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        模型在蘇州市某污水廠升級改造中的應(yīng)用

        2021-12-29 06:50:06
        環(huán)境科技 2021年6期
        關(guān)鍵詞:硝化污泥污水

        杜 娜

        (江蘇中升太環(huán)境技術(shù)有限公司,江蘇 蘇州 215009)

        0 引言

        隨著我國城鎮(zhèn)污水廠的數(shù)量不斷增長,污水處理率不斷提高。然而,污水廠粗放型的管理模式給水環(huán)境帶來了負(fù)面影響,如水體富營養(yǎng)化。2005年,原國家環(huán)境保護(hù)總局第1 次提出:城鎮(zhèn)生活污水處理廠出水排入國家和省確定的重點(diǎn)流域及湖泊、水庫等封閉式、半封閉水域時(shí),應(yīng)執(zhí)行GB 18918—2002一級A 標(biāo)準(zhǔn)。2006年,又將一級A 標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍擴(kuò)大到大多數(shù)城鎮(zhèn)污水處理廠。2015年“水十條”及《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(征求意見稿)的發(fā)布,對污水處理設(shè)施實(shí)行一級A 標(biāo)準(zhǔn)提出了時(shí)間要求,這意味著污水廠提標(biāo)改造成為大勢所趨。

        目前,我國90%以上城鎮(zhèn)污水廠均采用活性污泥工藝,實(shí)踐證明,活性污泥數(shù)學(xué)模型(ASMs)[1-4]可以模擬活性污泥系統(tǒng)中生物、化學(xué)過程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,國際上出現(xiàn)了很多以ASMs 為核心的商業(yè)模擬軟件,如WEST,GPS-X,BioWin 等,為模型應(yīng)用于污水處理系統(tǒng)提供了平臺。大量研究表明,活性污泥數(shù)學(xué)模型可以成功應(yīng)用于污水處理廠的升級改造中。張春明等[5]借助BioWin 平臺,以ASM2D 為核心,對上海龍華水質(zhì)凈化廠AO 工藝進(jìn)行了模擬改造,從工藝運(yùn)行參數(shù)調(diào)整和工藝改造2 方面進(jìn)行預(yù)測分析,使出水水質(zhì)達(dá)到更高的排放標(biāo)準(zhǔn)。馬昭等[6]基于ASM2D,對西安市某污水廠奧貝爾氧化溝工藝進(jìn)行模擬優(yōu)化,通過調(diào)節(jié)污泥回流比、BOD5污泥負(fù)荷,取得了更高的污染物去除率,提高了出水水質(zhì)。SARKAR U 等[7]以ASM1 為機(jī)理,采用STOAT 軟件對Titagarh 污水廠的不同改造方案進(jìn)行了模擬比較,最后確定了出水水質(zhì)最優(yōu)的工藝方案。VANDEKERCKHOVE A 等[8]以ASM1 為基礎(chǔ),建立了污水處理廠好氧段數(shù)學(xué)模型,利用該模型對好氧段進(jìn)行升級改造,通過增大反應(yīng)池體積,同時(shí)控制旁流量,使改造后的出水污染物濃度有了大幅降低。

        對蘇州市某污水廠一期單溝式氧化溝工藝進(jìn)行升級改造,利用該廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和歷史數(shù)據(jù),在傳統(tǒng)最不利工況設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上,引入模擬仿真技術(shù),針對典型工況,系統(tǒng)、定量分析擬選工藝的處理效能和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。使出水水質(zhì)由一級B 提高到一級A 標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。

        1 改造背景

        1.1 原污水廠概況

        蘇州市某污水處理廠一期工程主要處理居民生活污水,設(shè)計(jì)處理量為8 000 m3/d,采用“厭氧池+傳統(tǒng)單溝式氧化溝+二沉池”工藝。其中,厭氧池設(shè)1座,停留時(shí)間為1.5 h,平面尺寸為16.3 m×8.9 m,有效水深為4.6 m。氧化溝設(shè)1 組2 座,單座平面尺寸為32.2 m×10.0 m,有效水深為4.5 m,溝內(nèi)設(shè)計(jì)缺氧段停留時(shí)間為1.9 h,好氧段停留時(shí)間為5.8 h,每座氧化溝內(nèi)布置2 臺曝氣轉(zhuǎn)碟,每臺轉(zhuǎn)碟的供氧能力為24.2 kg/h(以O(shè)2計(jì)),溝內(nèi)設(shè)計(jì)污泥質(zhì)量濃度為2 800 mg/L。二沉池采用平流式沉淀池,設(shè)1 組2座,單座平面尺寸為30.0 m×9.7 m,有效水深為3.0 m,設(shè)計(jì)污泥回流比為67%。該廠一期工程設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表1,設(shè)計(jì)出水水質(zhì)執(zhí)行GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級B 標(biāo)準(zhǔn)。

