高海燕

(河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 宣鋼分院，河北 張家口 075100)

水資源與社會(huì)息息相關(guān)內(nèi)，直接影響到人類的生存和發(fā)展，也與社會(huì)將來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相連。我國(guó)的水資源大約為2.8萬億m3，而人均可以分配到的占有量?jī)H占為2 300 m3，是世界人均水資源占有比較貧乏的國(guó)家之一。隨著氣候變化以及極端的氣候現(xiàn)象導(dǎo)致水資源的分布更加不均。此時(shí)，污水的及時(shí)處理，使得水資源更加快速循環(huán)就顯得格外重要。污水處理工藝既是對(duì)城市生活污水和工業(yè)廢水進(jìn)行各種經(jīng)濟(jì)、合理、科學(xué)、有效的工藝處理方法。常見的污水處理工藝有SBR工藝是一種序列間歇式活性污泥法的簡(jiǎn)稱，按間歇曝氣方式來運(yùn)行的活性污泥污水處理技術(shù)，又稱序批式活性污泥法；A2O即污水生物處理中典型的脫氮除磷工藝、UASB即上流式厭氧污泥床反應(yīng)器，是一種處理污水的厭氧生物方法，又叫升流式厭氧污泥床。其中厭氧/缺氧/好氧(A2O)工藝是當(dāng)今國(guó)內(nèi)污水處理廠的主流工藝，在此過程中有機(jī)碳、氮和磷可以同時(shí)去除[1-2]。然而，傳統(tǒng)的A2O工藝在實(shí)際應(yīng)用中也不可避免地會(huì)存在一些不可忽視的缺點(diǎn)，如當(dāng)厭氧區(qū)在前面時(shí)，回流過程中含有硝酸鹽的污泥會(huì)對(duì)下一工序厭氧區(qū)產(chǎn)生不利的影響；缺氧區(qū)居中時(shí)，不均勻的碳源分配會(huì)在硝化反應(yīng)中影響整體脫氮效果，此外，這種傳統(tǒng)工藝在排放剩余污泥中可能會(huì)不經(jīng)厭氧狀態(tài)而直接由缺氧區(qū)進(jìn)入到好氧區(qū)，導(dǎo)致除磷效果不理想等問題。因此，大量的磷和硝酸鹽通常留在處理過的水中，這嚴(yán)重地挑戰(zhàn)了其安全的環(huán)境排放或再利用。多項(xiàng)研究表明，通過改變厭氧和缺氧步驟的位置對(duì)工藝進(jìn)行輕微修改，可將磷去除率提高5%～8%。這種工藝通常被稱為反向工藝，已在中國(guó)和日本的100多個(gè)污水處理廠得到廣泛應(yīng)用[3]。然而，反向A2O工藝在除磷方面并不總是優(yōu)于傳統(tǒng)的A2O工藝。例如，宋瑞平等[4]發(fā)現(xiàn)，常規(guī)工藝的總磷去除率為83.8%，而反向工藝的總磷去除率為78.9%。

此外，從本質(zhì)上來說，A2O工藝屬于傳統(tǒng)活性污泥出來工藝，但是其融合了生物硝化及反硝化反應(yīng)和生物除磷工藝，這確保了A2O工藝在污水處理中的普遍適用性。同時(shí)，從實(shí)際應(yīng)用效果上看，A2O工藝也具有優(yōu)異的抗沖擊性能，在高濃度的城市污水處理中也能滿足基本需求。數(shù)學(xué)模型指的是運(yùn)用數(shù)理方法和數(shù)學(xué)語言建構(gòu)所需內(nèi)容的科學(xué)或工程模型。對(duì)于特定方向上的研究對(duì)象，運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型工具進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化假設(shè)，最后通過數(shù)學(xué)語言表述出來一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，再將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用?？梢灾罃?shù)學(xué)建模為研究污水生物處理系統(tǒng)中復(fù)雜的污染物轉(zhuǎn)化過程提供了有效的工具[3-5]。并且已有多個(gè)集成數(shù)學(xué)模型和活性污泥模型模擬A2O技術(shù)處理城市污水。

