卿曉霞，郭慶輝，周 健，王 誠，史孟彬

(1．重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400045；2．四川省建筑設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610017)

小城鎮(zhèn)污水處理廠具有規(guī)模小、負(fù)荷變化大的特點(diǎn)[1,2]，加上受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展水平的限制，不僅需要經(jīng)濟(jì)適用的污水處理工藝，而且對運(yùn)行調(diào)控的便捷性和節(jié)能降耗提出了更高的要求.由于生物-生態(tài)協(xié)同工藝具有處理效果好、運(yùn)行管理方便、成本低等特點(diǎn)[3-6]，已成為小城鎮(zhèn)污水處理研究的熱點(diǎn).陳秀榮等[7]采用AAO-人工濕地和穩(wěn)定塘優(yōu)化組合工藝用于城鎮(zhèn)污水脫氮除磷，根據(jù)進(jìn)水特征和單元工藝的特性調(diào)節(jié)單元工況類型和運(yùn)行參數(shù)，合理分配兩段污染物負(fù)荷，以求找到生物、生態(tài)協(xié)同優(yōu)化組合工況；章北平等[8]采用CIBR-波形潛流人工濕地處理城市污水，根據(jù)原水水質(zhì)和生態(tài)單元處理效能的季節(jié)性變化，通過優(yōu)化CIBR生物單元的運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)對城市污水的高效、低耗、穩(wěn)定、達(dá)標(biāo)處理.付國楷[9]采用活性污泥法-人工濕地聯(lián)合工藝處理城市污水，通過對不同季節(jié)多種運(yùn)行方式的優(yōu)化比較，確定了高效生物反應(yīng)器的四季運(yùn)行模式.上述針對生物-生態(tài)協(xié)同的優(yōu)化研究，多是以季節(jié)變化為基礎(chǔ)，對多種運(yùn)行工況進(jìn)行優(yōu)化組合，這種針對生物、生態(tài)污水處理系統(tǒng)運(yùn)行模式的調(diào)節(jié)方式相對固定，對降低生物單元運(yùn)行能耗的作用相對較小.本文從最優(yōu)化的角度，為生物-生態(tài)協(xié)同優(yōu)化研究提供一種新的思路.

本研究以構(gòu)建生物-生態(tài)污水處理系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行調(diào)控模式和節(jié)能降耗為目標(biāo)，針對不同季節(jié)，通過動(dòng)態(tài)分配生物、生態(tài)單元的處理負(fù)荷，以降低生物單元的處理負(fù)荷，并在此基礎(chǔ)上，以生物單元溶解氧濃度為控制變量、污水廠出水達(dá)標(biāo)為約束條件、曝氣能耗最小為目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建最優(yōu)化方程，通過求解獲得最短曝氣時(shí)間以及生物單元最小曝氣量以實(shí)現(xiàn)生物-生態(tài)協(xié)同污水處理系統(tǒng)的合理調(diào)控和節(jié)能運(yùn)行.

1 生物-生態(tài)污水處理系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化

1.1 生物-生態(tài)污水處理系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化策略

生物-生態(tài)污水處理系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化，包含2部分含義：一是優(yōu)化污染物負(fù)荷在生物單元和生態(tài)單元之間的分配；二是利用最優(yōu)化理論，使曝氣能耗降至最低.生物-生態(tài)協(xié)同處理污水系統(tǒng)流程圖如圖1所示.

圖1 生物-生態(tài)協(xié)同處理系統(tǒng)流程圖

圖1中,Q：污水流量，m3/d；S0，S1，Se：各單元進(jìn)、出水COD濃度，mg/L；SA0，SA1，SAe：各單元進(jìn)、出水氨氮濃度，mg/L；SN0，SN1，SNe：各單元進(jìn)、出水總氮濃度，mg/L；t1：生物單元曝氣反應(yīng)時(shí)間，h；DO：生物單元溶解氧濃度，mg/L；O2：鼓風(fēng)機(jī)房向生物單元曝氣的供氧量，單位：kgO2.

由于生態(tài)單元在運(yùn)行過程中無動(dòng)力損耗且管理方便[10-11]，所以提出生物-生態(tài)協(xié)同優(yōu)化策略如下：

①最大限度地發(fā)揮生態(tài)單元的處理效能，以降低生物單元的處理負(fù)荷.

