（模式识别与智能系统专业论文）构建模拟控制下的bnr工艺运行优化策略——模拟与试验验证.pdf

北京建筑工程学院硕十学位论文摘要 构建模拟控制下的b n r 工艺运行优化策略 模拟与试验验证 摘要 本课题应用t u d 模型建立了b c f s 中间试验系统的工艺模型，旨在控制及优化其运行。 运行控制优化的目的在于保证出水水质达标的前提下减小能量消耗并实现资源( p ) 同收。 对进水水质动态变化及运行参数的模拟预测表明，工艺模型能准确反映实际工艺的运行 工况。在此基础上，应用工艺模型对b c f s 的运行参数进行了评价与优化并进行试验验证， 得出b c f s 的最佳运行为：q a = 2 q n v ，q b = 2 q i n ，d o r s = i 5 - 2 5m g l ，q c 在进水负荷没有超 出设计能力的情况下可以关闭。 对低碳源( 进水c o d 长期维持3 0 0m g l 的水平) 的模拟研究与试验验证表明：b c f s 在常规运行条件下反硝化除磷( d p b ) 对生物除磷起主要作用，7 0 以上的吸磷总量发生于 缺氧( r 3 ) 及缺氧，好氧( r 4 ) 反应器；进一步优化曝气可使这一比值增大到8 0 以上，使 系统在碳源不足的情况下仍能保证出水水质达标，但长期完全关闭r 4 曝气会引起p 0 4 3 + 的 二次释放。在强化d p b 的前提下，进行化学磷同收可进一步提高t n t p 的去除效果，但磷 回收量的增大会对硝化反应造成消极影响。 关键词：b c f s 工艺，工艺模型，运行控制优化，反硝化除磷，磷同收 北京建筑工程学院硕上学位论文a b s t r a c t t o w a r d so p t i m i z e db n r o p e r a t i o ns t r a t e g i e sb a s e d o nm o d e l i n gi m u l a ll i o na n d ! n t a lerificationsn m o d e l i n g ：s i m u l a t i o na n de x o e r i m e n t av e r ic a t i o n s i a b s t r a c t ap r o c e s sm o d e l i n gw a ss e t u pw i t ht u dm o d e lf o ra p i l o tb c f ss y s t e m , a i m e da t i t s o p e r a t i o n a lc o n t r o la n do p t i m i z a t i o n t h ep r o c e s sc o n t r o la n do p t i m i z a t i o no b j e c t i v e sw e r e m e e t i n gt h ee f f l u e n ts t a n d a r d s ，w h i l em i n i m i z i n ge n e r g yu s ea n dr e a l i z i n gpr e c o v e r y t h ep r e d i c t i o n so ft h ed y n a m i ci n f l u e n ta n do p e r a t i o n a lc o n d i t i o n si n d i c a t e dt h a tt h ep r o c e s s m o d e l i n gc o u l dr e p r e s e n tt h e a c t u a lo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n sa n dp e r f o r m a n c e so ft h ep i l o tb c f s s y s t e m , a n db a s e do nt h e s eo p t i m a ls t r a t e g i e sf o r t h eo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r sw e r ep r o p o s e da s f o l l o w i n g ：q a = 2 q i n ，q b = 2 q m ，d o r 5 = i 5 - 2 5m e g l ，q cc o u l db ec l o s e dw h e nt h ei n f l u e n tl o a d d i d n te x c e s st h ec a p a c i t yo ft h es y s t e m i nt h em o d e h n ga n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h ec o n d i t i o no fl o wi n f l u e n tc o dl o a d ( 3 0 0 m e g l ) ，i tw a si n d i c a t e dt h a tt h ed e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o np r o c e s sw a sc h a r g e dw i t ht h e b i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a lm a i n l y a b o v e7 0 o ft h et o t a lp 0 4 抖a b s o r b i n go c c u r r e da tr 3 a n dr 4 t h i sr a t i oc o u l db ef u r t h e ri n c r e a s e dw i t ho p t i m i z i n gt h ea e r a t i o ni nr 4 b u tp 0 4 3 + w o u l d b er e l e a s e da g a i no nc o n d i t i o nt h a ta e r a t i o ni nr 4w a sc l o s e dt o t a l l yf o ral o n gt i m e c o n d u c t i n g p r e c o