蔣 明

(1.上海市城市建設設計研究總院，上海200125;2.上海市城市雨洪管理工程技術研究中心，上海 200125)

新型一體化AmOn反應器數(shù)值模擬與運行優(yōu)化研究

蔣 明

(1.上海市城市建設設計研究總院，上海200125;2.上海市城市雨洪管理工程技術研究中心，上海 200125)

在建立新型一體化AmOn反應器的數(shù)學建模方法的基礎上，對比實驗結(jié)果及數(shù)值模擬結(jié)果，對影響新型一體化AmOn反應器運行效果較大的相關參數(shù)(氣水比、C/N值和污泥齡)進行了數(shù)值模擬研究，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果進一步進行了運行優(yōu)化，為實現(xiàn)反應器的穩(wěn)定高效運行提供了依據(jù).圖6，參7.

新型一體化AmOn反應器;活性污泥2D模型;運行優(yōu)化

環(huán)境污染和水體富營養(yǎng)化問題的尖銳化迫使越來越多的國家和地區(qū)制定了嚴格的氮磷排放標準，如何經(jīng)濟有效地將氮磷從污水中去除，是維系人類社會可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素.現(xiàn)行常規(guī)的生物脫氮除磷工藝(例如A2/O)面臨著一些本身難以改善的問題，如在脫氮與除磷很難同時達到較好的處理效果，主要是由于脫氮細菌與除磷細菌之間存在碳源競爭，因此兩類微生物不能在各自最適宜的生長環(huán)境下生長.其次，傳統(tǒng)工藝為了達到較高的脫氮率，一般需要非常高的污泥及混合液回流，造成運行能耗居高不下，反應設備多且復雜，占地面積較大，初期投資很高.開發(fā)投資較小、處理效率較高、運行能耗較低的新一代生物脫氮除磷工藝，成為當前國內(nèi)外的研究熱點之一［1］.

課題組經(jīng)過數(shù)年的艱苦努力，開發(fā)出新型污水脫氮除磷處理工藝——新型一體化AmOn生物脫氮除磷污水處理工藝.它打破了常規(guī)工藝在空間和時間上的傳統(tǒng)理念，采用一體化的處理形式，極大的減少了占地面積，提高了運行及處理效率.研究表明，反應器具有耐沖擊負荷能力強，有機污染物去除效果高，一定的氮磷脫除能力，固液分離效果好，剩余污泥產(chǎn)量較少等特點［2］.

隨著污水生物處理數(shù)學模型的發(fā)展，仿真數(shù)值模擬日益成為污水處理工藝優(yōu)化和日常運行管理的核心.在國外數(shù)值模擬已廣泛在實際市政污水處理廠的優(yōu)化設計及運行管理增效中得到應用［3-4］.為了更好的對新型一體化AmOn反應器進行優(yōu)化，本研究以本課題組前期的試驗研究結(jié)果為基礎，主要利用活性污泥法模型中的ASM2D模型對新型一體化AmOn反應器進行數(shù)值建模和優(yōu)化運行分析.

1 新型一體化AmOn反應器

新型一體化AmOn反應器由有機玻璃制成，其結(jié)構(gòu)及實圖如圖1所示，在反應器底部進水，利用穿孔曝氣管對活性污泥進行曝氣，通過改變曝氣量和曝氣管高度來調(diào)整整個反應器的循環(huán)和分區(qū)效果;在回流縫處設置擋板，以增加水流的沿程損失，防止短流的發(fā)生.污水進入反應器后首先在厭氧/缺氧區(qū)與回流的混合液進行強烈混合，并在此區(qū)域發(fā)生反硝化作用及厭氧釋磷作用.之后污水與回流的混合液一起被帶到反應器上部的好氧區(qū)，在上部好氧區(qū)發(fā)生COD氧化、硝化及好氧吸磷作用.混合液通過曝氣提升作用形成高差，溢入導流區(qū)，并向下進入到沉淀區(qū)進行泥水分離，密度大的絮體沿著導流板往反應器下部沉淀并不斷濃縮，最終借助混合液回流重新參與整個反應器的污泥及混合液循環(huán).而泥水分離后的清水沿導流區(qū)向上由集水系統(tǒng)收集后流出反應器，從而完成整個有機物去除及脫氮除磷的過程［2］.

