三溝式氧化溝曝氣系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化模擬

楊 躍，張金松，劉禮祥，徐子明

(1．哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院，518055廣東深圳，yangyueww@126．com;2．深圳市能源環(huán)保有限公司，518052廣東深圳;3．深圳市水務(wù)(集團)有限公司，518030廣東深圳)

三溝式氧化溝曝氣系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化模擬

楊 躍1，2，張金松1，3，劉禮祥3，徐子明1

(1．哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院，518055廣東深圳，yangyueww@126．com;2．深圳市能源環(huán)保有限公司，518052廣東深圳;3．深圳市水務(wù)(集團)有限公司，518030廣東深圳)

以降曝氣系統(tǒng)運行能耗為目的，通過數(shù)學模擬方法提出三溝式氧化溝工藝曝氣系統(tǒng)優(yōu)化運行方案，即正常運行工況下將中溝轉(zhuǎn)刷開啟臺數(shù)由5臺降至4臺;當水量增幅超過25%或污染物質(zhì)量濃度增幅超過50%時增開曝氣轉(zhuǎn)刷至5臺;當水量負荷低于正常工況時，將轉(zhuǎn)刷開啟臺數(shù)降低至3臺．按照此方案運行2個月，該污水廠不僅出水水質(zhì)達標，而且降低了污水處理能耗．

三溝式氧化溝工藝;曝氣轉(zhuǎn)刷;模擬;節(jié)能

污水處理是能源密集型的綜合技術(shù)［1］，在為減輕環(huán)境負擔、削減污染物排放、改善水環(huán)境提供有力保障的同時，也面臨著能源短缺、電力供應(yīng)不足的困境［2］．優(yōu)化能耗策略，實現(xiàn)節(jié)能降耗，是污水處理事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路．截至2006年，我國具有能耗資料的559座城鎮(zhèn)污水處理廠的平均電耗為0.290 kW·h/m3［3］，僅相當于發(fā)達國家20世紀初或更早期的污水處理能耗水平，具有一定節(jié)能空間．而在污水處理的各個能耗環(huán)節(jié)中，生物處理的曝氣能耗所占比例最大，通常占總處理能耗的 50% ～70%［4－5］，因此，曝氣設(shè)備節(jié)能是實現(xiàn)污水處理工藝節(jié)能降耗的核心環(huán)節(jié)．

本文以某城市污水處理廠的三溝式氧化溝工藝為研究對象，采用數(shù)學模擬方法，以某污水處理仿真軟件為平臺，研究其曝氣轉(zhuǎn)刷的運行狀態(tài)對出水水質(zhì)的影響效果，提出曝氣系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化方案，并通過實際工藝進行驗證．

1 三溝式氧化溝工藝特征及能耗分析

1.1 工藝分析

三溝式氧化溝工藝是一種典型的交替運行式氧化溝工藝［6］，保留了氧化溝工藝完全混合的特點，同時又具有序批式工藝的特征［7］，可在不設(shè)二沉池的條件下連續(xù)運行，脫氮除磷效果好［8］．圖1為某城市污水處理廠三溝式氧化溝工藝簡圖，單座設(shè)計日處理量為6.25×104t，總停留時間為15.2 h，污泥回流比為(50～100)%．為強化生物除磷效果，氧化溝前置厭氧池并回流活性污泥，厭氧池前增設(shè)回流污泥濃縮池，以提高回流污泥濃度，減少進入?yún)捬醭氐南跛猁}質(zhì)量濃度．厭氧池設(shè)計污泥回流比100%，經(jīng)回流污泥濃縮池后為50%．

作為一種交替式運行的污水處理工藝，三溝式氧化溝的運行過程具有周期性時序特征．其運行周期為8.0 h，上、下半周期運行模式完全對稱，僅水流方向相反，時間均為4.0 h．中溝始終作為反應(yīng)池，維持好氧曝氣的運行狀態(tài)，兩邊溝則交替作為反應(yīng)池和沉淀池，先后處于缺氧、好氧、預(yù)沉淀和沉淀狀態(tài)，每種狀態(tài)持續(xù)的時間分別為1.5、1.5、1.0和4.0 h．進水在作為反應(yīng)池的邊溝與中溝之間切換．

