制漿造紙廢水二級處理池曝氣系統(tǒng)性能的改進

在制漿造紙廢水二級處理中，曝氣系統(tǒng)在為微生物供氧、代謝產(chǎn)物等方面具有重要作用，是生化污水處理工藝中必不可少的設(shè)備之一，并直接關(guān)系到處理效益、環(huán)境效益和廢水處理系統(tǒng)的正常運行。然而，工廠生產(chǎn)狀況、水處理要求和生產(chǎn)設(shè)備健康情況等都會隨著時間不斷變化，保持廢水二級處理系統(tǒng)良好的處理效果具有挑戰(zhàn)性。該文旨在加深人們對曝氣系統(tǒng)性能改進的相關(guān)認識，闡述了曝氣系統(tǒng)性能改進的相關(guān)理論以及所涉及的復雜影響因素，總結(jié)評價了常用的曝氣技術(shù)；同時，鑒于廢水處理電腦模型屬于曝氣系統(tǒng)設(shè)計和操作的一部分，檢驗了該模型的應用，給出了改進曝氣系統(tǒng)性能的一些建議，包括特定信息需求、潛在信息需求、通用模型選擇指南，討論了可能的模型應用技術(shù)。

1 前言

林產(chǎn)品工業(yè)的廢水處理對于去除常規(guī)及非常規(guī)污染物起著重要作用。廢水處理廠通常包含多個處理單元，每個處理單元進行著特定的污染物去除操作。通常情況下，初級處理單元旨在去除固體懸浮物，二級處理單元旨在通過生物降解降低有機物含量，有時三級處理單元旨在去除微生物固體、營養(yǎng)素及色素等特定物質(zhì)。在美國，大多數(shù)林產(chǎn)品行業(yè)中的二級處理操作使用的是懸浮生物質(zhì)，活化污泥（AS）和曝氣穩(wěn)定池（ABS）是其主要處理技術(shù)。維持需要的二級處理系統(tǒng)性能具有挑戰(zhàn)性，因為工廠生產(chǎn)流程、水處理要求以及設(shè)備整體損壞會隨著時間不斷變化；因此，二級處理中使用的設(shè)備必須定期改進。

改進二級處理池性能時需要考慮多個因素，包括出水指標、水體停留時間、運行負荷，以及二級處理前后操作單元的性能。通常情況下，曝氣系統(tǒng)性能改進是針對活化污泥和曝氣穩(wěn)定池而言。性能改進的目標是：能夠通過能耗-氧氣轉(zhuǎn)移以及攪拌的有效分配，在保證操作成本最低的同時滿足污染控制目標。

本文的主要目標是提供有助于實施曝氣系統(tǒng)性能改進的基本信息、概念以及定量方法，綜述了曝氣原理、林產(chǎn)品工業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的現(xiàn)代曝氣和攪拌技術(shù)，以及對廢水處理工廠模型用于曝氣系統(tǒng)性能的改進進行了探討。

1.1 氧氣轉(zhuǎn)移

曝氣系統(tǒng)的主要功能是為需氧微生物群落輸送充足的氧氣。氧氣向廢水轉(zhuǎn)移的量化表達是基本且重要的設(shè)計參數(shù)，以保證曝氣系統(tǒng)向廢水輸送充足的氧氣。這些量化表達也能夠為量化單個曝氣設(shè)備的性能提供基礎(chǔ)支撐。

公式（1）是常用的氧氣速率轉(zhuǎn)移方程。該公式建立在雙層膜質(zhì)量轉(zhuǎn)移模型的基礎(chǔ)上，該模型中氧氣在轉(zhuǎn)移過程中起到濃度梯度驅(qū)動力的作用，質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)為KLa。公式（1）中，KLa是轉(zhuǎn)移速率和單位體積界面面積的乘積。由于界面面積難以測量，因此將2個變量結(jié)合起來，并常被認作總的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)或體積質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)。

式中：KLa為氧氣質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，s-1；C為溶液中的氧氣量濃度，mol/L；Cs為氧氣的飽和量濃度，mol/L。

按照慣例，一個曝氣設(shè)備的標準氧氣轉(zhuǎn)移速率（SOTR）通常被描述為初始溶氧量為零、溫度為20℃、壓強1 atm（101.33 kPa）標準條件下，氧氣在清水中的轉(zhuǎn)移速率見公式（2）。

通過討論可以明確，SOTR、SAE，甚至KLa都是區(qū)別不同曝氣設(shè)備氧氣轉(zhuǎn)移性能的重要標準。在此背景下，由于估計KLa存在困難和爭議，美國土木工程師協(xié)會研發(fā)了相應的方法、步驟以確保SOTR值被適當測量并和常用標準相關(guān)。在曝氣系統(tǒng)性能改進之前，驗證考慮選用的曝氣設(shè)備檢測的SOTR值是合理的。已有文獻資料列出了某些特定曝氣設(shè)備的SOTR值。