②在目標(biāo)①實(shí)現(xiàn)的前提下，優(yōu)化生物單元的曝氣量，即利用最優(yōu)化理論，在滿足約束條件的前提下，使生物單元的曝氣能耗最小.

1.2 生態(tài)單元處理負(fù)荷

生態(tài)單元面積去除負(fù)荷為

(1)

式中：Ns為生態(tài)單元面積去除負(fù)荷，kg/(m2·d)；A為生態(tài)單元面積，m2.

由式(1)可知，生態(tài)單元污染物降解量為：

(2)

污水經(jīng)生物-生態(tài)協(xié)同處理后，其出水水質(zhì)應(yīng)達(dá)到國家相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，即Se≤S標(biāo)準(zhǔn).在不同的季節(jié)，生態(tài)單元處理效能有所不同，結(jié)合生態(tài)單元在不同季節(jié)下的面積去除負(fù)荷，可得該季節(jié)下生態(tài)單元的允許進(jìn)水濃度：

(3)

這樣，生物-生態(tài)協(xié)同污水處理系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，只需維持生物單元處理出水濃度達(dá)到生態(tài)單元的允許進(jìn)水濃度即可.這樣既發(fā)揮了人工濕地的最大處理能力，又減輕了生物單元的負(fù)擔(dān)，從而降低污水處理的能耗.

1.3 生物單元最優(yōu)化模型的構(gòu)建

1.3.1 狀態(tài)方程

根據(jù)建立的基質(zhì)質(zhì)量平衡方程以及米-門方程式，結(jié)合前期試驗(yàn)結(jié)果得出生物單元COD、 NH4+-N以及TN的降解動(dòng)力學(xué)模型[12]如下：

S1=S0·exp (-0.426 7×1.05(T-20)·t1)，

(4)

SA1=SA0-12.793×1.05(T-20)·t1，

(5)

SN1=SN0·exp (-0.37×1.05(T-20)·t1)．

(6)

式中：T為溫度，℃.

污染物的降解考慮溶解氧的影響時(shí)，通常用氧的開關(guān)函數(shù)來修正溶解氧(DO)對污染物最大比降解速率的影響[13]，即：

(7)

式中：Ka為氧的開關(guān)常數(shù)或氧的飽和常數(shù)(mg/L)，其取值定量地反應(yīng)了DO對最大比降解速率的影響大小，一般Ka取0.20 mg/L.用Ka修正溶解氧對污染物的最大比降解速率，根據(jù)設(shè)定的時(shí)間參數(shù)，得到生物單元出水COD，NH4+-N以及TN濃度狀態(tài)方程：

(8)

1.3.2 目標(biāo)函數(shù)

生物單元的能耗主要來自鼓風(fēng)機(jī)曝氣供氧，因此，充氧量的多少?zèng)Q定了鼓風(fēng)機(jī)能耗的大小.生物單元需氧量模型如下式所示：

ΔO2=0.001aQBODr-c·ΔXV+

b[0.001Q(Nk-Nke)-0.12ΔXV]-

0.62b[0.001Q(Nt-Nke-Noe)-0.12ΔXV]

(9)

式中：ΔO2為生物單元需氧量，kgO2；a為微生物對有機(jī)污染物氧化分解過程中的需氧率，即微生物每代謝1 kg BOD的需氧量；BODr為經(jīng)微生物代謝活動(dòng)降解的有機(jī)污染物量，以BOD值計(jì)，數(shù)值上等于0.57(S0-S1)[14]，kg；c為微生物通過內(nèi)源代謝自身氧化過程的需氧率，即每kg微生物自身氧化所需要的氧量；ΔXV為排出生物反應(yīng)池系統(tǒng)的微生物量， kg/d；b為微生物對氨氮氧化分解過程的需氧率，即微生物每代謝1 kg氨氮所需要的氧量；Nk為生物反應(yīng)池進(jìn)水總凱氏氮濃度， mg/L；Nke為生物反應(yīng)池出水總凱氏氮濃度，mg/L；Nt為生物反應(yīng)池進(jìn)水總氮濃度，mg/L；Noe為生物反應(yīng)池出水硝態(tài)氮濃度，mg/L；0.12ΔXV為排出生物反應(yīng)系統(tǒng)的微生物中含氮量，kg/d.

