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(shù)學(xué)模擬技術(shù)作為一種模擬仿真技術(shù)，可方便、快捷、有效地應(yīng)用于工藝優(yōu)化以提高出水水質(zhì)、降低運(yùn)行成本等[1-8]。通過數(shù)學(xué)模擬技術(shù)建立污水廠生化單元的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行運(yùn)行模擬，從而達(dá)到工藝優(yōu)化的目標(biāo)。

1 生化單元數(shù)學(xué)模型建立的基礎(chǔ)

取污水廠生化處理單元四個(gè)系列中的一系列，建立數(shù)學(xué)模型。一系列共有兩個(gè)生化反應(yīng)池，各五個(gè)廊道，第一廊道為兼氧反應(yīng)池(A池)，第二到第五廊道為好氧反應(yīng)池(O池)。有三個(gè)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(yīng)器參數(shù)

各反應(yīng)器的有效結(jié)構(gòu)尺寸，體積等見表1。

表1 各反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 污水特征化補(bǔ)測數(shù)據(jù)

由于污水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)中缺少部分模型需要的數(shù)據(jù)，因此在進(jìn)行工藝模擬時(shí)需要補(bǔ)測一些數(shù)據(jù)。為此開展了污水水質(zhì)特征化研究，確定實(shí)驗(yàn)階段的主要水質(zhì)參數(shù)。

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(jìn)行。BioWin是為污水處理廠設(shè)計(jì)和操作工程師開發(fā)的一個(gè)工具，是強(qiáng)有力且易使用的軟件。

2.2 工藝流程

應(yīng)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(gè)并聯(lián)的生化反應(yīng)池(各五個(gè)廊道)，整合為五個(gè)反應(yīng)池，即一個(gè)A池、四個(gè)O池。將三個(gè)二沉池整合為一個(gè)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(zhǔn)和驗(yàn)證

3.1 溶解氧

測定生化單元一系列各個(gè)廊道的溶解氧(DO)數(shù)據(jù)見表2。

表2 污水廠一系列各廊道溶解氧平均值

3.2 進(jìn)水的水質(zhì)指標(biāo)和信息

根據(jù)污水特征化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，輸入模型的進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)見表3。

表3 生化進(jìn)水的水質(zhì)指標(biāo)

3.3 進(jìn)水的組分化參數(shù)

根據(jù)污水特征化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整少量污水組分化參數(shù)，取值見表4。

表4 進(jìn)水的組分化參數(shù)

3.4 調(diào)整動(dòng)力學(xué)參數(shù)

調(diào)整的動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表5。

表5 動(dòng)力學(xué)參數(shù)

3.5 模型驗(yàn)證

3.5.1 穩(wěn)態(tài)模擬

初始工藝條件：好氧池4個(gè)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(jìn)行模擬，結(jié)果對比見表6。

表6 一系列生化出水的模擬值與實(shí)測值的對比

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

3.5.2 動(dòng)態(tài)模擬

動(dòng)態(tài)模擬運(yùn)行結(jié)果見圖3。

日期圖3 生化單元?jiǎng)討B(tài)運(yùn)行結(jié)果

從圖3可以看出，COD實(shí)測值在模擬值的上下進(jìn)行波動(dòng)，說明模型的模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)擬合得比較好。

4 運(yùn)行模擬

以建立的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行運(yùn)行模擬。分別對溶解氧、污泥回流比的工藝參數(shù)進(jìn)行條件變化，對不同工況條件進(jìn)行運(yùn)行模擬，得到一些規(guī)律。

4.1 溶解氧

改變四個(gè)廊道的溶解氧，進(jìn)行運(yùn)行模擬，模擬結(jié)果見表7。

表7 不同溶解氧情況下的運(yùn)行模擬結(jié)果

從表7中的數(shù)據(jù)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(jié)果中COD、ρ(氨氮)數(shù)值的變化并不大。目前好氧池4個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于15 mg/L的排放標(biāo)準(zhǔn)，因此可以減少運(yùn)行的鼓風(fēng)機(jī)臺數(shù)，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(jìn)行運(yùn)行模擬，模擬結(jié)果見表8。

表8 改變污泥回流比后的模擬結(jié)果

從表8中的數(shù)據(jù)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(dāng)污泥回流比從100%減小到50%時(shí)，剩余污泥固體量增加13%，因?yàn)槲勰嗟奶幚沓杀据^高，雖然減小污泥回流比降低了動(dòng)力消耗，但污泥的處理費(fèi)用也增加了，因此需要兩者綜合優(yōu)化考慮。

5 工藝參數(shù)的優(yōu)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(cè)重考慮降低運(yùn)行能耗，降低運(yùn)行成本”的原則，重點(diǎn)考慮降低溶解氧、減小污泥回流比。

5.1 溶解氧的優(yōu)化

污水處理廠日常運(yùn)行費(fèi)用的支出主要是電費(fèi)。目前污水廠的曝氣系統(tǒng)采用鼓風(fēng)機(jī)(型號：D300；功率：630 kW)，污水電耗為0.42 kWh/t，工業(yè)用電按電費(fèi)0.70元/(kW·h)計(jì)，合計(jì)為0.294元/t。四個(gè)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(gè)系列的曝氣動(dòng)力消耗已占到總成本的47%，因此節(jié)能具有重要的意義。

將好氧池4個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于15 mg/L的排放標(biāo)準(zhǔn)，因此具有減少運(yùn)行的鼓風(fēng)機(jī)臺數(shù)，減低能耗的余地。

5.2 污泥回流比的優(yōu)化

目前受設(shè)備條件限制，只能有兩種選擇：開一個(gè)大泵(電機(jī)功率：160 kW),為兩個(gè)系列提供污泥回流，污泥回流比為100%；或者開一個(gè)小泵(電機(jī)功率：75 kW),為兩個(gè)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(yè)電費(fèi)：0.70元/(kW·h)]，一系列可節(jié)約電費(fèi)714元/d。

根據(jù)模擬結(jié)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(fèi)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(jié)省的電費(fèi)714元/d。由此可見，在目前的水質(zhì)要求和設(shè)備條件下，污泥回流比為100%，比較合理。

6 結(jié) 論

(1)以建立的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行運(yùn)行模擬，分別對溶解氧、污泥回流比的工藝參數(shù)進(jìn)行條件變化，對不同工況條件進(jìn)行運(yùn)行模擬，得到一些規(guī)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(shù)優(yōu)化方面，可降低曝氣池中的DO至2 mg/L，既保證出水水質(zhì)變化不大，又可以減少運(yùn)行的鼓風(fēng)機(jī)臺數(shù)，降低能耗。

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