SOTR值和SAE值對于比較不同曝氣設(shè)備的性能是有用的，因為測試條件和計算方法都是標準化的。然而，位點特定（site-specific）條件對廢水處理池中的實際氧氣轉(zhuǎn)移速率具有顯著影響。眾所周知，氧氣轉(zhuǎn)移速率隨溫度和壓強而變化。轉(zhuǎn)移速率還會隨著溶解固體濃度，以及處理池幾何形狀、廢水深度、表面活性劑和其他有機組分的存在等其他位點特定因素而改變。通過公式（4）可將位點特定條件考慮進氧氣轉(zhuǎn)移速率的計算當中。

式中，OTRf是現(xiàn)場操作條件下預計的氧氣轉(zhuǎn)移速率，mol/s；SOTR是標準條件下的氧氣轉(zhuǎn)移速率，mol/s；τ是溫度校正因子；β是廢水中氧氣飽和濃度和自來水中氧氣飽和濃度的比值；Ω是壓力校正系數(shù)；C*∞，20是標準溫度和壓力條件下自來水中飽和溶解氧的量濃度（氧氣轉(zhuǎn)移測試中測量），mol/L；C是操作中的氧氣量濃度，mol/L；θ是溫度校正系數(shù)；T是現(xiàn)場溫度，°C；α是廢水KLa值與自來水KLa值的比值；F是結(jié)垢因子，僅適用于微細氣泡擴散器。

氧氣轉(zhuǎn)移速率隨著溫度的升高而增加，通過公式（4）中的指數(shù)項可以將這種影響效果近似估計為Van’s Hoff Arrhenius關(guān)系。θ值的變化范圍為1.015到1.040，其典型值為1.024。鑒于并不清楚公式（4）當中氧氣轉(zhuǎn)移速率和溫度之間的關(guān)系是否更適用于較高溫度條件，有研究者對這種方法進行了更新以便將其用于熱廢水處理，大體上將溫度高于40°C的歸為熱廢水。校正因子β表征廢水組分存在下氧氣溶解能力的變化，定義為廢水中氧氣飽和量與清水中氧氣飽和量的比值。有研究報道，β值的變化范圍為0.8～1.0，可以在總?cè)苎鹾康幕A(chǔ)上估計。

校正因子α是廢水KLa值與自來水KLa值的比值，是位點特定作用，而不是溫度、壓強和氧氣飽和度對該α因子起作用。α因子表征表面活性劑、湍流、單位體積輸入功率、處理池幾何形狀、規(guī)模、氣泡尺寸、污泥老化、處理程度以及其他作用的影響。長久以來，α因子的確定一直是個巨大的挑戰(zhàn)，近年來這個挑戰(zhàn)隨著降低能耗成本這一期望的變強而加劇。

因為α因子的變化范圍寬泛（0.3～1.2），故確定它的準確數(shù)值是很重要的，因此這對操作現(xiàn)場氧氣轉(zhuǎn)移速率的計算以及它所帶來的不確定性均具有重要影響。α因子的數(shù)值不是常數(shù)。據(jù)報道，當廢水組分通過生物法去除時，α因子隨著在廢水處理廠中的廢水流經(jīng)時間的累積而增大。由于工藝流程改變而導致流入負荷條件變化時，可認為制漿造紙廢水的α因子的變化是暫時的。針對于不同的曝氣設(shè)備類型、系統(tǒng)構(gòu)造、操作深度、活化污泥池當中攪拌液體里懸浮固體含量的不同，α因子的值都是特定的。α因子與空氣擴散系統(tǒng)相關(guān)，可隨設(shè)備狀況的變化而改變，若設(shè)備較新，或水處理設(shè)備近期清理過，則其α值比老舊設(shè)備的α值要大。近期修訂的現(xiàn)場氧氣轉(zhuǎn)移公式中已經(jīng)排除了擴散系統(tǒng)對α因子的影響，并將其拆分成一個單獨的指標，記為結(jié)垢因子F。

曝氣系統(tǒng)性能改進中確定α因子存在較大困難，然而，α因子測量和選擇指導手冊有助于將其限定在可能值域范圍內(nèi)。此外，廢水處理模型有助于評估α因子帶來的不確定性，并能表征曝氣系統(tǒng)性能改進設(shè)計中的不確定性。

當初步確定要改進曝氣系統(tǒng)性能時，相關(guān)手冊有助于估算生物需氧量（BOD）流體所需的曝氣量。關(guān)于氧氣轉(zhuǎn)移，氧氣與流體BOD的比值為1.4 lb（約0.634 kg）：1 lb（約0.453 kg）是典型的設(shè)計目標。關(guān)于水處理設(shè)備的功率，針對制漿造紙工業(yè)廢水處理廠的評估為，處理效率最高的AS池處理BOD的單位功率為36 lb（約16.308 kg）的廢水，而處理效率最高的ASBs（充氣穩(wěn)定的處理池）處理BOD的單位功率為45 lb（約20.385 kg）的廢水。

