鄒宗森 ,施漢昌 *,李鑫瑋 (.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京 00084；.北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 000)

隨著環(huán)境污染的日益加劇與環(huán)保技術(shù)的不斷發(fā)展,以及對(duì)于環(huán)境保護(hù)的要求日益提高,相應(yīng)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)也日趨嚴(yán)格.根據(jù)北京市最新頒布的《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[1]的A標(biāo)準(zhǔn),對(duì)TN的排放提出了更高的要求:TN <10mg/L,而傳統(tǒng)的一、二級(jí)處理顯然不能達(dá)標(biāo),故需要增加污水深度處理設(shè)施加強(qiáng)對(duì) TN的去除.反硝化濾池是一種固定床生物膜反應(yīng)器,具有占地面積小、運(yùn)行管理方便、出水水質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn),在污水深度脫氮處理方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),目前已得到廣泛應(yīng)用[2-5].

污水處理工藝過程復(fù)雜,傳統(tǒng)的工藝優(yōu)化往往依靠工程經(jīng)驗(yàn),調(diào)整周期長(zhǎng),成本高,且存在一定風(fēng)險(xiǎn).數(shù)值模擬方法是一種基于數(shù)學(xué)模型的模擬方法,廣泛應(yīng)用于包括污水處理工藝的模擬等許多領(lǐng)域[6].通過構(gòu)建污水處理工藝的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證后,可以對(duì)反應(yīng)器中的反應(yīng)過程等進(jìn)行快速有效地模擬,從而得到不同工藝條件下的處理效果,用于指導(dǎo)污水處理廠工藝的設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化,近年來日益得到重視與發(fā)展.目前較為成熟且應(yīng)用最為廣泛的是國際水協(xié)(IWA)系列活性污泥模型,包括ASM模型(ASM1、ASM2、ASM2D、ASM3)和ADM模型,可描述活性污泥系統(tǒng)中碳氧化、硝化、反硝化、生物除磷及厭氧消化等多個(gè)過程,全面體現(xiàn)了活性污泥系統(tǒng)的主要功能[7].而隨著IWA系列模型的不斷改進(jìn)與發(fā)展,除了可模擬傳統(tǒng)的活性污泥系統(tǒng)外,也廣泛應(yīng)用于其他污水處理過程的模擬,體現(xiàn)出較強(qiáng)的適用性.Fenu等[8]應(yīng)用ASM模型對(duì)MBR工藝進(jìn)行模擬,并重點(diǎn)探討了對(duì)MBR中進(jìn)水組分、可溶性微生物產(chǎn)物及生物動(dòng)力學(xué)的模擬.Sperandio等[9]應(yīng)用ASM模型對(duì)浸沒式MBR進(jìn)行模擬,并對(duì)特定參數(shù)進(jìn)行校正,得到了較好的模擬結(jié)果.Ni等[10]則應(yīng)用 ASM 模型解釋了硝化及反硝化系統(tǒng)中N2O的反應(yīng)過程,為尋找更佳的污水脫氮工藝奠定了基礎(chǔ).

在IWA系列模型得到廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上,研究人員開發(fā)了污水處理廠的計(jì)算機(jī)模擬軟件,如GPS-X、STOAT、WEST 和 BioWin等.其中BioWin軟件是一種典型的污水處理廠全流程模擬軟件,由加拿大 Envirosim 聯(lián)合公司研制,BioWin中采用的生物反應(yīng)模型是IWA活性污泥模型中的 AS/AD(活性污泥/厭氧消化)模型,同時(shí)此軟件還集成了pH平衡、氣體轉(zhuǎn)移和化學(xué)沉淀等其他模型,可描述污水處理過程中50種組分及作用于這些組分的80個(gè)物理、化學(xué)和生物反應(yīng)過程,能夠模擬整個(gè)污水處理廠的全部流程.經(jīng)過十幾年的不斷完善開發(fā),已在北美和澳大利亞等地得到了廣泛的應(yīng)用[11].EwaLiwarska- Bizukojc等[12]應(yīng)用 BioWin軟件來模擬活性污泥系統(tǒng),并進(jìn)行靈敏度分析,從而得到對(duì)活性污泥工藝處理效果影響最為顯著的參數(shù).Eldyasti等[13]采用BioWin軟件對(duì)循環(huán)流化床生物反應(yīng)器(CFBBR)進(jìn)行模擬,并建立了一套CFBBR工藝BioWin模型的校準(zhǔn)方法,可使校準(zhǔn)模型的模擬結(jié)果平均誤差維持在20%以內(nèi).

