UNITANK工艺特性及其基于ASM2D的模拟分析.pdf

UNITANK 工艺特性及其基于ASM2D 的模拟分析 ＊ 张发根 1 李 笛 1 罗定贵 1 隋 军 2 1.广州大学环境科学与工程学院, 广州 510006; 2.广州市市政工程设计研究院, 广州 510060 摘要 UNITANK 采用A O 工艺的空间结构, 利用SBR工艺的控制策略, 但也有其独特的性质。 混掺现象对于UNIT ANK 运 行产生明显影响, 建立 UNIT ANK 工艺模型必须考虑混掺, 并将各个反应池建立不同的模型以反映这种现象; ASM2D 与 UNIT ANK 工艺模型结合较好模拟了 UNITANK 运行的动态变化, 对于控制和改造 UNITANK 工艺具有很好的指导意义。 关键词 UNITANK; 特性; ASM2D; 模拟 ANALYSIS OF TECHNOLOGICAL PROPERTY OF UNITANK AND STRATEGY FOR SIMULATION BASED ON ASM2D Zhang Fagen1 Li Di1 Luo Dinggui1 Sui Jun2 1. School of Environmental Science and Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China; 2. Guangzhou Municipal Engineering Design property ; ASM2D; simulation ＊广州大学博士启动基金项目。 0 引言 国际水协 IAWQ 于 1999 年推出了描述有机物 降解以及脱氮除磷过程的ASM2D 模型 [ 1 -2] , 是目前最 为流行的活性污泥数学模型之一, 是研究活性污泥工 艺特性最重要的数学手段 ,是对活性污泥工艺设计与 运行进行数学分析的基础 。 UNITANK 又称交替式生物反应器, 作为一种经 济高效 、 结构紧凑且运行灵活的活性污泥工艺 [ 3- 5] ,在 我国已得到较广泛的应用 [ 6- 9] 。它通常被认为是 SBR 工艺的一种,同时具备连续式工艺的特征 [ 10] 。 关于 UNITANK 特性的研究和应用较多 [ 11- 19] , 而 利用 ASM2D 对 UNITANK 特性进行模拟分析的实例 很少。董姗燕等 [ 13 -15] 利用 ASM2D 对 UNITANK 反应 池中溶解氧 、 磷酸盐和氨氮浓度进行了动态分析, 但 对于 UNITANK 工艺模型的构建方面阐述不多 。本文 对UNITANK 进行了分析研究 [ 11-12] , 认为在活性污泥 工艺数学模拟中,UNITANK 属于交替连续式工艺, 并 进行了初步模拟 [ 20] 。本文选择典型 SBR 工艺及 A O 工艺分别作为 SBR 工艺及连续式工艺的代表 , 通过 分析UNITANK 与两者之间的本质联系和区别, 探讨 UNITANK 工艺模型的独立特性 ,为 UNITANK 的数学 分析开拓思路。 1 三种工艺的特征比较 为了清楚表现 3 种工艺之间的异同, 从工艺设 计、 工艺控制以及运行 3 个方面进行对比 , 分别见 表1～ 表 3。 通过 UNITANK 、 SBR、 A O 三者的异同比较可以 看出 ,UNITANK 采用A O 工艺的空间结构、利用 SBR 工艺的控制策略 ,以达到高效去除污染物的效果。但 这种混合特性增加了 UNITANK运行的复杂性。如A O 工艺可以根据进水水质、水量调节回流比、调整溶 解氧浓度 ,以适应变化; 而 SBR 工艺则可以通过调整 进水 、 反应的不同状态设置来适应。这两种工艺的运 行调整带来的结果可以进行相对简单的判断 。 60 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 表 1 工艺设计的基本特征比较 比较项目典型 SBR 工艺A O 工艺UNITANK 反应器 基本信息 1 个; 无顺序; 单一容积。3 个; 污水依次经由反应池到沉淀池, 完 成反应、澄清出水; 按照池体功能设计, 池体容积存在差异。 3个; 运行顺序与 A O 同; 池体容积无 差异。 