然而應該注意的是，這些手冊具有一般適用性，沒有考慮前文所討論的位點特定條件。

1.2 攪拌過程

處理池中廢水的攪拌是曝氣設(shè)備提供的另一個重要的二級處理過程。處理池內(nèi)的攪拌能夠分散氧化后的廢水，以使生物質(zhì)、可移動底襯和氧氣之間產(chǎn)生接觸，進而充分利用廢水在處理池中的停留時間。攪拌強度也能控制生物質(zhì)沉降。不適當?shù)財嚢璨僮鲿l(fā)短路，并造成處理池的無效利用。改進曝氣系統(tǒng)性能時，必須將攪拌功能和氧氣轉(zhuǎn)移協(xié)調(diào)配合，以便優(yōu)化處理系統(tǒng)的性能。分析認為攪拌的其他方面，例如進水位置，曝氣器/攪拌器位置，流動類型等，也會給系統(tǒng)性能改進造成一些困難。與氧氣轉(zhuǎn)移相比，大型處理池的攪拌技術(shù)以實際設(shè)計為研發(fā)目標的程度不高，然而，此部分展示的少數(shù)研究能夠提供大體上的指導。如后面部分討論所示，當評估處理池攪拌時計算流體動力學（CFD）模擬也是一個可以考慮的有應用前景的工具。

已有研究證明幾個因素能夠影響大型廢水處理池攪拌特性。前人研究了ASBs處理制漿造紙廢水時曝氣器排布的13種構(gòu)型。研究發(fā)現(xiàn)，確定攪拌方案時首先要考慮的因素是總的曝氣器功率和處理池體積的比值（即攪拌強度）和處理池的長寬比。通常情況下，低攪拌強度、高長寬比的處理池展現(xiàn)出塞流特性。相比之下，高攪拌強度、低長寬比的處理池展現(xiàn)出更完全的攪拌效果。類似地，其他研究人員基于30多個染料示蹤劑實驗研究出能將處理池中流動類型（以佩克萊數(shù)表征）與曝氣器功率和處理池形狀關(guān)聯(lián)起來的公式。有的進行了充氣處理池示蹤劑研究，并得出結(jié)論，除了攪拌強度，流體流量對處理池中未攪拌區(qū)域或“死角”的外觀及液壓短路的發(fā)生均有重要影響。

生物質(zhì)沉降對于ASBs和AS處理系統(tǒng)而言都是一個重要的設(shè)計考慮，而沉積被促進還是阻礙取決于處理池。例如，對于常規(guī)AS處理池而言，其主要目標是使生物質(zhì)完全懸浮起來。然而，對ASB處理池來說，目標通常是使生物質(zhì)的碎片沉降，以保證其能夠被降解和壓緊。前人關(guān)于ASB處理池的研究表明，沉降的污泥更容易沉淀在水速低于0.05 m/s的區(qū)域。這些區(qū)域通常位于處理池角落或者充氣設(shè)備影響范圍之外的其余空間。

表1是攪拌強度和固體懸浮物之間的基本關(guān)系，它能提供ASB系統(tǒng)和AS系統(tǒng)攪拌狀況的整體情況。

表1 攪拌要求

有研究者基于9個ASB處理池的數(shù)據(jù)研究出能夠?qū)⒐腆w物質(zhì)沉降比例與攪拌強度關(guān)聯(lián)起來的經(jīng)驗公式。這些ASB處理池攪拌強度的變化范圍為每百萬加侖（約每4 546 m3）3～25馬力（2.21～18.38 kW）。此關(guān)系見公式（5）所示：

不同的設(shè)備設(shè)計選型可能在促進特定工藝流程的同時阻礙某些工藝流程，這一事實強調(diào)將曝氣設(shè)備與預期處理池性能特征相匹配的重要性。

2 曝氣技術(shù)

2.1 林產(chǎn)品工業(yè)中的曝氣系統(tǒng)

存在多種多樣的曝氣系統(tǒng)。2項基本技術(shù)被應用在林產(chǎn)品工業(yè)中：機械表面曝氣，通過攪拌將空氣夾帶進入廢水；擴散空氣系統(tǒng)，利用浸沒在水中的擴散器將空氣或者純氧引入水中。常見的機械表面曝氣設(shè)備包括低速機械曝氣器、直接驅(qū)動表面曝氣器以及刷式表面曝氣器。常用的擴散空氣系統(tǒng)包括大氣泡和小氣泡擴散器，它們的主要組件包括低壓大體積鼓風機、空氣輸送系統(tǒng)，以及能夠?qū)⒖諝馄扑槌蓺馀莶⑵浞稚⒃谄貧獠壑械臄U散器。一些工廠在同個處理池中結(jié)合使用表面曝氣和擴散空氣技術(shù)。

