金 輝 黃明忠 潘多濤 袁德成

(沈陽(yáng)化工大學(xué)遼寧省化工過(guò)程控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110142)

0 引言

污水生化處理廠具有保護(hù)環(huán)境的功能，但其副產(chǎn)品——過(guò)剩污泥若不能有效利用，也將造成嚴(yán)重的二次污染［1］。隨著全球能源問(wèn)題的日趨突出，如何捕獲蘊(yùn)含在污水處理廠活性污泥新陳代謝中的潛在能量開始受到人們的關(guān)注［2－3］。為了進(jìn)一步改善水質(zhì)，降低剩余污泥量，實(shí)現(xiàn)全流程、長(zhǎng)周期的性能評(píng)價(jià)，國(guó)際水協(xié)會(huì)(International Association of Water，IWA)推出了2號(hào)基準(zhǔn)仿真模型(Benchmark simulation model No.2，BSM2)［4］。

本文根據(jù)IWA工作組關(guān)于典型污水生化處理過(guò)程的組成協(xié)議BSM2［5］，采用 Matlab與 C語(yǔ)言混合編程的方法，開發(fā)了面向全流程的污水處理仿真平臺(tái)。經(jīng)過(guò)相關(guān)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算和溶解氧控制測(cè)試，得到的計(jì)算結(jié)果與工作組發(fā)布的最終測(cè)試數(shù)據(jù)一致。該平臺(tái)可用于全流程污水處理廠的模擬計(jì)算。

1 國(guó)際評(píng)價(jià)基準(zhǔn)Benchmark

1.1 Benchmark 工廠構(gòu)成

Benchmark工廠的入水平均流量為20 648.26 m3/d，入水平均化學(xué)需氧量(COD)為592.53 g/m3，水力停留時(shí)間為22 h。工廠除了包括5個(gè)生化反應(yīng)器和1個(gè)二沉池外，還包括1個(gè)初沉池、1個(gè)污泥濃縮機(jī)和1個(gè)厭氧消化池，同時(shí)還增加了1個(gè)脫水單元?；贐SM2的污水處理廠構(gòu)成如圖1所示，其中活性污泥反應(yīng)器和二沉池的計(jì)算與BSM1保持一致。

圖1 污水處理廠構(gòu)成圖Fig.1 Composition of wastewater treatment plant

1.2 模擬模型

由于BSM2中生化反應(yīng)器和二沉池部分的模擬模型與 BSM1相同［6－8］，故這里不再作詳細(xì)說(shuō)明。下面針對(duì)其余部分的模擬模型進(jìn)行一一介紹。

1.2.1 厭氧消化模型

厭氧消化1號(hào)模型(anaerobic digestion model No.1，ADM1)是一個(gè)結(jié)構(gòu)化模型，它對(duì)厭氧系統(tǒng)內(nèi)的生化過(guò)程和物化過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析。它采用微分代數(shù)方程組(differential algebraic equations，DAE)來(lái)描述生化和物化過(guò)程。該過(guò)程涉及7個(gè)微生物種群，方程組包括26個(gè)動(dòng)態(tài)濃度變量、19個(gè)生化動(dòng)力學(xué)過(guò)程、3個(gè)氣液傳質(zhì)過(guò)程和8個(gè)隱式代數(shù)變量。

ADM1將厭氧消化過(guò)程中的生化反應(yīng)具體細(xì)化為19個(gè)子過(guò)程。生化過(guò)程的反應(yīng)速率方程采用形如Monod方程的基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)方程來(lái)描述，而不是采用ASM系列模型中類似的微生物增殖動(dòng)力學(xué)方程來(lái)描述，這是ADM和ASM模型最主要的區(qū)別之一。

厭氧消化1號(hào)模型共有26個(gè)組分，包括14個(gè)可溶性組分和12個(gè)不溶性組分。對(duì)于每一個(gè)組分，根據(jù)物料平衡原則，可以得到以下微分方程:

式中:V為液相或氣相的體積;Si為組分i的濃度;t為時(shí)間;qin為組分i流入體系的流量;qout為組分i流出體系的流量;vi，j為組分i對(duì)應(yīng)于過(guò)程 j的速率系數(shù);ρj為過(guò)程j的反應(yīng)速率。此外，ADM1認(rèn)為在厭氧消化過(guò)程中主要存在pH抑制、氫抑制和游離氨抑制這3種抑制作用。

物化過(guò)程是厭氧消化體系的重要組成部分。ADM1將厭氧消化系統(tǒng)中的物化過(guò)程分為液相中的酸堿離解平衡和氣液兩相間的傳質(zhì)過(guò)程。

液相中的酸堿離解平衡主要涉及氫離子、氫氧根離子、有機(jī)酸根、氨根和碳酸氫根等的離解平衡。由于這些化學(xué)過(guò)程的反應(yīng)速率非?？?，可以直接采用穩(wěn)態(tài)的平衡方程式來(lái)表達(dá)。

