林 哲

(上海煦歐節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?，上海市 200072)

1 閉式雙泥齡AO工藝簡介

閉式雙泥齡AO工藝是以靜態(tài)泥齡法為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)開發(fā)的一種實(shí)用新型工藝，其主要設(shè)計(jì)思路是在傳統(tǒng)活性污泥法工藝的基礎(chǔ)上，將生化處理池分為兩個(gè)完全獨(dú)立部分：一部分為除碳池，不考慮硝化反應(yīng)；另一部為完全硝化池，在完全硝化部分內(nèi)設(shè)置缺氧池及內(nèi)回流系統(tǒng)用于脫氮，原理如同AO脫氮工藝。在運(yùn)行過程中，采用分點(diǎn)進(jìn)水的方式，將大部分進(jìn)水輸送至常規(guī)活性污泥法進(jìn)行除碳處理，將需要硝化部分輸送至AO脫氮工藝進(jìn)行脫氮處理，兩股出水混合后輸送至二沉池進(jìn)行泥水分離。其主體工藝流程如圖1所示。

圖1 閉式雙泥齡工藝流程示意圖

2 研究要點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)分析

閉式雙泥齡AO工藝以定量配水和菌種混合回流為基礎(chǔ)手段實(shí)現(xiàn)“按需硝化”以降低建設(shè)和運(yùn)行成本，但該工藝遭到業(yè)界眾多專家質(zhì)疑，其主要原因是泥齡表征活性污泥在系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間主要通過排泥來進(jìn)行控制，因此在同一個(gè)排泥系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)不可能存在“雙泥齡”。從工藝運(yùn)行過程來看，在閉式雙泥齡AO工藝系統(tǒng)中，異養(yǎng)菌與硝化菌在流出生物池后充分混合，并在同一個(gè)二沉池內(nèi)沉淀并回流。由于回流的硝化污泥隨進(jìn)水一同被分配，會(huì)導(dǎo)致硝化菌被稀釋，且由于硝化菌世代期相對(duì)較長，若進(jìn)入除碳池內(nèi)的硝化污泥因污泥停留時(shí)間（泥齡）達(dá)不到硝化菌的世代期，則存在硝化污泥徹底流失的可能性。因此，為防止硝化菌的稀釋流失，閉式雙泥齡AO工藝在運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)上主要通過控制回流污泥的分配（配水比）和系統(tǒng)排泥保持脫氮單元中硝化菌的最低水平；同時(shí)通過硝化段的內(nèi)回流系統(tǒng)控制和補(bǔ)償該段的菌種濃度[1]。

上述的工藝控制手段對(duì)微生物系統(tǒng)的作用過程十分復(fù)雜，受影響的因素眾多，閉式雙泥齡AO工藝的設(shè)計(jì)意圖能否真正實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。本文以活性污泥數(shù)學(xué)活性為基礎(chǔ)，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)閉式雙泥齡AO工藝的運(yùn)行過程進(jìn)行仿真模擬，研判在不同配水比、泥齡和內(nèi)回流比率情況下系統(tǒng)中菌種繁殖、變化情況，驗(yàn)證工藝設(shè)計(jì)意圖，尋找優(yōu)化控制和節(jié)能減排的空間。

3 研究方法

3.1 模型選擇與參數(shù)驗(yàn)證

在眾多的污水處理數(shù)學(xué)模型中，國際水協(xié)推出的ASM系列模型已經(jīng)成為該領(lǐng)域發(fā)展最為成熟，使用最為普遍的模型[2]。本研究采樣ASM的系列模型中的1號(hào)模型作為模擬閉式雙泥齡AO工藝的基礎(chǔ)模型，并通過靈敏度分析比較與實(shí)驗(yàn)室測(cè)定對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行分析驗(yàn)證和賦值[3]。模型采用參數(shù)值如表1所示。

3.2 模型構(gòu)建與模擬軟件的使用

本研究選用GPS-X軟件對(duì)閉式雙泥齡工藝進(jìn)行模型構(gòu)建和仿真模擬[4]。由于閉式雙泥齡AO工藝為新型工藝，因此在使用軟件時(shí)采用工藝自定義工具進(jìn)行構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)和連接，直接采用平流式二沉池模型模擬泥分離過程，而不是簡單地采用簡化的分離系數(shù)描述沉淀效果。GPS-X模擬單個(gè)過程是將其作為在完全混合理想反應(yīng)器（CSTR）內(nèi)發(fā)生的，因此在構(gòu)建反應(yīng)器過程中，分別將除碳池、缺氧池和硝化池分別分解為10個(gè)CSTR反應(yīng)器串聯(lián)而成，替代推流式（PFR）構(gòu)筑物。