        表1 一期工程設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì) mg·L-1

        1.2 污水廠運(yùn)行效果

        目前污水廠一期工程出水各污染指標(biāo)COD,NH4+-N,TN,TP,TSS 均未能完全達(dá)到一級B 標(biāo)準(zhǔn)。一期工程工藝對污染物的去除率低,其中,COD,TP的平均去除率在85%以上;NH4+-N,TN,TP 的平均去除率僅分別為61.9%,60.6%,64.2%;NH4+-N,TN的日均最低去除率僅為35.7%和32.7%。

        為了提高系統(tǒng)污染物去除效率,滿足污水廠提標(biāo)改造的要求,同時(shí)保障出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo),需對污水廠一期工程進(jìn)行升級改造。

        2 模型介紹

        2.1 模型建立與校準(zhǔn)

        案例以BioWin 軟件為平臺,選擇AS/AD 模型描述活性污泥系統(tǒng)中生物C,N,P 的去除過程。污水廠一期工程“厭氧池+單溝式氧化溝+二沉池”生物處理工藝模型見圖2,其中,采用3 個(gè)非曝氣池(An-1~An-3)和2 個(gè)曝氣池(BR-1,BR-2)的串聯(lián)模擬單溝式氧化溝的工藝特性,根據(jù)溝內(nèi)實(shí)測流速,確定氧化溝平均內(nèi)回流量為680 400 m3/d,約為設(shè)計(jì)進(jìn)水量的85 倍。

        圖1 污水廠一期工程生物處理工藝流程

        由于該污水廠水溫、進(jìn)水條件、運(yùn)行控制模式具有明顯的季節(jié)性特征,針對全年水溫變化情況,以該廠1 a 內(nèi)進(jìn)、出水監(jiān)測數(shù)值及污泥運(yùn)行參數(shù)(2012年4月~2013年3月)為研究對象,將水溫分成不同的區(qū)間,模型校準(zhǔn)時(shí)采用該廠不同水溫區(qū)間的進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)的平均值,具體參數(shù)見表2。

        表2 不同水溫區(qū)間污水廠進(jìn)水和污泥參數(shù)平均值 mg·L-1

        根據(jù)不同水溫區(qū)間的穩(wěn)態(tài)模擬理論,同樣的廢水特征參數(shù)、動力學(xué)參數(shù)和化學(xué)計(jì)量學(xué)系數(shù)條件下,可通過該套模型較理想的模擬污水廠全年出水水質(zhì)及污泥濃度的變化特征。

        采用2017年9月歷史平均數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校準(zhǔn),通過物化方法[9]測定該廠廢水進(jìn)水特征參數(shù),其中,易生物降解COD 占總COD 的27%,溶解性不可生物降解COD 占8%。根據(jù)進(jìn)水COD/BOD5的值,推算出顆粒性不可生物降解COD 占22%。通過調(diào)整動力學(xué)參數(shù),其中,氨氧化菌最大比生長速率由默認(rèn)值0.9/d 校準(zhǔn)為0.6/d,異養(yǎng)DO 半飽和系數(shù)、好氧反硝化DO 半飽和系數(shù)由0.05 mg/L 校準(zhǔn)為0.15 mg/L。出水COD,NH4+-N,TN,TP 的模擬值與實(shí)測值的絕對誤差控制在1.0 mg/L 以內(nèi),出水TSS 的絕對誤差為5.6 mg/L,擬合誤差在可接受的范圍內(nèi),校準(zhǔn)結(jié)果理想。模型的校準(zhǔn)具體結(jié)果見表3。

        表3 污水廠一期工程模型校準(zhǔn)結(jié)果 mg·L-1

        2.2 模型可靠性驗(yàn)證

        采用2017年9月12日連續(xù)24 h 的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果見圖2。由圖2可以看出,出水水質(zhì)模擬結(jié)果隨時(shí)間的變化趨勢與實(shí)測值擬合較好,且各指標(biāo)的平均絕對誤差較小,出水COD,NH4+-N,TN,TP,TSS 的平均質(zhì)量濃度絕對誤差分別為1.6,1.0,0.4,0.3,1.8 mg/L。驗(yàn)證結(jié)果表明,該模型可以較理想地反映該廠一期工程生物C,N,P 的去除過程,模擬結(jié)果可靠、可信度較高。