圖1 三溝式氧化溝工藝簡圖

1.2 能耗現(xiàn)狀分析

為降低全廠綜合處理能耗，2007年起，該污水廠一期A2/O工藝采取滿負荷穩(wěn)定運行方式，二期三溝式氧化溝工藝則發(fā)揮水量調(diào)節(jié)作用．由于水量波動較大，主要用電設(shè)備并未隨水量變化進行相應(yīng)調(diào)整，三溝式氧化溝工藝能耗相對較高，2007年平均噸水單耗為0.293 kW·h/m3，遠高于一期0.187 kW·h/m3的水平．與此同時，該廠2007年進水水量比2006年有所提高，進水污染物質(zhì)量濃度更是大幅提高，在二期主要耗電設(shè)備沒有進行相應(yīng)調(diào)整的情況下，負荷電耗仍維持在較低的水平．上述分析表明，該廠三溝式氧化溝工藝仍具有一定的節(jié)能空間．而氧化溝工藝的能耗中，曝氣轉(zhuǎn)刷能耗超過80%，單臺轉(zhuǎn)刷日耗電量占氧化溝日總耗電量5%左右．因此，合理控制轉(zhuǎn)刷運行模式對三溝式氧化溝工藝節(jié)能降耗意義重大．

由于邊溝處于間歇曝氣狀態(tài)，中溝始終處于好氧曝氣狀態(tài)，因此，中溝轉(zhuǎn)刷的調(diào)控對三溝式氧化溝節(jié)能貢獻更大．以中溝為主要研究對象，研究以節(jié)能為目標的曝氣轉(zhuǎn)刷運行方式．

2 反應(yīng)器構(gòu)建

利用三溝式氧化溝工藝時序?qū)ΨQ性對其進行簡化，僅模擬半個周期即可了解另外半周期的運行狀況，進而了解整個周期的運行狀況．

三溝式氧化溝工藝中3條溝具有不同特性，中溝主要為完全混合及推流特性．優(yōu)化前，中溝開啟5臺轉(zhuǎn)刷，將中溝分割成5個串聯(lián)的完全混合反應(yīng)器(Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR)以模擬其推流特性［11］;通過最低流速、截面積和進水流量等數(shù)據(jù)設(shè)置內(nèi)回流比，以模擬其完全混合特性．作為沉淀池的邊溝采用矩形理想沉淀池反應(yīng)器模擬．作為反應(yīng)池的邊溝主要特性為序批特性，采用序批式反應(yīng)器(Sequnencing Batch Reactor，SBR)進行模擬，其周期設(shè)置與三溝式氧化溝半周期時序一致．各反應(yīng)器體積均與三溝式氧化溝工藝設(shè)計值一致．模擬流程圖見圖2．

圖2 三溝式氧化溝反應(yīng)器構(gòu)建方式示意圖

3 基于數(shù)學模擬的曝氣系統(tǒng)節(jié)能方案

3.1 節(jié)能運行方案的提出

以活性污泥數(shù)學模型［9－11］ASM2D 為模擬機理，以GPS－X軟件［12］為模擬平臺搭建工藝流程圖，采用龍格－庫塔－費爾伯格法求解生化反應(yīng)微分方程．對各工藝參數(shù)敏感性進行分析并校正模型后，以該廠2009年9～10月實際原水水質(zhì)平均值(COD為340 mg/L，TN為31 mg/L，NH4+－N為21 mg/L，TP為4 mg/L，pH 為7.45)為模擬水質(zhì)初值，令設(shè)計水量6.25×104t/d為Q，研究進水水量從0.7Q至1.3Q的情況下，系統(tǒng)穩(wěn)定運行45 d后，轉(zhuǎn)刷開啟臺數(shù)對出水水質(zhì)的影響，模擬結(jié)果平均值見圖3．

圖3中的模擬結(jié)果顯示，水量負荷不同，開啟轉(zhuǎn)刷臺數(shù)不同，出水水質(zhì)大不相同．開啟5臺轉(zhuǎn)刷，在水量負荷增加30%的情況下，出水各項指標仍滿足一級B(GB18918—2002)標準要求，即COD≤60 mg/L，TP≤1 mg/L，TN≤20 mg/L，NH4