ADM1認(rèn)為厭氧消化過(guò)程所產(chǎn)生的沼氣主要有CH4、H2、CO2等3種氣體組分，傳質(zhì)阻力主要存在于液相。因此，ADM1在雙膜理論的基礎(chǔ)上，采用Stumm和Mor2gan推導(dǎo)的公式，對(duì)氣液兩相間的傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行描述。

1.2.2 初次沉降池的建模

在污水處理廠中，初次沉降池的作用是去除污水原液中的顆粒物質(zhì)。初次沉降池的工作效率直接影響活性污泥處理單元的處理效果。將初次沉降池描述為一個(gè)混合儲(chǔ)罐［9－10］，儲(chǔ)罐的出水可分為初次沉降池流出量和初次污泥兩部分，其中流出量和初次污泥的組分與活性污泥部分相同。

1.2.3 濃縮機(jī)和脫水單元的建模

濃縮機(jī)的作用是將從二次沉降池中的污泥進(jìn)行濃縮，并將濃縮后的污泥向上輸入給初沉池，向下進(jìn)入消化池。

如果濃縮因子fthick＞1，下溢變量計(jì)算為:①任意顆粒組分，Ztu=Ztufthick;②對(duì)于任意可溶性組分，Ztu=Zu;③下溢流量Qtu=Qwfqtu。

此時(shí)，上溢變量計(jì)算為:①對(duì)于任意顆粒組分，Zto=Zufthin;②對(duì)于任意可溶性組分，Zto=Zu;③上溢流量Qtu=Qw(1－fqtu)。

如果濃縮因子fthick＜1，則表示濃縮過(guò)程存在錯(cuò)誤。

脫水單元的作用是將來(lái)自消化池的消化污泥進(jìn)行濃縮。經(jīng)過(guò)濃縮處理的廢水回流到初次沉降池的入口處。由于脫水單元的模型與濃縮機(jī)建模機(jī)理類似，這里不再累述。

1.3 模型接口

BSM2將液相流和污泥流相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了全流程污水處理過(guò)程。液相流部分采用ASM1模型進(jìn)行模擬，污泥流部分則使用ADM1模型。由于ASM1和ADM1中的狀態(tài)變量不同，因此，在對(duì)這兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行合并的過(guò)程中，定義模型接口和對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行轉(zhuǎn)換顯得十分必要［6，11］。

模型接口定義的基本原則是轉(zhuǎn)換前后質(zhì)量守恒。對(duì)于ASM1-ADM1接口來(lái)說(shuō)，在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，應(yīng)使總COD(CODt)和總TKN(TKNt)保持質(zhì)量守恒。其中總COD表示有機(jī)狀態(tài)變量組成的復(fù)合變量，總TKN是指包括氨氮在內(nèi)的有機(jī)氮復(fù)合測(cè)量值。

ASM1-ADM1接口的目的是將與ASM1對(duì)應(yīng)的活性污泥狀態(tài)變量轉(zhuǎn)化為與ADM1對(duì)應(yīng)的厭氧消化狀態(tài)變量。ASM1-ADM1接口轉(zhuǎn)換的基本思想是使復(fù)合組分Xc(包括Saa、Si、Xi)關(guān)于可用氮和 COD達(dá)到最小。這里使用狀態(tài)變量的自由度來(lái)達(dá)到平衡，即采用狀態(tài)變量關(guān)于碳或氮的自由度來(lái)達(dá)到平衡。在這種轉(zhuǎn)換方法中，由于假設(shè)Ssu(無(wú)機(jī)氮)、Xch(糖類)和Xli(脂類)不含有氮，因此，將Ssu、Xch和Xli作為含碳自由度。類似地，將Sin作為含氮自由度。

ADM1-ASM1的作用是將消化池出口處的任意狀態(tài)變量轉(zhuǎn)換為用于脫水單元的狀態(tài)變量。由ADM1狀態(tài)變量轉(zhuǎn)換到ASM1狀態(tài)變量這一過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，這種轉(zhuǎn)換過(guò)程的目的是使Xs、Ss、Si和Xi關(guān)于可用COD最小，Xnd和Snd含氮量達(dá)到最小。

1.4 輸入污水的組成

BSM1分別針對(duì)晴天、雨天和暴雨天氣設(shè)計(jì)了3個(gè)污水輸入文件。對(duì)于BSM2，輸入文件并不是依據(jù)預(yù)先定義好的數(shù)據(jù)文件來(lái)確定，而是根據(jù)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。在BSM2中，對(duì)象性能的評(píng)價(jià)周期為364 d。在對(duì)性能評(píng)價(jià)之前，應(yīng)先確定動(dòng)態(tài)鎮(zhèn)定周期。動(dòng)態(tài)鎮(zhèn)定周期為245 d。因此，BSM2的輸入污水文件由609 d的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)組成。

