數學模擬技術用于污水廠生化單元的工藝優化*

寧艷春，蒲文晶，饒輝凱，邱延波，史耀波，莊立波，邵 巍

(1.中國石油吉林石化公司 研究院,吉林 吉林 132021；2.中國石油吉林石化公司 污水處理廠,吉林 吉林 132021)

污水廠生化處理單元的工藝主要為A/O工藝，即前置反硝化生物脫氮工藝。數學模擬技術作為一種模擬仿真技術，可方便、快捷、有效地應用于工藝優化以提高出水水質、降低運行成本等[1-8]。通過數學模擬技術建立污水廠生化單元的數學模型，進行運行模擬，從而達到工藝優化的目標。

1 生化單元數學模型建立的基礎

取污水廠生化處理單元四個系列中的一系列，建立數學模型。一系列共有兩個生化反應池，各五個廊道，第一廊道為兼氧反應池(A池)，第二到第五廊道為好氧反應池(O池)。有三個二沉池，污泥回流到生化配水配泥井。污水廠生化單元的工藝流程示意圖見圖1。

圖1 污水廠生化單元工藝流程示意圖

1.1 反應器參數

各反應器的有效結構尺寸，體積等見表1。

表1 各反應器的結構尺寸

1.2 污水特征化補測數據

由于污水廠運行數據中缺少部分模型需要的數據，因此在進行工藝模擬時需要補測一些數據。為此開展了污水水質特征化研究，確定實驗階段的主要水質參數。

2 模型的建立

2.1 模擬軟件

使用的生物模型為BioWin活性污泥模型[2]，二沉池采用理想模型，所有的模擬都在BioWin軟件平臺上進行。BioWin是為污水處理廠設計和操作工程師開發的一個工具，是強有力且易使用的軟件。

2.2 工藝流程

應用BioWin軟件建立工藝模擬流程，為了建立的模型簡單方便，將一系列的兩個并聯的生化反應池(各五個廊道)，整合為五個反應池，即一個A池、四個O池。將三個二沉池整合為一個二沉池。

工藝模擬流程見圖2。

圖2 污水廠生化單元一系列工藝模擬流程圖

3 模型校準和驗證

3.1 溶解氧

測定生化單元一系列各個廊道的溶解氧(DO)數據見表2。

表2 污水廠一系列各廊道溶解氧平均值

3.2 進水的水質指標和信息

根據污水特征化的實驗結果，輸入模型的進水水質指標見表3。

表3 生化進水的水質指標

3.3 進水的組分化參數

根據污水特征化的實驗結果，調整少量污水組分化參數，取值見表4。

表4 進水的組分化參數

3.4 調整動力學參數

調整的動力學參數見表5。

表5 動力學參數

3.5 模型驗證

3.5.1 穩態模擬

初始工藝條件：好氧池4個廊道的溶解氧分別為5.76、7.62、8.33、8.20 mg/L；剩余污泥排放量：240 m3/d；污泥回流比100%，進行模擬，結果對比見表6。

表6 一系列生化出水的模擬值與實測值的對比

從表6中的數據可以看出，COD、ρ(硝酸鹽氮)、ρ(氨氮)的模擬值與實測值非常接近。

3.5.2 動態模擬

動態模擬運行結果見圖3。

日期圖3 生化單元動態運行結果

從圖3可以看出，COD實測值在模擬值的上下進行波動，說明模型的模擬結果與實測數據擬合得比較好。

4 運行模擬

以建立的數學模型為基礎，進行運行模擬。分別對溶解氧、污泥回流比的工藝參數進行條件變化，對不同工況條件進行運行模擬，得到一些規律。

4.1 溶解氧

改變四個廊道的溶解氧，進行運行模擬，模擬結果見表7。

表7 不同溶解氧情況下的運行模擬結果

從表7中的數據可以看出，隨著溶解氧的減小、COD升高、ρ(硝酸鹽氮)降低、ρ(氨氮)降低。模擬結果中COD、ρ(氨氮)數值的變化并不大。目前好氧池4個廊道的溶解氧分別為5.76、7.62、8.33、8.20 mg/L；如果均降至2 mg/L，則出水COD升高0.3%、ρ(硝酸鹽氮)降低4.4%、ρ(氨氮)升高32%，但出水ρ(氨氮)只有0.37 mg/L,遠遠低于15 mg/L的排放標準，因此可以減少運行的鼓風機臺數，減低能耗。