在廢水處理廠中，ASBs和常規(guī)AS裝置的曝氣系統(tǒng)一般占總能耗的50%～65%。每去除1 lb（0.454 kg） BOD，與曝氣系統(tǒng)相關(guān)的能耗成本的變化范圍為0.02～0.10美元，曝氣設(shè)備功率變化范圍為0.2～0.98 hp（147～720 W）。近期針對降低曝氣系統(tǒng)能耗做的努力已經(jīng)引導一些工廠使用機械攪拌器代替?zhèn)鹘y(tǒng)曝氣器來提供必需的攪拌，這一做法的事實依據(jù)是攪拌器的操作費較傳統(tǒng)曝氣器更低。對于BOD負荷呈間歇性變化的工廠，在低BOD負荷情況下可用攪拌代替曝氣。在處理池曝氣良好而混合狀況不佳的情況下，可用攪拌器代替曝氣器，通常能夠降低操作費用。

2.2 曝氣和攪拌技術(shù)

由于不同的曝氣系統(tǒng)基于其設(shè)備設(shè)計情況可提供不同的氧氣轉(zhuǎn)移和攪拌的組合，曝氣設(shè)備相關(guān)知識在采取改進曝氣系統(tǒng)性能的措施中是非常重要的。以下將介紹林產(chǎn)品工業(yè)中常見且可利用的曝氣和攪拌技術(shù)。

2.2.1 機械表面曝氣器

機械表面曝氣器主要應用于ASBs系統(tǒng)，也有部分用于AS系統(tǒng)。機械表面曝氣器之所以受歡迎是因為，相比于其他種類的曝氣器，其安裝和拆卸簡便，而且一些設(shè)計便于其在ASBs中重新選位安裝。機械曝氣器被認為是成熟的技術(shù)，而且其使用通常不受固體物累積的影響。然而，它們的標準氧氣轉(zhuǎn)移效率降低，因而單位氧氣轉(zhuǎn)移的能耗成本較其他技術(shù)的能耗成本要高，而這很大程度上取決于位點特定因素。機械曝氣器單位氧氣轉(zhuǎn)移的能耗為固定值，只有安裝了1個變速驅(qū)動或者2個高速驅(qū)動才能使其能耗值上下波動。

2.2.2 大氣泡和小氣泡擴散

水下細小氣泡擴散系統(tǒng)與機械曝氣器相比，前者的標準氧氣轉(zhuǎn)移率更高。若該系統(tǒng)應用在適當情況下，將氧氣以細小氣泡的形式轉(zhuǎn)移到廢水中的成本效益可能比表面曝氣器要好得多。新型高效節(jié)能的鼓風機，如渦輪鼓風機，能夠進一步降低細小氣泡和大氣泡擴散的操作費用。這些鼓風機轉(zhuǎn)速高，無齒輪，有50%的轉(zhuǎn)化比例，能夠在能量輸入較多級和正排量鼓風機更低時以高達40 000 r/min的速度運轉(zhuǎn)。應用于合適的溶氧控制系統(tǒng)時，這些鼓風機能夠在大氣泡和細小氣泡曝氣系統(tǒng)中顯著節(jié)約能耗。

細小氣泡擴散系統(tǒng)有限制因素，包括固定的上下翻轉(zhuǎn)比例以及將其使用在有大量固體物積累的大型處理池時所面臨的維護困難。細小氣泡擴散技術(shù)提供的攪拌作用比常規(guī)機械曝氣器要小，因而不能解決和固體積累相關(guān)的問題。在攪拌不充分的處理池中，固形物會覆蓋在浸沒在水中的擴散器的表面，使得擴散器的效率降低，嚴重時還可使其失效。隨著時間的推移，微生物和化學沉淀會使細小氣泡擴散器產(chǎn)生結(jié)垢，或者可能損壞設(shè)備。因此，有必要對擴散器進行定期清理或替換。當評估處理池中固形物在這些系統(tǒng)上可能的沉積位置，考慮擴散設(shè)備維護成本和研究一種定期清除累積固形物的方法是很重要的。疏通的費用經(jīng)常會超過浸沒式擴散器安裝過程中節(jié)省的電力成本費用。

2.2.3 噴氣曝氣

浸沒式噴氣曝氣和噴氣攪拌系統(tǒng)在林產(chǎn)品工業(yè)已偶有應用。在使用過程中，該系統(tǒng)通常能給廢水處理池提供曝氣和攪拌作用。噴氣曝氣器的操作原理是吸氣理論，空氣被引入高流速的水噴射流中，然后經(jīng)由噴嘴直接進入大量廢水中。這些系統(tǒng)的安裝比擴散式曝氣系統(tǒng)更簡單、更低價，可能不包含在處理池中移動的部件，所以泵、鼓風機等機械組裝可以安裝在處理池外，也便于維護。當該系統(tǒng)和氣動反吹系統(tǒng)合并后，通?？上氯F(xiàn)象，與氣泡曝氣和機械表面曝氣器相比該系統(tǒng)需要的機械維護更少。噴氣曝氣的優(yōu)勢包括：攪拌高效且可控、處理池內(nèi)無可移動部件、其氧氣轉(zhuǎn)移效率接近細小氣泡擴散的氧氣轉(zhuǎn)移效率、氧氣轉(zhuǎn)移速率可在不影響攪拌效率或固體懸浮狀況的條件下得到控制，因而能夠節(jié)能。

