运用数学模型对水解酸化A2O组合工艺的模拟优化

左玉春,谭嘉伟,姚 昕,宋 颖

(安徽建筑大学 环境与能源工程学院, 安徽 合肥 230601)

随着我国城市化进程的加剧,过量的氮磷进入河流,导致水体严重富营养化,威胁城市供水和生态环境安全,国家虽然加大水污染的处理的力度,但是情况依然不是很乐观,为了能够落实我国可持续发展政策,实现绿色节能、环境保护,对污水处理厂的优化是十分重要的[1-6].虽然A2O工艺具有较高的脱氮除磷作用,但是A2O工艺自身存在碳源竞争的矛盾,需要外投加碳源,限制了其发展,增加了运行维护成本[7-10].如何充分用污水当作碳源,将水解酸化池和A2O工艺装置很好地结合,探索最优工况,增加脱氮效率,是本次试验研究的意义所在.

近年来,活性污泥模型应用逐渐广泛,越来越多的人将水处理工艺与模型相结合[11],国内外很多学者、研究人员,利用计算机对ASM系列模型进行优化,对参数进行校正及二次开发编程[12],实现基于在ASM基础上[13],开发众多应用型软件,并且在实际生活中应用较为广泛.本次试验通过组合工艺处理生活污水,再使用模型寻求组合系统的最优工况.

1 试验与模型建立

1.1 试验装置与试验用水

图1为水解酸化池示意图.图2为A2O工艺装置.表1为实验装置设置参数.该反应器总高度1.4 m,总容积23 L.该反应器设置了中下部循环系统,通过蠕动泵将中上部的污水泵入反应器底部,使反应器内污泥可以充分悬浮,与进水充分接触.

图1 水解酸化池

图2 A2O工艺装置

表1 A2O工艺试验装置参数

1.2 模型的建立

1987年推出的活性污泥1号模型(ASM1)是废水生物模型的里程碑.该模型以废水生物处理的基本原理、过程和动态模拟为重点,将脱氮过程纳入模型,并以矩阵形式表示[14].ASM1的矩阵为8行13列,描述的是8种生化反应和13种模型组分[15].

首先,建立确定反应器模型和水力传递模型,说明污水处理的方法,系统运行的常规条件,设备的类型及尺寸以及运行过程的参数等,由此来确定模拟的对象,选择模拟类型[16].其次,选择合适的活性污泥模型.然后构建组合系统模型,对所建立的模型进行校验;最后基于所建立的模型,对影响组合工艺处理效果的因素进行分析、优化,从而达到寻找最优工况的目的.模型模拟结果如表2所示.

表2 水解酸化A2O组合工艺模型的模拟结果

1.3 试验用水与分析方法

实验选用合肥某大学生活污水，水质如表3所示.

表3 某大学校内生活污水水质 mg/L

参照《水和废水监测分析方法(第4版)》中水质指标标准分析方法[17],如表4所示.

表4 常规指标分析方法

1.4 模拟方法

本文研究在设定活化污泥回流比为100%的前提下,分别设定内回流比150%、200%、300%、400%,观察污染物去除效果.

设置混合液内回流比在最优的情况下,分别设定活化污泥回流比60%、70%、80%、100%,观察是否增强反应器内污染物的去除.

在混合液内回流比和活化污泥回流比为最优工况下,研究在处理15 L/h的水量时,本实验设定3种工况:厌氧池进水10 L/h,水解酸化池进水5 L/h(工况1);厌氧池进水7.5 L/h,水解酸化池进水7.5 L/h(工况2);厌氧池进水5 L/h,水解酸化池进水10 L/h(工况3),观察污染物去除效果.

