工藝仿真模型在城市污水處理廠的應(yīng)用

周 軍

(昆山市水務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇昆山 215300)

由于污水廠進(jìn)水負(fù)荷存在動(dòng)態(tài)變化，且運(yùn)行狀態(tài)受季節(jié)和溫度變化的影響，不少城市污水處理廠存在出水難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)或能耗偏高的問(wèn)題。主要的解決途徑就是通過(guò)調(diào)整工藝運(yùn)行參數(shù)來(lái)優(yōu)化運(yùn)行工藝，然而在實(shí)際運(yùn)行中往往是憑借人為經(jīng)驗(yàn)調(diào)整，運(yùn)行結(jié)果存在一定的不確定性。

數(shù)學(xué)模擬方法可以提前預(yù)測(cè)不同處理工藝條件下的出水水質(zhì)情況，因此近十年在污水處理廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中得到了重視和發(fā)展。國(guó)際水協(xié)(IWA)推出了一系列活性污泥數(shù)學(xué)模型(ASM1、ASM2、ASM2d、ASM3)[1]，為污水處理新技術(shù)的開(kāi)發(fā)、工藝的設(shè)計(jì)和研究提供了通用的平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，研究人員開(kāi)發(fā)了計(jì)算機(jī)仿真軟件來(lái)模擬各種污水處理工藝。

ProSee是一款用于城市污水處理工藝建模與仿真的軟件[2]，核心模型包含IWA的ASM2d模型、一維沉降模型、設(shè)備能耗及藥耗模型等，能夠仿真模擬城市污水處理的全流程，指導(dǎo)鼓風(fēng)機(jī)、調(diào)節(jié)閥、污泥回流泵等工藝設(shè)備的運(yùn)行，起到工藝優(yōu)化、促進(jìn)達(dá)標(biāo)排放、節(jié)能降耗的目的。

本文以工藝仿真軟件為模擬工具，部署并建立了昆山錦溪污水廠二期工藝的數(shù)學(xué)模型，用以驗(yàn)證污水廠投入運(yùn)營(yíng)后，在設(shè)計(jì)進(jìn)水負(fù)荷條件下工藝流程及運(yùn)行參數(shù)的可行性，并根據(jù)實(shí)際進(jìn)水負(fù)荷和不同的工藝運(yùn)行參數(shù)來(lái)模擬出水水質(zhì)的變化，尋找合適的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)區(qū)間，為工藝優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 工藝仿真在污水廠運(yùn)行中的應(yīng)用

1.1 研究對(duì)象

昆山錦溪污水處理廠二期設(shè)計(jì)規(guī)模為2.0萬(wàn)m3/d，共設(shè)2組生化處理系統(tǒng)(生化池+二沉池)，采用倒置AAO工藝。目前實(shí)際投入使用為1組，設(shè)備按1.0萬(wàn)m3/d的規(guī)模安裝，于2017年9月竣工并投入試運(yùn)行。工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理廠工藝流程圖Fig.1 Process Flow Diagram of the WWTP

工藝仿真以生化池和二沉池為建模對(duì)象，其中生化池的布局如圖2所示。

圖2 生化池平面布局Fig.2 Layout Plan of Biochemical Tank

將生化池沿程分隔成一系列完全混合反應(yīng)器，對(duì)每個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的污染物建立物料平衡方程，如式(1)。

(1)

其中：Ci—沿程第i個(gè)反應(yīng)器單元內(nèi)的某項(xiàng)污染物(以模型組分形式呈現(xiàn))的濃度，mg/L；

Qin，Qout—該反應(yīng)器單元的進(jìn)水、出水流量，m3/d；

Cin，Cout—該反應(yīng)器單元這種污染物的進(jìn)水、出水濃度，mg/L；

ri—該反應(yīng)器單元內(nèi)該種污染物濃度的過(guò)程速率(基于ASM2d模型)，mg/(L·d)；

Vol—該反應(yīng)器單元的有效容積，m3；

對(duì)每個(gè)反應(yīng)器中所有污染物均按此模式列出物料平衡表達(dá)式，獲得一個(gè)大型微分方程組；對(duì)其求解即獲得各種污染物濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

