第卷第期 )) 年月中国给水排水 8 % +8 ' ' ', )) 基于的污水处理工艺数学模拟与工程应用胡志荣周军甘一萍郝二成常江!" # $%& ' "! "( & 加拿大北京城市排水集团有限责任公司北京 )))* 摘要借助于计算机技术活性污泥工艺数学模型已发展

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闪处麻
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1 第卷第期 )) 年月中国给水排水 8 % +8''',)) 基于的污水处理工艺数学模拟与工程应用胡志荣周军甘一萍郝二成常江!" #$%& '"!"(& 加拿大北京城市排水集团有限责任公司北京 )))* 摘要借助于计算机技术活性污泥工艺数学模型已发展成为一种成熟的工程工具并在国外得到了广泛应用成为一种标准的工程实践而我国在该方面的研究和应用还处于起步阶段介绍了基于污水处理工艺的数学模拟概念和方法包括非常成熟的活性污泥工艺模型以及为整个污水处理厂工艺过程模拟而开发的新模型如厌氧消化模型 + 模型化学沉淀模型和污泥上清液的处理工艺模型厌氧氨氧化模型同时还介绍了模型在智利某污水厂水费谈判中采取的动态模拟纽约市环保局管辖污水厂生物脱氮除磷升级改造,-+% 污水处理工艺优化的全厂模型及高碑店污水四系列改造项目中的应用说明了该模型在污水处理厂优化设计运行以及改造中作为一种管理工具具有较高的实用价值和良好的应用前景关键词污水处理数学模型模拟器工艺模拟中图分类号./)0 文献标识码文章编号 ))) 1*)))) 1)) 1)!"!#!$! #!%&!& ' '2! !" #$%&!"# $#%&'!"# )))* '! & :!6!%3-!%&%":;";!"" ;&%-& "6!!":6 %-%& &+; "! & %! %-"3!!"& &":2"&!%&%": ;";!""!%6&3;%2"%"& &%":!& "%6&3!"& ; &%"&%& :;%% "6! "!&3" &% +&%!!%!2 &%& &%::"%6&3"6!& &% ;2 &6!&%! : &%3 :;:":# % 63&3!"6! :%3!%"6"& 3 %!":#" 8;9 -!" :,-+%# &!"6! :7& # ;"%"&6!&%"";"&% "3% "3%! %6 & %! "! %&"3 &!"6! :# "!;";!%&%"6%!""6%2

