%、71.05%、70.19%,可以看出后面2種工況去除率相差不大,工況1較好.

圖10 不同厭氧池和水解酸化池進水比對TN去除的影響

2.3.3 模擬厭氧池和水解酸化池進水比對NH3-N去除

在圖11中NH3-N的去除率都在95%以上,系統(tǒng)的NH3-N進水平均濃度為32.82 mg/L,3中工況的出水濃度都非常低,3種工況對NH3-N的去除率微乎其微,均能保證有非常高的去除率.

圖11 不同厭氧池和水解酸化池進水比對NH3-N去除的影響

厭氧池和水解酸化池不同進水比對組合工藝去除污染物的影響,在進水在3種不同工況分別為2∶1、1∶1、1∶2,NH3-N的去除率基本沒有受到影響,COD的去除率分別為86.52%、87.11%、87.61%,TN的去除率分別為73.44%、71.05%、70.19%,雖然工況1時COD的去除率相對較低,但是可以達到排放標(biāo)準(zhǔn),且此時TN的去除率是最高的.綜合考慮,要使組合系統(tǒng)同時獲得更好的去除污染物的能力和經(jīng)濟成本,選取工況1(厭氧池進水10 L/h,水解酸化池進水5 L/h)作為最優(yōu)進水比.

3 結(jié)論

在污泥水解酸化A2O組合工藝模型基礎(chǔ)上,探究混合液內(nèi)回流比、污泥回流比、厭氧池和水解酸化池進水配比這3個因素,對組合工藝處去除污物進行模擬討論分析,得到以下結(jié)論:

1) 當(dāng)僅考慮混合液內(nèi)回流比對污泥水解酸化A2O組合工藝的對污染物去除效果時,在150%到300%內(nèi)隨著回流比的增加,系統(tǒng)污染物去除的能力增加,COD去除率從86.2%上升至87.11%,NH3-N去除率從97.74%上升至97.98%,TN的去除率從70.8%上升到76.7%;但是當(dāng)混合液回流比增大到400%時,組合工藝脫氮的效果卻明顯下降,TN的去除率降到62.3%,因為模型考慮到溶解氧對微生物反應(yīng)的影響,大量的溶解氧隨著混合液回流至缺氧池,缺氧的環(huán)境從而被破壞,抑制了反硝化菌活性,從而導(dǎo)致脫氮能力下降.

2) 在混合液回流比為300%的情況下,污泥回流比的增大,使系統(tǒng)的去除污染物的能力增強,但是幅度不大.在綜合考慮組合系統(tǒng)去除污染物的能力和工藝運行能耗上,污泥回流比不宜取得過大,實際上,污泥回流是為了維持組合工藝系統(tǒng)中穩(wěn)定的污泥濃度,無需增大運行能耗.

3) 在分析厭氧池和水解酸化池進水比對組合工藝去除污染物的效果時,發(fā)現(xiàn)在進水為2∶1、1∶1、1∶2的3種工況下,NH3-N的去除率基本不受影響,COD的去除率有小小的提升,分別為86.52%、87.11%、87.61%,TN的去除率卻下降,分別為73.44%、71.05%、70.19%,考慮到脫氮的重要性,即使工況1時COD的去除率不如工況3,但仍然可以達到一級A的排放標(biāo)準(zhǔn),選取工況1更適合作為本工藝最優(yōu)進水比.

綜合考慮經(jīng)濟成本和污染物的去除情況,混合液內(nèi)回流比為300%,活化污泥回流比為80%,厭氧池進水10 L/h,水解酸化池進水5 L/h為本工藝的最優(yōu)工況,組合工藝對污染物有非常好的去除,在經(jīng)濟成本也有非常好的節(jié)約,使用該模型對水解酸化A2O組合處理污水有非常重要的指導(dǎo)意義.