基于数学模型的多模式AAO系统运行优化研究

周 振,胡大龙,吴志超,王志伟,杜兴治,蒋玲燕,乔卫敏 (.上海电力学院环境与化学工程学院,上海 00090；.同济大学环境科学与工程学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海 0009；.上海城投污水处理有限公司,上海 00)

基于数学模型的多模式AAO系统运行优化研究

周 振1*,胡大龙1,吴志超2,王志伟2,杜兴治3,蒋玲燕3,乔卫敏1(1.上海电力学院环境与化学工程学院,上海 200090；2.同济大学环境科学与工程学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海 200092；3.上海城投污水处理有限公司,上海 201203)

构建了综合考虑出水水质、污泥产量和系统能耗的运行成本指数CPI,并利用数学模型对多模式厌氧/缺氧/好氧(AAO)系统的AAO、倒置AAO(RAAO)和缺氧/好氧(AO)3种模式进行对比优化研究.在处理成本相近的前提下,在污泥龄5～25d范围内AAO模式的污染物去除效率和聚磷菌浓度明显高于RAAO和AO模式.在运行模式筛选的基础上,通过回流比优化确定了排放标准约束下AAO工艺的达标运行区域和最佳运行工况.动态模拟结果表明,优化工况能够显著改善出水水质,出水高于一级A的时间由78.4%下降至37.7%,CPI降低3.9%.

污水处理；优化；厌氧/缺氧/好氧工艺；活性污泥；数学模型

近年来,水资源的短缺和水污染的加剧使得脱氮除磷成为污水处理厂的首要任务.作为最为广泛应用的污水脱氮除磷技术,厌氧/缺氧/好氧(AAO)工艺通过不同的反应条件营造和复杂的操作变量控制实现了污水中COD和营养元素的同步去除[1-4].张波[5]通过 AAO 工艺厌氧和缺氧段的倒置提出了倒置 AAO(RAAO)工艺,该工艺支持者认为其具有前置反硝化强化脱氮、“群体效应”强化除磷、避免电子受体干扰厌氧释磷、厌氧合成的聚 β羟基烷酸(XPHA)高效利用等优点[6-8].然而,上述论述更多是基于推断,AAO 和RAAO的运行特性尚缺乏系统的对比分析.

多模式AAO系统可根据季节变化、排放要求和进水水质在AAO、RAAO和缺氧/好氧(AO)3种模式间灵活切换[9](图1).由于AAO工艺受污泥龄(SRT)、污泥回流(RAS)、混合液回流(MLR)和曝气强度等条件影响很大[10-13],多模式 AAO系统在增加系统灵活性的同时也带来了运行管理的挑战,通过实验优化存在很大难度.数学模拟则能很方便地优化污水处理工艺,确定最佳运行模式和工况条件[10,14-16].本研究拟在综合分析出水水质、污泥产量和系统能耗的基础上构建运行成本指数,并基于此对多模式AAO系统的3种运行模式对比分析与优化以确定最佳运行条件.

1 材料与方法

1.1 多模式AAO系统

以白龙港污水处理厂多模式AAO系统为优化对象,其工艺流程如图1所示.该系统可通过阀门V1和V2的启闭在3种模式间切换: V1关闭V2开启,为AAO模式;V1开启V2关闭,为RAAO模式; V1和V2同时关闭,为AO模式.

图1 多模式AAO系统工艺流程Fig.1 Flow chart of the multi-mode anaerobic/anoxic/oxic (MAAO)system

多模式 AAO系统处理水量为 200000m3/d,选择、厌氧、缺氧和好氧水力停留时间分别为0.3、1.3、2.3和 8.1h.系统运行工况为进水分配1:1,MLR和RAS比均为50%,SRT为15d,好氧区溶解氧(SO)为2.0mg/L,水温20.℃进水水质如表1所示, COD组分参照Zhou等[17].进水SO、氮气(SN2)、硝化菌(XAUT)、聚磷酸盐(XPP)和 XPHA输入值均为活性污泥模型[18]推荐值 0.001mg/L,金属氢氧化物(XMeOH)和磷酸盐(XMeP)取0.01mg/L.

表1 白龙港污水处理厂进水水质特性Table 1 Influent characteristics of the Bailonggang wastewater treatment plant

1.2 模型构建与参数校正

模型构建采用WEST 3.7.5软件完成.多模式AAO系统水力模型采用串联反应器模式.生化反应模型选择 ASM2dTemp模型,该模型可模拟不同温度下的碳氧化、硝化-反硝化以及包括反硝化除磷在内的生物除磷过程等.二沉池模型选用一维分层模型–双指数模型[19].本研究所用模型及其参数校正与验证参见文献[9,20].

1.3 模拟结果的评价指标

本研究在COST 624/682基准[21]及Gernaey等[22]模拟经验的基础上建立了针对水质、能耗、污泥产量等方面的评价指标体系,该体系主要用于初始时刻 t0到终止时刻 tf的动态模拟,其中部分评价指标亦可简化后用于稳态模拟评估.