        圖2 蘇州市某污水廠一期工程污染物濃度模型驗(yàn)證

        3 模型選擇應(yīng)用

        3.1 改造方案

        根據(jù)一期已建氧化溝的布置形式,為減少改造工程量,提高運(yùn)行處理效果,將一期2 組氧化溝改造成1 組DE 氧化溝,形成“厭氧+DE 氧化溝+二沉池”的工藝。DE 型氧化溝是典型的空間、時(shí)間上動態(tài)變化的工藝[10],在其前增加厭氧池,可實(shí)現(xiàn)生物脫氮除磷,該工藝運(yùn)行模式比較靈活,采用常規(guī)靜態(tài)計(jì)算優(yōu)化比較困難,引入工藝模擬進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化。案例模擬配置DE 型氧化溝2 條,單溝內(nèi)各配備射流曝氣裝置3 臺(1 臺功率為18.5 kW、2 臺功率均為22 kW),單溝內(nèi)O2曝氣效率為1.8 kg/(kW·h)。工藝流程見圖3。

        圖3 蘇州市某污水廠一期工程改造方案工藝流程

        3.2 改造方案的模擬分析

        在校準(zhǔn)和驗(yàn)證的一期工程生物處理工藝模型基礎(chǔ)上,通過改變反應(yīng)器的串聯(lián)模式、進(jìn)水模式,建立改造方案“厭氧池+DE 型氧化溝+二沉池”的工藝模型,以表2中的情景參數(shù)為基礎(chǔ),對該改造方案的運(yùn)行效果進(jìn)行模擬分析。模擬優(yōu)化分析時(shí)采用的DE氧化溝運(yùn)行周期見表4。

        表4 方案模擬優(yōu)化分析DE 氧化溝運(yùn)行周期

        在該運(yùn)行模式下,可控的操作參數(shù)有排泥量、污泥回流量、曝氣量。其中,排泥量根據(jù)設(shè)計(jì)泥齡控制;污染回流量通過含水率變化控制;曝氣量依據(jù)該污染處理廠進(jìn)、出水水質(zhì)設(shè)計(jì)。模擬發(fā)現(xiàn),污泥回流量對COD,NH4+-N,TSS 的去除影響較小,對TN,TP 的去除影響較大,與馬菲菲等[11]的研究結(jié)論基本一致。這主要由于回流污泥中攜帶一部分的硝酸鹽和O2,過多的硝酸鹽回流至厭氧池,會影響厭氧釋磷過程,降低TP 的去除效率,而過多的O2會影響反硝化過程,降低TN 的去除效率。綜合考慮污泥回流比對出水TN,TP 的影響,在該方案中設(shè)置污泥回流比為80%。

        曝氣是影響系統(tǒng)中污染物去除效果的最顯著因素,以全年典型情景為進(jìn)水條件,模擬不同曝氣器開啟模式(開啟2 臺曝氣器時(shí)功率為44 kW;開啟3 臺曝氣器時(shí)功率為62.5 kW),以驗(yàn)證該方案的可行性及處理效能,方案出水水質(zhì)的變化情況見表5。

        表5 不同曝氣模式模擬結(jié)果 mg·L-1

        工況1 條件下,曝氣階段反應(yīng)池內(nèi)ρ(DO)最高值可達(dá)3.0 mg/L,硝化效果較好,出水ρ(NH4+-N)在1.7 mg/L。由于曝氣階段DO 偏高,硝化階段生成的NO3-N 大部分得到反硝化,出水ρ(TN)為12.1 mg/L,基本能滿足一級A 標(biāo)準(zhǔn)要求?;亓魑勰鄡?nèi)DO 和NO3-N 對除磷過程有一定影響,需要通過化學(xué)投加除磷藥劑保證出水TP 達(dá)標(biāo)。

        工況2 條件下,曝氣功率提高,曝氣階段反應(yīng)池內(nèi)ρ(DO)為5.2 mg/L,出水ρ(NH4+-N)為1.1 mg/L。雖然硝化較為徹底,但硝化階段生成的NO3-N 沒有完全反硝化,出水ρ(TN)達(dá)18 mg/L?;亓魑勰鄡?nèi)DO和NO3-N 對除磷過程影響較大,出水ρ(TP)為1.5 mg/L,未能兼顧生物脫氮和除磷過程。相比工況1,存在過量曝氣問題,無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)和節(jié)能降耗。