圖1 新型一體化AmOn反應器Fig.1 New AmOn integrative reactor

2 新型一體化AmOn反應器數(shù)學建模

選用活性污泥法模型中的ASM2D模型對新型一體化AmOn反應器進行數(shù)學建模，軟件平臺為WEST軟件，步驟為:①從WEST軟件的模型庫中選出適合新型一體化AmOn反應器反應機理的相關組件單元，與以前本課題組的模擬不同，根據(jù)最新的水動力試驗及RTD試驗結(jié)果［2］，模型創(chuàng)新的采用了三級厭缺氧/好氧串聯(lián)式反應池進行新型一體化A-mOn反應器的數(shù)學建模，見圖2;②輸入每個反應單元的尺寸大小、進出水流量及相應的模型組分，進水組分按照文獻［5］中的測定結(jié)果選用;③反應過程的穩(wěn)態(tài)模擬;④反應過程的動態(tài)模擬;⑤結(jié)合模擬結(jié)果反復進行模擬結(jié)果分析與參數(shù)校正［6］，得出最終與試驗結(jié)果基本一致的模擬結(jié)果.

圖2 WEST軟件構(gòu)建新型一體化AmOn反應器Fig.2 Constitution of new AmOn integrative reactor by WEST software

3 模型的驗證

模型建立后，模型中的進水參數(shù)仍主要采用文獻［7］中的各項參數(shù)，模型中的一些假設也同文獻［7］中相同.運行前首先將反應器穩(wěn)定運行一周的進水數(shù)據(jù)劃分為ASM2D中的模型組分，輸入到模型中的進水組分中，模型運行后得出一周內(nèi)的出水水質(zhì)結(jié)果與試驗出水值的比較如圖3所示.

從圖3的比較結(jié)果看，COD、NH3-N、TN及 TP的模擬值都反映出了試驗出水的變化，相對誤差分別為 7.2%、9.1%、12.5%和 6.3%，TN 值稍高于實際值，但也反映出了變化趨勢，產(chǎn)生差距的原因可能是由于反應器中環(huán)境條件相對更復雜，存在一些微環(huán)境有助于脫氮效果的實現(xiàn)而引起.總體來看，所建立的三級厭缺氧/好氧模型基本能夠反映出了反應器穩(wěn)定運行時的有機物去除及脫氮除磷的作用過程，反應器在實際運行中的循環(huán)作用可以用三級厭缺氧/好氧串聯(lián)進行模擬，這對分析反應器在穩(wěn)定運行中的循環(huán)流量有著積極地意義，在實際運行中，一定曝氣量和污泥濃度下，反應器內(nèi)的循環(huán)流量也維持恒定，此時，各位置形成特定的溶解氧濃度，雖然在試驗中尚未對循環(huán)流量作出精確測定，同時仍存在一些誤差，但在試驗中可通過測定各反應區(qū)與回流區(qū)溶解氧濃度來進一步完善此模型，并互相驗證.

圖3 模型運行結(jié)果與試驗出水的比較Fig.3 Comparison of model operation results and experiment effluent

4 數(shù)值模擬與優(yōu)化運行分析

4.1 氣水比

4.1.1 模擬結(jié)果

在模型中利用控制按鈕對好氧池的曝氣量及溶解氧濃度進行控制，其他條件均與試驗時相同.分別在氣水比為21∶1、27∶1和33∶1三種工況下模擬反應器出水，由于新型一體化AmOn反應器的主要功能為脫氮除磷，因此在模擬過程中主要對反應器出水的 TN、TP進行了分析，模擬結(jié)果如圖4所示.

從模擬結(jié)果與試驗出水的比較中可以看出，在3種氣水比下，模擬值均與實際出水吻合程度較好，基本反映出了反應器在不同氣水比下的運行情況，在保持其他條件不變時通過改變氣水比這一條件可對反應器效果進行有效的預測.

4.1.2 優(yōu)化運行分析

在利用模型調(diào)整多個不同氣水比的條件時，其中在21∶1～27∶1之間，脫氮除磷效果與試驗時的工況1和工況2相比無太大變化，出水效果良好，而當氣水比值≥30∶1時，出水開始變差，此時模型中好氧池DO濃度達到≥2.5 mg/L.雖然在20∶1左右時模型得出的反應器脫氮除磷效果仍較好，但由于新型一體化AmOn反應器為立式結(jié)構(gòu)，曝氣量對好氧區(qū)的污泥有著促進其循環(huán)的效果，而模型中為多級串聯(lián)，不存在曝氣對混合液的氣提作用.同時在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，氣水比＜20∶1時便難以實現(xiàn)反應器內(nèi)部循環(huán)作用，因此，通過試驗與模型的對照結(jié)果最終得出，反應器的氣水比條件需保持在20∶1～30∶1之間方可實現(xiàn)良好的脫氮除磷效果.

圖4 不同氣水比下試驗出水氮磷與模擬值比較Fig.4 Comparison of effluent nutrients of experiment and simulation at different gas-water ratio

4.2 C/N

4.2.1 模擬結(jié)果

在進水組分中改變COD組分和TN組分來調(diào)整進水的C/N值，其他條件均與試驗時情況相同.分別取進水C/N 比為7∶1、11∶1和15∶1三種情況下模擬反應器的處理效果，在模擬過程中，仍主要對反應器出水中TN、TP進行分析，模擬結(jié)果如圖5所示.