1.3.1 出水水质指数(EQ)出水水质指数 EQ(kg污染物/d)计算如下:

式中:Qe为出水流量,m3/d;污染物负荷 PU(t)为各组分污染物之和.

各组分污染物负荷PUk(mg/L)可计算如下

式中:βk和 Ck分别为出水组分权重因子和浓度.西欧[21-22]通 常 取 βTSS=2;βCOD=1;βBOD=2;βTN=20;βTP=20.而根据我国《排污费征收标准管理办法》[23]核算,βTSS=0.25;βCOD=1;βBOD=2;βTN=0;βTP=4,该办法更侧重于有机物去除.本文综合考虑“十二五”氨氮减排要求和脱氮除磷,拟取值如下:βTSS=0.25;βCOD=1;βBOD=2;βNH=30;βTN=20;βTP=20.

1.3.2 出水超标(EV)出水超标评估是污水处理厂优化的重要内容[21].本文拟按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)[24]一级A标准优化评估.出水超标以超标次数(NV)和超标时间百分比(PV)定量衡量.NV指超标时间段的个数, PV则是一段时间内超标时间所占百分比.比较而言,PV更能准确反映出水超标的时间长度,两者取间隔15min的输出数据计算.

1.3.3 运行成本 运行成本需考虑污泥产量、水泵能耗、曝气能耗和混合能耗 4方面.污泥产量PAS(kg/d)为剩余污泥排放总量,可计算为:

式中:Qw为剩余污泥排放流量,m3/d;Xw为剩余污泥浓度,mg/L.水泵能耗PE(kW·h/d)计算为:

式中:Qa和Qr分别为MLR和RAS流量,m3/d.曝气能耗 AE(kW·h/d)计算应基于COST基准并考虑反应器体积[25]:

式中:KLa,i和 Vi为反应器 i的传质系数和体积,Vref为 1333m3.厌氧段和缺氧段需要搅拌混合以防污泥沉降.混合能耗 ME(kW·h/d)是反应区体积的函数:

其中,f(Vi)定义如下

1.3.4 运行成本性能参数 运行成本性能参数(CPI)可作为污水处理厂运行情况的总体衡量指标,计算如下:

式中:α 值采用如下推荐值[22]:αEQ=50;αAE=αPE=αME=25;αAS=75.出水污染物超标罚款(EF)部分的α值为 αEQ的 2倍.基于这一定义,出水中每一单位污染物排放均需缴纳一定数量的罚金.

2 结果与讨论

2.1 不同SRT下3种模式的运行特性对比

图2为不同SRT下多模式AAO系统3种运行模式出水水质模拟值的对比.当 SRT范围为5～25d时,20℃下3种模式的出水COD模拟值均在 32～39mg/L间波动,低于一级 A标准限定值.其中,AAO和RAAO的模拟曲线几乎重合,而AO工艺的模拟值则略高.

图2 多模式AAO系统出水水质随SRT的变化Fig.2 Variations of effluent pollutants of the MAAO system with SRT

由图 2(b)和 2(c)知,20℃时 3种模式的出水SNH、TN与SRT曲线呈类似趋势,这是因为硝化是脱氮的前提[1,26].两条曲线拐点均在7.5d左右:当SRT由7.5d降低到5.0d时,出水SNH和TN会迅速上升;当SRT＞7.5d时,出水SNH和TN分别低于2.0和14.0mg/L且缓慢降低.这也说明活性污泥系统存在硝化所需的最小SRT[27],且SRT＞7.5d时3种模式的SNH和TN均能稳定达到一级A的要求.值得注意的是,低泥龄时 RAAO 工艺更容易出现硝化和脱氮效果恶化的现象.

由图2(d)知,3种模式下出水TP模拟值均随SRT的升高而升高,这说明低SRT有利于生物除磷.AAO出水TP要明显低于RAAO和AO.如果要达到一级A对出水氮和磷的要求,AAO和AO模式的SRT范围分别为6～15和6～10d,而RAAO在5～25d的范围内无法达到一级A的要求.

图3为20℃时3种模式下好氧段混合液悬浮固体(MLSS)及微生物浓度随SRT的变化.在3种运行模式下,MLSS均随SRT增长近似呈线性增长,且 3者相差不大.AO 模式下异养菌(XH)浓度要高于RAAO和AAO,在SRT升高时该趋势尤为明显.3种模式下XAUT浓度均随SRT增加而增加,其中RAAO的XAUT略低于其他两种模式.在3种运行模式中,AAO的XPAO浓度明显高于其它两种模式,而AO又高于RAAO,这一模拟结果也可解释图2(d)中3种模式出水TP的差异.

图4为3种模式综合评价指标CPI随SRT的变化趋势对比.由图4知,CPI-SRT曲线在SRT为 7.5d时存在极小值,在 SRT由 7.5d增加到25.0d时,CPI基本不变.CPI-SRT曲线与出水SNH和TN曲线类似,这说明3种模式下运行成本主要受出水水质影响.比较而言,RAAO模式的CPI最高,而AAO模式略高于AO模式.