4.2 污泥回流比

改變污泥回流比，污泥回流比取100%、90%、80%、70%、60%、50%；進行運行模擬，模擬結果見表8。

表8 改變污泥回流比后的模擬結果

從表8中的數據可以看出，隨著污泥回流比的減小，泥齡減小、出水COD減小、ρ(硝酸鹽氮)升高、ρ(氨氮)降低、懸浮物減小，但剩余污泥固體量增加。當污泥回流比從100%減小到50%時，剩余污泥固體量增加13%，因為污泥的處理成本較高，雖然減小污泥回流比降低了動力消耗，但污泥的處理費用也增加了，因此需要兩者綜合優化考慮。

5 工藝參數的優化[13-15]

本著“在處理效果改變余地不大的情況下，在不影響處理效果的前提下，側重考慮降低運行能耗，降低運行成本”的原則，重點考慮降低溶解氧、減小污泥回流比。

5.1 溶解氧的優化

污水處理廠日常運行費用的支出主要是電費。目前污水廠的曝氣系統采用鼓風機(型號：D300；功率：630 kW)，污水電耗為0.42 kWh/t，工業用電按電費0.70元/(kW·h)計，合計為0.294元/t。四個系列為1.176元/t，污水廠污水的處理總成本(包括人工成本)為2.48元/t，即四個系列的曝氣動力消耗已占到總成本的47%，因此節能具有重要的意義。

將好氧池4個廊道的溶解氧分別均降至2 mg/L；則出水COD由66.2 mg/L升高到66.4 mg/L僅升高0.3%；ρ(硝酸鹽氮)由7.32 mg/L下降到7.00 mg/L，降低4.4%；ρ(氨氮)由0.28 mg/L升高到0.37 mg/L，升高32%，但出水ρ(氨氮)只有0.37 mg/L,遠遠低于15 mg/L的排放標準，因此具有減少運行的鼓風機臺數，減低能耗的余地。

5.2 污泥回流比的優化

目前受設備條件限制，只能有兩種選擇：開一個大泵(電機功率：160 kW),為兩個系列提供污泥回流，污泥回流比為100%；或者開一個小泵(電機功率：75 kW),為兩個系列提供污泥回流，污泥回流比為50%。將污泥回流比由100%降至50%[污水廠工業電費：0.70元/(kW·h)]，一系列可節約電費714元/d。

根據模擬結果，將污泥回流比由100%降至污泥回流比50%，剩余污泥固體量增加265.12 kg/d，折算成含水率為85%的污泥1.767 t，單位剩余污泥的處理成本按500元/t估算，污泥的處理費用會增加883.5元/d。大于將污泥回流比由100%降至污泥回流比50%節省的電費714元/d。由此可見，在目前的水質要求和設備條件下，污泥回流比為100%，比較合理。

6 結 論

(1)以建立的數學模型為基礎，進行運行模擬，分別對溶解氧、污泥回流比的工藝參數進行條件變化，對不同工況條件進行運行模擬，得到一些規律：隨著溶解氧的減小、COD升高、ρ(硝酸鹽氮)降低、ρ(氨氮)降低；隨著污泥回流比的減小，泥齡減小、出水COD減小、ρ(硝酸鹽氮)升高、ρ(氨氮)降低、懸浮物減小，但剩余污泥固體量增加；

(2)工藝參數優化方面，可降低曝氣池中的DO至2 mg/L，既保證出水水質變化不大，又可以減少運行的鼓風機臺數，降低能耗。

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