系统动力学在污水处理中的应用研究.pdf

系统动力学在污水处理中的应用研究 * 张扬 1 李子富 1 宋英豪 2 赵媛 1 陈豪 3 1． 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083;2． 北京化工大学，北京 100029; 3． 无锡城北污水处理厂，江苏 无锡 214000 摘要 利用系统动力学原理， 并根据活性污泥模型， 构建 Orbal 氧化沟系统脱氮过程模拟的系统动力学模型。通过与 实际情况相比发现， 将模型分解为溶解氧模块、 COD 去除模块和 TN 去除模块是合理的， 模拟发现减少转碟数量可以 提高氧化沟系统脱氮效果。通过与实际运行的 Orbal 氧化沟进行对比发现， 减少曝气转碟数量后， 总氮去除率 70 ， 比去年同期提高 30 。 关键词 系统动力学;氧化沟;污水处理 APPLICATION OF SYSTEM DYNAMICS IN WASTEWATER TREATMENT Zhang Yang1Li Zifu1Song Yinghao2Zhao Yuan1Chen Hao3 1． School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China; 2． Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China;3． Wuxi Chengbei Wastewater Treatment Plant， Wuxi 214000，China AbstractIn this study，system dynamics was applied to simulating nitrogen removal in Orbal oxidation ditch． Based on the activated sludge model No． 1，the model was divided into dissolved oxygen sector，COD removal sector and total nitrogen removal sector，it was showed that reducing the number of the aeration disc could enhance the nitrogen removal efficiency，and compared with the monitored data，after reducing the number of the aeration disc，the nitrogen removal efficiency was increased to 70 ，which was 30 higher than that of the same period of last year． Keywordssystem dynamics;oxidation ditch;wastewater treatment * 国家科技支撑计划项目 2006BAC19B00 。 0引言 随着经济的快速发展， 我国污水处理行业也得到 飞速发展。据住房和城乡建设部统计， 截止到 2011 年 3 月底， 全国设城市、 县及部分重点建制镇累计建成污 水处理厂 2996 座 ［1］，处理能力达1. 33 亿 m3 /d， 分别 比去年同期增加 38. 8 和 22 。虽然我国污水处理 硬件设施有了长足的发展， 但在污水处理设施运行过 程中还存在着较多的问题， 如运行调试周期长， 管理 效率低下， 运行效果不理想等。如何充分利用计算机 模拟技术为污水处理厂的运行管理、 工艺优化、 故障 诊断提供指导， 已成为当下研究的热点。 20 世纪 80 年代以来， 在活性污泥模型的基础上， 出现了大量的活性污泥系统专业软件， 如 AQUASIM、 ASIM、 GPS-X、WEST、BioWin、EFOR、STOAT 等 ［2］。 这些专业软件在国外污水处理厂中得到了广泛的应 用， 为污水处理厂的运行管理与工艺优化提供了强有 力的技术支持。但相关专业软件由于价格昂贵、 系统 缺少中文界面等原因， 使得国内一些研究机构更倾向 于使用通用软件对污水处理厂进行模拟。