本研究以反硝化濾池中試系統(tǒng)為研究對(duì)象,通過在不同工況條件下的實(shí)際運(yùn)行來考察其反硝化處理效果.構(gòu)建反硝化濾池中試系統(tǒng)的BioWin概化模型,基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行模擬.探討了基于兩種靈敏度分析方法的模型校正方法,并驗(yàn)證了校正模型的有效性.最終提出了一套能對(duì)反硝化濾池工藝進(jìn)行有效模擬的BioWin模型和模型校正方法.

1 研究方法

1.1 反硝化濾池中試系統(tǒng)

反硝化濾池由圓柱形的有機(jī)玻璃制成,總高度3.5m,出水口高3.35m,直徑30cm,共分3段,以法蘭連接.濾池內(nèi)從下向上依次為:水層1,緩沖層,濾料層,水層2,濾池柱層參數(shù)如表1所示.

表1 中試反硝化濾池柱層參數(shù)Table 1 Parameters of the pilot-scale DNBF

反硝化濾池的進(jìn)水為北京市某污水處理廠 A的二沉池出水,該污水處理廠采用 A/O 工藝,日處理量為 5×105m3/d.濾池采用自下而上的進(jìn)水方式,投加甲醇作為外加碳源,在濾速 8m/h,進(jìn)水 C/N=4和濾速8m/h,進(jìn)水C/N=5兩種工況下運(yùn)行,每個(gè)工況運(yùn)行時(shí)間約為一個(gè)月.每天反沖洗一次,反沖洗步驟為:(1)氣洗 5min;(2)氣水聯(lián)合沖洗 5min;(3)水洗9min,其中:氣洗流量15L/m2.s,水洗流量6L/m2.s.反硝化濾池中試系統(tǒng)的裝置圖如圖1所示.

圖1 反硝化濾池中試系統(tǒng)裝置Fig.1 Configuration of DNBF pilot system

1.2 檢測(cè)方法

所有水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)均按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[14]中的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行,監(jiān)測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)包括:COD、NH3-N、TN、、TP、TSS、pH值、DO和堿度.

1.3 反硝化濾池中試系統(tǒng)的模型

根據(jù)反硝化濾池中試系統(tǒng)的實(shí)際工藝參數(shù),應(yīng)用BioWin軟件構(gòu)建了如圖2所示的BioWin概化模型.以多個(gè)生物反應(yīng)器串連的方式模擬反硝化濾池內(nèi)流體的推流狀態(tài),從下向上依次為:水層 1;緩沖層(緩沖層(下),緩沖層(上));濾料層(濾料層1,濾料層2,濾料層3);水層2;甲醇于濾池進(jìn)水處投加,與污水處理廠二沉池出水混合后共同進(jìn)入濾池;應(yīng)用點(diǎn)沉淀池和反沖洗出水組合的方式模擬濾池反沖洗過程,去除進(jìn)水中及濾池內(nèi)生物膜脫落產(chǎn)生的TSS,點(diǎn)沉淀池是BioWin軟件中一個(gè)理想狀態(tài)的沉淀池,其體積為零,只用于去除TSS,結(jié)合濾池反沖洗主要用于去除濾池內(nèi)的TSS及點(diǎn)沉淀池自身的特點(diǎn),其可被用于模擬生物濾池的反沖洗過程.在此基礎(chǔ)上,選擇 AS/AD模型、pH平衡模型和氣體傳輸模型作為生物反應(yīng)單元的數(shù)學(xué)模型,選擇 Vesilind修正模型作為二沉池的數(shù)學(xué)模型.

