新型一体化AmOn反应器数值模拟与运行优化研究

蒋 明

(1.上海市城市建设设计研究总院，上海200125;2.上海市城市雨洪管理工程技术研究中心，上海 200125)

新型一体化AmOn反应器数值模拟与运行优化研究

蒋 明

(1.上海市城市建设设计研究总院，上海200125;2.上海市城市雨洪管理工程技术研究中心，上海 200125)

在建立新型一体化AmOn反应器的数学建模方法的基础上，对比实验结果及数值模拟结果，对影响新型一体化AmOn反应器运行效果较大的相关参数(气水比、C/N值和污泥龄)进行了数值模拟研究，并根据数值模拟结果进一步进行了运行优化，为实现反应器的稳定高效运行提供了依据.图6，参7.

新型一体化AmOn反应器;活性污泥2D模型;运行优化

环境污染和水体富营养化问题的尖锐化迫使越来越多的国家和地区制定了严格的氮磷排放标准，如何经济有效地将氮磷从污水中去除，是维系人类社会可持续发展的关键因素.现行常规的生物脱氮除磷工艺(例如A2/O)面临着一些本身难以改善的问题，如在脱氮与除磷很难同时达到较好的处理效果，主要是由于脱氮细菌与除磷细菌之间存在碳源竞争，因此两类微生物不能在各自最适宜的生长环境下生长.其次，传统工艺为了达到较高的脱氮率，一般需要非常高的污泥及混合液回流，造成运行能耗居高不下，反应设备多且复杂，占地面积较大，初期投资很高.开发投资较小、处理效率较高、运行能耗较低的新一代生物脱氮除磷工艺，成为当前国内外的研究热点之一［1］.

课题组经过数年的艰苦努力，开发出新型污水脱氮除磷处理工艺——新型一体化AmOn生物脱氮除磷污水处理工艺.它打破了常规工艺在空间和时间上的传统理念，采用一体化的处理形式，极大的减少了占地面积，提高了运行及处理效率.研究表明，反应器具有耐冲击负荷能力强，有机污染物去除效果高，一定的氮磷脱除能力，固液分离效果好，剩余污泥产量较少等特点［2］.

随着污水生物处理数学模型的发展，仿真数值模拟日益成为污水处理工艺优化和日常运行管理的核心.在国外数值模拟已广泛在实际市政污水处理厂的优化设计及运行管理增效中得到应用［3-4］.为了更好的对新型一体化AmOn反应器进行优化，本研究以本课题组前期的试验研究结果为基础，主要利用活性污泥法模型中的ASM2D模型对新型一体化AmOn反应器进行数值建模和优化运行分析.

1 新型一体化AmOn反应器

新型一体化AmOn反应器由有机玻璃制成，其结构及实图如图1所示，在反应器底部进水，利用穿孔曝气管对活性污泥进行曝气，通过改变曝气量和曝气管高度来调整整个反应器的循环和分区效果;在回流缝处设置挡板，以增加水流的沿程损失，防止短流的发生.污水进入反应器后首先在厌氧/缺氧区与回流的混合液进行强烈混合，并在此区域发生反硝化作用及厌氧释磷作用.之后污水与回流的混合液一起被带到反应器上部的好氧区，在上部好氧区发生COD氧化、硝化及好氧吸磷作用.混合液通过曝气提升作用形成高差，溢入导流区，并向下进入到沉淀区进行泥水分离，密度大的絮体沿着导流板往反应器下部沉淀并不断浓缩，最终借助混合液回流重新参与整个反应器的污泥及混合液循环.而泥水分离后的清水沿导流区向上由集水系统收集后流出反应器，从而完成整个有机物去除及脱氮除磷的过程［2］.

图1 新型一体化AmOn反应器Fig.1 New AmOn integrative reactor

2 新型一体化AmOn反应器数学建模

选用活性污泥法模型中的ASM2D模型对新型一体化AmOn反应器进行数学建模，软件平台为WEST软件，步骤为:①从WEST软件的模型库中选出适合新型一体化AmOn反应器反应机理的相关组件单元，与以前本课题组的模拟不同，根据最新的水动力试验及RTD试验结果［2］，模型创新的采用了三级厌缺氧/好氧串联式反应池进行新型一体化A-mOn反应器的数学建模，见图2;②输入每个反应单元的尺寸大小、进出水流量及相应的模型组分，进水组分按照文献［5］中的测定结果选用;③反应过程的稳态模拟;④反应过程的动态模拟;⑤结合模拟结果反复进行模拟结果分析与参数校正［6］，得出最终与试验结果基本一致的模拟结果.

图2 WEST软件构建新型一体化AmOn反应器Fig.2 Constitution of new AmOn integrative reactor by WEST software

3 模型的验证

模型建立后，模型中的进水参数仍主要采用文献［7］中的各项参数，模型中的一些假设也同文献［7］中相同.运行前首先将反应器稳定运行一周的进水数据划分为ASM2D中的模型组分，输入到模型中的进水组分中，模型运行后得出一周内的出水水质结果与试验出水值的比较如图3所示.