2 第卷第期中国给水排水 ;;;;3"! 随着城市污水处理厂出水排放标准的日趋严格传统基于经验的活性污泥工艺设计方法已不能满足工程要求为更好地进行活性污泥工艺的优化设计和运行在过去的 0) 年中活性污泥工艺模型已从简单的去除 4$ 和硝化发展为同时生物脱氮除磷模型 <0 从稳态模型发展到动态模型从单一的生物反应器模型发展到能同时模拟污水和污泥处理的全污水处理厂模型这些工艺模型包括了许多描述不同单元工艺的状态变量以及这些变量在多种生物化学反应过程中的化学计量关系和动力学特征借助于实施这些数学模型的商用模拟软件模拟器数学模拟技术已从一种研究工具发展成为一种成熟的工程工具并在北美欧洲南非和澳大利亚等地得到了广泛应用成为污水处理中的标准实践笔者介绍了基于模型的污水处理工艺数学模拟的概念和方法并结合工程实例说明了数学模拟在污水处理厂优化设计运行及改造中作为一种管理工具的实际应用以推动数学模拟技术在我国污水处理实践中的应用污水处理工艺数学模拟的概念和方法污水处理厂的数学模拟包含两个方面一是数学模型即不同于小试中试和生产性试验的物理模型它是描述各种污水处理工艺中不同组分间相互转换关系的一系列数学关系式或方程如描述活性污泥工艺中组分之间的生化转换关系的模型也称为生物模型二是实施这些数学模型的计算机软件有时也称之为计算机模拟或仿真若在同一模拟器中实施不同单元的工艺模型通常采用转换器法和单一矩阵法来模拟模拟模型的建立在工程实践中应用工艺模拟技术需有一套模拟软件或一个平台来实施某个特定污水处理厂的所有工艺模型并联结所有单元工艺如生物反应器沉淀池污泥消化池该模型在模拟器设好后需进行校准和验证以用于各种目的的模拟为了建立一个污水厂的综合模型所有的单元工艺包括水区和泥区以及来自泥区的回流液上清液的处理工艺都需要集中到一个模拟器中考虑图列出了建立一个采用典型活性污泥法的污水处理厂模拟模型的要求进水工艺输入污水特性负荷动态方式初沉池工艺构造水流流向反应器大小生物反应器污泥处理工艺模型生物物理化学二沉池工艺运行条件回流比排泥量图污水处理工艺模拟模型的组成出水污泥外运,3" :;";!"&% 模拟方法转换器法在转换器法中一座污水处理厂的不同单元工艺如活性污泥反应器厌氧消化池和旁流处理单元使用不同的模型如活性污泥反应器采用 ===0 模型厌氧消化池采用的厌氧消化一号模型但描述这些不同模型的状态变量并不相同因此在模拟由这些不同单元组成的整座污水处理厂时必须解决这些状态变量在不同单元工艺水流中间的转换问题即一个状态变量如何在活性污泥反应器厌氧消化池和旁流处理工艺反应器模型中的相互转换例如氧化的氮组分在活性污泥模型中一般仅考虑硝酸盐如 == > =$ 在厌氧消化模型中则不考虑硝酸盐而在旁流工艺模型中不仅要求考虑硝酸盐还要考虑亚硝酸盐以及相应的反应即两步硝化模型在氨氧化菌的作用下氨被转换成亚硝酸盐在亚硝酸盐氧化菌的作用下亚硝酸盐被氧化成硝酸盐转换器法需建立复杂的模型相接界面即转换器 </ 要求每一个状态变量的详细元素信息通常难以做到并依赖于状态变量的固定组成目前大多数模拟器都使用这种方法如 7# 1.' 单一矩阵法在单一矩阵法中由不同单元组成的整座污水处理厂使用一个单一矩阵的综合模型包括所有的组分或状态变量及相关反应无需界面接口从工程意义上讲这种方法比转换器法更为实用因为这种方法可以追踪整座污水处理厂中任何一个模型组分或状态变量在不同单元工艺中的变化因 )

