樊佳，武延坤，許仕榮*，張金松，李秀

(1.湖南大學土木工程學院，湖南 長沙 410082；2.深圳職業(yè)技術(shù)學院建筑與環(huán)境工程學院，廣東 深圳 518052； 3.深圳市水務(wù)(集團)有限公司，廣東 深圳 518030；4.清華大學深圳研究生院，廣東 深圳 518055)

城市污水處理廠處理污水時，垃圾滲濾液的混入會導致進水中NH4+–N 含量和TN 含量升高，出水面臨TN 含量超標的風險[1]。部分污水處理廠在運行管理過程中對混合液回流比、污泥回流比和溶解氧濃度等因素在脫氮過程中所起的作用認識不深，TN 含量去除難以達到預期目標[2]。目前，國內(nèi)針對A2O 工藝的強化脫氮措施大都采用中試或生產(chǎn)性試驗的方式，選取A2O 工藝中一個或幾個運行參數(shù)，考察其對脫氮的影響[3–4]，而對污水處理廠的運行進行數(shù)學模擬，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)分析和調(diào)整工藝參數(shù)的研究鮮見報道?；钚晕勰鄶?shù)學模型已被證實是研究、發(fā)展、優(yōu)化污水處理過程的有效手段之一[5]。筆者基于活性污泥數(shù)學模型ASM2d，以GPS–X 軟件為平臺，結(jié)合污水處理廠的實際運行數(shù)據(jù)對污水處理廠污水處理流程進行模擬，通過模擬試驗得出較佳運行工況，旨在為污水處理廠強化脫氮提供參考。

1 污水處理廠概況

試驗污水處理廠為某城市污水處理廠，共有4座A2O 生物處理池。單池的設(shè)計處理量為4.5×104m3/d。厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)的容積分別為3 110、7 358、14 500 m3，總水力停留時間為13.3 h，混合液回流比為100% ～300%，設(shè)計污泥齡為16.9 d，污泥回流比為33% ～ 100%。單池對應(yīng)6個長方形平流式二沉池，長、寬、高分別為50、8、3.7 m。為滿足排放要求，污水處理廠采取輔助化學除磷，處理后水質(zhì)要求達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》GB18918—2002 一級A 標準。

該污水處理廠主要處理城市污水(水中摻雜部分垃圾滲濾液)。垃圾滲濾液具有成分復雜、水質(zhì)水量變化大、污染物濃度高等特點[6–7]，滲濾液中主要污染物為溶解性有機物和NH4+–N。由于垃圾滲濾液的引入，該廠進水中TN 含量和NH4+–N 含量濃度較高(表1)，超出了該廠的設(shè)計處理能力。

表1 污水處理廠2013年8—9月進水水質(zhì)指標 Table 1 Influent characteristics from sewage treatment plant during August to Sepetember, 2013 mg/L

2 試驗方法

2.1 模型的構(gòu)建與校驗

2.1.1 模型的構(gòu)建

反應(yīng)器構(gòu)建是對污水處理工藝進行數(shù)學模擬的首要環(huán)節(jié)，決定了模擬結(jié)果的可靠性和真實性，其構(gòu)建應(yīng)遵循“簡化而不簡單”的原則[8]。根據(jù)污水處理廠的設(shè)計進水流量和各池的尺寸，計算出厭氧池、缺氧池和好氧池的佩克拉準數(shù)Pe(分別為18.7、12.3和10.5 時可認為是理想推流反應(yīng)器[9])。結(jié)合污水處理廠實際情況，分別利用1 段、2 段和4 段推流式反應(yīng)器來模擬該污水處理廠厭氧池、缺氧池和好氧池，以上反應(yīng)器生化反應(yīng)機理模型均采用ASM2d 模型。污水處理廠的二沉池為矩形平流沉淀池，故采用矩形平流沉淀池模塊對其進行模擬，其沉淀機理模型采用 Takacs 簡單的一維模型。利用加拿大Hydromantis 公司的GPS–X 仿真模擬軟件構(gòu)建上述推流式A2O 工藝的活性污泥模擬程序。采用龍格–庫塔–費爾伯格法對模型的微分方程進行求解。

2.1.2 模型的校驗

由于ASM2d 模型中包含了大量的動力學參數(shù)和化學計量學參數(shù)，模型使用中的一項關(guān)鍵工作就是取得適合于特定污水處理廠的活性污泥數(shù)學模型參數(shù)值。本研究中首先應(yīng)用靜態(tài)模擬法對模型進行校正，再使用動態(tài)模擬法對校正后的模型進行驗證。