排出生物反應(yīng)系統(tǒng)的微生物量：

(10)

式中：y為MLSS中MLVSS所占的比例；Yt為污泥產(chǎn)率系數(shù)；C0為生物單元進(jìn)水五日生化需氧量濃度，mg/L；Ce為生物單元出水五日生化需氧量濃度，mg/L．

因?yàn)槲鬯畯S進(jìn)水硝態(tài)氮濃度非常低，在此忽略不計(jì)，所以進(jìn)水凱氏氮濃度用進(jìn)水總氮濃度代替；生物單元出水已基本不含有機(jī)氮，所以出水凱氏氮濃度用出水氨氮濃度代替.由此，可得出生物單元的曝氣能耗：

R·(0.001aQBODr-c·ΔXV+b[0.001Q(Nk-Nke)-

0.12ΔXV]-0.62b[0.001Q(Nt-Nke-Noe)-

0.12ΔXV])/EA=R·(5.7×10-4aQ(S0-S1)-

c·ΔXV+b[0.001Q(SN0-SA1)-

0.12ΔXV]-0.62b[0.001Q(SN0-SA1-

(SN1-SA1)]-0.12ΔXV])/EA

=R·(5.7×10-4aQ(S0-S1)+3.8×10-4bQSN0-

0.001bQSA1+6.2×10-4bQSN1-

2.6×10-5byYtQ(S0-S1))/EA．

(11)

式中：J為生物單元曝氣能耗，kWh；R為轉(zhuǎn)移單位質(zhì)量氧氣所需要的能耗，kWh/kgO2;EA為氧轉(zhuǎn)移效率.

1.3.3 生物單元曝氣能耗最優(yōu)化模型

綜上所述，生物單元曝氣能耗最小的最優(yōu)化方程如下：

目標(biāo)函數(shù)：

Jmin=R·(5.7×10-4aQ(S0-S1)+

3.8×10-4bQSN0-

0.001bQSA1+6.2×10-4bQSN1-

2.6×10-5byYtQ(S0-S1))/EA．

(12)

狀態(tài)方程：

(13)

約束條件：

(14)

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概述

將本研究成果應(yīng)用于重慶某小城鎮(zhèn)污水處理廠，該污水廠采用SBBR-人工濕地協(xié)同處理工藝.該工藝運(yùn)行方式靈活，4格SBBR池間歇進(jìn)水，序批式運(yùn)行，在依次經(jīng)歷反應(yīng)、沉淀、排水和閑置等工序完成對污水的生物處理.

該污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模Q為1 500 m3/d，人工濕地面積A為1 368 m2.設(shè)計(jì)出水水質(zhì)CODCr≤60 mg/L，TN≤20 mg/L，當(dāng)水溫>12 ℃時(shí)，NH4+-N≤8 mg/L，當(dāng)水溫≤12 ℃時(shí)，NH4+-N≤15 mg/L.

2.2 協(xié)同優(yōu)化過程

2.2.1 生態(tài)單元處理負(fù)荷

根據(jù)工藝試驗(yàn)結(jié)果[15]，得到不同季節(jié)人工濕地的面積去除負(fù)荷Ns如表1所示.

表1 各季節(jié)下人工濕地面積去除負(fù)荷Ns

當(dāng)Q為1 500 m3/d，人工濕地面積A為1 368 m2時(shí)，由式(3)求得各季節(jié)下人工濕地允許的進(jìn)水濃度列于表2中.

表2 各季節(jié)下人工濕地允許進(jìn)水濃度

2.2.2 曝氣能耗優(yōu)化

以該污水處理廠春季某一天(20 ℃)為例進(jìn)行曝氣能耗優(yōu)化計(jì)算.污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)：CODCr=245 mg/L，NH4+-N=63 mg/L，TN=74 mg/L，PO43--P=3 mg/L .SBBR池出水只要達(dá)到人工濕地允許進(jìn)水濃度即可.