1 A2O技術(shù)

A2O技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代，由美國(guó)學(xué)者Krichten.D.J基于厭氧/好氧工藝研發(fā)出的可同步脫氮除磷的厭氧—缺氧—好氧污水處理工藝[6-7]。該工藝由于存在厭氧、缺氧、好氧的反應(yīng)循環(huán)，所以絲狀菌的繁殖會(huì)受到抑制，從而不會(huì)發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象，污泥指數(shù)也會(huì)小于100，并且沉降性良好。其次該工藝可實(shí)現(xiàn)脫氮除磷和有機(jī)物降解的同步進(jìn)行。該工藝流程簡(jiǎn)單，A2O工藝流程如圖1所示。

圖1 A2O工藝流程Fig.1 A2O process flow

A2O技術(shù)在除磷方面有著尤其出色的表現(xiàn)，A2O工藝特性曲線如圖2所示。

圖2 A2O工藝特性曲線Fig.2 A2O process characteristic curve

1.1 A2O工藝原理

一般情況下，可將A2O脫氮除磷工藝分為3個(gè)部分，其中可以通過二沉池的污泥回流穩(wěn)定體系微生物總量，硝化液回流致缺氧段從而完成工藝中脫氮的部分。而聚磷菌(PAOs)在厭氧與有氧的過程中完成對(duì)污水中磷的釋放與吸收，最終實(shí)現(xiàn)除磷的目的地。

(1)厭氧區(qū)。污水和回流的污泥同時(shí)進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，由于回流的污泥中帶有兼性厭氧發(fā)酵菌作用于新進(jìn)污水，這些發(fā)酵菌可使得新進(jìn)污水中的可生物降解的有機(jī)物通過發(fā)酵反應(yīng)為低分子量的可揮發(fā)性脂肪酸。由于在厭氧的情況下，聚磷菌(PAOs)會(huì)釋放體內(nèi)的多聚磷酸鹽以及能量，其中一部分能量會(huì)維持聚磷菌的生理活動(dòng)，而另一部分能量則可以完成發(fā)酵后產(chǎn)物的吸收與轉(zhuǎn)化，最后以聚羥基脂肪酸酯的形式儲(chǔ)存在聚磷菌的體內(nèi)，此過程則完成工藝對(duì)磷的釋放過程。

(2)缺氧區(qū)。由于硝化菌可以主動(dòng)吸收污水具有溶解性和生物降解性的有機(jī)物，所以在厭氧區(qū)流出的污水與系統(tǒng)的內(nèi)回流污水通過缺氧區(qū)時(shí)，內(nèi)回流污水中的硝酸鹽會(huì)發(fā)生反硝化反應(yīng)形成氮?dú)馀懦鬯幚硐到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)同步除碳脫氮。

(3)好氧區(qū)。在好氧區(qū)中，攜帶有聚磷菌的污水進(jìn)行有氧呼吸，分解并消耗在厭氧區(qū)中儲(chǔ)存的聚羥基脂肪酸酯并產(chǎn)生能量，能量可用首先用在聚磷菌的自身繁殖，另一方面可以提供生活在好氧區(qū)的聚磷菌吸收溶解性的磷，使得污水中磷的含量繼續(xù)下降，最后達(dá)到除磷的過程。而污水中的有機(jī)物通過釋磷和反硝化反應(yīng)使得濃度大大降低從而使本部分的硝化菌大量繁殖，進(jìn)而加速氨氮反應(yīng)轉(zhuǎn)為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，最后部分含氮鹽進(jìn)入二沉池，而部分返回厭氧區(qū)進(jìn)行反硝化反應(yīng)進(jìn)行脫氮。

(4)二沉池。反應(yīng)過程中的污泥會(huì)在二沉池中沉降，這些污泥中含有攜帶已經(jīng)超量吸收磷的聚磷菌，而含有這些聚磷菌的污泥會(huì)被排除系統(tǒng)，剩余的污泥會(huì)通過回流會(huì)到前段的厭氧區(qū)，最后達(dá)到平衡的穩(wěn)態(tài)。