本文在研 究活性污泥数学模型的同时， 将基于信息反馈控制理 论为基础的系统动力学引入到污水处理厂的模拟中， 并应用 STELLA 软件， 对采用 Orbal 氧化沟工艺的污 水处理厂进行模拟， 为其优化运行提供技术指导。 1系统动力学特点 系统动力学是一门认识系统问题和解决复杂系 统问题的综合性学科。因为其反馈控制的优点， 以及 计算机技术的快速发展使得模拟计算能力快速增强， 系统动力学被成功地应用到可持续发展、 能源管理、 区域规划、 政府政策、 企业管理、 营销策略、 交通运输 5 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 等多个领域 ［3- 6］。系统动力学模型通过仿真实验进行 分析计算， 主要处理高阶次、 非线性、 多重反馈的复杂 时变系统的有关问题。系统动力学强调系统的联系、 发展与运动的观点， 认为系统的行为模式与特性主要 植根于其内部的动态结构与反馈机制。模型利用数 学方程将各个子系统间的影响和反馈定量化， 用简 单、 直接的方式将因变量与自变量之间的函数关系表 达出来 ［7- 9］。由图 1 可见， 建立的系统动力学模型可 将变量间复杂的关系以流图的方式表示。流图由状 态变量、 速率方程、 辅助变量组成， 各个变量由信息链 相互连接， 连接的变量之间存在运算关系。 图 1 表示状态变量、 速率变量和辅助变量间的关系。 图 1系统动力学流图结构 INVt INVt－1 Ab_ratedt Ab_rate f INV，Acc Acc g INV 式中 INV 为状态变量; Ab_rate 为纯速率; dt 为步长， 时间间隔; Acc 为辅助变量; f x ， g x 为方程。 2研究对象概况 无锡城北污水处理厂采用 Orbal 氧化沟工艺， 但 其与传统的 Orbal 氧化沟工艺不同， 其中心岛被改造 成厌氧区， 单沟处理能力为25000 m3/d。同时借鉴了 A2/O 工艺的运行模式， 为氧化沟增加了内循环系统， 即内沟出水部分回流到外沟， 从而提高了 Orbal 氧化 沟的脱氮除磷能力。与传统的 Orbal 氧化沟工艺相 比， 经改造后系统虽然在脱氮除磷方面有了改进， 但 其出水总氮还是难以达到GB 89182002城镇污水 处理厂污染物排放标准 的一级 A 标准。 由于溶解氧含量对污水脱氮过程影响较大， 为此 采用系统动力学原理应用 STELLA9. 0 软件对氧化沟 开启不同数量的曝气转碟的脱氮效果进行模拟， 以期 为该厂氧化沟系统的优化运行提供指导。 3基于系统动力学的氧化沟数学模型的构建 由于氧化沟中存在厌氧 － 缺氧 － 好氧的组合环 境， 因此反应器内部的微生物组成相对复杂， 既包含 以有机物、 氨氮为基质的好氧自养 异养 微生物， 又 包括了以硝酸盐、 有机物为底物的厌氧自养微生物。 这些微生物利用的底物不同， 所需的最佳生存环境也 不同， 但由于这些微生物均生存在同一生境中， 因此 需要综合分析并最终给出相对最为合适的溶解氧浓 度、 流量等运行条件。 按照 ASM1 机理， 异养菌的好氧生长过程受溶解 氧浓度的影响， 同时该过程也消耗一定量的溶解氧， 造成下游溶解氧浓度的降低。同时， 以氨氮为底物的 自养菌的好氧生长过程也受溶解氧的影响， 并造成溶 解氧浓度的降低。这两个过程几乎是同时进行， 很难 将二者有效区分。 好氧生长过程后， 下游基本形成了缺氧环境， 该 区域内以硝酸盐和有机物为底物的异养菌大量繁殖， 在缺氧条件下将硝酸盐还原为氮气。该过程同样受 到溶解氧浓度的影响。 从以上分析可以看出， 氧化沟内的微生物反应按 照时间与空间分布基本分为两个步骤， 分别为好氧过 程与缺氧过程。这两个过程由溶解氧浓度联系在一 起， 因此， 最终确定模型分解为 3 个模块， 分别为溶解 氧模块、 COD 降解过程模块、 以及 TN 降解过程模块。 3. 1溶解氧模块 rate of rotate － 转碟的转速; SO2－ 氧化沟外沟溶解氧浓度; O2up rate － 好氧过程消耗的一部分溶解氧;O2flow out － 随出水流出的部分溶解氧;Q － 流量; V － 体积 图 2溶解氧模块 氧化沟中溶解氧浓度受多种因素影响， 其中使污 水中溶解氧浓度升高主要是曝气转碟的作用 不考 虑大气复氧 ， 而使溶解氧浓度降低主要是好氧过 程， 以及随出水流出的溶解氧部分， 因此构建溶解氧 SD 模块如图 2 所示。 