根據(jù)運(yùn)行周期以及SBBR池個(gè)數(shù)，該污水處理廠SBBR池1個(gè)周期的污水處理量Q1約為360 m3.SBBR池1個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)曝氣反應(yīng)階段能耗最小的最優(yōu)化方程如下：

目標(biāo)函數(shù)：

Jmin=R·(5.7×10-4aQ1(S0-S1)+3.8×

10-4bQ1SN0-0.001bQ1SA1+6.2×10-4bQ1SN1-

2.6×10-5byYtQ1(S0-S1))/EA．

(15)

狀態(tài)方程：

(16)

約束條件：

(17)

其中[16]：

T=20 ℃；a=1.47 kgO2/kgBOD；

2.2.3 優(yōu)化方程求解

將上述各參數(shù)值代入最優(yōu)化方程中，目標(biāo)函數(shù)(15)化簡為：

Jmin=-0.098 8S1-0.575 8SA1+0.357 0SN1+40.407 4．

(18)

使用Matlab優(yōu)化工具箱中的fmincon函數(shù)，即可求得在滿足狀態(tài)方程(16)和約束條件(17)的情況下的最優(yōu)解，當(dāng)DO=4.58 mg/L，t1=2.3 h時(shí)，曝氣能耗J取得最小值31.7 kWh.

根據(jù)工藝試驗(yàn)[15]，在相同進(jìn)水水質(zhì)下，如僅運(yùn)行SBBR池使得出水水質(zhì)達(dá)到相同的標(biāo)準(zhǔn)，至少需要曝氣4 h.協(xié)同優(yōu)化后可縮短曝氣時(shí)間1.7 h，節(jié)電28.3 kWh，達(dá)到了降低能耗的目的.

2.2.4 最優(yōu)化方法的驗(yàn)證

為驗(yàn)證最優(yōu)化方法的實(shí)際效果，本研究于2013年春季對優(yōu)化方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究.試驗(yàn)分2個(gè)階段進(jìn)行，共計(jì)30 d.第1階段為2013/04/02～2013/04/16，第2階段為2013/05/05～2013/05/19，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3.

表3 協(xié)同優(yōu)化模型驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，按照本研究提出的協(xié)同優(yōu)化方法運(yùn)行污水廠，在滿足出水達(dá)標(biāo)排放的條件下，達(dá)到了節(jié)能降耗的目標(biāo).

3 結(jié) 論

1)提出了生物-生態(tài)污水處理系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化的思路是最大限度地發(fā)揮生態(tài)單元的凈化效能，即針對不同季節(jié)，通過動(dòng)態(tài)分配生物、生態(tài)單元的處理負(fù)荷，以降低生物單元的處理負(fù)荷，從而降低污水處理的能耗．

2)建立了以DO為控制變量、曝氣能耗最小為目標(biāo)函數(shù)、出水達(dá)標(biāo)排放為約束條件的最優(yōu)化方程.

3)以某小城鎮(zhèn)污水處理廠為例，采用生物-生態(tài)協(xié)同處理工藝，在進(jìn)水CODCr=245 mg/L,NH4+-N =63 mg/L,TN=74 mg/L,PO43--P=3 mg/L,出水CODCr≤60 mg/L，TN≤20 mg/L，NH4+-N≤8 mg/L的情況下，維持生物池DO值4.58 mg/L，連續(xù)曝氣2.3 h，曝氣能耗31.7 kWh.與單獨(dú)運(yùn)行SBBR工藝相比，可縮短曝氣時(shí)間1.7 h，節(jié)電28.3 kWh，節(jié)能效果顯著.并且，經(jīng)過30 d試驗(yàn)驗(yàn)證，該最優(yōu)化方法效果良好.

[1]AGUILERA S G, RAVENEAU-CHAMPION B, DAUTHUILLE P. The Rhizopur process ten years on: a green solution for sewage treatment in small communities [J]. Water Science and Technology, 2011, 64(8): 1614- 1620.

[2]王曉丹, 龍騰銳, 丁文川, 等. 重慶市典型小城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)特征分析[J]. 西南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2012, 34 (1): 117-121.

WANG Xiao-dan, LONG Teng-rui, DING Wen-chuan,etal. Analysis of influent quality for a sewage treatment plant in a typical small town in Chongqing[J]. Journal of Southwest University: Natural Science, 2012, 34 (1): 117-121.(In Chinese)

[3]KAVANAGH L J, KELLER J. Engineered ecosystem for sustainable on-site wastewater treatment[J]. Water Research, 2007, 41(8)：1823- 1831.