1.2 污水廠設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)證

利用工藝仿真軟件建立污水廠生化池和二沉池的工藝模型，以設(shè)計(jì)進(jìn)水流量、設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)及設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)作為模型輸入，得到的模擬出水水質(zhì)，如表1所示。

表1 出水水質(zhì)模擬結(jié)果

由表1可知，按照現(xiàn)有設(shè)計(jì)的污水處理工藝流程模擬，出水水質(zhì)能達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，滿足預(yù)期目標(biāo)，且各項(xiàng)出水水質(zhì)離一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的超標(biāo)限有較大差距，因此相應(yīng)的工藝運(yùn)行參數(shù)也有一定的調(diào)節(jié)空間。

1.3 模型校準(zhǔn)及驗(yàn)證

以該污水廠2017年9月投運(yùn)以來(lái)的進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)均值，包括水量和水質(zhì)等，作為模型的輸入條件，獲取相應(yīng)的模擬結(jié)果；以同期的出水水質(zhì)數(shù)據(jù)作為模型校準(zhǔn)的參照，通過(guò)調(diào)整進(jìn)水溶解性有機(jī)物含量、硝化菌生長(zhǎng)速率和聚磷菌生長(zhǎng)速率等模型動(dòng)力學(xué)參數(shù)，使模擬結(jié)果接近出水?dāng)?shù)據(jù)，即對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)及模擬結(jié)果對(duì)比

由表2可知，經(jīng)校準(zhǔn)后模擬的出水水質(zhì)與實(shí)際出水水質(zhì)的誤差在允許范圍內(nèi)[3]，校準(zhǔn)后的模型能夠重現(xiàn)污水廠實(shí)際的運(yùn)行情況，可用于后續(xù)模擬不同工藝運(yùn)行參數(shù)變化對(duì)出水造成的影響，實(shí)現(xiàn)工藝運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化。

2 工藝運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化

生化處理環(huán)節(jié)是污水處理工藝的核心所在，其工藝運(yùn)行參數(shù)對(duì)出水水質(zhì)有顯著影響。在前述經(jīng)校準(zhǔn)的模型基礎(chǔ)上，分別以2017年投運(yùn)以來(lái)的實(shí)際進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)均值，以及不同的污泥齡、污泥回流比、硝化液回流比和溶解氧濃度等工藝運(yùn)行參數(shù)作為模型輸入，獲得不同工況下的模擬結(jié)果，從而研究不同工藝運(yùn)行參數(shù)對(duì)出水水質(zhì)的影響。

2.1 污泥齡優(yōu)化

2.1.1 污泥齡控制方案

本研究將污泥齡設(shè)定在10～18 d。由于污泥齡與剩余污泥排放量之間存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系[4]，模型以此為基礎(chǔ)，模擬出不同污泥齡條件對(duì)應(yīng)的污泥排放量，如表3所示。

表3 污泥齡設(shè)定方案

上述各污泥排放量可作為實(shí)際工藝優(yōu)化中，獲得預(yù)期污泥齡的調(diào)節(jié)依據(jù)，通過(guò)控制剩余污泥泵啟閉來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1.2 仿真結(jié)果

在不同的污泥齡(SRT)條件下，模擬的出水水質(zhì)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同泥齡條件下的出水水質(zhì)Fig.3 Effluent Water Quality under Different SRT

由圖3可知：出水COD和TP隨泥齡的變化幅度不大，不影響達(dá)標(biāo)排放；出水NH3-N和TN隨泥齡增長(zhǎng)顯著下降，但泥齡超過(guò)10 d后，下降趨勢(shì)急速變緩。

根據(jù)模擬結(jié)果，實(shí)際運(yùn)行中污泥齡控制在12～14 d為宜。

2.2 污泥回流比優(yōu)化

活性污泥回流比應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，并盡量控制在最低流量，以降低能耗，減小沉淀池負(fù)荷，保證沉淀池運(yùn)行穩(wěn)定。