        工況3 和工況4 條件下,曝氣功率為44 kW時(shí),曝氣階段ρ(DO)最高值接近2.0 mg/L,硝化完全,出水ρ(NH4+-N)為2.4 mg/L,反硝化徹底,ρ(TN)低至4.6 mg/L。回流污泥內(nèi)DO 和NO3-N 對除磷過程影響較小,兼顧了生物脫氮和除磷過程。當(dāng)曝氣功率增大到至62.5 kW,曝氣階段ρ(DO)達(dá)4.0 mg/L,存在過量曝氣的問題,影響反硝化和生物除磷過程,出水ρ(TN),ρ(TP)分別為15.7,1.2 mg/L。

        工況5~工況8 條件下,曝氣功率為44 kW 時(shí),曝氣階段ρ(DO)最高為2.8 mg/L,該系統(tǒng)有較理想的硝化和反硝化效果,且基本兼顧生物除磷過程。但在夏季,出水TP 達(dá)標(biāo)排放的安全系數(shù)不高,考慮投加少量化學(xué)藥劑保證除磷效果。當(dāng)曝氣功率提高到62.5 kW 時(shí),曝氣階段ρ(DO)在4.2 mg/L 左右,雖然出水也能達(dá)到一級A 標(biāo)準(zhǔn),但是過量的曝氣不僅造成能源浪費(fèi),同時(shí)降低了出水TN 的安全系數(shù)。

        雨季條件下,由于進(jìn)水負(fù)荷大大提高,當(dāng)曝氣功率為44 kW 時(shí),曝氣階段ρ(DO)最高僅為0.3 mg/L,系統(tǒng)的硝化效果不理想,出水ρ(NH4+-N)達(dá)7.9 mg/L。當(dāng)曝氣功率為62.5 kW 時(shí),曝氣階段最高ρ(DO)接近2.0 mg/L,硝化效果理想,出水ρ(NH4+-N)為0.9 mg/L,且硝化階段生成的NO3-N 基本得到完全反硝化,出水ρ(TN)為3.3 mg/L,但是TP 需要通過外加除磷劑來保障其達(dá)標(biāo)。

        由此可見,非降雨條件時(shí),春、夏、秋、冬季典型進(jìn)水情景下,DE 氧化溝內(nèi)曝氣功率為44 kW,即開啟2 臺曝氣器時(shí),出水水質(zhì)基本能滿足一級A 排放標(biāo)準(zhǔn),且穩(wěn)定達(dá)標(biāo);而在冬季和夏季條件下,出水TP需要通過投加一定量的化學(xué)藥劑來保證其出水達(dá)標(biāo)。在雨季條件下,DE 氧化溝內(nèi)曝氣功率為62.5 kW,即開啟3 臺曝氣器,并通過后續(xù)投加化學(xué)藥劑除磷,才能保證出水水質(zhì)穩(wěn)定滿足一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)。

        3.3 改造方案的驗(yàn)證

        污水廠一期工程進(jìn)行升級改造后運(yùn)行1 a 的監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖4。由圖4可知,改造方案在污水廠實(shí)際改造過程中是可行的,可使出水水質(zhì)長期穩(wěn)定滿足一級A 標(biāo)準(zhǔn)要求。驗(yàn)證了模型在污水處理工藝升級改造工程中的有效性。

        圖4 改造后污水廠出水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

        4 結(jié)論

        蘇州市某污水廠一期工程改造擬采用“厭氧池+DE 型氧化溝”工藝可基本滿足實(shí)際進(jìn)水水量、水質(zhì)條件下的處理要求。DE 型氧化溝每組配備1 臺18.5 kW,2 臺22 kW 射流曝氣器可滿足峰值流量、負(fù)荷處理要求。在非降雨條件時(shí),典型進(jìn)水情景下,控制設(shè)計(jì)泥齡、污泥回流比為80%時(shí),開啟2 臺22 kW 的曝氣器,出水水質(zhì)基本能滿足一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)要求;在冬季和夏季,出水需要通過投加一定量的化學(xué)藥劑來保證出水TP 達(dá)標(biāo)。在雨季條件下,開啟3 臺曝氣器,并輔以化學(xué)除磷,可以實(shí)現(xiàn)出水水質(zhì)穩(wěn)定滿足一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)踐證明,在污水廠實(shí)際升級改造工程中,采用該改造方案,出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo),驗(yàn)證了模擬系統(tǒng)的可靠性,表明模型分析可以成為污水廠升級改造的有效工具。

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