圖2 反硝化濾池中試系統(tǒng)BioWin模型Fig.2 Modeling of the pilot-scale DNBF based on BioWin software

1.4 靈敏度分析

基于所構(gòu)建的反硝化濾池中試系統(tǒng) BioWin模型及濾速8m/h,進(jìn)水C/N=5條件下的運(yùn)行數(shù)據(jù),運(yùn)用常規(guī)靈敏度分析法(Si,j)和均方根靈敏度分析法()[15-16],考察了8項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)(yi):NH3-N,,, 總凱氏氮(TKN), TN, TP, TSS,COD,隨參數(shù)數(shù)值(xj)變化其模擬出水濃度值的變化情況,從而對(duì)BioWin中412個(gè)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析,找出對(duì)反硝化濾池的模擬結(jié)果影響較大,即靈敏度較高的參數(shù).

常規(guī)靈敏度分析法(Si,j)的定義如式(1)所示,可用于指示特定參數(shù)(xj)對(duì)于特定水質(zhì)指標(biāo)(yi)的影響情況.本研究中,設(shè)定參數(shù)數(shù)值改變的百分比為 10%,來計(jì)算Si,j的值.靈敏度判定原則為:Si,j<<0.25,參數(shù)對(duì)輸出結(jié)果沒有顯著影響;0.25≤Si,j<1,參數(shù)對(duì)輸出結(jié)果有影響;1≤Si,j<2,參數(shù)對(duì)輸出結(jié)果有較大影響;Si,j≥2,參數(shù)對(duì)輸出結(jié)果影響很大.

均方根靈敏度分析法()的定義如式(2)所示,可用于指示特定參數(shù)(xj)對(duì)于出水水質(zhì)指標(biāo)整體的影響情況.靈敏度判定原則為:值越大,參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果影響越大;如果為0,則該參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果沒有影響.

2 結(jié)果與討論

2.1 反硝化濾池中試系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

添加甲醇作為外加碳源,使反硝化濾池中試系統(tǒng)在兩種工況條件下分別運(yùn)行一個(gè)月:濾速8m/h,進(jìn)水 C/N=4和濾速 8m/h,進(jìn)水 C/N=5,考察其反硝化處理效果,運(yùn)行結(jié)果如表2所示.

由表2可見,添加甲醇作為外加碳源,隨著進(jìn)水C/N的增大,濾池出水TN的濃度下降較大,C/N=4時(shí)的出水TN濃度約為14.52mg/L,而C/N=5時(shí)約為7.14mg/L,能夠滿足TN<10mg/L的最新標(biāo)準(zhǔn),說明外加碳源促進(jìn)了濾池的反硝化作用,進(jìn)行了反硝化深度脫氮處理.C/N=4時(shí)濾池出水COD濃度約為 45.42mg/L,C/N=5時(shí)約為 55.92mg/L,前者較二沉池出水中COD濃度有所降低,后者則有所升高.說明C/N=4時(shí),外加碳源提高了濾池內(nèi)的微生物活性,在利用外加碳源的同時(shí)也消耗掉一部分二沉出水中的COD;而C/N=5時(shí),由于外加碳源量過多,超出微生物的最大利用量,使得出水中 COD濃度反而有所升高.綜合考慮TN和COD的去除情況,可以推斷最佳的碳源投加量應(yīng)在 C/N=4～5之間尋找.對(duì)于其他污染物,進(jìn)水 TSS的濃度波動(dòng)性比較大,但出水效果比較好,說明反硝化濾池而 TSS沖擊負(fù)荷的能力較強(qiáng);NH3-N和TP的去除效果不明顯,但由于進(jìn)水濃度比較低,故出水濃度也可基本滿足排放要求.

表2 反硝化濾池運(yùn)行結(jié)果Table 2 Operation results of DNBF

2.2 靈敏度分析

利用濾速8m/h, C/N=5條件下的進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)作為靈敏度分析的數(shù)據(jù)(表2).

根據(jù)常規(guī)靈敏度分析對(duì)BioWin軟件中412個(gè)參數(shù)的分析結(jié)果,將Si,j≥0.25,即對(duì)輸出結(jié)果有影響,可認(rèn)定為靈敏度較高的參數(shù)列出,由于TKN和TSS中所有Si,j均小于0.25,故此二項(xiàng)指標(biāo)的Si,j沒有列出,具體如表3所示.