[4]ANTONIADIS A, TAKAVAKOGLOU V, ZALIDIS G,etal. Municipal wastewater treatment by sequential combination of photocatalytic oxidation with constructed wetlands[J]. Catalysis Today, 2010(151):114-118.

[5]STEINMANN C R, WEINHART S, MELZER A. A combined system of lagoon and constructed wetland for an effective wastewater treatment[J]. Water Research, 2003, 37(9): 2035-2042.

[6]ZHANG Peng, HAI Re-ti, ZHOU Dong-kai,etal. Synergism of novel sequence bio-ecological process and biological aerated filter for sewage treatment in cold climate[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2011, 19 (5):881-890.

[7]陳秀榮, 周琪, 趙書成. 生物-生態(tài)優(yōu)化組合工藝處理城市污水試驗(yàn)[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2006, 34(8): 1061- 1064.

CHEN Xiu-rong, ZHOU Qi, ZHAO Shu-cheng. Optimal combinative technology of biological and ecological treatment of municipal wastewater[J]. Journal of Tongji University: Natural Science, 2006, 34(8): 1061-1064. (In Chinese)

[8]章北平, 劉禮詳, 陸謝娟, 等. 城市污水生物-生態(tài)處理工藝的能效分析[J]. 中國給水排水, 2008, 24(5):68-76.

ZHANG Bei-ping, LIU Li-xiang, LU Xie-juan,etal. Energy efficiency analysis of biological and ecological system used to municipal wastewater treatment[J]. China Water & Wastewater, 2008, 24(5):68-76. (In Chinese)

[9]付國楷. 活性污泥法-人工濕地聯(lián)合處理城市污水研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 2007:148-168.

FU Guo-kai. Research on activated sludge process- constructed wetland combinative technology treating municipal wastewater[D]. Shanghai: School of Environmental Science and Engineering, Tongji University.2007:148-168. (In Chinese)

[10]COHEN MICHAEL F, CADEN H, KOZLOWSKI J,etal.Wastewater polishing by a channelized macrophyte-dominated wetland and anaerobic digestion of the harvested phytomass[J]. Journal of Environmental Science and Health, 2013, 48(3): 319- 330.

[11]CHEN B Z, CHEN M, ZHOU Y,etal. Emergy as embodied energy based assessment for local sustainability of a constructed wetland in Beijing [J]. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2009, 14(2): 622-635.

[12]王誠. 生物-生態(tài)污水處理系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化及控制策略研究[D]. 重慶:重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院, 2012:9-23.

WANG Cheng. Optimizing sewage treatment system of bio-ecological collaboration and researching control strategy[D]. Chongqing: College of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University. 2012:9-23. (In Chinese)

[13]彭永臻，高景峰，隋銘?zhàn)? 活性污泥法動(dòng)力學(xué)模型的研究與發(fā)展[J]. 給水排水, 2000, 26(8):15-19.

PENG Yong-zhen, GAO Jing-feng, SUI Ming-hao,etal. Research and development of dynamical model used to activated sludge process[J]. Water & Wastewater, 2000, 26(8):15-19. (In Chinese)

[14]郭勁松, 龍騰銳. 城市污水BOD與COD關(guān)系的探討[J].中國給水排水,1994,(4):17-20.

GUO Jin-song, LONG Teng-rui. Discussion of BOD and COD in municipal wastewater[J]. China Water & Wastewater, 1994, (4):17-20. (In Chinese)

[15]史孟彬. 小城鎮(zhèn)污水序批式生物-生態(tài)協(xié)同處理工藝脫氮效能研究 [D].重慶:重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院, 2012:23-29.

SHI Meng-bin. Research on nitrogen removal efficiency of sequencing batch biofilm and ecological collaborative treatment to small town sewage[D]. Chongqing: College of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, 2012:23-29. (In Chinese)

[16]張自杰, 林榮忱, 金儒霖. 排水工程下冊 [M]. 4版. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2000:143-148.

ZHANG Zi-jie, LIN Rong-chen, JIN Ru-lin. Drainage Engineering Part II[M]. 4th ed. Beijing: Architectural Industry Press of China, 2000:143-148. (In Chinese)