1.2 影響因素

1.2.1 碳源的影響

污水中的碳源對(duì)于脫氮除磷的效果影響巨大，比如在厭氧部分，由于污水中揮發(fā)性的脂肪酸與溶解性磷存在相互關(guān)系，所以揮發(fā)性脂肪酸的總量是衡量一個(gè)污水處理系統(tǒng)是否可行的重要指標(biāo)；又或者是在缺氧部分，當(dāng)污水中的碳源處于較高的水平時(shí)，反硝化的速率則會(huì)加快，所以碳源在缺氧段具有極其重要的地位；最后，好氧部分中過量的碳源可以促進(jìn)異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)，加快微生物代謝，這樣可使得處理更完全。

1.2.2 溶解氧的影響

各個(gè)部分對(duì)于溶解氧的要求并不相同，所以溶解氧對(duì)各個(gè)部分的影響也并不相同，比如在厭氧部分中由于要執(zhí)行嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，繼而可以在好氧部分最大限度地發(fā)揮作用，達(dá)到除磷的作用；又比如在缺氧部分中，由于溶解氧的濃度直接影響脫氮除磷的反應(yīng)速率，所以在缺氧區(qū)間內(nèi)，調(diào)控溶氧量尤其重要，而在好氧區(qū)間中，過量的溶氧量對(duì)硝化菌有促進(jìn)作用。

1.2.3 回流比的影響

A2O工藝中存在兩種回流，即硝化液回流R和污泥回流r，其中R的回流目的是為了將好氧區(qū)硝酸鹽和亞硝酸鹽 進(jìn)行反硝化過程從而達(dá)到除氮去磷的目的；而r的有效回流可以保證系統(tǒng)中活性污泥的穩(wěn)定[8]。

1.2.4 污泥齡與pH值的影響

污泥齡即是活性污泥的總量與每日排放的污泥量之比，它是活性污泥的平均停留時(shí)間，反映了微生物的生長(zhǎng)狀態(tài)、條件等因素，并且對(duì)微生物的生長(zhǎng)速率有著重要影響。不同污泥齡對(duì)A2O工藝中各組分的去除率如圖3所示。

pH值則直接影響工藝各部分，如厭氧部分的聚磷菌會(huì)在堿性較大的條件下，更好地促進(jìn)好氧部分的吸磷效果，而隨著pH值的下降至中性左右，反硝化效率達(dá)到最高。

圖3 不同污泥齡對(duì)A2O工藝中各組分的去除率Fig.3 Different sludge age on removal rate of each component in A2O process

2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

在1987年，國(guó)際水協(xié)正式發(fā)表活性污泥1號(hào)數(shù)學(xué)模型(ASM1)，將數(shù)學(xué)模型應(yīng)用至污水處理上，也推動(dòng)了數(shù)學(xué)模型的實(shí)際應(yīng)用。隨后，活性污泥2號(hào)(ASM2)以及2號(hào)D(ASM2D)亮相歷史舞臺(tái)，緊接著3號(hào)(ASM3)相繼發(fā)表，加快了數(shù)學(xué)模型的實(shí)際應(yīng)用[9]。

2.1 數(shù)學(xué)模型的發(fā)展

自活性污泥1號(hào)發(fā)表后10年，一直被環(huán)境相關(guān)工作者流傳并使用，ASM1模型應(yīng)用動(dòng)力學(xué)表達(dá)式描述了可以進(jìn)行反硝化的異養(yǎng)菌和進(jìn)行硝化的自養(yǎng)菌的生長(zhǎng)與衰亡，其本身受時(shí)代限制使得缺陷也略微明顯。一方面，相關(guān)工作者進(jìn)行優(yōu)化，將自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌的代謝路徑分開，使得ASM3模型誕生；另一方面，相關(guān)工作者則通過在描述硝化、反硝化、碳氧化，創(chuàng)建了一個(gè)包括有生物去磷的模型即ASM2號(hào)模型，并且建造了包括好氧除磷細(xì)菌與反硝化除磷細(xì)菌在內(nèi)的ASM2D號(hào)模型。本文集中介紹ASM2D的構(gòu)建以及應(yīng)用[10]。