如表3所示,有14個(gè)參數(shù)可認(rèn)為是靈敏度較高的參數(shù),而其中對(duì)模擬結(jié)果影響較為突出的是3個(gè)與甲基營(yíng)養(yǎng)菌有關(guān)的計(jì)量學(xué)參數(shù),以及 7個(gè)與生物膜有關(guān)的參數(shù).甲基營(yíng)養(yǎng)菌,是一類利用一碳甲基化合物作為碳源和能源進(jìn)行生長(zhǎng)的革蘭氏陰性菌.本研究中反硝化濾池外加碳源為甲醇,為一碳甲基化合物,而甲醇的投加對(duì)于反硝化作用的影響非常重要,因此與甲基營(yíng)養(yǎng)菌有關(guān)的計(jì)量學(xué)參數(shù),如缺氧產(chǎn)率系數(shù),對(duì)濾池反硝化處理效果影響較大.而且反硝化濾池是一種生物膜反應(yīng)器,生物膜的特性對(duì)反硝化處理效果影響至關(guān)重要,所以與生物膜有關(guān)的參數(shù),如擴(kuò)散系數(shù)、生物膜表面積/填料表面積等,對(duì)反硝化處理的效果影響也較為顯著.因此,常規(guī)靈敏度分析結(jié)果與實(shí)際情況相符,說明此分析結(jié)果有效.

表3 常規(guī)靈敏度分析結(jié)果(Si,j)Table 3 Analysis results of normalized sensitivity coefficient measure (Si,j)

表4 均方根靈敏度分析結(jié)果)Table 4 Analysis results of mean square sensitivity measure ()

表4 均方根靈敏度分析結(jié)果)Table 4 Analysis results of mean square sensitivity measure ()

參數(shù)jδmsqr甲基營(yíng)養(yǎng)菌:產(chǎn)率系數(shù)(缺氧)甲基營(yíng)養(yǎng)菌:生物質(zhì)中P含量生物膜常規(guī)參數(shù):擴(kuò)散常數(shù)生物膜常規(guī)參數(shù):傳質(zhì)表面生物膜最大覆蓋率甲基營(yíng)養(yǎng)菌:生物質(zhì)中N含量有效擴(kuò)散系數(shù):磷酸鹽異養(yǎng)菌:COD:VSS比曝氣參數(shù):工藝水DO濃度/純水DO濃度胞外聚合物強(qiáng)度系數(shù):難生物降解COD(顆粒)切換參數(shù):缺氧NO2半飽和常數(shù)0.3948 0.2805 0.2309 0.2309 0.2200 0.1889 0.1291 0.1287 0.1208 0.1911

根據(jù)均方根靈敏度分析對(duì) BioWin軟件中412個(gè)參數(shù)的分析結(jié)果,將參數(shù)按照值大小降序排列,選取值最大的10個(gè)參數(shù)將其列出,結(jié)果如表4所示.由表4可知,在10個(gè)參數(shù)中,共有 7個(gè)參數(shù)屬于與甲基營(yíng)養(yǎng)菌有關(guān)的計(jì)量學(xué)參數(shù)及與生物膜有關(guān)的參數(shù),且包括值最大的6個(gè)參數(shù).分析的結(jié)果與Si,j的分析結(jié)果相一致,進(jìn)一步證明這兩類參數(shù)是對(duì)反硝化濾池處理效果影響最為顯著的參數(shù).

2.3 模型校正

根據(jù)靈敏度分析結(jié)果,找出對(duì)反硝化濾池中試系統(tǒng)的 BioWin模擬結(jié)果影響最為顯著,即靈敏度最高的參數(shù),通過調(diào)整參數(shù)值,對(duì)模型進(jìn)行校正,直到模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相符合為止.所選擇的校正參數(shù)及其校正結(jié)果如表 5所示,模型校正依然利用濾速8m/h,進(jìn)水C/N=5條件下的進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù),如表2所示.

