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TUD 模型在内蒙古地区某污水处理厂适用性研究 * 宋虹苇 1 郝晓地 2 张学军 1 刘宇红 1 王建民 3 1. 内蒙古工业大学土木工程学院，呼和浩特 010051; 2. 北京建筑工程学院可持续环境生物技术研发中心， 北京 100044; 3. 呼和浩特春华水务开发集团有限责任公司，呼和浩特 010010 摘要 TUD 模型应用于内蒙古呼和浩特市某污水处理厂运行实践模拟预测。首先利用 TUD 模型及其缺省参数进行初 步模拟试预测， 发现模拟预测出水 COD、 PO3 － 4 、 SS 与实际检测数据基本吻合， 但对氮的预测略有偏差。采用标准参数 校正方法， 对模型中氮的个别组分参数 iNSF、 iNXS 和硝化细菌半饱和动力学参数 KNH4 进行修正， 即， iNSF 6 ， iNXS 6 ， KNH4 1. 5 g/m3。参数修正后的工艺模型验证显示， 模拟预测是十分有效的。表明 TUD 模型及其参数校 正方法对内蒙古地区污水处理厂运行实践是完全适用的。 关键词 TUD 模型; AQUASIM; 活性污泥工艺; 模拟预测; 参数修正 STUDY ON APPLICATION OF THE TUD MODEL IN WWTPs IN INNER MONGOLIA Song Hongwei1Hao Xiaodi2Zhang Xuejun1Liu Yuhong1Wang Jianmin3 1. Civil Engineering Institute of Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China; 2. R＆D Center for Sustainable Environmental Biotechnology，Beijing Institute of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044， China;3. Hohhot Chunhua Water Group Co． ，Ltd，Hohhot 010010， China AbstractThe TUD model was applied for simulating the working conditions of a wastewater treatment plant WWTPin Inner Mongolia． With default modeling parameters，the predicted COD，PO3 － 4 and SS concentrations were consistent with the measured data． However，N concentrations were on the other way around．With standard parameter calibration，some N components iNSFand iNXSand affinity constants of nitrifiers KNH4 were calibrated with minor adjustments．With the calibrated parameters，iNSF 6 ， iNXS 6 ， KNH4 1. 5 g/m3，the predicted N concentrations were in agreement with the measured data． After validation with 2 different sets of operational data，simulations indicate good predictions． In conclusion， the TUD model and the calibrated parameters are feasible to be promoted in simulating Inner Mongolia’ s WWTPs． KeywordsTUD model;AQUASIM;activated sludge process;simulating prediction;parameter calibration * 内蒙古工业大学科学研究基金项目 X200807 ; 北京市属高等学校人 才强教深化计划 高层次人才资助项目 PHR20100508 。 0引言 在过去三十多年中， 建立在活性污泥动力学基础 上的有关数学模型的研究、 开发和应用已成为污水处 理实践的一个重要环节。