在靜態(tài)模擬基礎(chǔ)上利用式(1)[10]進行靈敏度分析：

式中， a1、a2分別表示參數(shù)的典型值和變化后的值，y1、y2表示水質(zhì)考察指標在 a1和 a2下的對應(yīng)結(jié)果。根據(jù)上式對ASM2d 中的所有化學計量學參數(shù)和動力學參數(shù)進行靈敏度分析。

2.2 數(shù)值模擬試驗

針對出水TN 含量超標問題，選取A2O 工藝中對出水TN 含量影響較大且污水處理廠易于調(diào)控的混合液回流比、污泥回流比和好氧段溶解氧(DO)3個工藝參數(shù)進行分析。在已建立的數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，分別通過單因素試驗和多因素正交試驗模擬3個因素對污水處理廠污水處理效果的影響，以確定較佳工藝參數(shù)組合。初始試驗條件：水質(zhì)與水量采用污水處理廠2013年8—9月每日監(jiān)測值，運行參數(shù)(混合液回流比、污泥回流比和好氧段溶解氧)均采用污水處理廠實際運行數(shù)據(jù)。

2.2.1 單因素試驗

1) 混合液回流比的選取。A2O 工藝中混合液回流的作用是為缺氧段的反硝化反應(yīng)提供硝酸鹽。混合液回流比的大小直接影響反硝化脫氮的效果[11]。本次模擬考察混合液回流比為100%、200%、300%和400%時系統(tǒng)對污染物的去除效果。

2) 污泥回流比的選取。污泥回流比也是A2O工藝中重要的運行參數(shù)之一，污泥回流的主要作用是向系統(tǒng)提供活性污泥微生物，影響系統(tǒng)內(nèi)污染物，特別是氮、磷的去除。本次模擬中考察污泥回流比為60%、80%、100%和120%時系統(tǒng)對污染物的去除效果。

3) 好氧段溶解氧濃度的選取。在A2O 工藝中，好氧池中的溶解氧濃度對NH4+–N 含量去除起關(guān)鍵作用，而過低、過高的溶解氧濃度對TN 含量的去除都不利[12]。本次模擬考察好氧段溶解氧分別為1、 2、3、4mg/L 時系統(tǒng)對污染物的去除效果。

2.2.2 正交試驗

采取正交試驗法來確定推流式A2O 工藝的較佳運行工況。以出水TN 含量作為評價指標，采用L9(34)正交試驗確定混合液回流比(A)、污泥回流比(B)和好氧段溶解氧濃度(C)的較優(yōu)水平。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型的構(gòu)建與校驗結(jié)果

GPS–X仿真界面如圖1所示。仿真界面中構(gòu)筑物的形狀、尺寸、有效水深等物理參數(shù)與實際運行參數(shù)一致。

圖1 某污水處理廠推流式A2O工藝流程模擬圖 Fig. 1 A simulated chart of simulated process for plug-flow A2O

靜態(tài)模擬試驗數(shù)據(jù)為該廠2012年8—9月的進水水量與水質(zhì)指標實測數(shù)據(jù)平均值，即 Q 為3.66×104m3/d，COD 為470mg/L，TN 質(zhì)量濃度為59mg/L，質(zhì)量濃度為45mg/L，TP 質(zhì)量濃度為4.0mg/L，SS 質(zhì)量濃度為230mg/L。進水COD組分采用文獻[13]中的研究成果進行調(diào)整校正。將系統(tǒng)穩(wěn)定運行后得到的模擬結(jié)果平均值與實測結(jié)果平均值進行比較，發(fā)現(xiàn)除含量外，其他指標模擬值與實測值的相對誤差均小于10%。

根據(jù)(1)式對ASM2d 中所有化學計量學參數(shù)和動力學參數(shù)進行靈敏度分析的結(jié)果表明，對出水含量和TN 含量影響最大的參數(shù)依次為自養(yǎng)菌最大比增長率AUTμ 、自養(yǎng)菌衰減速率AUTb 和PHA 貯存的速率常數(shù)PHAq 。另有研究表明，硝化菌的最大比增長速率AUTμ 是對模擬結(jié)果影響最大的因素之一[14–15]，因此，考慮到進廠水中含有部分垃圾滲濾液，含量超過設(shè)計標準，本研究中著重對AUTμ 進行校核。運用GPS–X 軟件中自帶的參數(shù)優(yōu)化求解器，確定校核后，AUTμ 由典型值1 d–1調(diào)整為0.8 d–1。參數(shù)調(diào)整后所有指標模擬值與實測值的相對誤差均小于10%。

