数学模拟技术用于污水厂生化单元的工艺优化*

宁艳春，蒲文晶，饶辉凯，邱延波，史耀波，庄立波，邵 巍

(1.中国石油吉林石化公司 研究院,吉林 吉林 132021；2.中国石油吉林石化公司 污水处理厂,吉林 吉林 132021)

污水厂生化处理单元的工艺主要为A/O工艺，即前置反硝化生物脱氮工艺。数学模拟技术作为一种模拟仿真技术，可方便、快捷、有效地应用于工艺优化以提高出水水质、降低运行成本等[1-8]。通过数学模拟技术建立污水厂生化单元的数学模型，进行运行模拟，从而达到工艺优化的目标。

1 生化单元数学模型建立的基础

取污水厂生化处理单元四个系列中的一系列，建立数学模型。一系列共有两个生化反应池，各五个廊道，第一廊道为兼氧反应池(A池)，第二到第五廊道为好氧反应池(O池)。有三个二沉池，污泥回流到生化配水配泥井。污水厂生化单元的工艺流程示意图见图1。

图1 污水厂生化单元工艺流程示意图

1.1 反应器参数

各反应器的有效结构尺寸，体积等见表1。

表1 各反应器的结构尺寸

1.2 污水特征化补测数据

由于污水厂运行数据中缺少部分模型需要的数据，因此在进行工艺模拟时需要补测一些数据。为此开展了污水水质特征化研究，确定实验阶段的主要水质参数。

2 模型的建立

2.1 模拟软件

使用的生物模型为BioWin活性污泥模型[2]，二沉池采用理想模型，所有的模拟都在BioWin软件平台上进行。BioWin是为污水处理厂设计和操作工程师开发的一个工具，是强有力且易使用的软件。

2.2 工艺流程

应用BioWin软件建立工艺模拟流程，为了建立的模型简单方便，将一系列的两个并联的生化反应池(各五个廊道)，整合为五个反应池，即一个A池、四个O池。将三个二沉池整合为一个二沉池。

工艺模拟流程见图2。

图2 污水厂生化单元一系列工艺模拟流程图

3 模型校准和验证

3.1 溶解氧

测定生化单元一系列各个廊道的溶解氧(DO)数据见表2。

表2 污水厂一系列各廊道溶解氧平均值

3.2 进水的水质指标和信息

根据污水特征化的实验结果，输入模型的进水水质指标见表3。

表3 生化进水的水质指标

3.3 进水的组分化参数

根据污水特征化的实验结果，调整少量污水组分化参数，取值见表4。

表4 进水的组分化参数

3.4 调整动力学参数

调整的动力学参数见表5。

表5 动力学参数

3.5 模型验证

3.5.1 稳态模拟

初始工艺条件：好氧池4个廊道的溶解氧分别为5.76、7.62、8.33、8.20 mg/L；剩余污泥排放量：240 m3/d；污泥回流比100%，进行模拟，结果对比见表6。

表6 一系列生化出水的模拟值与实测值的对比

从表6中的数据可以看出，COD、ρ(硝酸盐氮)、ρ(氨氮)的模拟值与实测值非常接近。

3.5.2 动态模拟

动态模拟运行结果见图3。

日期图3 生化单元动态运行结果

从图3可以看出，COD实测值在模拟值的上下进行波动，说明模型的模拟结果与实测数据拟合得比较好。

4 运行模拟

以建立的数学模型为基础，进行运行模拟。分别对溶解氧、污泥回流比的工艺参数进行条件变化，对不同工况条件进行运行模拟，得到一些规律。

4.1 溶解氧

改变四个廊道的溶解氧，进行运行模拟，模拟结果见表7。

表7 不同溶解氧情况下的运行模拟结果

从表7中的数据可以看出，随着溶解氧的减小、COD升高、ρ(硝酸盐氮)降低、ρ(氨氮)降低。模拟结果中COD、ρ(氨氮)数值的变化并不大。目前好氧池4个廊道的溶解氧分别为5.76、7.62、8.33、8.20 mg/L；如果均降至2 mg/L，则出水COD升高0.3%、ρ(硝酸盐氮)降低4.4%、ρ(氨氮)升高32%，但出水ρ(氨氮)只有0.37 mg/L,远远低于15 mg/L的排放标准，因此可以减少运行的鼓风机台数，减低能耗。