2.2.4 吸氣混合器

吸氣混合器能夠提供曝氣和攪拌的雙重作用。吸氣混合器漂浮在水面，這和機械表面曝氣是相似的。然而吸氣混合器將空氣吸入混合裝置，然后將夾帶著空氣的廢水在處理池中沿水平方向推動。吸氣混合器獨有的一個優(yōu)勢是其混合容量大且能解決處理池內(nèi)的固體沉積問題，因為廢水的運動能將池內(nèi)沉積的固體轉(zhuǎn)移到處理池內(nèi)合適的位置。

2.2.5 純氧系統(tǒng)

由于利用空氣向廢水提供氧氣是更常見的一種手段，利用純氧向廢水供氧是不常見的。在大多數(shù)情況下，氧氣是通過現(xiàn)場發(fā)生器制備供應的，但是氧氣也能以加壓的形式被帶到現(xiàn)場。由于使用氧氣供氧時所需的氣體體積更小，通常純氧供氧和獨立廢水混合系統(tǒng)是配套使用的。純氧最常見的使用場合是AS系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中曝氣池是密閉的，空氣中富含氧氣。近期，按需供氧系統(tǒng)已被設(shè)計出來，可作為系統(tǒng)性能改進措施的一部分提供額外的氧氣，或者用于BOD負荷過高的情況。

純氧供氧系統(tǒng)的益處可能包括來處理池排放廢氣的氣味會減少，污泥的產(chǎn)生速率會更低。純氧供氧系統(tǒng)面臨的問題包括二氧化碳加速溶于處理的廢水中從而降低其pH，可燃氣體監(jiān)測器的維護，以及可能發(fā)生的混泥土腐蝕。

2.2.6 太陽能動力混合

太陽能動力混合是一種相對較新的技術(shù)進步，其在林產(chǎn)品工業(yè)中的應用還很有限。該技術(shù)不需要電能，因而能夠節(jié)省電力成本。盡管還未發(fā)布其在林產(chǎn)品應用領(lǐng)域的獨立驗證情況，但是制造商技術(shù)報告表明，單個太陽能動力混合裝置可替代功率30～50 hp（22.37～37.29 kW）的表面曝氣器混合。

3 針對曝氣系統(tǒng)設(shè)計的二級處理操作模擬

前面描述了廢水曝氣系統(tǒng)的常見功能以及許多能夠提供那些功能的單種技術(shù)。綜合利用2種知識基礎(chǔ)對于開發(fā)出性能和成本最優(yōu)的曝氣系統(tǒng)設(shè)計是很重要的。通過采用廢水處理模型可以達到這種綜合效果。模型可以被定義為能夠代表一個物理系統(tǒng)對于外界刺激所作反應的理想化公式。因此可以認為廢水處理模型是對單元操作與其處理后廢水質(zhì)量之間關(guān)系的數(shù)學描述。模擬二級處理的模型通常建立在物料平衡公式的基礎(chǔ)上，該公式能夠描述重要過程變量的輸送過程和動力學原理，這類變量包括基質(zhì)、生物質(zhì)、營養(yǎng)元素及氧氣。這些公式結(jié)合在一起，使得外界輸入的變化能夠?qū)е聺撛诙嗄Ｐ洼敵鲎鞒鲞m當?shù)姆磻瑥亩试S模型的使用者評估不同外界因素對于廢水質(zhì)量變量的作用效果。以下介紹這些模型的使用。

3.1 模型選擇

有很多不同的廢水處理模型能夠充分模擬ASB和AS處理池的性能。盡管大部分這類模型以類似地方式（即公式[4]）描述氧氣轉(zhuǎn)移，根據(jù)它們有機化合物去除動力學的復雜程度可將其區(qū)分開來，其動力學可以從易到難變化。針對去除操作，復雜的模型能夠提供更為細致的描述，但是這通常要求龐大的數(shù)據(jù)集和高度專業(yè)的模型使用者。然而由于林產(chǎn)品工業(yè)中使用的處理池本來就是復雜的系統(tǒng)，因此對于可接受的模型簡化程度存在一個較低的限制。一個潛在的復雜性在于二級處理池中的固體沉降速率和可溶性有機化合物及營養(yǎng)元素的相關(guān)反饋。因為固體沉降及相關(guān)反饋存在與ASBs和某些AS處理池中，如果固體沉降及相關(guān)反饋較為明顯，那么其對廢水質(zhì)量的影響必須被考慮進模型中。此外，因為該模型可用于評估曝氣效果，應該特別注意它是如何應對低氧環(huán)境的。一些處理池中的缺氧或厭氧處理能夠去除部分BOD，這使得準確模擬處理池中的BOD對氧氣的反應變得更為復雜。