6 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 转碟曝气机是 Orbal 氧化沟工艺的核心设备 见 图 3 ， 其作用是向污水中充氧， 并推动污水在沟中循 环流动以及防止活性污泥沉淀， 使污水和氧充分混合 接触， 完成生化过程。曝气转碟的充氧性能及动力特 性可通过增减转碟数量、 改变浸没水深或调节转速来 进行调整。 图 3氧化沟曝气转碟 城北污水厂氧化沟选择国美天津水务公司的曝 气转碟， 外沟设 6 台， 浸没深度保持在 50cm， 根据厂 家提供数据， 该条件下曝气设备的充氧能力主要受转 速影响， 见表 1。 表 1浸没深度 50 cm 时曝气转碟转速与充氧能力的关系 转速 / r min － 1 充氧能力 / kg h － 1 功率 / kW 动力效率 / kg kW － 1h－ 1 430. 710. 340. 28 460. 810. 402. 02 490. 890. 451. 96 500. 920. 471. 94 520. 990. 521. 89 551. 080. 591. 84 3. 2COD 好氧降解模块 COD 好氧降解模块如图 4 所示。 COD － 进水 COD 浓度; COD de rate － COD 降解速率; YH － 参数 图 4 COD 的降解模块示意 氧化沟中的 COD 主要通过两个途径得以去除 一是在异养菌好氧生长过程中被利用， 最终产物是二 氧化碳和水; 二是在异养菌缺氧生长过程中被利用。 需要注意的是， 氧化沟进水中的 COD 并非全部可被 微生物利用， 其中一部分属于惰性物质无法被微生物 降解， 该部分 COD 将随出水流出反应器外。由此构 建 COD 好氧降解模块 见图 4 。 3. 3TN 去除模块 城市污水中总氮主要以有机氮、 氨氮、 硝态氮等 形式存在， 可溶性有机氮在氨化细菌的作用下可以形 成氨氮， 氨氮在好氧条件下， 被硝化细菌利用， 通过两 个步骤最终形成硝酸盐氮。缺氧环境条件下， 硝酸盐 被反硝化细菌利用， 最终形成氮气排放至大气中。考 虑到有机氮的降解相对复杂， 且其并非 TN 去除的限 制性因素， 根据以上分析， 在不考虑同时硝化反硝化 的前提条件下， 总氮的去除存在时间与空间的分隔。 由此建立 TN 去除模块见图 5。 ORN － 有机氮; NH3-N － 氨氮; NO3-N － 硝酸盐氮 图 5 TN 的降解模块示意 同 COD 降解模块相同， 所涉及的微生物均认为 浓度恒定。需要特别指出的是， 由于 TN 的去除过程 所涉及的参数数量众多， 连接也过于复杂， 因此图中 并未表示所有的变量关系示意。 按照模块之间的关系， 将上述三个模块用信息链 连接， 即可得到最终的数学模型， 相关动力学参数参 照 ASM 建议值。 3. 4模拟结果及分析 同稳态模拟过程类似， 依据国际水协会的推荐值 确定相关动力学参数及化学计量参数。相关模型初 始值选自 2007 年 8 月实际进水水质的加权平均值， 具体见表 2。 表 2稳态模拟的初始值 水量 / m3d － 1 ρ COD / mg L － 1 ρ BOD5 / mg L － 1 ρ TSS / mg L － 1 ρ TN / mg L － 1 1997052417634538. 5 模拟停开部分转碟后的结果见图 6。分别模拟 了同时开 6 个转碟、 4 个转碟、 3 个转碟的 TN 去除情 况， 模拟结果如图 6 所示。可以看出 随着转碟开启 数量的降低， 出水总氮的浓度明显降低， 开启 3 个转 碟时， TN 的达标率明显高于其他两种工况， 因此减少 7 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 转碟的运转数量可以提高系统对 TN 的去除效果。 图 6减少曝气转碟后的模拟结果 通过对实际运行中的氧化沟系统停开了 2 组曝 气转碟后， 对系统的溶解氧含量和总氮的监测发现， 在系统内形成较低的溶解氧环境， 从而为提高脱氮效 果 创 造 了 良 好 的 环 境。 