荷兰代尔夫特理工大学 TUD 开发的模型 TUD 模型 ［1］， 是经典活性污 泥 2 号模型 ［2］ ASM2 与代尔夫特除磷代谢模型［3］ 的有机结合。van Veldhuizen， Brdjanovic 和 Meijer 等 人分别在 1999 年， 2000 年和 2001 年利用 TUD 模型 对荷兰 3 座大型城市污水处理厂脱氮除磷工艺 一个 为 Phostrip 工艺， 另两个为 MUCT 和 BCFS 工艺 进 行了成功的生产性模拟试验 ［4- 6］。2004 年， 郝晓地等 利用 TUD 模型对北京某大型污水处理厂进行模拟研 究， 结果验证了 TUD 模型在中国地区的适用性 ［7- 10］。 2006 年， 郝晓地等又利用 TUD 模型完成了对太原某 污水处理厂的升级改造 ［11］。 在成功研究的基础上， 将 TUD 模型应用于内蒙 古呼和浩特市某污水处理厂运行实践中， 进一步验证 TUD 模型在中国不同地区的适用性。 1活性污泥处理工艺模型建立 1. 1工艺参数及运行数据 呼和浩特市某污水处理厂设计处理水量为 10 万 m3/d， 采用传统 A/O 活性污泥处理工艺， 由 2 组平行 曝气池组成， 其工艺流程见图 1。每组曝气池分 5 条 廊道， 每条廊道长均为 70 m; 第 1 廊道宽 6 m， 其余 4 81 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 条廊道宽均为 7. 8 m; 水深均为 6 m， 总有效容积为 15 624 m3。第 1 廊道前 35 m 只设水下搅拌器， 后 35 m 设少量微孔曝气器， 为缺氧状态; 其余廊道均为好 氧状态。曝气池设有前置厌氧段， 但无混合液内回 流， 仅有污泥回流。第 1 廊道主要起调节作用， 使污 水中有机物充分水解， 增加可生化性， 并有利于除氮。 每组曝气池对应 1 座辐流式二沉池， 池直径为 45 m， 有效水深为 4. 0 m， 有效容积为6 358. 5m3。 图 1呼和浩特市某污水处理厂活性污泥处理工艺流程 曝气池具体设计参数见表 1。曝气池运行参数 包括 污泥浓度 MLSS 1 600 ～ 1 900 mg/L; 污泥最 大回流比 R 100 ， 控制在 60 ～ 80 运行; 夏季泥 龄 SRT 5 ～ 8 d; 最高水温21 ℃ ， 最低水温11 ℃ 。 进、 出水水质数据见表 2。 表 1曝气池的设计参数 单元容积 /m3DO / mg L － 1 HRT/h R1R1112600. 20. 30 R1212600. 50. 30 R232762. 00. 80 R332762. 00. 80 R432762. 00. 80 R532762. 00. 80 表 2曝气池进水 Qin 初沉池出水 、 二沉池出水 Qe水质检测数据 mg/L 项目ρ CODρ TNρ NH 4 ρ NO － 3 ρ PO 3 － 4 ρ SS ρ BOD5 Qin 19552. 340. 90. 22. 04092 Qe 4238. 114. 621. 81. 01215 1. 2活性污泥处理工艺模型 本研究利用已嵌入 TUD 模型的 AQUASIM2. 0［12］ 软件， 结合实际运行工艺， 建立工艺模拟模型， 其中模 型中进水 COD 组分划分按照荷兰污水特性描述指 南 ［13］中的方法， 并结合实际水质和以往研究结论［8］ 确定， 即内蒙古某污水处理厂进水 COD 组分质量分 数分别为 溶解性、 易挥发性有机酸 SA 4. 85 ， 溶 解性、 可发酵、 易生物降解有机物SF 33. 93 ， 溶解 性、 惰性有机物 SI 14. 24 ， 颗粒状、 缓慢降解有机 物 XS 32. 95 ， 颗粒状、 惰性有机物 X I 14. 03 。 在 AQUASIM 软件平台上编辑反应器单元、 连接单元 和输入变量单元的一些运行参数和进水水质参数。 由于 AQUASIM 软件预先设定反应器类型为完 全混合式 CSTR ， 所以利用串联的 CSTR 曝气池模 拟污水处理厂的推流式 PF 曝气池。除曝气池外， 还需将二沉池分为澄清区 CL 和污泥区 SC 两部 分。AQUASIM 中的几个模块单元编辑完成后， 活性 污泥处理工艺模型即初步建立， 可以进行初始化测试 和随后的模拟运算。 2初步模拟、 参数修正与模拟再验证 利用已建立的工艺模型， 首先采用表 2 中数据进 行水质模拟。根据初步模拟结果， 对工艺模型参数进 行修正， 即修正参数 iNSF、 iNXS、 KNH 4。然后， 利用夏、 冬 两季数据进行模拟再验证。 2. 1初步模拟结果 利用表 1 与表 2 中数据， 在使用 TUD 模型缺省 参数情况下进行初步模拟， 结果见表 3。 表 3使用缺省参数的初步模拟结果 mg/L 项目ρ CODρ TNρ NH 4 ρ NO － 3 ρ PO3 － 4 ρ SS 实测值4238. 