大部分廢水處理模型主要關(guān)注生物氧化的動力學方面，極大簡化了廢水輸送過程，因為精細尺度的水力學是很復雜的，且其模擬需要特定的模型和專業(yè)知識。因此，在一個典型的廢水模型中對于攪拌的關(guān)注是很粗略的，例如，大部分模型不能模擬將一種特定裝置放入處理池的影響。近年來，已可利用CFD模擬方法來評估處理池內(nèi)精細尺度的攪拌。CFD模擬可以解釋操作特征，例如ASB幾何形狀、機械曝氣器及攪拌器的數(shù)量、位置和功率，污泥積累，內(nèi)部擋板，溫度以及廢水流速。隨著計算機資源的日益豐富，CFD模型的潛在應用范圍會持續(xù)擴大，并將提供有價值的準確的水力信息。

3.2 模型校準

模型校準是指，調(diào)整模型參數(shù)以使其能夠適當模擬所觀測的處理池廢水對進水負荷的反應。充分校準一個模型所需要的資源主要包括數(shù)據(jù)和模擬的專業(yè)知識。通常情況下，數(shù)據(jù)可用于描述模型輸入和工藝變量輸出，這些數(shù)據(jù)的收集應該與模型指南相一致。如此，在一段時間內(nèi)處理池中廢水對負荷及操作條件的反應可以被校準，這就考慮了時間的變異性。除最終廢水外，也可收集表征處理池中間部位工藝變量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)，經(jīng)常被叫做“剖面”（profile）數(shù)據(jù)，對校準模型動力學系數(shù)是有價值的。當校準模型以評價曝氣效果時，能夠描述處理池中不同部位溶氧及固體濃度的剖面數(shù)據(jù)具有特別重要的作用。與此同時，在生產(chǎn)實際中校準是使模型輸出與所收集數(shù)據(jù)相適應匹配的活動，建模者的專業(yè)知識對于確保校準系數(shù)的值具有合理性，模型的不確定性能被理解并得到最大程度的減小，均起著重大的作用。有經(jīng)驗的建模者能夠通過一個精心設(shè)計的取樣計劃達到上述目標，該取樣計劃以模擬研究的目標為取樣對象。對確定重要的模型輸入及評估輸入的不確定性如何傳遞至模型結(jié)果而言，靈敏度分析是一個有用的步驟。

3.3 設(shè)計條件

一個精確校準的模型能夠?qū)⑦M水負荷與處理池廢水質(zhì)量反應聯(lián)系起來。當使用模型去預測某個提議的曝氣系統(tǒng)改進后的廢水質(zhì)量，負荷必須明確，進而該負荷下的預測結(jié)果是特定的。為進行模型預測而設(shè)置明確的負荷時，可將負荷看作設(shè)計條件。對于一個典型的廢水處理模型來說，最重要的設(shè)計條件包括：進水負荷、流量及廢水溫度等。設(shè)計條件通常表示為離散值，如長期平均值或短期最大值，但如果概率模型預測作為首選的話，設(shè)計條件也可以指定為連續(xù)分布。

設(shè)計條件的選擇可以顯著影響基于模型的設(shè)計的結(jié)果。盡管設(shè)計條件選擇過程的細節(jié)以政策為導向，這在本文的討論范圍之外，但是通常這些細節(jié)應該被認真考慮，進而適當建立系統(tǒng)失敗風險與過度設(shè)計之間的平衡。

3.4 廢水處理廠模型用于曝氣系統(tǒng)性能改進的應用案例

廢水處理廠模型可服務于不同的目的。在曝氣系統(tǒng)性能改進的背景下，模型對于優(yōu)化現(xiàn)有的系統(tǒng)是最有用的，在追求性能目標的過程中可以利用模型研究變化范圍很大的系統(tǒng)變量。下面的例子通過描述如何利用假設(shè)研究來確定ASB處理池中新的表面曝氣器的整體位置，闡述了模型的使用。ASB案例中，活躍容量為160 Mgal（727.36×103m3），平均BOD負荷為66 700 lb/d（30 255 kg/d），流量為20 160 Mgal/d（91 647.36×103m3/d）。