2.2 數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

ASM2D模型是ASM2模型的完善與升級(jí)，共有19種組分、21種反應(yīng)、22個(gè)化學(xué)計(jì)量系數(shù)及45個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。該模型包括厭氧水解、發(fā)酵及生物除磷、化學(xué)除磷碳氮去除以及生物除磷過程等8個(gè)反應(yīng)過程。并且加入了聚磷菌在缺氧條件下的生長(zhǎng)過程從而獲取活性污泥系統(tǒng)中的生物除磷的相關(guān)數(shù)據(jù)。在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，劃分廢水組分和確定各種動(dòng)力學(xué)參數(shù)和化學(xué)計(jì)量系數(shù)是最為關(guān)鍵的，但是在很多情況下，一些參數(shù)不需要測(cè)定，使用假設(shè)值可收到良好的效果。在模型應(yīng)用時(shí)除了要對(duì)有機(jī)物(COD)作必要的試驗(yàn)區(qū)分外，大多數(shù)情況下并不需要對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)確定。模型通過GPS-X6.4軟件構(gòu)建，A2O系統(tǒng)采用串聯(lián)反應(yīng)的模式，生化反應(yīng)采用ASM2d模型，二沉池采用C4D簡(jiǎn)單建模。假定模擬過程中系統(tǒng)的溫度，PH值不變，有機(jī)物組分的濃度可以變化，但組成不變，微生物的營(yíng)養(yǎng)充分，二沉池內(nèi)物生化反應(yīng)僅設(shè)立一個(gè)固液分離點(diǎn)，并且異養(yǎng)菌不變。

通過列出機(jī)理方程式，解釋碳氧化、硝化、反硝化、吸磷、釋磷及化學(xué)除磷的生化反應(yīng)過程可以構(gòu)建模型。水質(zhì)會(huì)和上述生活反應(yīng)共同變化。將ASM2d模擬中的組分分為2個(gè)部分，即溶解性組分“S?”和顆粒性組分“X?”，而需要計(jì)算進(jìn)水的組分有SI(不可降解溶解性有機(jī)物)，SF(可發(fā)酵的以生物降解有機(jī)物)，SNO3(硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮)，SPHA(PAO的細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存物)，SPO4(溶解態(tài)無機(jī)磷)，SN2(氮?dú)?，SALK(堿度)，SNH4(銨態(tài)氮和氨氮)，SO2(溶解氧)，SA(發(fā)酵產(chǎn)物)，XS(緩慢可降解有機(jī)物)，XI(不可降解顆粒性有機(jī)物)，XMeOH(金屬氫氧化物)，XPAO(聚磷菌)，XAUT(硝化菌)，XH(異養(yǎng)菌)，XTSS(總懸浮固體)，XPP(聚磷酸鹽)，XMeP(金屬磷酸鹽)。

在構(gòu)建ASM2D模型采用化學(xué)計(jì)量系數(shù)描述單個(gè)反應(yīng)過程中，各組分間的數(shù)量關(guān)系以及典型值見表1。

表1 各組分間的數(shù)量關(guān)系以及典型值Tab.1 Quantitative relationship between components and typical values

ASM2d模型以矩陣的形式來描述生化反應(yīng)過程，每個(gè)過程的速率ρ和j表示，則各個(gè)組分組分總反應(yīng)速率可表示為：

ri=∑jVijρj

(1)