实 际 出 水 总 氮 稳 定 达 GB 189182002城镇污水处理厂污染物排放标准 的一级 A 标准。具体运行结果见图 7。 图 7改进后总氮 从图 7 可以看出 停开 2 组曝气转碟后， 系统对 总氮的去除效果 有了明 显 的 提 升， 总 氮 去 除 率 达 70 ， 比去年同时期提高 30 。其中进水最高浓度 为36. 1 mg/L， 最 低 浓 度 为26. 1 mg/L， 平 均 浓 度 为 31. 82 mg/L， 出 水 最 高 浓 度 为 12. 7 mg/L， 最 低 为 7. 47， 平均 为9. 37 mg/L。改 造 后 的 平 均 去 除 率 为 22. 45 mg/L， 优于去年同时期的14. 36 mg/L。除此之 外， 系统脱氮效果较为稳定， 在 1 个月的检测器内总 氮的一级 A 达标率为 100 。 4结论 通过将模拟结果与实际运行氧化沟系统运行效 果相对比发现， 将氧化沟系统内脱氮过程分成 COD 模块、 DO 模块和 TN 去除模块， 并根据国际水协的 ASM1 模型利用系统动力学原理模拟氧化沟内总氮 去除过程是可行的。 参考文献 ［1］中华人民共和国住房和城乡建设部． 关于全国城镇污水处理 设施 2011 年第一季度建设和运行情况的通报［Z］． 2011． ［2］周振， 吴志超， 顾国维． 活性污泥系统仿真软件的研究进展 ［J］． 中国给水排水，2010 4 1- 5． ［3］陈书忠， 周敬宣， 李湘梅， 等． 城市环境影响模拟的系统动力学 研究［J］． 生态环境学报，2010 8 1822- 1827． ［4］汤洁， 佘孝云， 林年丰． 吉林省大安市生态环境规划系统动力 学仿真模型［J］． 生态学报，2005 5 1178- 1183． ［5］莫淑红， 孙新新， 沈冰， 等． 基于系统动力学的区域水环境动态 承载力研究［J］． 西安理工大学学报，2007 3 251- 256． ［6］蔡林， 高速进． 环境与经济综合核算的系统动力学模型［J］． 环境工程学报，2009 5 941- 946． ［7］Kollikkathara N，Feng H A，Yu D L． A system dynamic modeling approach for uating municipal solid waste generation，landfill capacityandrelatedcostmanagementissues ［J］．Waste Management，2010，30 11 2194- 2203． ［8］Guest J S，Skerlos S J，Daigger G T，et al． The use of qualitative systemdynamicstoidentifysustainabilitycharacteristicsof decentralized wastewater management alternatives ［J］．Water Science and Technology，2010，61 6 1637- 1644． ［9］Guo H C，Liu L，Huang G H，et al． A system dynamics approach for regional environmental planning and managementA study for the Lake Erhai Basin［J］． Journal of Environmental Management， 2001，61 1 93- 111． 作者通信处张扬100083北京市海淀区学院路 30 号 北京科技大 学 396 信箱 E- mailzhangyang83609 yahoo． com． cn 2011 － 12 － 15 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 环境工程 启用在线投稿系统公告 自 2011 年 12 月 1 日起， 环境工程 已正式启用在线投稿系统， 广大读者、 作者可访问本刊网站 www． ic-mag． com， 点击在线 投稿链接进入系统; 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