2 结果与讨论

2.1 模拟混合液内回流比对组合系统的影响

2.1.1 模拟混合液内回流比对COD去除

不同混合液内回流比对COD的影响如图3所示.水解酸化A2/O组合系统的进水COD浓度平均为244 mg/L,混合液内回流比为150%时,出水平均浓度为33.56 mg/L,平均去除率能够达到86.32%;当混合液内回流比为200%时,出水平均浓度为32.41 mg/L,平均去除率能够达到86.56%;当混合液内回流比为300%时,出水平均浓度为31.18 mg/L,平均去除率能够达到87.11%;当混合液内回流比为400%时,出水平均浓度为30.71 mg/L,平均去除率能够达到87.32%.从图3可以看出,调节控制混合液内回流比方案下,COD的去除率始终大于85%,出水COD浓度随回流比的增大会有所降低,但是幅度不大,COD的去除受到混合液内回流影响比较小.

图3 不同混合液内回流比对COD的影响

2.1.2 模拟混合液内回流比对TN去除

混合液内回流比对TN的去除影响如图4所示.从图4中可以看出:总氮的去除率有明显的不同；系统TN的平均进水浓度为36.9 mg/L,分别为150%、200%、300%,TN的去除率随着内回流比的增大分别可以达到70.8%、73.7%、76.7%;但是当混合液内回流比为400%时,去除率快速下降到62.3%,TN的平均出水浓度为13.9 mg/L,并且出现几日的出水浓度会超过排放标准中15mg/L.这现象表明在一定范围内,随着混合液内回流比的增大,组合系统对总氮的去除率也在逐渐增大,但混合液内回流比为400%时,TN的去除率比前面几种方案相差较大,这可能是因为内回流的混合液中溶解氧的浓度过高,导致缺氧池溶解氧浓度变高.

图4 不同混合液内回流比对TN的影响

2.1.3 模拟混合液内回流比对NH3-N去除

不同混合液内回流比对NH3-N的影响如图5所示.在平均进水NH3-N浓度为33.32 mg/L时,在不同的混合液内回流比平均NH3-N出水浓度为0.745 、0.676、0.654、0.639 mg/L,平均去除率达到97.74%、97.92%、97.98%、98.03%;出水NH3-N去除率随着回流比的增大有所增加,增加幅度不大.从图5可以得出,调节内回流比对组合工艺氨氮的去除影响不大.

图5 不同混合液内回流比对NH3-N的影响

考虑到污染物的去除效果和经济效应,选择300%为组合工艺的最优混合液内回流比.

2.2 模拟不同活化污泥回流比对组合系统的影响

2.2.1 模拟活化污泥回流比对COD去除

从图6可以看出,不同活化污泥对COD的去除率变化不大.在COD的进水浓度为245 mg/L时,不同活化污泥回流比的出水浓度为33.81、31.89 、31.18、31.19 mg/L,平均去除率可达到86.04%、86.69%、87.12%、87.09%.活化污泥回流是为了稳定组合系统中有一定的污泥浓度,不需要太大,增加系统能耗.

图6 不同活化污泥回流比对COD去除的影响

2.2.2 模拟活化污泥回流比对TN去除

图7为不同活化污泥比对TN的去除影响,可以看出：在不同的活化污泥回流比下对TN去除的影响非常大；在系统TN的平均进水浓度为36.5 mg/L时,当污泥回流比为60%、70%、80%、100%条件时,TN的去除率分别可以达到70.05%、71.81%、73.95%、74.05%.后面2种活化污泥回流比对系统总氮的去除相差不大,考虑去除效果和经济成本选用80%的回流比.

图7 不同活化污泥回流比对TN去除的影响

2.2.3 模拟活化污泥回流比对NH3-N去除

图8为不同活化污泥回流比对NH3-N去除的影响,随着活化污泥比的增大,NH3-N的去除率也在增加.并且不同情况的活化污泥去除率均大于95%.在NH3-N平均进水浓度为33.35 mg/L,在以下4种不同的活化污泥回流比条件下,NH3-N平均出水浓度为0.785、0.763、0.689、0.639 mg/L,平均去除率达到97.54%、97.75%、97.90%、98.05%;出水的NH3-N均达到一级A标准.组合工艺的NH3-N去除没有受到活化污泥回流太大影响.

图8 不同活化污泥回流比对NH3-N去除的影响

活化污泥回流比的增加能提高系统的污染物的去除,保证反应器有一定污泥浓度和维持反应器污染物去除效果、考虑经济成本,选用80%为最佳活化污泥回流比.