114. 621. 81. 012 模拟值3934. 810. 523. 91. 012 表 3 显示， 出水 COD、 PO3 － 4 、 SS 模拟值与实测数 据基本吻合， 而对氮的模拟预测结果略有偏差。对出 水 TN 和 NH 4 模拟预测偏低， 而对 NO － 3 模拟预测偏 高。根据对北京某污水处理厂的模拟研究经验 ［7］及 本次模拟结果分析， 需对 TUD 模型中有关氮的某些 参数进行适当修正。 2. 2模型参数修正 根据模型中 TN 的计算公式， 影响 TN 模拟结果 的 N 组分参数有 iNBM、 iNSF、 iNSI、 iNXS和 iNXI。其中， 生物 体内氮的质量分数 iNBM 基本上是固定的 7 ［14］。 其他 4 个 N 组分参数， 根据 Meijer 的经验 ［15］， 应先调 整 iNSF和 iNXS。根据荷兰污水特性描述指南 ［13］列 出的关于 N 特性的变化系数以及典型范围值， 将 iNSF 从 3 调整到 6 ， 将 iNXS从 4 调整到 6 。 针对出水 NH 4 模拟值过低和 NO － 3 稍高的初步 模拟情况， 如果核实不是其他运行条件 如 DO 或碱 度 所致， 则需要对模型中的相关动力学参数作适当 调整。在确定所需调整的最少参数后， 通过专家法或 灵敏度分析法调整参数值， 以获得理想的模拟结果。 本研究结合这两种方法， 首先根据活性污泥系统动力 91 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 学模型应用协议 ［15］， 锁定修正硝化反应， 即降低出水 NH 4 所需要调整的参数范围; 然后， 利用灵敏度分析 确定对出水 NH 4 和 NO － 3 影响较大的两个参数 硝化菌生长中 NH 4 半饱和常数 KNH4 和硝化菌生长 中 O2半饱和常数 KN， O 2 。根据模拟经验， KN， O2的微 小变化就会引起出水 NH 4 和 NO － 3 浓度剧烈变化， 故 最终选择调整 KNH4来修正模型。由于出水 NH 4 模拟 值随着 KNH4增大而升高、 出水 NO － 3 则随着 KNH4的增 大而降低， 所以， 结合模拟结果与历史数据偏差情况， 可适当增大 KNH4， 从 1. 0 g/m3调整到 1. 5 g/m3。 利用上述修正后的参数 iNSF从 3 调整到 6 ， iNXS从 4 调 整 到 6 ，KNH4从 1. 0 g/m3调 整 到 1. 5 g/m3， 以及表 2 中数据再次进行模拟预测， 结果 如表 4 所示。模拟预测的 TN、 NO － 3 和 NH 4 均与实 测值接近， 说明所修正后的参数是适宜的。 表 4使用修正参数的模拟结果 mg/L 项目ρ COD ρ TN ρ NH 4 ρ NO － 3 ρ PO3 － 4 ρ SS 实测值4238. 116. 619. 81. 012 模拟值3936. 815. 120. 91. 012 2. 3模拟再验证 对于修正后的工艺模型需要进一步验证， 根据活 性污泥系统动力学模型应用协议 ［15］与以往研究经 验 ［7］， 模型验证最好采用与修正模型参数所用数据 差异较大的数据， 例如， 模型验证与模型修正可分别 采用不同季节的运行数据。为此， 分别采用夏、 冬两 季的平均运行数据 见表 5 进行模型验证， 模拟预测 结果见表 6。 表 52009 年夏季 68 月 与冬季 12 月、 12 月 进、 出水水质数据mg/L 项目ρ COD ρ TN ρ NH 4 ρ NO － 3 ρ PO3 － 4 ρ SS 夏季 进水17851. 040. 001. 244 出水4434. 511. 220. 50. 512 冬季 进水19653. 042. 801. 836 出水5542. 021. 020. 81. 116 由表 6 可知， 无论是夏季还是冬季， 模拟预测值 与实测值均十分接近， 再次验证了修正后的模型参数 是合理有效的。由此可见， 在调整个别组分参数与动 力学参数的情况下， TUD 模型可用于内蒙古地区污 水处理厂的运行实践中。 表 6使用修正参数的夏、 冬季出水水质模拟结果 mg/L 项目ρ COD ρ TN ρ NH 4 ρ NO － 3 ρ PO3 － 4 ρ SS 夏季 实测值4434. 511. 220. 50. 512 模拟值4233. 210. 522. 00. 512 冬季 实测值5542. 021. 020. 81. 116 模拟值5441. 020. 219. 51. 116 3结论 本研究将 TUD 模型应用在呼和浩特市某污水处 理厂中， 模拟预测普通曝气池运行工况。