本研究利用模擬污泥回流比分別為50%、60%、70%、80%、90%和100%時(shí)出水水質(zhì)的變化，選擇最佳的污泥回流比。模擬的出水水質(zhì)如圖4所示。

由圖4可知：出水COD隨污泥回流比的變化幅度很小，不影響達(dá)標(biāo)排放；出水TP則隨污泥回流比的增大而增加，但不影響達(dá)標(biāo)排放；出水TN隨污泥回流比的增大從11.2 mg/L降低至9.4 mg/L，有一定改善作用；出水NH3-N隨污泥回流比的增加顯著降低，但污泥回流比超過(guò)80%后，降幅趨于平緩。

圖4 不同污泥回流比條件下的出水水質(zhì)Fig.4 Effluent Water Quality under Different Sludge Reflux Ratios

根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合對(duì)處理效果及運(yùn)行費(fèi)用的考慮，實(shí)際運(yùn)行中污泥回流比可控制在80%左右，通過(guò)進(jìn)水流量自動(dòng)調(diào)節(jié)污泥回流泵的啟動(dòng)運(yùn)行。

2.3 硝化液回流比優(yōu)化

硝化液回流比對(duì)反硝化進(jìn)程有顯著的影響，對(duì)總氮的去除非常重要。本研究模擬硝化液回流比分別為100%、120%、140%、160%、180%和200%時(shí)，出水水質(zhì)的變化，以選擇最佳的硝化液回流比。模擬的出水水質(zhì)如圖5所示。

由圖5可知：隨著硝化液回流比從0增加到200%，出水TN從18.5 mg/L下降到10.7 mg/L，有顯著的下降；出水COD、 NH3-N和 TP隨硝化液回流比的增加沒(méi)有顯著改善或劣化，不影響達(dá)標(biāo)排放。根據(jù)模擬仿真結(jié)果，實(shí)際運(yùn)行中可將硝化液回流比控制在150%～200%，自動(dòng)調(diào)節(jié)硝化液回流泵的啟動(dòng)運(yùn)行。

圖5 不同硝化液回流比條件下的出水水質(zhì)Fig.5 Effluent Water Quality under Different Nitrification Liquid Reflux Ratios

2.4 溶解氧目標(biāo)設(shè)定值優(yōu)化

曝氣池溶解氧濃度(DO)的合理控制，對(duì)污水處理系統(tǒng)的脫氮除磷至關(guān)重要，也是污水廠節(jié)能降耗的重要手段。在錦溪污水廠二期的實(shí)際運(yùn)行中，實(shí)際的進(jìn)水負(fù)荷遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)進(jìn)水負(fù)荷，因此在生化池曝氣過(guò)程中若采用設(shè)計(jì)曝氣量就會(huì)導(dǎo)致過(guò)量曝氣，造成能耗浪費(fèi)。因此有必要對(duì)曝氣池的曝氣進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)途徑就是將生化池溶解氧保持在合理的控制范圍內(nèi)。

2.4.1 溶解氧設(shè)定方案

模型將好氧池沿水流方向分為3個(gè)溶解氧控制區(qū)，分別記為DO1、DO2、DO3(單座生化池的平面圖如圖2所示)，使曝氣池在該區(qū)域的DO水平維持在目標(biāo)值左右。

由于污染物濃度沿水流方向不斷降低，好氧段沿程的污染物負(fù)荷不同，不同空間位置上對(duì)DO濃度的設(shè)定需求也存在差異，因此本研究針對(duì)3個(gè)溶解氧控制區(qū)設(shè)定不同的溶解氧目標(biāo)值，通過(guò)模擬選擇出最佳的溶解氧設(shè)定方案，作為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)試的依據(jù)。

參照前述模擬已經(jīng)得出的工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)論，將污泥齡設(shè)為14 d，硝化液回流比設(shè)為200%，污泥回流比設(shè)為80%。溶解氧目標(biāo)值設(shè)定方案如表4所示。