反应器类型时间推流式, 空间完全混合。空间推流式或完全混合。完全混合式。 污泥回流 无需污泥回流即可保持足够的污泥浓 度, 省却了污泥回流, 可以减少相应的 设备投资及运行费用。 需要污泥回流来保持足够的污泥浓度 以及去除污染物质, 回流比一般较高, 极大增加了运行费用。 与SBR 同。 运行周期 及其设置 有周期性; 无污泥转移影响, 反应状态 和运行时间可以根据需要灵活调整, 运 行周期在理论上可以达到几十小时甚 至更长时间。 无需设置。有周期性; 受污泥转移影响, 单向运行 周期不宜过大, 以保证反应池内有足够 的污泥。 表 2 工艺控制特征比较 比较项目典型 SBR 工艺A O 工艺UNITANK 池内反应 状态控制 根据需要灵活调整, 在不同运行时段内 形成缺氧、厌氧或好氧以及沉淀等状 态, 以实现有机物降解、脱氮除磷和澄 清出水。 根据脱氮或除磷需要, 将 A 池设置成缺 氧或厌氧状态, 而 O 池为好氧状态; 每 个池体的功能和状态相对单一。 在一个周期内可能经历几个运行时段, 但在一个运行时段内与A O 同。 设备配置控制多种反应条件, 复杂。控制单一反应条件, 简单。与SBR 同。 混合液 空间分布 进水、出水均间歇进行, 混合液无空间 转移。 进水、出水均连续进行, 混合液有空间 转移。 与A O 同。 沉淀类型静态沉淀, 没有颗粒物水平 或上升 流 速的影响, 沉淀效果较好, 排水需要借 助滗水器完成。 动态沉淀, 受到颗粒物水平 或上升 流 速的影响,沉淀效果稍逊。 与A O 同, 但不能按照独立沉淀池的最 优水力状态运行。 表 3 工艺运行特征比较 比较项目典型 SBR 工艺A O 工艺UNITANK 混合液 体积 运行周期内不一致。 特别是在进水期 间, 污染负荷变化较大, 直接影响到污 染物的去除水平。 保持稳定, 消除了体积变化带来的污染 负荷的冲击。 与A O 同。 污染物 浓度变化 按照时间顺序变化, 不存在显著的混 掺。 按照空间顺序变化, 不存在显著的混掺 现象; 同一池内的污染物浓度分布较为 均匀。 同时按时间和空间顺序变化, 随着运行 周期或时段的切换, 池体状态发生了改 变, 不同池体之间的污染物发生了显著 的混掺, 导致污染物浓度的空间分布相 当复杂, 增大了运行控制的难度。 沉淀池 污泥状态 在一个相对独立的时段内沉淀, 污泥在 池中保持一个相对稳定的状态。 在一个相对独立的沉淀池中沉淀, 污泥 在池中保持一个相对稳定的状态。 沉淀池兼有反应池功能, 污泥在有限时 间内经历了从沉淀开始到沉淀稳定的 动态过程。同时因为接纳了一定量上 半个运行周期末期中间池流过来的较 高浓度污染物, 在沉淀期间发生了较明 显的生化反应。 61 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 UNITANK 虽然有 SBR 工艺类似的控制策略, 但 是污泥浓度分布的变化和污染物在池体内的混掺增 大了运行的不确定性; UNITANK 虽然有 A O 工艺类 似的空间结构, 但每个结构体却很难按照固定功能进 行设计,也就不能按照较优状态运行 。因此 ,要模拟 UNITANK 反应池 ,不能简单的将其各个反应池统一 视为完全混合式或推流式 ,需要根据各个池体的实际 特征进行模拟, 特别是在状态切换、出现较大混掺的 时候更是如此。 2 UNITANK的模拟策略分析 模拟对象为广州某污水处理厂实际运行的 UNITANK 工艺 [ 20] 。 UNITANK 工艺在半周期内经过了 4 个主要时 段,在每个时段 ,各个池体所起的作用不同,经历的过 程不同 ,所以首先针对每个池体构建一个模型 ,然后 将这些池体模型联合形成工艺模型。现以上半周期 为例进行分析。模拟工艺流程见图 1。 图 1 模拟 UNITANK 工艺流程 图 2 溶解性COD 实测和模拟值变化 C 池作为沉淀池, 但由于池内各物质分布不均 匀,而且部分区域存在生化反应, 将其作为一个池体 模拟并不能反映真实情况, 所以将 C 池划分为上清 液区 、 进泥区和底泥区; B 池一直作为反应池, 池内各 物质分布比较均匀 , 将其作为一个反应池模拟; A 池 作为反应池 ,但是由于是前半周期的沉淀池 ,其中的 污泥浓度在开始一段时间内并不均匀分布,只有随着 曝气或搅拌的进行才趋近完全混合。