+－N≤8 mg/L，因此，仍具有一定節(jié)能空間．開啟4臺轉(zhuǎn)刷，在水量負荷增加25%的情況下，出水各項水質(zhì)指標均能達標，但水量負荷增加30%時，出水總磷將超標．而開啟3臺轉(zhuǎn)刷，當水量負荷低于設(shè)計值Q時，可以保證出水水質(zhì)達標，但當水量負荷超過設(shè)計負荷時，由于曝氣供氧能力不足，出水水質(zhì)不能達標．總體來說，開啟4臺轉(zhuǎn)刷可以承受一定的水量沖擊負荷，使出水水質(zhì)滿足達標要求，且降低了曝氣能耗．

圖3 轉(zhuǎn)刷開啟臺數(shù)對出水水質(zhì)影響模擬結(jié)果

設(shè)置轉(zhuǎn)刷開啟數(shù)量為4臺，在上述模擬水質(zhì)初始值基礎(chǔ)上，逐漸增加污染物質(zhì)量濃度，并模擬相應(yīng)出水水質(zhì)，模擬時間為45 d，模擬結(jié)果平均值見表1．

從表1中可以看出，當進水底物質(zhì)量濃度增加50%時，出水的各項指標均能滿足達標要求;當進水底物質(zhì)量濃度增加60%時，由于曝氣供氧能力不能滿足硝化反應(yīng)的順利進行，出水氨氮超標．這說明4臺轉(zhuǎn)刷的曝氣供氧能力可以承受一定的水質(zhì)沖擊負荷，當進水底物質(zhì)量濃度增加時，開啟4臺轉(zhuǎn)刷基本可以滿足出水達標的要求．

表1 開啟4臺轉(zhuǎn)刷出水水質(zhì)隨進水水質(zhì)變化模擬結(jié)果

從上述模擬結(jié)果的分析可知，降低曝氣轉(zhuǎn)刷開啟臺數(shù)至4臺，即可滿足出水水質(zhì)標準要求，又可以降低曝氣能耗，且減少工作轉(zhuǎn)刷的數(shù)量，相當于增加備用設(shè)備數(shù)量，也在一定程度上提高了生產(chǎn)的安全性，增加了對曝氣設(shè)備調(diào)節(jié)的空間．通過模擬曝氣轉(zhuǎn)刷運行工況對出水水質(zhì)的影響情況，確定了曝氣系統(tǒng)的節(jié)能運行方案，即在正常運行工況下，將中溝轉(zhuǎn)刷開啟臺數(shù)由5臺降至4臺;如遇突發(fā)水量、水質(zhì)沖擊負荷(水量增幅超過25%或污染物質(zhì)量濃度增幅超過50%)時，應(yīng)增開曝氣轉(zhuǎn)刷以保證出水水質(zhì);在水量負荷低于設(shè)計值時，可考慮將轉(zhuǎn)刷開啟臺數(shù)降至3臺，以適應(yīng)水量的波動，達到節(jié)能的目的．

3.2 曝氣轉(zhuǎn)刷節(jié)能運行方案的驗證

2009年12月起，該廠三溝式氧化溝曝氣系統(tǒng)采用上述節(jié)能模式運行．表2為2009年12月及2010年1月該廠在節(jié)能方案下運行實際出水水質(zhì)的平均值．

表2 轉(zhuǎn)刷節(jié)能運行模式下出水水質(zhì) mg·L－1

從表2可以看出，按照曝氣系統(tǒng)節(jié)能方案運行，可以獲得較好的處理效果．尤其是在2010年1月進水底物質(zhì)量濃度較高的情況下，出水水質(zhì)仍能保證達標，證明了該方案的合理性和可行性．通過對曝氣系統(tǒng)采取適當?shù)墓?jié)能措施，以及配合相關(guān)精確控制及輔助節(jié)能措施，2009年該廠三溝式氧化溝工藝的噸水能耗已降至0.224 kW·h/m3，比2008年下降14%，取得了較好的節(jié)能效果．

4 結(jié)論

1)在正常運行工況下，將中溝轉(zhuǎn)刷開啟臺數(shù)由5臺降至4臺，既可滿足出水水質(zhì)標準要求，又可以降低曝氣能耗．如遇突發(fā)水量、水質(zhì)沖擊負荷(水量增幅超過25%或污染物質(zhì)量濃度增幅超過50%)時，可通過增開曝氣轉(zhuǎn)刷的辦法保證出水水質(zhì);在水量負荷低于設(shè)計值時，可考慮將轉(zhuǎn)刷開啟臺數(shù)降至3臺，以適應(yīng)水量的波動，達到節(jié)能的目的．