表4 溶解氧設(shè)定方案

2.4.2 仿真結(jié)果

不同的溶解氧設(shè)定方案對(duì)應(yīng)的出水水質(zhì)情況如圖6所示。由圖6可知：出水COD隨DO變化幅度很小，不影響達(dá)標(biāo)排放；方案1(三個(gè)控制區(qū)DO設(shè)定值最高)對(duì)應(yīng)的出水NH3-N質(zhì)量濃度最低(0.06 mg/L)，TP質(zhì)量濃度最高(1.09 mg/L)，TN質(zhì)量濃度(10.96 mg/L)僅次于方案5(三個(gè)控制區(qū)DO設(shè)定值最低)時(shí)的TN模擬值(12.49 mg/L)；方案5對(duì)應(yīng)的出水NH3-N質(zhì)量濃度最高(5.06 mg/L，已超過(guò)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn))，TN質(zhì)量濃度最高(12.49 mg/L)，TP質(zhì)量濃度最低(0.18 mg/L)；高氧環(huán)境有利于氨氮去除但不利于除磷，對(duì)TN去除也會(huì)有抑制。

根據(jù)模擬結(jié)果，溶解氧設(shè)定方案3(三個(gè)DO設(shè)定值分別為2.0、1.5、1.0) 是最合理的，脫氮除磷達(dá)到平衡。

圖6 不同溶解氧設(shè)定下的出水水質(zhì)Fig.6 Effluent Water Quality under Different DO of Setting Schemes

在數(shù)學(xué)仿真模型分析結(jié)果的支持下，實(shí)際運(yùn)行中，結(jié)合溶解氧設(shè)定目標(biāo)值和實(shí)時(shí)進(jìn)水采樣信號(hào)，工控系統(tǒng)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的需氣量，并對(duì)鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備發(fā)出4～20 mA的變頻器控制指令，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，配合生物池各風(fēng)管風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，來(lái)保證生物好氧池的最佳供氣條件。

3 結(jié)論

(1)目前該污水處理自動(dòng)化運(yùn)行效果達(dá)到仿真

軟件部署要求，綜合考慮處理效果和運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)工藝參數(shù)優(yōu)化控制如下：污泥齡控制在14 d左右；污泥回流比控制在80%左右；硝化液回流比控制在150%～200%。各溶解氧控制區(qū)溶解氧設(shè)定目標(biāo)值可作如下設(shè)定：DO1為2.0～2.5 mg/L，DO2為1.5 mg/L，DO3為1.0 mg/L。

(2)由于模型部署的污水廠投運(yùn)時(shí)間不長(zhǎng)，進(jìn)

水也未滿負(fù)荷，且多數(shù)是秋冬季節(jié)低水溫環(huán)境下獲得的運(yùn)行數(shù)據(jù)，軟件仿真數(shù)據(jù)存在一定局限性，因此不能簡(jiǎn)單推廣到諸如夏季或進(jìn)水負(fù)荷發(fā)生較大變化時(shí)的情境，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)情況的變化持續(xù)跟蹤、校準(zhǔn)仿真模型。

(3)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，鼓風(fēng)機(jī)、空氣調(diào)節(jié)閥、污泥回流泵、硝化液回流泵等重要工藝設(shè)備的選型及穩(wěn)定性非常重要，機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精密程度直接影響了各項(xiàng)工藝處理的實(shí)際效果，應(yīng)在前期設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮。

綜上所述，利用工藝仿真技術(shù)能夠重現(xiàn)污水處理廠運(yùn)行情況，為污水廠提升處理能力，穩(wěn)定排放標(biāo)準(zhǔn)，提高自動(dòng)化運(yùn)行水平打下基礎(chǔ)，并為污水處理廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供指導(dǎo)和技術(shù)支持，但需要密切結(jié)合工藝運(yùn)行的實(shí)際現(xiàn)狀，在工況、季節(jié)等條件發(fā)生較大改變的情況下，需重新校準(zhǔn)模型，得出多套不同工藝優(yōu)化控制方案，提升仿真模型的適用性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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