2.3 模拟厌氧池和水解酸化池进水比对组合系统的影响

2.3.1 模拟厌氧池和水解酸化池进水比对COD去除

在图9中,进水中COD的平均浓度为243.55 mg/L,不同工况出水的浓度为32.58、31.16、30.11 mg/L,去除率分别为86.52%、87.11%、87.61%.COD的去除率相差不大,说明不同厌氧池与水解酸化池进水比对COD的去除影响不大.

图9 不同厌氧池和水解酸化池进水比对COD去除的影响

2.3.2 模拟厌氧池和水解酸化池进水比对TN去除

在图10中,系统TN的进水浓度为36.9 mg/L,工况1的去除效果最好,出水浓度为9.88 mg/L比其他都低,TN的平均去除率在不同工况下分别为73.44%、71.05%、70.19%,可以看出后面2种工况去除率相差不大,工况1较好.

图10 不同厌氧池和水解酸化池进水比对TN去除的影响

2.3.3 模拟厌氧池和水解酸化池进水比对NH3-N去除

在图11中NH3-N的去除率都在95%以上,系统的NH3-N进水平均浓度为32.82 mg/L,3中工况的出水浓度都非常低,3种工况对NH3-N的去除率微乎其微,均能保证有非常高的去除率.

图11 不同厌氧池和水解酸化池进水比对NH3-N去除的影响

厌氧池和水解酸化池不同进水比对组合工艺去除污染物的影响,在进水在3种不同工况分别为2∶1、1∶1、1∶2,NH3-N的去除率基本没有受到影响,COD的去除率分别为86.52%、87.11%、87.61%,TN的去除率分别为73.44%、71.05%、70.19%,虽然工况1时COD的去除率相对较低,但是可以达到排放标准,且此时TN的去除率是最高的.综合考虑,要使组合系统同时获得更好的去除污染物的能力和经济成本,选取工况1(厌氧池进水10 L/h,水解酸化池进水5 L/h)作为最优进水比.

3 结论

在污泥水解酸化A2O组合工艺模型基础上,探究混合液内回流比、污泥回流比、厌氧池和水解酸化池进水配比这3个因素,对组合工艺处去除污物进行模拟讨论分析,得到以下结论:

1) 当仅考虑混合液内回流比对污泥水解酸化A2O组合工艺的对污染物去除效果时,在150%到300%内随着回流比的增加,系统污染物去除的能力增加,COD去除率从86.2%上升至87.11%,NH3-N去除率从97.74%上升至97.98%,TN的去除率从70.8%上升到76.7%;但是当混合液回流比增大到400%时,组合工艺脱氮的效果却明显下降,TN的去除率降到62.3%,因为模型考虑到溶解氧对微生物反应的影响,大量的溶解氧随着混合液回流至缺氧池,缺氧的环境从而被破坏,抑制了反硝化菌活性,从而导致脱氮能力下降.

2) 在混合液回流比为300%的情况下,污泥回流比的增大,使系统的去除污染物的能力增强,但是幅度不大.在综合考虑组合系统去除污染物的能力和工艺运行能耗上,污泥回流比不宜取得过大,实际上,污泥回流是为了维持组合工艺系统中稳定的污泥浓度,无需增大运行能耗.

3) 在分析厌氧池和水解酸化池进水比对组合工艺去除污染物的效果时,发现在进水为2∶1、1∶1、1∶2的3种工况下,NH3-N的去除率基本不受影响,COD的去除率有小小的提升,分别为86.52%、87.11%、87.61%,TN的去除率却下降,分别为73.44%、71.05%、70.19%,考虑到脱氮的重要性,即使工况1时COD的去除率不如工况3,但仍然可以达到一级A的排放标准,选取工况1更适合作为本工艺最优进水比.

综合考虑经济成本和污染物的去除情况,混合液内回流比为300%,活化污泥回流比为80%,厌氧池进水10 L/h,水解酸化池进水5 L/h为本工艺的最优工况,组合工艺对污染物有非常好的去除,在经济成本也有非常好的节约,使用该模型对水解酸化A2O组合处理污水有非常重要的指导意义.