從C/N的模擬結(jié)果來看，模擬值與試驗值接近程度較好，反映出了出水的變化趨勢，也與反應器的實際運行達成一致，說明模型在進水組分的劃分和參數(shù)的設定方面都較為合適，與實際情況相符程度較高.

4.2.2 優(yōu)化運行分析

利用模型在調(diào)整不同的進水C/N值，在20∶1以內(nèi)時，隨著C/N值的增加出水水質(zhì)也逐漸提升，但過高的C/N值會使出水中有機物濃度增加，同時由于實際生活污水中C/N一般較低，因此意義不大.在C/N保持10∶1左右時，各項出水值已達到很高的去除效果，而在試驗中的7∶1左右時，對氮磷的去除效果也可達到60%以上的去除率，但此時出水值已不能滿足標準.基于以上結(jié)果，新型反應器在C/N宜在≥10∶1的條件下運行，為保證出水效果滿足要求，進水碳氮比不宜過低，在實際污水處理過程中，當遇到過低的進水C/N，需添加部分碳源.

4.3 污泥齡

圖5 不同C/N下試驗出水氮磷與模擬值比較Fig.5 Comparison of effluent nutrients of experiment and simulation at different C/N

由于新型一體化AmOn反應器在運行中所需的好氧區(qū)溶解氧濃度相對較低，使得其在污泥濃度的要求上也不同于傳統(tǒng)脫氮除磷工藝，好氧區(qū)較低的溶解氧不足以維持大量的好氧微生物生存，而厭氧池與缺氧池在實現(xiàn)其功能前要消耗掉不斷從好氧池迅速回流過來的殘存溶解氧，所需污泥濃度稍微較高.在試驗過程中，通過多次測定反應器內(nèi)的污泥濃度(MLSS)，其中好氧區(qū)一般在2 600 mg/L左右，厭/缺氧區(qū)在≥3 000 mg/L.而在所建模型中，為實現(xiàn)處理效果，其各池污泥濃度仍與傳統(tǒng)工藝相似，因此在模擬過程中，計算排泥量時，通過模型中各池的污泥濃度來進行計算.

4.3.1 模擬結(jié)果

在模擬過程中，通過污泥控制按鈕保持各反應池的污泥濃度并控制每日排放的污泥量，分別以試驗時的三種污泥齡條件來模擬反應器出水，其他條件保持恒定，對出水中的氮磷模擬結(jié)果如圖6所示.

從模擬結(jié)果看，雖然模型與實際中的污泥濃度選擇有一點差別，但在相同的污泥齡條件下，模擬出水結(jié)果與實際值已非常接近，說明根據(jù)模型中的污泥濃度計算污泥齡，在保持污泥齡與反應器運行相同時，對反應器的出水模擬可作出準確的預測.

4.3.2 優(yōu)化運行分析

總體來看，新型一體化A mOn反應器可看作是一個多級串聯(lián)推流式反應器，但在某些環(huán)節(jié)又與單池分級串聯(lián)不盡相同，就污泥濃度來說，在反應器的運行中，由于循環(huán)作用的限制，好氧區(qū)不宜太高的污泥濃度，而采用單池串聯(lián)的模型模擬過程中，各反應池在實現(xiàn)其處理功能過程中，污泥濃度仍與傳統(tǒng)工藝值相同.但這并不影響所建模型對反應器的模擬功能，從模擬結(jié)果中可以證實，雖然污泥濃度存在一定的差異，但出水效果仍相對一致.

對反應器不同污泥齡條件下的模擬，與試驗得出的結(jié)論基本相符，說明新型反應器在運行中對污泥齡這一因素的要求相對穩(wěn)定，在實現(xiàn)其穩(wěn)定高效運行后污泥齡宜保持在一個穩(wěn)定值(推薦15d)，每日根據(jù)相應的污泥濃度需定時排泥，而在考慮到每日由于排泥引起的反應器液面下降這一問題時，為了保證反應器內(nèi)的循環(huán)效果不受太大影響，每日分多次排泥為宜.