4.2 污泥回流比

改变污泥回流比，污泥回流比取100%、90%、80%、70%、60%、50%；进行运行模拟，模拟结果见表8。

表8 改变污泥回流比后的模拟结果

从表8中的数据可以看出，随着污泥回流比的减小，泥龄减小、出水COD减小、ρ(硝酸盐氮)升高、ρ(氨氮)降低、悬浮物减小，但剩余污泥固体量增加。当污泥回流比从100%减小到50%时，剩余污泥固体量增加13%，因为污泥的处理成本较高，虽然减小污泥回流比降低了动力消耗，但污泥的处理费用也增加了，因此需要两者综合优化考虑。

5 工艺参数的优化[13-15]

本着“在处理效果改变余地不大的情况下，在不影响处理效果的前提下，侧重考虑降低运行能耗，降低运行成本”的原则，重点考虑降低溶解氧、减小污泥回流比。

5.1 溶解氧的优化

污水处理厂日常运行费用的支出主要是电费。目前污水厂的曝气系统采用鼓风机(型号：D300；功率：630 kW)，污水电耗为0.42 kWh/t，工业用电按电费0.70元/(kW·h)计，合计为0.294元/t。四个系列为1.176元/t，污水厂污水的处理总成本(包括人工成本)为2.48元/t，即四个系列的曝气动力消耗已占到总成本的47%，因此节能具有重要的意义。

将好氧池4个廊道的溶解氧分别均降至2 mg/L；则出水COD由66.2 mg/L升高到66.4 mg/L仅升高0.3%；ρ(硝酸盐氮)由7.32 mg/L下降到7.00 mg/L，降低4.4%；ρ(氨氮)由0.28 mg/L升高到0.37 mg/L，升高32%，但出水ρ(氨氮)只有0.37 mg/L,远远低于15 mg/L的排放标准，因此具有减少运行的鼓风机台数，减低能耗的余地。

5.2 污泥回流比的优化

目前受设备条件限制，只能有两种选择：开一个大泵(电机功率：160 kW),为两个系列提供污泥回流，污泥回流比为100%；或者开一个小泵(电机功率：75 kW),为两个系列提供污泥回流，污泥回流比为50%。将污泥回流比由100%降至50%[污水厂工业电费：0.70元/(kW·h)]，一系列可节约电费714元/d。

根据模拟结果，将污泥回流比由100%降至污泥回流比50%，剩余污泥固体量增加265.12 kg/d，折算成含水率为85%的污泥1.767 t，单位剩余污泥的处理成本按500元/t估算，污泥的处理费用会增加883.5元/d。大于将污泥回流比由100%降至污泥回流比50%节省的电费714元/d。由此可见，在目前的水质要求和设备条件下，污泥回流比为100%，比较合理。

6 结 论

(1)以建立的数学模型为基础，进行运行模拟，分别对溶解氧、污泥回流比的工艺参数进行条件变化，对不同工况条件进行运行模拟，得到一些规律：随着溶解氧的减小、COD升高、ρ(硝酸盐氮)降低、ρ(氨氮)降低；随着污泥回流比的减小，泥龄减小、出水COD减小、ρ(硝酸盐氮)升高、ρ(氨氮)降低、悬浮物减小，但剩余污泥固体量增加；

(2)工艺参数优化方面，可降低曝气池中的DO至2 mg/L，既保证出水水质变化不大，又可以减少运行的鼓风机台数，降低能耗。

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