表1 模型參數(shù)的賦值

4 研究結(jié)果與分析

4.1 工藝配水比的影響分析

工藝配水比主要決定了污水及回流污泥進(jìn)入傳統(tǒng)活性污泥工藝段和缺氧/好氧段的量，是閉式雙泥齡AO工藝控制硝化菌流失的最重要手段。不同配水比的模擬工況如表2所示，異養(yǎng)菌和硝化菌隨配水比的變化情況如圖2所示。

通過模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在工況A1-A7條件下，異養(yǎng)菌濃度XH穩(wěn)定維持在1 300 mg/L(COD)左右，不隨配水比的變化有大的起伏。這主要是因?yàn)槌汲睾拖趸氐娜貧猸h(huán)境為異養(yǎng)菌生存提供良好的環(huán)境條件，好氧條件下異養(yǎng)菌的生長速率高于硝化菌，使其在微生物群落中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。A8工況關(guān)閉了缺氧/好氧工段，模型所建立的物料平衡方程發(fā)生改變，在新的工藝條件下XH濃度達(dá)到1 996 mg/L(COD)。從工藝機(jī)理上可以認(rèn)為在沒有缺氧池情況下異養(yǎng)菌好氧增殖活性進(jìn)一步加劇，使得其濃度有明顯提高。

另一方面，硝化菌XA的濃度隨著配水比的增加（進(jìn)入缺氧/好氧工段的水量降低）而逐漸降低，在配水比大于60%后開始大幅下降，這證明在閉式雙泥齡AO工藝設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)認(rèn)為配水比將對(duì)硝化菌（即硝化菌）的濃度有重要影響的論斷是正確的。然而，計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果表明無論配水比如何調(diào)節(jié)，系統(tǒng)內(nèi)始終有一定濃度的硝化菌存在，卻并沒有出現(xiàn)設(shè)計(jì)報(bào)告所認(rèn)為的硝化菌最終流失，失去硝化功能的情況出現(xiàn)。這主要是因?yàn)殪o態(tài)的工藝設(shè)計(jì)方式認(rèn)為硝化菌的增殖（硝化反應(yīng)）只發(fā)生在硝化池內(nèi)，除碳池回流污泥進(jìn)入硝化池將稀釋硝化菌，造成菌種流失，ASM模型則認(rèn)為硝化菌的增殖在任何條件下都會(huì)存在，不同的環(huán)境條件將影響其增殖速率的大小，顯然這種論述更加符合微生物的活動(dòng)規(guī)律。

表2 不同配水比條件下的模擬工況設(shè)置

圖2 不同配水比條件下的菌種濃度

4.2 污泥齡的影響分析

排泥是活性污泥法工藝中控制污泥性狀的重要手段，通過排泥量除了可以直接影響污泥濃度外還能決定污泥在系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間，即污泥齡。由于不同菌種的世代生長周期不同，污泥齡的長短將對(duì)活性污泥中菌種的繁殖代數(shù)產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致各菌種濃度的變化。不同泥齡條件下的工況設(shè)計(jì)參數(shù)見表3，異養(yǎng)菌和硝化菌隨污泥齡的變化情況如圖3所示。

表3 不同污泥齡條件下的模擬工況設(shè)置

圖3 不同污泥齡條件下的菌種濃度

通過模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)不同泥齡相對(duì)應(yīng)的異養(yǎng)菌XH和硝化菌XA的數(shù)量影響明顯，隨著泥齡的提升而顯著增加。活性污泥是一個(gè)綜合的復(fù)雜生物系統(tǒng)，各種不同的菌種共同存在于一個(gè)微生物環(huán)境。在水質(zhì)凈化過程中，各種微生物通過不同的代謝方式消耗廢水中各類基質(zhì)并借此獲得個(gè)體生長繁殖的能量，如硝化菌XA通過氧化廢水中NH3-N或NO2--N獲得能量，而異養(yǎng)菌XH通過氧化分解廢水中各類有機(jī)質(zhì)而獲得能量。微生物的不同代謝方式將直接影響其獲取能量的數(shù)量和難易程度。因此，以不同基質(zhì)作為主要能量來源的菌群具有不同的生長速率，其在活性污泥系統(tǒng)中的比例也因此受到影響。在閉式雙泥齡AO工藝中，異養(yǎng)菌易于從氧化分解各類有機(jī)質(zhì)中獲取能量，其世代期短，繁殖快，在活性污泥系統(tǒng)中占主導(dǎo)數(shù)量。硝化菌群能量獲取途徑單一，比增長速率低、繁殖慢，往往需要較長時(shí)間的積累才能在系統(tǒng)中達(dá)到一定的比例，因此要求相應(yīng)的泥齡較長。從圖3可以看出，隨著污泥齡的增長，異養(yǎng)菌和硝化菌濃度都有所提高，但硝化菌提高更快。由工況B1到B7異養(yǎng)菌濃度XH從1 050 mg/L(COD)升至1 490 mg/L(COD)，增加近50%；硝化菌濃度XA則從30 mg/L(COD)升至108 mg/L(COD)，增加了260%。由此可知，在閉式雙泥齡AO工藝中通過提高整體泥齡而增加硝化菌的數(shù)量是可行的。當(dāng)泥齡為20.6 d時(shí)的硝化菌濃度達(dá)到上限，不再隨泥齡延長而提高。