利用 TUD 模型及其缺省参数进行模拟预测的出水 COD、 PO3 － 4 及 SS 与实际检测数据基本吻合， 而对氮的模拟预测 略有偏差。对模型中氮的个别组分参数 iNSF、 iNXS 和 硝化细菌半饱和动力学参数 KNH4 进行修正后， 即， iNSF 6 ， iNXS 6 ， KNH4 1. 5 g/m3， 再进行模拟预 测并验证， 获得了满意的模拟效果。由此可见， TUD 模型及模型参数调整方法对内蒙古地区污水处理厂 运行实践是完全适用的。 参考文献 ［1］Murnleitner E， Kuba T， van Loosdrecht M C M，et al．An integratedmetabolicmodelfortheaerobicanddenitrifying biological phosphorous removal［J］． Biotechnol Bioeng，1997，54 5 434- 450． ［2］Henze M， Gujer W， Mino T， et al． Activated sludge model No． 2d， ASM2d［J］． Water Sci Tech， 1999， 39 1 165 － 182． ［3］Kuba T， Murnleitner E， van Loosdrecht M C M， et al．A Metabolic model for biological phosphorus removal by denitrifying organisms［J］． Biotechnol Bioeng， 1996，52 6 685- 695． ［4］Van Veldhuizen H M，van Loosdrecht M C M，Heijnen J J． Modelling biological phosphorus and nitrogen removal in a full scale activated sludge process［J］． Water Res，1999，33 16 3459- 3468． ［5］Brdjanovic D， van Loosdrecht M C M， Versteeg P， et al． Modelling COD，N and P removal in a full-scale WWTP Haarlem Waarderpolder ［J］． Water Res，2000，34 3 846- 858． ［6］Meijer S C F，van Loosdrecht M C M，Heijnen J J． Metabolic modeling of full-scale biological nitrogen and phosphorus removing wwtp ［J］． Water Res，2001 35 2711- 2713． ［7］郝晓地， 宋虹苇， 胡沅胜， 等． 采用 TUD 模型模拟倒置 A2/O 工 艺的运行工况 ［J］． 中国给水排水， 2007， 23 5 1- 4． ［8］郝晓地， 宋虹苇， 胡沅胜， 等． 数学模拟技术应用中的污水水质 COD 特征化方法 ［J］． 中国给水排水， 2007， 23 13 7- 10． ［9］郝晓地， 宋虹苇， 胡沅胜， 等． 数学模拟技术用于污水处理工艺 的运行诊断与优化 ［J］． 中国给水排水， 2007， 23 14 94- 99． ［ 10］郝晓地， 宋虹苇， 胡沅胜， 等． 采用 TUD 模型动态模拟倒置 A2/ O 工艺运行工况 ［J］． 中国给水排水， 2007， 23 16 1- 5． 下转第 29 页 02 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 渣 20 ～ 30 t/d ， 同时冲洗滤带后排入污水站的 COD 总量减少 10 ～ 20 kg/d。 由表 3 可知， 超滤罐底物量虽不大， 但其 COD 浓 度高达数十万左右， 排入污水处理站后， 占总 COD 量 的 30 ［3］。采用“卧式螺旋离心脱水机” 进行分离， 分离后液相浓缩果汁直接进入产品。固体可作为果 渣处理， 可卖给果渣厂作饲料原料， 也可生产果醋。 该企业罐底物的产生量为 20 ～ 30 m3/d， 排入污水站 的 COD 总量减少1 600 kg/d。 企业加强清洁生产管理， 指定专门工作人员对超 滤膜、 吸附柱等主要设备进行定期维护， 提高设备的 生产效率， 可减少清洗过程中排入污水站的有机物。 此方法保守估计 COD 总量减少约 1 ～ 3 kg/d。采用 以上建议或措施后， COD 总量的减少潜力值如表 5 所示。 表 5 COD 减少潜力分析 单元操作清洁生产措施 污水站 COD 减少量 / kg d － 1 苹果源“澳洲苹果” 等10 ～ 20 罐底物再利用生产果醋等＞ 1 600 整个工艺加强管理1 ～ 3 总计＞ 1 611 3. 