表5 反硝化濾池中試系統(tǒng)模型校正參數(shù)及其校正結(jié)果Table 5 Calibrated values of the most sensitive parameters of DNBF pilot-system

利用校正后的模型,對(duì)濾速8m/h,進(jìn)水C/N=5條件下每一天的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行模擬,對(duì)比模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果,驗(yàn)證校正模型對(duì)此工況條件模擬的有效性.如表6所示,整體的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好.為進(jìn)一步說明此校正模型的有效性,對(duì)比每一天各種出水水質(zhì)指標(biāo)的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果,如圖3所示.由圖3a、3b、3d和3e可知,除去個(gè)別天模擬值與實(shí)測(cè)值存在一定的偏差,COD、NH3-N、TP和TSS每一天的模擬出水與實(shí)測(cè)出水濃度的吻合度均較好;由圖 3c可知,雖然 TN每天的模擬出水與實(shí)測(cè)出水濃度存在一定的偏差,模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的整體趨勢(shì)是一致的,且由表 6可知,偏差均在允許的范圍內(nèi).因此,由表6和圖3可以證明此校正模型可對(duì)濾速8m/h,進(jìn)水C/N=5條件下的反硝化濾池中試系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行有效模擬.

表6 反硝化濾池中試系統(tǒng)校正模型的模擬結(jié)果(濾速8m/h,進(jìn)水C/N=5)Table 6 Simulation results of calibrated model (filtration velocity=8m/h and influent C/N=5)

圖3 濾速8m/h, 進(jìn)水C/N=5每天模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較Fig.3 Comparison of daily simulation and experiment results (filtration velocity=8m/h, influent C/N=5)

2.4 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證是指如果校正后的模型同樣可以有效地模擬除校正工況以外其他工況的運(yùn)行結(jié)果,則認(rèn)為該模型是有效的.因此,模型校正完成后,應(yīng)用校正模型對(duì)濾速8m/h,進(jìn)水C/N=4時(shí)的工況條件進(jìn)行模擬,對(duì)比模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果,來驗(yàn)證校準(zhǔn)后的模型是否有效,校正結(jié)果如表7所示.

表7 反硝化濾池中試系統(tǒng)校正模型的驗(yàn)證結(jié)果(濾速8m/h,進(jìn)水C/N=4)Table 7 Simulation results of calibrated model (filtration velocity=8m/h, influent C/N=4)

由表7可知,NH3-N、TN、TP及TSS的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果均吻合較好,可以有效反映實(shí)際的出水水質(zhì).而 COD的模擬值比實(shí)測(cè)值要低,可能的原因是:濾池進(jìn)水采用的是實(shí)際污水廠二沉池出水,在C/N=4工況的運(yùn)行過程中,曾出現(xiàn)幾次濾池進(jìn)水不穩(wěn)定的情況,進(jìn)水 COD濃度波動(dòng)較大,對(duì)實(shí)際反硝化濾池的運(yùn)行造成了影響.總體來說,校正模型可以較好地反映濾速=8m/h,C/N=4工況條件下的運(yùn)行結(jié)果,因此可以認(rèn)為該模型是有效的.

3 結(jié)論

3.1 基于所構(gòu)建的反硝化濾池中試系統(tǒng)BioWin模型及濾速8m/h,進(jìn)水C/N=5條件下的運(yùn)行數(shù)據(jù),運(yùn)用常規(guī)靈敏度分析法(Si,j)和均方根靈敏度分析法(),對(duì)BioWin中的412個(gè)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析.結(jié)果表明,對(duì)反硝化濾池中試系統(tǒng)的 BioWin模擬結(jié)果影響最為顯著,即靈敏度最高的兩類參數(shù)為:與甲基營(yíng)養(yǎng)菌(methylotrophs)有關(guān)的計(jì)量學(xué)參數(shù)及與生物膜有關(guān)的參數(shù),與實(shí)際情況相符合.

3.2 根據(jù)靈敏度分析結(jié)果,選取靈敏度最高的參數(shù),利用濾速 8m/h,進(jìn)水 C/N=5條件下的運(yùn)行數(shù)據(jù),通過調(diào)整參數(shù)值進(jìn)行模型校正,利用校正模型對(duì)濾速8m/h,進(jìn)水C/N=4條件下的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行模擬,結(jié)果表明模擬值與實(shí)測(cè)值能夠較好吻合.由此得出結(jié)論,本研究構(gòu)建的反硝化濾池中試系統(tǒng)BioWin模型及基于靈敏度分析的模型校正方法是可行的,可用于實(shí)際反硝化濾池工藝的模擬,進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行.

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