图4 多模式AAO系统CPI随SRT的变化Fig.4 Variations of CPI in the MAAO system with SRT

2.2 多模式AAO系统的长期运行优化

通过 3种模式对比分析知,在处理成本相近时,AAO的污染物去除效率明显高于 RAAO和AO,特别是对生物除磷而言.因此,本部分运行优化将针对AAO模式.由图2和4知,为稳定达到一级A,SRT可设定为12d.除SRT外,RAS和MLR也会显著影响 AAO的效果[1,10,12-13].本部分将模拟分析不同回流比对系统性能的影响,并通过构建系统操作图确定最优工况.RAS和MLR变化范围分别为50%～125%和0～200%,步长取25%.

图5为20℃时MLR和RAS对AAO系统出水TN、TP和CPI的影响.由于TN和TP在脱氮除磷系统中的重要性,图5(a)可作为AAO的达标排放操作图.曲线TP=0.5mg/L、TN=15mg/L和操作图边界间的区域可作为一级A达标运行区域;而曲线TP=1.0mg/L和边界围成的区域则是一级B达标运行区.图5(a)中所有MLR和RAS值均可满足二级标准的要求.在图 5(b)的等高线图中存在CPI为16.27k€/d的最小值点(125,75),该点在一级B达标运行区内;如果考虑一级A的达标要求, CPI在(150,50)处取最小值16.57k€/d.

图5 AAO系统出水TN、TP和CPI随MLR和RAS的变化(SRT=12d,20)℃Fig.5 Variations of effluent TN, TP and CPI with MLR and RAS in the AAO system (SRT=12d, 20)℃

图6为AAO系统按照基本工况与一级A约束优化工况运行时的出水水质对比.由图 6的动态模拟数据计算得到的出水水质、污泥产量和系统能耗指标如表2所示.由图6可知,优化工况的出水 COD略低于基本工况.由于优化工况的SRT(12d)低于基本工况(15d),所以优化工况下出水SNH略高.优化工况降低SRT实际上是在排放标准约束下脱氮和除磷效率的有效平衡.图 6中优化工况的出水TN和TP均低于基本工况.由表2可知,工况优化后EQ由62.70t/d降低至54.18t/d,出水水质明显改善,出水超标时间由 78.4%下降至37.7%,CPI指数降低了3.9%.

图6 20℃时AAO系统出水水质的优化对比Fig.6 Effluent quality of the AAO system under basic and optimal operational mode

表2 不同工况条件下AAO系统性能参数汇总Table 2 Performance indices of the AAO system under different operational conditions

3 结论

3.1 在处理成本相近的前提下, SRT 5～25d范围内AAO模式的污染物去除效率和聚磷菌浓度明显高于RAAO和AO模式.

3.2 通过内外回流比优化确定了一级A约束条件下AAO工艺的达标运行区域,并以CPI指数为目标函数确定最佳运行工况为 SRT=12d,MLR=150%, RAS=50%.

3.3 动态模拟结果表明,优化工况能够显著改善出水水质,出水超过一级A的时间由78.4%下降至37.7%,CPI指数降低了3.9%.

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Model-based optimization of the multimode anaerobic/anoxic/aerobic system.

ZHOU Zhen1*, HU Da-long1, WU Zhichao2, WANG Zhi-wei2, DU Xing-zhi3, JIANG Ling-yan3, QIAO Wei-min1(1.College of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China；2.College of Environmental Science and Engineering, State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Tongji University, Shanghai 200092, China；3.Shanghai Chengtou Wastewater Treatment Limited Company, Shanghai 201203, China). China Environmental Science,2014,34(7)：1734～1739

The cost performance index (CPI)of a wastewater treatment plant operating with multimode anaerobic/anoxic/oxic (AAO)system was calculated based on effluent quality, sludge production and energy consumption using a mathematical model. The multimode AAO system could be operated under three modes: AAO, reversed AAO(RAAO)and anoxic/oxic (AO), and CPI for each mode was studied and compared. On the promise of similar operation costs, the AAO mode showed higher pollutants removal efficiency and concentration of phosphorus-accumulating organisms than RAAO and AO modes at sludge retention time of 5～25d. The optimal operation parameters and qualified operational region under discharge standard restraint were established for the AAO process by regulating recirculation ratios. Dynamic simulation results showed that under optimized operating condition, effluent quality was significantly improved with percentage of violation decreased from 78.4% to 37.7%, and the CPI index was reduced by 3.9%.

wastewater treatment；optimization；anaerobic/anoxic/aerobic process；activated sludge；mathematical model

X703

A

1000-6923(2014)07-1734-06

2013-10-25

国家高技术研究发展计划(863)项目(2012AA063403);上海市科委能力建设计划项目(12250500900)

* 责任作者, 副教授, zhouzhen@shiep.edu.cn

周 振(1981-),男,山东临沂人,副教授,博士,主要从事水污染控制方面的研究.发表论文60余篇.