動態(tài)模擬試驗數(shù)據(jù)為污水處理廠2013年8—9月(60 d)進水水量與水質(zhì)每日監(jiān)測值，運用靈敏度分析結(jié)果調(diào)整參數(shù)AUTμ 為0.8 d–1，系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，出水中COD、TN 含量以及含量模擬結(jié)果與實測結(jié)果的相對誤差分別為2.1%、2.6%和1.6%。模擬結(jié)果表明，調(diào)整后的模型能很好地模擬污水處理廠的運行，可在此模型基礎(chǔ)上進行下一步模擬試驗研究。

3.2 模擬試驗結(jié)果

3.2.1 單因素試驗結(jié)果

適宜混合液回流比的選取。由圖2 可知，當混合液回流比由100%上升至300%時，出水TN 含量平均濃度有明顯降低，TN 含量去除率平均值由54.4%上升至70.5%，而混合液回流比再由300%上升至400%時，出水TN 含量去除率稍有下降，但下降并不明顯?？梢?，系統(tǒng)的脫氮效率隨混合液回流比的增加而升高，且混合液回流比的提升能強化系統(tǒng)的硝化和反硝化能力。結(jié)合上述試驗結(jié)果與能耗分析，選取較佳混合液回流比為300% ～400%。

圖2 不同混合液回流比條件下60 d 內(nèi)出水的TN 含量 Fig. 2 Different internal return ratios on contents of TN in 60 d

適宜污泥回流比的選取。由于污泥回流含有硝化反應(yīng)結(jié)束的硝酸鹽，回流比越大，被反硝化去除的硝酸鹽的量也越多，厭氧區(qū)和缺氧區(qū)的反硝化過程被強化。由圖3可知，當污泥回流比由60%提升至120%時，出水TN 含量平均值由14.83mg/L 降低至12.93mg/L。磷是通過排放剩余污泥來去除的，生物除磷時需要較短的污泥齡，并且污泥回流比過高會增大曝氣費用和二沉池的負荷，污泥回流比不宜取得過大，因此，選取較佳污泥回流比為100%。

圖3 不同污泥回流比條件下60 d 內(nèi)出水的TN 含量 Fig.3 Different sludge return ratios on contents of TN in 60 d

好氧段溶解氧濃度的選取。溶解氧是A2O 工藝中脫氮的重要影響因素。由圖4 可知，DO 質(zhì)量濃度由1mg/L 上升到3mg/L 時，出水TN 質(zhì)量濃度平均值由17.00mg/L 下降到14.38mg/L，再將DO升至4mg/L，TN 質(zhì)量濃度反而上升，且出水中含量上升。其原因是當好氧段DO 質(zhì)量濃度上升時，混合液回流中DO 被攜帶至缺氧段，破壞了缺氧段的反應(yīng)環(huán)境，影響了反硝化效果。在保證脫氮效果的前提下，考慮到運行能耗，將好氧段溶解氧質(zhì)量濃度控制在3mg/L 為宜。

圖4 不同好氧段溶解氧條件下60 d 內(nèi)出水的TN 含量 Fig.4 Different concentration of dissolved oxygen in aerobic tank

3.4 多因素正交模擬試驗結(jié)果

由表2 可知，試驗9 條件下平均出水TN 質(zhì)量濃度模擬值最低為10.75mg/L。由試驗極差可知，3個因子對出水TN 含量的影響從大到小依次為B(污泥回流比(%))、A(混合液回流比(%))、C(好氧段溶解氧質(zhì)量分數(shù)(mg/L))，A2O 工藝強化脫氮較佳工況為B3A3C2(混合液回流比400%，污泥回流比100%，好氧段溶解氧質(zhì)量濃度為3mg/L。

表2 多因素正交模擬試驗結(jié)果 Table 2 Result of orthogonal experiment with multi-factor

4 結(jié)論與討論

本試驗結(jié)果表明，基于ASM2d 搭建的推流式A2O 工藝數(shù)學模型能準確模擬污水處理廠的實際運行。基于所建立的模型進行模擬試驗，得出的優(yōu)化運行方案對污水處理廠的實際運行具有較好的指導作用。

混入垃圾滲濾液后TN 含量超標時，污水處理廠提高混合液回流比和污泥回流比能有效降低出水TN 含量。

多因素正交試驗優(yōu)化結(jié)果表明，當維持混合液回流比為400%，污泥回流比為100%，好氧段溶解氧為3mg/L 時，該污水處理廠可達到較佳脫氮效果。

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