3 ASM2D的模擬應(yīng)用

活性污泥的數(shù)學(xué)模型描述了活性污泥體系中的組分以及相應(yīng)反應(yīng)，而模型的成功建立只是搭建好了一種描述的方法，接下來的模擬環(huán)節(jié)才是能否較好地反映活性污泥中的相應(yīng)數(shù)據(jù)的科學(xué)診斷依據(jù)和猜測(cè)依據(jù)，從而對(duì)最終結(jié)進(jìn)行校正。關(guān)于數(shù)學(xué)模型的穩(wěn)態(tài)模擬在整個(gè)構(gòu)建及其應(yīng)用的環(huán)節(jié)中都扮演著極其重要的作用，而穩(wěn)態(tài)即時(shí)反應(yīng)條件隨時(shí)間基本不變，假定模擬過程中系統(tǒng)的溫度、pH值不變，有機(jī)物組分的濃度可以變化，但組成不變，微生物的營(yíng)養(yǎng)充分，二沉池內(nèi)物生化反應(yīng)，僅設(shè)立一個(gè)固液分離點(diǎn)，并且異養(yǎng)菌不變。在該條件下賦值后將穩(wěn)態(tài)模擬出的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相對(duì)比，再調(diào)整參數(shù)來選擇最為吻合的數(shù)值，最后基于穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬調(diào)整參數(shù)值，將校正后的參數(shù)再進(jìn)行模擬分析，最終驗(yàn)證其可靠性。

3.1 ASM2D模擬構(gòu)建

通過軟件采取需要的模塊進(jìn)行組合，結(jié)合裝置使用，再將各單元長(zhǎng)度等物理參數(shù)輸入模擬中，即可完成模型的構(gòu)建(圖4)。

圖4 模型構(gòu)建Fig.4 Model building

3.2 靈敏度分析

靈敏度即改變單個(gè)參數(shù)對(duì)出水水質(zhì)指標(biāo)產(chǎn)生影響的量化分析，若該值發(fā)生變化則結(jié)果出現(xiàn)差異。通過公式(2)可計(jì)算靈敏度：

(2)

式中，S為靈敏度；x1為輸入?yún)?shù)；y1為輸出參數(shù)。

而靈敏度的大小對(duì)整個(gè)過程的影響可以分為3類：①靈敏度大于0.6時(shí)，參數(shù)對(duì)出水指標(biāo)影響大；②靈敏度在0.3～0.6時(shí)，影響較大；③靈敏度在0.1～0.3時(shí)，影響一般；而靈敏度在0.01～0.10時(shí)，影響較??；靈敏度小于0.01時(shí)基本無影響。

3.3 ASM2d模擬分析

為了檢測(cè)此次模擬在實(shí)際污水處理的運(yùn)用性是否合適，將程序針對(duì)某污水廠進(jìn)行數(shù)據(jù)收集并模擬分析。據(jù)分析和觀察該污水廠的水質(zhì)情況，提取工作時(shí)間內(nèi)兩月中較為完整的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬比較?？梢詼y(cè)得期間COD為406 mg/L，TSS為337 mg/L，TN為63 mg/L，BOD5為300 mg/L，進(jìn)水量在6×104m3/d左右(圖5)。

圖5 模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比分析Fig.5 Comparative analysis of simulated and measured values

在模擬了穩(wěn)態(tài)條件下的二沉池出水情況后，再跟進(jìn)次污水廠的實(shí)驗(yàn)室參數(shù)測(cè)定研究，同時(shí)結(jié)合模型參數(shù)分析與校正，最終得到了二沉池的出水模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)誤差為10%。在穩(wěn)態(tài)模擬并進(jìn)行參數(shù)的校正后再進(jìn)行幾次模擬驗(yàn)證，從而得到相對(duì)理想的結(jié)果，二沉池出水的模擬濃度值與實(shí)測(cè)值基本相符。

4 結(jié)語

水資源在日常生活中具有極其重要的地位，所以加快污水循環(huán)對(duì)于平均水資源分配并不是特別富裕的國(guó)家顯得尤其重要，此時(shí)預(yù)先進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬A2O工藝技術(shù)，再調(diào)整參數(shù)得到最適值在污水處理中非常重要，更有助于污水處理并循環(huán)。

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