圖6 不同污泥齡下試驗出水氮磷與模擬值比較Fig.6 Comparison of effluent nutrients of experiment and simulation at different SRTs

5 結(jié)論

研究建立了一種三級厭缺氧/好氧串聯(lián)式反應池來模擬新型一體化AmOn反應器的數(shù)學建模方法，然后在此基礎上，討論了氣水比、C/N與污泥齡對運行效果的影響，并利用模型驗證優(yōu)化了以上運行條件.主要得出以下結(jié)論:

(1)采用三級厭缺氧/好氧串聯(lián)式反應池來模擬新型一體化 AmOn反應器，主要考察了 COD，NH3-N，TN及TP四個出水水質(zhì)指標，結(jié)果表明模擬結(jié)果與試驗測定結(jié)果基本吻合，可見利用三級厭缺氧/好氧串聯(lián)式反應池可以較好反映新型一體化AmOn反應器的真實運行狀況，為后續(xù)該反應器的仿真模擬及優(yōu)化設計提供了基礎.

(2)新型一體化AmOn反應器的氣水比條件需保持在20∶1～30∶1之間方可實現(xiàn)良好的脫氮除磷效果.

(3)新型一體化AmOn反應器宜在C/N≥10∶1的條件下運行，在實際污水處理過程中，當遇到過低的進水C/N，需添加部分碳源.

(4)新型一體化AmOn反應器在實現(xiàn)其穩(wěn)定高效運行后污泥齡宜保持在一個穩(wěn)定值(推薦15d)，同時考慮到每日由于排泥引起的反應器液面下降這一問題時，為了保證反應器內(nèi)的循環(huán)效果不受太大影響，每日分多次排泥為宜.

［1］李蓮芳，尤春波.城市污水處理工藝技術研究進展［J］.三峽環(huán)境與生態(tài)，2012，34(5):24-27.

LI Lian-fang，YOU Chun-bo.Reviews on processing technologies of municipal sewage treatment［J］.Enviroment and ecology in the three gorges，2012，34(5):24-27.

［2］蔣 明.新型AmOn一體化反應器流體動力學模擬及脫氮除磷研究［D］.上海:同濟大學，2013.

JIANG Ming.The research on fluid dynamics simulation and nitrogen and phosphorus removal in the new AmOn integrative reactor［D］.Shanghai:Tongji university，2013.

［3］郭亞萍，顧國維.ASM2d在污水處理中的研究與應用［J］.中國給水排水，2006，22(6):8-10.

GUO Ya-ping，GU Guo-wei.Study and application of ASM2D in wastewater treatment［J］.China water ＆ wastwater，2006，22(6):8-10.

［4］揭大林，操家順，花 月，等.WEST仿真軟件在污水處理中的應用研究［J］.環(huán)境工程學報，2007，1(3):138-141.

JIE Da-lin，CAO Jia-shun，HUA Yue，etal.Application research of west software to sewage treatment［J］.Chinese journal of enviroment engineering，2007，1(3):138-141.

［5］施 煒.活性污泥法脫氮除磷工藝的優(yōu)化設計研究［D］.上海:同濟大學，2008.

SHI Wei.Research on optimum design of activated sludge nutrient removal process［D］.Shanghai:Tongji university，2008.

［6］郭亞萍，顧國維.WEST軟件的仿真設計功能應用研究［J］.工業(yè)水處理，2006，26(3):80-82.

GUO Ya-ping，GU Guo-wei.Simulated software，based on ASMs for wastewater treatment plants［J］.Industrial water treatment，2006，26(3):80-82.

［7］周雪飛，張亞雷，胡茂東，等.AmOn一體化工藝的脫氮除磷功能與優(yōu)化設計［J］.同濟大學學報(自然科學版)，2010，38(10):1 468-1 472.

ZHOU Xue-fei，ZHANG Ya-lei，HU Mao-dong，et al.Nitrogen and phosphorus removal of AmOn integrative process:effect and design optimization［J］.Jounal of Tongji university(natural science)，2010，38(10):1 468-1 472.

Biography:JIANG Ming，male，born in 1979，Ph.D，Engineer，Engaged in water treatment technology and municipal stormwater management

Numerical Simulation and Optimal Operation for the New AmOn Integrative Reactor

JIANG Ming
(1.Shanghai Urban Construction Design ＆ Research Institute，Shanghai 200125，China;2.Shanghai Engineering Research Center of Municipal Stormwater Management，Shanghai 200125，China)

Firstly，in this paper a new model of AmOn integrative reactor was established，based on which the results of experiment and simulation were compared，and then the reactor of parameters of gaswater ratio，C/N ratio and sludge retention time were simulated.Furthermore，according to the simulated results，operation parameters were further optimized and provided basis for the sake of achieving steady and highly operation of the reactor.6figs.，7refs.

AmOn Integrative Reactor;Activated Sludge Model No.2D;Optimal Operation

X505，X703

A

2095－7300(2015)02－012－07

2015－05－16

國家“十二五”水體污染控制與治理科技重大專項(編號:2014ZX07303003)

蔣 明(1979－)，男，湖南祁陽人，博士，工程師，研究方向:水處理技術及城市雨洪管理.