从图3的比较结果看，COD、NH3-N、TN及 TP的模拟值都反映出了试验出水的变化，相对误差分别为 7.2%、9.1%、12.5%和 6.3%，TN 值稍高于实际值，但也反映出了变化趋势，产生差距的原因可能是由于反应器中环境条件相对更复杂，存在一些微环境有助于脱氮效果的实现而引起.总体来看，所建立的三级厌缺氧/好氧模型基本能够反映出了反应器稳定运行时的有机物去除及脱氮除磷的作用过程，反应器在实际运行中的循环作用可以用三级厌缺氧/好氧串联进行模拟，这对分析反应器在稳定运行中的循环流量有着积极地意义，在实际运行中，一定曝气量和污泥浓度下，反应器内的循环流量也维持恒定，此时，各位置形成特定的溶解氧浓度，虽然在试验中尚未对循环流量作出精确测定，同时仍存在一些误差，但在试验中可通过测定各反应区与回流区溶解氧浓度来进一步完善此模型，并互相验证.

图3 模型运行结果与试验出水的比较Fig.3 Comparison of model operation results and experiment effluent

4 数值模拟与优化运行分析

4.1 气水比

4.1.1 模拟结果

在模型中利用控制按钮对好氧池的曝气量及溶解氧浓度进行控制，其他条件均与试验时相同.分别在气水比为21∶1、27∶1和33∶1三种工况下模拟反应器出水，由于新型一体化AmOn反应器的主要功能为脱氮除磷，因此在模拟过程中主要对反应器出水的 TN、TP进行了分析，模拟结果如图4所示.

从模拟结果与试验出水的比较中可以看出，在3种气水比下，模拟值均与实际出水吻合程度较好，基本反映出了反应器在不同气水比下的运行情况，在保持其他条件不变时通过改变气水比这一条件可对反应器效果进行有效的预测.

4.1.2 优化运行分析

在利用模型调整多个不同气水比的条件时，其中在21∶1～27∶1之间，脱氮除磷效果与试验时的工况1和工况2相比无太大变化，出水效果良好，而当气水比值≥30∶1时，出水开始变差，此时模型中好氧池DO浓度达到≥2.5 mg/L.虽然在20∶1左右时模型得出的反应器脱氮除磷效果仍较好，但由于新型一体化AmOn反应器为立式结构，曝气量对好氧区的污泥有着促进其循环的效果，而模型中为多级串联，不存在曝气对混合液的气提作用.同时在试验过程中发现，气水比＜20∶1时便难以实现反应器内部循环作用，因此，通过试验与模型的对照结果最终得出，反应器的气水比条件需保持在20∶1～30∶1之间方可实现良好的脱氮除磷效果.

图4 不同气水比下试验出水氮磷与模拟值比较Fig.4 Comparison of effluent nutrients of experiment and simulation at different gas-water ratio

4.2 C/N

4.2.1 模拟结果

在进水组分中改变COD组分和TN组分来调整进水的C/N值，其他条件均与试验时情况相同.分别取进水C/N 比为7∶1、11∶1和15∶1三种情况下模拟反应器的处理效果，在模拟过程中，仍主要对反应器出水中TN、TP进行分析，模拟结果如图5所示.

从C/N的模拟结果来看，模拟值与试验值接近程度较好，反映出了出水的变化趋势，也与反应器的实际运行达成一致，说明模型在进水组分的划分和参数的设定方面都较为合适，与实际情况相符程度较高.

4.2.2 优化运行分析

利用模型在调整不同的进水C/N值，在20∶1以内时，随着C/N值的增加出水水质也逐渐提升，但过高的C/N值会使出水中有机物浓度增加，同时由于实际生活污水中C/N一般较低，因此意义不大.在C/N保持10∶1左右时，各项出水值已达到很高的去除效果，而在试验中的7∶1左右时，对氮磷的去除效果也可达到60%以上的去除率，但此时出水值已不能满足标准.基于以上结果，新型反应器在C/N宜在≥10∶1的条件下运行，为保证出水效果满足要求，进水碳氮比不宜过低，在实际污水处理过程中，当遇到过低的进水C/N，需添加部分碳源.