3 ;;;;3"! 胡志荣等基于的污水处理工艺数学模拟与工程应用第卷第期此可估计这些组分在不同工艺之间的转换如活性生物量普通异养菌氨氧化菌亚硝酸盐氧化菌单一矩阵模型法仅在模拟器中使用该模型包括活性污泥反应厌氧消化旁流工艺 + 模型 > 气体转移及化学沉淀反应等现已广泛用于模拟生物污水处理厂的工艺图是整个污水处理厂的模拟工艺流程该工艺包括剩余污泥经后与初沉污泥混合进入厌氧消化池厌氧消化池的上清液一部分进入 +48 处理单元另一部分直接进入厌氧氨氧化反应器 88=4.! 上清液处理出水返回主流工艺出水进水厌氧池缺氧池好氧池浓缩上清液碱度脱氨厌氧消化池亚硝化泥饼图全污水处理厂的模拟工艺流程,3,%;!:"6%!":;%# 模型的校准和验证模型中的默认参数是基于世界上数百座生产性城市污水处理厂的观测数据反映了典型城市污水水质的特征这些默认参数非常有利于污水处理厂性能趋势的预测但对于某座特定的污水处理厂考虑到污水水质的变化需对模型进行某种程度的校准以使模拟结果更加准确通过校准验证可使模型结构真实可靠地预测和优化污水处理厂的运行性能校准所需数据可采用污水厂的历史数据也可采用专门用于校准的补充数据和难以从正常运行厂获得而通过直接测量获得的数据如 )? 时的最大硝化速率污水处理厂模型校准的方法和指南可参考文献和 ) 应用实例污水处理工艺模拟作为有用的工具已在污水处理的许多方面得到了广泛应用如在工艺设计方面可实现不同工艺的评估和比较在工艺运行方面则可实现工艺诊断和优化以评价污水处理厂流量负荷和运行工况变化对工艺的影响实例南美智利某污水厂运行水费谈判中采用的工艺动态模拟 8%"! 描述了一个用模型和模拟器实施污水处理动态模拟的应用实例在该实例中动态的工艺模型用于智利圣地亚哥最大污水处理厂运行合同的水费谈判中通过模拟污水处理厂的运行以估计运行费用污泥产量和能耗要求氧需求在水费谈判中运营合同商基于传统的设计指南和稳态模型建议 )) 年 )) 年合同期间水费在 )) 年的基础上增加 0@ 与传统设计和稳态模型相比基于动态模拟所估计的污水处理投资和运行费用更加可靠最后负责决定水费的委员会决定支持政府机构在考虑其他不可预测因素的情况下在 )) 年 )) 年合同期内水费仅增加 0@ 实例纽约市环保局管辖污水厂的生物脱氮除磷升级改造项目 =- 等报道了基于的模拟模型在纽约市环保局所管辖污水厂生物脱氮除磷升级项目中的应用实例纽约市环保局有座污水处理厂所有的处理出水均排放到东河上游最终到达长岛海峡总的二级处理能力 A0 B) 0 >& 有研究表明氮是造成长岛海峡富营养化的主要因素因此为了解决海峡的水质问题纽约市环保局拟实施一个阶段性削减氮排放量的计划以确保年中氮排放量减少 )@ 为了达到这个长期减少氮排放量的目标现有污水处理厂将分阶段进行升级改造为此成立了一个专家组以帮助开发污水厂生物脱氮除磷升级改造的设计指南并提供项目管理经验专家组的任务之一就是给纽约市环保局提供生物脱氮除磷升级改造建设期和建成后污水厂出水氮含量的预测任务目标是通过使用模拟模型确定改造对座污水厂脱氮能力的影响并估计出水总氮的最高浓度更重要的是证实东河上游座污水厂的生物脱氮除磷升级改造是否能实现长岛海峡长期的最大日负荷 =$( 达标工艺模拟工具可用来预测每座污水厂的流量和负荷在施工前施工期间和施工后期对污水厂运行性能的影响如施工期间反应器不能使用时升级后处理能力的变化及增加额外碳源等的影响专家组使用模拟出水氮的结果创建了一个称为 6%3 的管理工具它用图形方式表示

4 第卷第期中国给水排水 ;;;;3"! 了升级改造建设过程中对出水氮的预测将污水厂每月的出水水质与 6%3 的预测结果进行对比发现在 ))0 年 ))* 年中 6%3 如此小的偏差使 6%3 被纽约市环保局接纳并认为它能进行污水厂的升级改造且满足每个中间的限制性条件该例介绍了工艺模拟工具是关键的规划和运行工具基于模拟的 6%3 工具可用来分析建设速度批式调整和运行范围变化的影响也可用来估计项目潜在变化的效能并能容易地知道任何变化对管理的影响实例污水处理工艺优化的全厂模型 )) 年 ( 等描述了建立一个全污水处理厂模拟模型作为改造,-+% 水资源中心污水处理工艺优化工具的项目在该例中建立模拟模型包括项任务测定详细具体的污水水质特性进行小试以校正金属盐的投量! 用历史数据和补充的取样数据包括生物反应器结构校准和验证模型 & 建立最终的执行模型使用工艺模拟软件在水资源中心对以下运行情况评价的基础上开发了该中心污水厂的模拟模型全污水处理厂模型的结构见图 0 这些运行情况包括采用或不采用初沉池不同的运行工况和生物反应池的季节优化金属盐的投加点和量的影响 > 优化污泥的处置和回流影响 $4 优化暴雨流模拟和部分单元关闭的评价这个应用显示了如何建立一个全厂模型以降低运行和维护成本生产高质量的出水进水醋酸沉砂池初沉池砂厌氧池缺氧池缺氧池好氧池好氧池好氧池好氧池好氧池好氧池好氧池好氧池厌氧池缺氧池缺氧池好氧池好氧池好氧池好氧池好氧池好氧池二沉池厌氧消化池储泥池终沉池出水污泥图全污水处理厂模拟模型的结构,30=&%!:36 :;%,-+%# 实例高碑店污水处理厂四系列的改造艺进行分析和诊断找出运行中存在问题的关键原 )) 年北京排水集团甘一萍等采用数学模拟因并针对易于改善和改造的条件进行模拟分析最技术建立了高碑店污水处理厂四系列的工艺模型终确定工艺优化和改造方案对当时的运行情况进行了模拟分析在此基础上提结语出了改善脱氮效果的改造方案针对脱氮效率不高自国际水协的活性污泥数学模型出版以来数的问题研究组对延长缺氧时间并保证好氧段的硝学模型已得到了广泛研究和应用但这仅仅是污水化效果进行了详细的模拟分析最终确定了改造方处理的一部分对于整座污水处理厂来说数学模型案的核心内容改造后系统运行稳定时的脱氮效率还应包括污泥处理等单元由于的活性污泥明显提高与预期效果基本一致证明了数学模拟技数学模型给出的参数值并不是模型的一部分故该术的可靠性和实用性模型要求进行广泛的校正模型使用技术该例主要说明了采用数学模拟技术可对现有工先进的单一矩阵的整体模型能全面模拟整座污水