3废水处理工艺 根据浓缩果汁的废水特点， 采用厌氧与好氧结合 的方法处理。如设计规模为4 000 m3/d的废水处理 系统流程为 格栅→提升水池→微滤机→调节池→ UASB→CASS→排放。系统装机容量为80 kW， 投资 指标为 1. 7 元 /m3， 占地指标为0. 003 m2/m3， 运行费 用为0. 39 元 /m3。 与传统的好氧工艺相比， 此工艺方法具有占地面 积小， 投资和运行成本低， 而且无需设置初次沉淀池、 二次沉淀池及污泥回流设备， 工艺流程简洁， 布局 紧凑 ［9］。 4结论 在综合现场调研、 文献标准、 类似工厂先进经验 的基础上， 通过对各工艺的用水水质、 水量系统分析， 从水量控制、 废水减排、 废水处理工艺等方面提出清 洁生产建议和措施。实行这些措施后， 节水比例达 31. 68 ， 耗水量为13. 01 m3/t; 排入污水站 COD 总量 减少约 20 。为企业创造了较佳的经济效益和环境 效益。 参考文献 ［1］HSING． 2010 年 16 月我国浓缩苹果汁出口报告［EB /OL］． http / /www．fjc100. cn/news/statis/2010 /7 /107291421134953． html， 2010- 07- 29． ［2］朱锋， 盛耘． 果汁加工业的可持续发展 以陕西省果汁加工 业为例［J］． 新东方， 2008 2 49- 51． ［3］杨华， 朱锋， 王菊侠， 等． 清洁生产在浓缩苹果汁加工厂节水减 污中的应用［J］． 食品工程， 2007 3 51- 53． ［4］黄西川， 盛耘． 浅谈浓缩果汁企业的清洁生产［J］． 环境保护与 循环经济， 2008 10 19- 20． ［5］张东生． 膜分离技术在食品工业节水和环保领域中的应用 ［J］． 食品工业科技， 2004 11 158- 161． ［6］刘金辉． 纺织企业清洁生产与节能减排的实践［J］． 棉纺织技 术， 2009， 37 4 229- 231． ［7］朱友银， 蔡志高， 严冬妮． 南通工业用水现状分析及节水思路 ［J］． 江苏水利， 2006 11 26- 28． ［8］李佩艳， 仇农学． 浓缩苹果汁酶促褐变及其控制［J］． 中国食 品添加剂， 2004 2 38- 40． ［9］张统， 张志仁． 污水处理工艺及工程方案设计［M］． 北京 中国 建筑工业出版社， 2000. 作者通信处赵顺利710049西安交通大学能源与动力工程学院 环境科学与工程系 E- mailzhaoshunli1100 163. com 2010 － 10 － 18 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 20 页 ［ 11］郝晓地， 仇付国， 张璐平， 等． 应用数学模拟技术升级改造二级 污水处理工艺 ［J］． 中国给水排水， 2007， 23 16 25- 29． ［ 12］Reichert P．AQUASIM2. 0computer program for the identifi- cation andsimulationofaquaticsystems ［M］．Dbendorf EAWAG，1998． ［ 13］Roeleveld P J，van Loosdrecht M C M． Experiences with guidelines for wastewater characterization in the Netherlands ［J］． Water Sci Technol，2002，45 6 77- 87． ［ 14］Meijer S C F．Theoretical and practical aspects of modeling activated sludge processes ［D］．Delft，the NetherlandsDelft University of Technology，2004． ［ 15］Hulsbeek J J W，Kruit J，Roeleveld P J，et al．A practical protocol for dynamic modelling of activated sludge systems ［J］． Water Sci Tech，2002，45 6 127- 136. 作者通信处宋虹苇010051呼和浩特市内蒙古工业大学土木工 程学院 E- mailsonghongwei_8112 163. com 2010 － 11 － 29 收稿 92 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期