表2是當前及目標負荷條件下現(xiàn)有曝氣系統(tǒng)的預期廢水質(zhì)量。

表2 當前及目標負荷條件下現(xiàn)有曝氣系統(tǒng)的預期廢水質(zhì)量

如表2所示，ASB案例目前使用28個75馬力（55.93 kW）的表面曝氣器，表面曝氣器橫跨著分布在4個ASB處理池中。由于工廠生產(chǎn)情況發(fā)生變化，預計流入ASB處理池的平均BOD負荷將增加至83 400 lb/d（37 863 kg/d）。本研究的目的是，針對3個不同的性能目標中的每個目標，確定額外的表面曝氣器的最優(yōu)數(shù)量和位置。3個性能目標分別是：（A）將廢水BOD含量最小化至預生產(chǎn)增加濃度；（B）將曝氣器的數(shù)量最小化，即成本最小化，以使廢水BOD含量為預生產(chǎn)濃度的25%之內(nèi)；（C）在維持廢水BOD含量為預生產(chǎn)廢水濃度的25%之內(nèi)的同時，將廢水中氮含量最小化至預生產(chǎn)濃度。

假定模型被充分校準，且設(shè)計負荷被選定為預期負荷。將ASB模型劃分到4個攪拌良好的串聯(lián)的處理池中，那么曝氣器位置則可被定義為安裝曝氣器的處理池。表2展示的是在當前負荷和預期負荷條件下，當前的曝氣器配置和ASB所產(chǎn)生的模擬性能。從每個模型處理池中使用新曝氣器的角度出發(fā)，通過試錯法確定達到每個目標性能所需的最優(yōu)曝氣器配置。產(chǎn)生的3種曝氣器配置以及它們的相關(guān)性能見表3。

表3 不同處理目標及曝氣系統(tǒng)改進后目標負荷條件對應的預期ASB廢水質(zhì)量

表3中模型應用結(jié)果表明，ASB處理池要達到每個性能目標需要不同的曝氣器配置。達到目標（A）需要向ASB處理池中增加11臺額外的曝氣器。在前端裝載布局策略中這些額外的曝氣器是最有效的，在該策略中第1個處理池中的曝氣器提供足夠的氧氣將廢水中溶解的大部分BOD氧化掉，從而導致ASB前部出現(xiàn)快速的生物增長和營養(yǎng)吸收。該策略中，輕度曝氣的ASB中部和后部主要起到沉降區(qū)的作用，進而廢水中TSS和顆粒狀BOD得以去除。然而由于沉降生物質(zhì)的水下反饋作用，這些區(qū)域廢水中氮含量相對較高。通過優(yōu)化最少數(shù)量的曝氣器的擺放，目標（B）尋求能耗成本最低化。模型表明，將數(shù)量最少為6臺的額外的曝氣器分配給前3個處理池才能產(chǎn)生目標廢水BOD濃度。該結(jié)果強調(diào)降低額外增加的曝氣器的性能。為達到目標（B）增加的前6臺曝氣器中，每臺曝氣器可去除BOD 3.3 mg/L，可將BOD從53.7 mg/L減少到34.1 mg/L。然而達到目標（A）需要增加5臺額外的曝氣器，每臺曝氣器去除BOD 1.3 mg/L，一共將BOD從34.1 mg/L減少到27.8 mg/L。達到目標（C）需要9臺額外的曝氣器。這些曝氣器主要分布在ASB的后部，在該區(qū)域中起到增加攪拌強度、減少固體沉降、減少氮的相關(guān)水下反饋的作用。

在這個案例中，使用模型最主要的好處是它通過控制處理池中曝氣器的數(shù)量和位置，提供了評估多種系統(tǒng)反應（即BOD、TSS和NH3）的方法，進而可以確定既定性能目標下的曝氣器配置。其他可能的好處包括，在氣味最小化研究中考察其他系統(tǒng)反應，如溶氧濃度；或在面臨水富營養(yǎng)化問題時，研究廢水磷含量；或者檢驗其他管理選項（即疏浚、減小流量、添加營養(yǎng)）連同增加曝氣器共同作用的效果。曝氣設(shè)計也可在變量條件下評估，而不是在穩(wěn)態(tài)條件下評估，開創(chuàng)了曝氣器控制策略或者說概率設(shè)計方法。針對不確定模型參數(shù)（如α）的模型靈敏度分析能為確保設(shè)計可靠提供有用的信息。

4 基于模型的曝氣系統(tǒng)性能改進的建議

本文綜述了基本的廢水曝氣原理和曝氣技術(shù)，描述了二者在廢水處理模型中的綜合利用是如何設(shè)計最優(yōu)的曝氣系統(tǒng)以改進其性能的。改進曝氣系統(tǒng)時需要考慮許多因素，因此模型應用過程中會有眾多變量。以下是基于模型的曝氣系統(tǒng)改進的一些建議。

（1）明確工廠關(guān)于當前曝氣系統(tǒng)特定的關(guān)注點，比如溶氧量低、攪拌不佳、能耗高，或者設(shè)備維護問題。

（2）組合曝氣設(shè)備性能的細節(jié)信息，包括基于ASCE（2006）的SOTR和SAE程序、預計的現(xiàn)場氧氣轉(zhuǎn)移校正值（α，β）、預期攪拌容量及安裝和維護成本。