1.5 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

與一般的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程相比，污水處理廠的運(yùn)行具有特殊性。它的最終“產(chǎn)品”首先必須遵守環(huán)保法規(guī)強(qiáng)制性的排放要求，然后才考慮工藝目標(biāo)和控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。如何將上述操作要求分解統(tǒng)一到控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施中，目前仍然沒(méi)有完全解決。評(píng)價(jià)運(yùn)行效果需要綜合以下幾個(gè)指標(biāo)。

①常規(guī)的控制系統(tǒng)指標(biāo):如絕對(duì)誤差積分(integral of absolute error，IAE)、積分平方差(integral square error，ISE)、最大偏差、方差、越界的次數(shù)和持續(xù)時(shí)間等。

② 出水限制指標(biāo):總氮濃度 Ntot，e＜18 gN/m3、化學(xué)需氧量 CODtot，e＜100 gCOD/m3、氨氮濃度 SNH，e＜ gN/m3、固體懸浮物濃度TSS＜30 gS/m3、生物需氧量濃度BOD5，e＜ 10 gBOD/m3。

③出水質(zhì)量指標(biāo)(EQI):EQI是衡量主要污染物對(duì)受納水體污染程度的一個(gè)指標(biāo)。觀測(cè)期內(nèi)(從第245 d開始到第609 d)的EQI表達(dá)式為:

總凱氏氮濃度:

總固體物濃度:

5天生化需氧量:

化學(xué)需氧量:

④經(jīng)濟(jì)指標(biāo):經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要從污泥產(chǎn)量(SP)、曝氣風(fēng)機(jī)能耗(AE)和泵機(jī)能耗(PE)這3方面進(jìn)行考慮。

污泥產(chǎn)量(SP)主要根據(jù)研究時(shí)間內(nèi)(從第245 d開始到第609 d)排放的污泥量以及系統(tǒng)積累的污泥量來(lái)計(jì)算:

此外，系統(tǒng)的總污泥產(chǎn)量是指處置污泥與系統(tǒng)流失污泥的總和，具體計(jì)算方法如下:

在污水處理的成本核算中，約40% ～60%的電能消耗在泵和風(fēng)機(jī)上，其節(jié)能控制日益受到重視。其中曝氣風(fēng)機(jī)能耗定義為:

泵機(jī)能耗的計(jì)算表達(dá)式為:

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

本文根據(jù)BSM2協(xié)議，開發(fā)了基于Matlab/Simulink與C語(yǔ)言混合編程的仿真程序。主程序采用Matlab編寫，模型與模型之間的接口均采用C語(yǔ)言編程。整個(gè)污水處理廠的模型通過(guò)Simulink進(jìn)行搭建，在開源Linux環(huán)境中運(yùn)行。

為驗(yàn)證仿真程序計(jì)算的穩(wěn)定性和一致性，首先在不加控制作用的情況下，對(duì)開環(huán)性能進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果如表1所示。

表1 仿真結(jié)果Tab.1 Simulation results

由表1可知，系統(tǒng)在開環(huán)情況下具有較好的穩(wěn)定性。被控變量4號(hào)反應(yīng)器的溶解氧濃度和控制誤差曲線如圖2所示。

圖2 溶解氧控制和控制誤差曲線Fig.2 The dissolved oxygen control and control error curves

被控變量的常規(guī)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 常規(guī)性能指標(biāo)Tab.2 Common performance indexes

出水水質(zhì)指標(biāo)如表3所示。

表3 出水水質(zhì)指標(biāo)Tab.3 Effluent water-quality indexes

根據(jù)出水水質(zhì)，可得出水質(zhì)量指標(biāo)如圖3所示。

圖3 出水質(zhì)量指標(biāo)Fig.3 Effluent quality index

AE、PE、SP和SPtotal這幾項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的平均值如表4所示。

表4 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Tab.4 Economic indexes

若將4號(hào)反應(yīng)器溶解氧濃度(SO4)設(shè)置值改為2.5 mg(COD)/L，所得溶解氧濃度變化和控制誤差曲線如圖4所示，進(jìn)一步說(shuō)明了仿真平臺(tái)的有效性和穩(wěn)定性。

圖4 改變后的溶解氧控制和控制誤差曲線Fig.4 The dissolved oxygen control and control error curves while changing set point

3 結(jié)束語(yǔ)

全流程污水處理過(guò)程不僅要保證出水水質(zhì)達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也必須考慮剩余污泥的處置和成本，這是污水處理工業(yè)的發(fā)展方向。為此，本文開發(fā)了基于BSM2協(xié)議的全流程污水生化處理過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)仿真平臺(tái)。利用該仿真軟件可完成:①穩(wěn)態(tài)初值計(jì)算和動(dòng)態(tài)特性模擬;②基于三類性能指標(biāo)的最佳工藝選擇和設(shè)計(jì);③先進(jìn)控制策略的評(píng)價(jià)等任務(wù)?；贐SM2污水處理過(guò)程的研究還處于初級(jí)階段，仍有大量問(wèn)題尚未解決，仍需研究人員進(jìn)行更深入的研究。

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