2)將曝氣系統(tǒng)節(jié)能方案應(yīng)用于實際運行，不僅可以獲得較好的出水水質(zhì)，而且可實現(xiàn)能耗降低的目的．通過采取節(jié)能降耗措施，該廠三溝式氧化溝工藝 2009年的噸水單耗已降至0.224 kW·h/m3，比2008年下降超過14%，節(jié)能效果顯著．

［1］劉禮祥，張金松，施漢昌，等．城市污水處理廠全流程節(jié)能降耗優(yōu)化運行策略［J］．中國給水排水， 2009，25(16):11－15．

［2］朱五星，舒錦瓊．城市污水處理廠能量優(yōu)化策略研究［J］．給水排水， 2005，31(12):31－33．

［3］楊凌波，曾思育，鞠宇平，等．我國城市污水處理廠能耗規(guī)律的統(tǒng)計分析與定量識別［J］．給水排水， 2008，34(10):42－45．

［4］FERRER J，RODRIGO M A，SECO A，et al．Enengy saving in the aeration processs by fuzzy logic control［J］．Wat Sci Technol， 1998，38(3):209 －217．

［5］周雹．活性污泥工藝簡明原理及設(shè)計計算［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005．

［6］YANG Yue，ZHANG Jinsong，LIU Lixiang，et al．Simulation of triple oxidation ditch wastewater treatment process［C］//Proceedings of the Second International Symposium on Aqua Science，Water Resource，and Low Carbon Energy．Sanya:AIP Conf Proc，2010:153 －156．

［7］葉峰，任振華．改進型三溝式氧化溝脫氮除磷機理及工程實例［J］．凈水技術(shù)， 2006，17(6):64－67．

［8］XIE B，DAI X C，XU Y T．Cause and pre－alarm control of bulking and fomaing by Microthrix Parvicella:a case study in triple oxidation ditch at a wastewater treatment plant［J］．Journal of Hazardous Materials， 2007，143(1/2):184－191．

［9］ILENIA I，VALENTINA I，STEFANO M L，et al．A modified activated sluged model no．3(ASM3)with two－step nitrification － denitrification［J］．Environment Modeling＆ Software， 2007，22:847－861．

［10］ HENZE M，GUJER W，MION T，et al．Activated sludge model No．2D，ASM2D［J］．Wat Sci Tech， 1999，39(1):165－182．

［11］CLERCQ de B，COEN F，VANDERHAEGEN B，et al．Calibrating simple models for mixing and flow propagation in waste water treatment plants［J］．Water Science and Technology， 1999，39(4):61－69．

［12］Hidromantis．GPS－X technical reference［M］．Ontario:Hidromantis Inc，1995．

Optimization simulation of aeration mode in a triple oxidation ditch wastewater treatment process

YANG Yue1，2，ZHANG Jin-song1，3，LIU Li-xiang3，XU Zi-ming1

(1．Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School，518055 Shenzhen，Guangdong，China，yangyueww@126．com;2．Shenzhen Energy Environment Engineering Co．Ltd．，518052 Shenzhen，Guangdong，China;3．Shenzhen Water(Group)Co．Ltd．，518030 Shenzhen，Guangdong，China)

Based on mathematical simulation method，an optimization scheme of aeration system was proposed to save energy，which reduced the number of running aeration brush from 5 to 4 in the middle ditch under the normal operation condition．When the increasing degree of inflow was over 25%or the substrate concentration above 50%，the number of running aeration brush would be increased to 5．When the inflow were lower than normal condition，the number would be decreased to 3．With implementing this scheme for two months，the water quality of effluent could always meet the first class of B standard．

triple oxidation ditch process;aeration brush;simulation;energy saving

X703

A

0367－6234(2011)08－0076－04

2010－03－10．

國家“十一五”科技支撐項目(2006BAC19B06)．

楊 躍(1981—)，女，博士;

張金松(1963—)，男，教授級高工，博士生導(dǎo)師．

(編輯 劉 彤)