（3）選擇基于可用資源（數(shù)據(jù)和建模者技能）平衡的模型和預期內(nèi)可預測的解決方案。確保處理池內(nèi)可能發(fā)生的重要條件，如水下反饋或缺氧時BOD的去除，在模型中充分考慮。

（4）如果工廠員工經(jīng)驗不足以應對復雜性相對較大的模型，考慮使用工廠外部建模專家。

（5）在模型指導下收集校準數(shù)據(jù)，同時要特別關(guān)注時間變異性及處理池中氧氣和懸浮固體的整體測量。

（6）正確選擇模型設(shè)計條件，進而適當建立系統(tǒng)失敗風險與過度設(shè)計之間的平衡。

（7）研究曝氣系統(tǒng)改進的同時，研究其他改進選項（疏浚、營養(yǎng)添加等），因為它們可能會提高曝氣改進的效果。

（8）在確保概率設(shè)計條件或曝氣控制情況下，重視更加尖端的分析技術(shù)（如CFD模擬）的價值。

（申正會 編譯）

廣東將建4條5萬t高檔生活用紙生產(chǎn)線

近日，廣東理文綠色高檔生活用紙項目在東莞洪梅奠基并正式動工。據(jù)悉，該項目總投資30億元，是通過異地購買產(chǎn)能的方式在廠區(qū)南面建設(shè)4條5萬t的高檔生活用紙生產(chǎn)線，預計2018年12月建成投產(chǎn)。

該項目建成投產(chǎn)后，預計年產(chǎn)高檔生活用紙原紙、高檔生活用紙、廚房用紙、紙質(zhì)婦幼衛(wèi)生用品和紙質(zhì)個人衛(wèi)生用品18萬t，高檔紙尿褲5億片，高檔紙尿片、濕紙巾和卸妝紙共10億片，預計年產(chǎn)值為30億元。

目前，項目一期正在進行有關(guān)設(shè)施的施工建設(shè)，主要建設(shè)造紙車間、后加工車間、成品倉庫與卷紙倉庫各一間及其相關(guān)設(shè)備的安裝。按計劃項目一期2017年8月完成相關(guān)前期審批手續(xù)并動工建設(shè)，2018年7月竣工驗收，2018年12月建成投產(chǎn)。

（雕龍）

巴斯夫推出其新開發(fā)的食品接觸紙板涂布產(chǎn)品

可持續(xù)發(fā)展和食品安全近來已成為包裝行業(yè)日益突出的話題。在亞洲市場，人們對食品包裝涂層的要求正不斷提高。通常，食品級包裝材料要求符合美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）和德國聯(lián)邦風險評估研究所（BfR）的規(guī)定。不過，中國最近制定了新的食品安全法規(guī)。中國食品接觸材料（FCM）的新食品安全標準GB 9685—2008（GB 9685），其中對食品容器和包裝材料中使用添加劑的衛(wèi)生標準進行了具體規(guī)定。

如果在FCM中添加特定的食品接觸添加劑，GB 9685建議公司應進行檢查，并確認所需的測試項目。除此之外，傳統(tǒng)的VOC（揮發(fā)性有機成分）測量是基于21個組分，現(xiàn)在為26個組分。

紙張和紙板客戶也面臨著來自于印刷廠和紙廠等終端用戶的巨大挑戰(zhàn)，這些用戶希望在印刷和紙張加工過程中能夠提供無臭，同時保持出色印刷質(zhì)量的涂層紙板。

這向供應商提出了要求，供應商需要在保持優(yōu)異的可印刷性的同時，為各種等級和工藝提供滿足嚴格的食品安全要求的產(chǎn)品。供應商正在尋找能夠為他們的問題提供正確的可持續(xù)化學解決方案的合作伙伴。

為滿足當前市場需求并應對客戶的挑戰(zhàn)，巴斯夫近期開發(fā)了一種新穎的3合1 Basonal誖食品接觸紙板涂料產(chǎn)品系列，簡稱為Basonal誖FCB，根據(jù)具體要求量身定做食品接觸材料。

這一全新的產(chǎn)品系列將很快推出，并提供：（1）使用前所未有的無異味膠乳，總揮發(fā)性有機化合物（TVOC）含量達到最低值；（2）該產(chǎn)品符合中國嚴格的食品安全法規(guī)；（3）具有優(yōu)越的印刷性。

這一獨特的解決方案可廣泛應用于食品包裝領(lǐng)域，如漢堡或面條包裝盒、爆米花桶、壽司包裝。它還可以提供多種包裝設(shè)計選擇，實現(xiàn)復雜的形狀和高品質(zhì)的彩色印刷。由于其獨特的性能特性，Basonal誖FCB具有極高的靈活性。它將可以從位于中國領(lǐng)先的食品接觸紙板生產(chǎn)商附近的分散體廠獲得供應。

（于娟）