为此 , 可以认 为,A 池内的混合过程是由几个内部循环流量很大的 反应区构成 [ 21] , 在周期开始, 由于个反应区物质浓度 不同 ,通过反应区之间水流的大量循环流动逐步使整 个池体内物质分布均匀。考虑到和 C 池的交替模 拟,将A 池也划分为 3 个反应区 ,反应区内部循环流 量大约为进水量的 50～ 100 倍 按水流上升流速及过 水面积估计 。Q0、QR和 QR ′分别代表进水量、反应 区循环流量和沉淀区循环流量。各模拟池体的尺寸 如表 4 所示 ; 模拟计算时,认为进水水质保持不变 ,进 水水质如表 5 所示; 模拟的结果主要是 B 池和 C 池 出水 的溶解性 COD、 氨氮 、 硝态氮和磷酸盐动态变 化,分别如图 2 ～ 图 5 所示 其中 C 池模拟值取自模 拟的 C 池上清液区 。 表 4 模拟工艺的反应区尺寸 池体A池上A池中A池底B池C 池上C 池进C 池底 有效容积 m3 1 2475002 8004 5471 2475002 800 横切面积 m2784 表 5 模拟试验期间进水水质主要指标mg L CODSFSASIXSXI磷酸盐氨氮硝态氮 324302031148952. 9621 . 70 注 SF为可发酵的易生物降解有机物; SA为发酵产物; SI为隋性溶 解性有机物; XI为隋性颗粒性有机物质; XS为慢速可降解基质。 对于 B 池的模拟 ,实测值和模拟值比较吻合, 相 对误差的绝对值在 10以下的占 43, 10～ 20 的占 29, 20以上的占 28, 且主要在 30以内。 氨氮在210 min的值 , 其相对误差达到 300以上, 这 一方面可能由于取样误差导致测量值不准,第二是测 量值过低。除溶解性 COD 外, 其他各指标的绝对误 差都比较小。溶解性 COD 的绝对误差较大, 可能因 为前半周期及本半周期末段 B 池均处于缺氧状态, 同时有原水进入 ,COD 尚未完全混合均匀 ,周期已经 62 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 图 3 氨氮实测和模拟值变化 图 4 硝态氮实测和模拟值变化 图 5 磷酸盐实测和模拟值变化 轮换, 导致 B 池在半周期的首尾两段的 COD 降解不 充分 ,但模拟时却考虑原水进入后就立刻完全混合, COD被稀释的同时也被降解。 对于 C 池的模拟 ,实测值和模拟值也较为吻合, 相对误差的绝对值在 10以下的占 54, 10～ 20的占 29,20以上的占 17, 且主要在 30以 内,没有出现相对误差过高的情况。溶解性 COD 的 绝对误差较大, 可能因为前半周期 C 池作为反应池 处于过渡沉淀时段, 由 B 池 处于搅拌少氧状态, 且 有进水 进入的有机污染物没有充分反应 ,而模拟时 只能认为它处于反应状态 ,COD 的消耗比实际大; 但 随着 B 池好氧出水进入 ,可降解的可溶性 COD 基本 被消耗完, 模拟结果和实测值的差别开始缩小, 都趋 近S1。 3 结论 UNITANK 兼具 SBR 和 A O 的工艺性质, 同时具 有区别于两者的一些特征 。在建立 UNITANK 工艺模 型的时候, 不能简单的将其视为完全混合式或推流 式。特别是考虑到 UNITANK 反应池内存在比较显著 的混掺现象 ,而这种现象对污染物降解产生明显的影 响,因此有必要将不同的反应池按不同的模式建立各 自的工艺模型。 ASM2D 模型与 UNITANK 工艺模型相结合 ,很好的 模拟出UNITANK 去除有机污染物、 脱氮除磷的动态特 63 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 征,对UNITANK 的运行和改进具有较好的指导意义 。 参考文献 [ 1] 国际水协废水生物处理设计与运行数学模型课题组. 活性污泥 数学模型[ M] . 张亚雷, 李咏梅译. 上海 同济大学出版社, 2002. 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