4.3 污泥龄

图5 不同C/N下试验出水氮磷与模拟值比较Fig.5 Comparison of effluent nutrients of experiment and simulation at different C/N

由于新型一体化AmOn反应器在运行中所需的好氧区溶解氧浓度相对较低，使得其在污泥浓度的要求上也不同于传统脱氮除磷工艺，好氧区较低的溶解氧不足以维持大量的好氧微生物生存，而厌氧池与缺氧池在实现其功能前要消耗掉不断从好氧池迅速回流过来的残存溶解氧，所需污泥浓度稍微较高.在试验过程中，通过多次测定反应器内的污泥浓度(MLSS)，其中好氧区一般在2 600 mg/L左右，厌/缺氧区在≥3 000 mg/L.而在所建模型中，为实现处理效果，其各池污泥浓度仍与传统工艺相似，因此在模拟过程中，计算排泥量时，通过模型中各池的污泥浓度来进行计算.

4.3.1 模拟结果

在模拟过程中，通过污泥控制按钮保持各反应池的污泥浓度并控制每日排放的污泥量，分别以试验时的三种污泥龄条件来模拟反应器出水，其他条件保持恒定，对出水中的氮磷模拟结果如图6所示.

从模拟结果看，虽然模型与实际中的污泥浓度选择有一点差别，但在相同的污泥龄条件下，模拟出水结果与实际值已非常接近，说明根据模型中的污泥浓度计算污泥龄，在保持污泥龄与反应器运行相同时，对反应器的出水模拟可作出准确的预测.

4.3.2 优化运行分析

总体来看，新型一体化A mOn反应器可看作是一个多级串联推流式反应器，但在某些环节又与单池分级串联不尽相同，就污泥浓度来说，在反应器的运行中，由于循环作用的限制，好氧区不宜太高的污泥浓度，而采用单池串联的模型模拟过程中，各反应池在实现其处理功能过程中，污泥浓度仍与传统工艺值相同.但这并不影响所建模型对反应器的模拟功能，从模拟结果中可以证实，虽然污泥浓度存在一定的差异，但出水效果仍相对一致.

对反应器不同污泥龄条件下的模拟，与试验得出的结论基本相符，说明新型反应器在运行中对污泥龄这一因素的要求相对稳定，在实现其稳定高效运行后污泥龄宜保持在一个稳定值(推荐15d)，每日根据相应的污泥浓度需定时排泥，而在考虑到每日由于排泥引起的反应器液面下降这一问题时，为了保证反应器内的循环效果不受太大影响，每日分多次排泥为宜.

图6 不同污泥龄下试验出水氮磷与模拟值比较Fig.6 Comparison of effluent nutrients of experiment and simulation at different SRTs

5 结论

研究建立了一种三级厌缺氧/好氧串联式反应池来模拟新型一体化AmOn反应器的数学建模方法，然后在此基础上，讨论了气水比、C/N与污泥龄对运行效果的影响，并利用模型验证优化了以上运行条件.主要得出以下结论:

(1)采用三级厌缺氧/好氧串联式反应池来模拟新型一体化 AmOn反应器，主要考察了 COD，NH3-N，TN及TP四个出水水质指标，结果表明模拟结果与试验测定结果基本吻合，可见利用三级厌缺氧/好氧串联式反应池可以较好反映新型一体化AmOn反应器的真实运行状况，为后续该反应器的仿真模拟及优化设计提供了基础.

(2)新型一体化AmOn反应器的气水比条件需保持在20∶1～30∶1之间方可实现良好的脱氮除磷效果.

(3)新型一体化AmOn反应器宜在C/N≥10∶1的条件下运行，在实际污水处理过程中，当遇到过低的进水C/N，需添加部分碳源.

(4)新型一体化AmOn反应器在实现其稳定高效运行后污泥龄宜保持在一个稳定值(推荐15d)，同时考虑到每日由于排泥引起的反应器液面下降这一问题时，为了保证反应器内的循环效果不受太大影响，每日分多次排泥为宜.

［1］李莲芳，尤春波.城市污水处理工艺技术研究进展［J］.三峡环境与生态，2012，34(5):24-27.

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Biography:JIANG Ming，male，born in 1979，Ph.D，Engineer，Engaged in water treatment technology and municipal stormwater management

Numerical Simulation and Optimal Operation for the New AmOn Integrative Reactor

JIANG Ming
(1.Shanghai Urban Construction Design ＆ Research Institute，Shanghai 200125，China;2.Shanghai Engineering Research Center of Municipal Stormwater Management，Shanghai 200125，China)

Firstly，in this paper a new model of AmOn integrative reactor was established，based on which the results of experiment and simulation were compared，and then the reactor of parameters of gaswater ratio，C/N ratio and sludge retention time were simulated.Furthermore，according to the simulated results，operation parameters were further optimized and provided basis for the sake of achieving steady and highly operation of the reactor.6figs.，7refs.

AmOn Integrative Reactor;Activated Sludge Model No.2D;Optimal Operation

X505，X703

A

2095－7300(2015)02－012－07

2015－05－16

国家“十二五”水体污染控制与治理科技重大专项(编号:2014ZX07303003)

蒋 明(1979－)，男，湖南祁阳人，博士，工程师，研究方向:水处理技术及城市雨洪管理.