5 ;;;;3"! 胡志荣等基于的污水处理工艺数学模拟与工程应用第卷第期处理厂的所有工艺单元且模型的参数值来自于最新的研究出版物和实际污水处理厂校正得到的最佳缺省值这种广泛和综合的解决方案使得模型校正要求大大减少也因此使得模拟软件在北美和澳大利亚等地得到了广泛的应用并成为污水处理中的标准工程工具参考文献 +=76C=!& "%6&3&2 %8$5!!%0* 1 #$%& #(7%&%:%3!%62 %!& "%6&3"-""&%"2 5' "/** %= '73%&%: %3!%6%!& "%6&3 "-"" &%&% 5!%3 ))/ * 1 $%& #(,% #=5"&"&2 %3!& ;%%"6% %"383 -!%: (&:%(! -%3!%86%8& % %!C!))/ %" $%& #("3!""6%:&2 "3 %-"" &2%!3 & : ;";%" #"& ) 6%:!:" & "; "! & ";"! * %3#" 6-2 "& :!3:&%":;";"-""&2 "!& -"!" 5!!% )) 10 1)) / %!'# ("&!==%3# 6-2"& &%:!3:%2;&"6%2 3%!5"))*) / 1 D!"-= :%&% :33&"35!!%))/ * $%& #(5"=!"#!!%36&! :#&%!% & "!& &32 3E6" #!&3":'2,& /* 6%!!%' :!%: ',&2 ))0 ) =%!+ $%& #( 5" = =&": ";!!& %6&3=&%2 3 =%&'"!,6&)) 8%"!$:;%!" %3;"; %" (! #!&3": ',& / 6%!2!%' :! "3 ',&)) =-=!!5=6%57&%2 :8; %))/:%=2 -%&',&'#))/ 0 ( ##!&" $%& % :;%%"6%:, -+%;""6!"!:!"2 #!&3":',&2 / 6%!!%' :! "3',&)) 电话 ) ) 传真 ) * )) %16"! 收稿日期 ))/ 1) 10 信息无锡市梅园水厂变换角色净化太湖水 ))/ 年月日在无锡市太湖新城犊山水利工程附近的工地上一根口径为的输水管道正在施工该输水管穿过渤公桥洞后抵达犊山大坝的底部直至五里湖湖边待 )) 年 0 月长江供水工程竣工后梅园水厂的出水将通过这根新管回放到五里湖中这标志着无锡市最老的水厂将不再向用户供给自来水其功能将改为加工净化太湖水这一治水新举措在江苏省内还是首次推出在国内也较罕见无锡市自来水总公司华一 0

城镇污水除磷脱氮工艺技术要点

城镇污水除磷脱氮工艺技术要点城镇污水处理厂运营优化技术与管理培训北京,2015 年 7 月 24 日城镇污水处理厂运行中的若干问题探讨郑兴灿总工程师工学博士中国市政工程华北设计研究总院有限公司 zhengxingcan83@cemi.com.cn 1 国家城市给水排水工程技术研究中心主要内容城镇污水处理系统及构成是否具备相应的功能模块出水稳定达标难点及对策主要水质指标的运行分析生物脱氮影响因素及控制工艺运行过程的基本判断