4.3 硝化液回流的影響分析

硝化液回流設(shè)置在缺氧/好氧工段的硝化池末端，主要目的是為了將經(jīng)過硝化的混合液中的硝酸鹽回流至缺氧段，通過異養(yǎng)菌的缺氧生長活動(dòng)將硝酸鹽還原為氮?dú)?，?shí)現(xiàn)廢水脫氮的目的。不同硝化液回流比的模擬工況設(shè)計(jì)見表4。異養(yǎng)菌和硝化菌隨不同硝化液回流比的變化情況如圖4所示。

表4 不同硝化液回流比條件下的模擬工況設(shè)置

如圖4所示，異養(yǎng)菌濃度XH隨硝化液回流量的增加沒有顯著變化，維持在1 290～1 300 mg/L(COD)；硝化菌濃度XA隨硝化液回流量的增加略有升高，但幅度很小，從69.7mg/L(COD)升至71.2mg/L(COD)，菌種濃度隨內(nèi)回流比增加沒有顯著變化。閉式雙泥齡AO工藝企圖通過硝化池末端的回流延長硝化菌在AO工藝內(nèi)的實(shí)際停留時(shí)間，防止硝化菌稀釋流失的設(shè)計(jì)意圖難以實(shí)現(xiàn)。這主要是因?yàn)橄趸脑鲋巢皇侨缤€(wěn)態(tài)的設(shè)計(jì)理論那樣只發(fā)生在缺氧/好氧工段中，除碳池也同樣存在一定程度的硝化菌增殖活動(dòng)。南方污水廠普遍存在的進(jìn)水中碳源不足，抑制了異養(yǎng)菌的活動(dòng)，硝化菌在除碳池中增殖速率較高，與缺氧/好氧工段接近也使得增加硝化液回流量不能顯著提高缺氧/好氧工段中的硝化菌濃度。

圖4 不同硝化液回流條件下的菌種濃度

5 結(jié)論

本研究通過對(duì)閉式雙泥齡AO工藝的計(jì)算機(jī)仿真，模擬工藝運(yùn)行過程中菌種濃度變化的影響因素和影響程度，研判為防止硝化菌流失而設(shè)計(jì)的工藝控制措施的有效性，主要結(jié)論如下：

（1）閉式雙泥齡AO工藝的傳統(tǒng)活性污泥法工段和缺氧/好氧工段同時(shí)存在硝化菌和異養(yǎng)菌，且兩個(gè)工段的菌種濃度相同，同時(shí)存在硝化反應(yīng)。

（2）配水比對(duì)系統(tǒng)的硝化菌濃度存在顯著影響，隨著進(jìn)入缺氧/好氧工段的污水和回流污泥的比例降低，硝化菌濃度逐漸較少，但只要AO工藝沒有關(guān)閉，系統(tǒng)中的硝化菌濃度能夠維持滿足硝化的基本需要，不會(huì)出現(xiàn)完全流失的情況。

（3）各反應(yīng)池中的菌種濃度不受反應(yīng)池的理論泥齡影響，無論在何種工況下各工段的菌種濃度和組成基本一致，系統(tǒng)內(nèi)的菌種組分由系統(tǒng)的總體泥齡決定，延長總體泥齡可以提高污泥濃度和硝化菌比例。

（4）硝化液回流變化對(duì)菌種濃度影響很小，對(duì)防止硝化菌稀釋流失沒有幫助。

[1]唐群，丁薊羽，勵(lì)建全.竹園第二污水處理廠氨氮運(yùn)行數(shù)據(jù)分析探討[J].給水排水，2009，35（7）:46-48.

[2]IWAQ.活性污泥數(shù)學(xué)模型[M].張亞雷,李詠梅，譯.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2002.

[3]Lin zhe，Liu suiqing.Research and Improvement of Detection Method of Wastewater Characteristic Parameters in Activated sludge model[A].Mechanic Automation and Control Engineering(MACE)[C].Piscataway：IEEE Press，2010.

[4]Hidromantis.GPS-X Technical Reference[M].Ontario:Hidromantis Inc.Canada,2006.