v e r yc o u l df u r t h e ri m p r o v et h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft n 厂】卫b u tt h en i t r i f y i n gp r o c e s s w o u l db en e g a t i v e l ya f f e c t e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fp r e c o v e r yr a t i o k e y w o r d s ：b c f sp r o c e s s ，p r o c e s sm o d e f i n g ，o p e r a t i o n a lc o n t r o la n do p t i m i z a t i o n ，d e n i t r i f y i n g p r e m o v a l ，p - r e c o v e r y 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：砀i ) l ；铀托 日期：2 0 0 8 年6 月 北京建筑工程学院硕士学位论文第1 章概论 第1 章概论 1 1 课题研究背景 自然界中水在太阳辐射及地球引力的作用下，形态不断发生由液态气态一液态的循环 变化，并在海洋、大气和陆地之间不停息地运动，从而形成了水的自然循环。水体中的污染 物经物理、化学与生物净化作用浓度降低或总量减少，从而受污染的水体部分或完全恢复原 状，此过程称为水体自制。水的自然循环和自净是陆地淡水资源形成、存在和可持续利用 的基本条件。随着人类经济社会的发展，一方面对水资源的需求大量增加，已超出了水资源 的开采潜力，导致了日趋严重的水晕性缺水。另一方面，大量活污水大量排放严重超出了水 体的自净能力，造成了严重的水环境问题，从而导致水质性缺水，进一步加剧了水资源的短 缺。 1 1 1 传统污水处理技术及其弊端 水自然循环被人为破坏后要求增加人工水循环，以保证水资源的可持续利用和人社会的 可持续发展。为此，污水处理技术作为实现人工水循环的主要技术手段应运而生。传统污水 处理方式在技术思想上将污水视为对水环境存在危害、没有利用价值的废弃物。与此对应的 技术目标就是采用一切技术手段，不惜以消耗大量资源、能源为代价将水中的污染物去除殆 尽。 污水生物处理是目前应用最广泛的城市生活污水处理技术。传统污水生物技术虽然能够 有效去除污水中的有机物( c o d ) 、n 、p 等污染物，但以水质净化为唯一目标，未考虑处 理过程中的综合环境效益以及资源和能源的循环，导致在水质得到净化的同时必须付出高昂 的能量资源代价并会引发其他环境问题。例如，以c o d 去除为主要目的的二级生物处理工 艺消耗大量能量( 化石燃料) ，以曝气方式通过微生物新陈代谢作用将有机物( c o d b o d ) 氧化至二氧化碳( c 0 2 ) ，其结果，将水污染转嫁成了大气污染。与此同时，也摧毁了有机 物中蕴含的生物质能( 约1 4 x 1 0 6j 代谢热k gc o d ) 。生物脱氮和生物除磷对碳源需求更是 污水生物处理中的突出问题：碳源不足限制了生物脱氮除磷之效果，不能满足日益严格的污 水排放标准。如果以传统的方式外加碳源，污水处理过程将消耗更多的资源和能源，排放更 多的c 0 2 ，并产生大量剩余污泥。大量剩余污泥处理与处置是世界性难题，这不仅冈为其处 理、处置过程耗资巨大( 约占污水处理厂总建设和运行费用的5 0 6 0 ) ，而且处置不当 会造成严重的二次污染。这些问题严重制约了污水生物处理技术的发展，是传统污水生物处 理技术不可持续性的集中体现。 1 1 2 可持续污水生物处理技术 技术思想上的不可持续性决定了传统污水处理技术先天缺陷无法在自身的局部修正中 得到解决，必须要有从技术思想到实际技术的认识变革。2 0 世纪9 0 年代，荷兰代尔夫特理 工大学首先提出了可持续污水处理技术的思想，并在全球得到了一致性认可。在这一观点下， 污水首先被视为能源与资源的载体：污水中的c o d 是一种可以再生的含能物质，污水中的 n 、p 是有可能回收的营养元素。污水处理的核心目标是在污水处理过程中实现：最少的能 源消耗( c o d 氧化及c 源消耗) ，最低的c 0 2 排放，最小的污泥产量，最大限度的资源( p ) 回收，而污水的净化本身则成为回收资源与能源的过程。在此可持续污水生物处理技术思想 的指导下，一批相应的新技术迅速发展。其中最典型的有反硝化除磷技术和化学磷回收辅助 生物除磷技术。 ( 1 ) 反硝化除磷技术 常规强化生物除磷( e b p r - e n h a n c e db i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l ) 技术的原理是活 性污泥中聚磷菌( p a o s ：p h o s p h o r u sa c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ) 在厌氧环境下分解胞内聚磷酸盐 ( p o l y p ) ，由此获得能量摄取水中挥发性脂肪酸( v f a s ：v o l a t i l et a t r ya c i d s ) ，并以聚一1 3 北京建筑i 程学院坝i 学位论丘 1 概论 羟基酸盐( p h b ：p 0 i y b y d m x yb u t y “a t e ) 的形式储存丁胞山；往好氧环境f ，p a o s 以游离 氧( o z ) 为电r 接受休将p h b 轼化至c 0 2 井秆放能姑，产生的能苗刈jp a o s 的生睦及过 培摄i 阪水中的真磷酸盐以形成胞内p o l yp 。吸磷量人r 释磷培，使磷在生物体内富集达到恃 通活性污视含磷坩3 7 倍的程度，母后通过富磷陵剩余污泥的排放逃刮2 、酴n 水中磷的目的 ( 罔1 i ) 。 寤。虿 汇 上姐一 广罢 雩 泛三 圈11e b p r t 艺原理 进水c p 比和生物用体停留时间( s r t ：s l u d g e r e t 即t i o nt i r 肿) 趄影响e b p r 运行散果 的重要因素。进水c p 太低将不足以产生足够的聚磷茼来进行乍物除磷，单独的生物强化除 磷要求c o d p 2 2 口。同步脱氢的情况f ，由于反硝化作h j 对c 源的竞争这一比债将进一 步增大。运行常的e p b r 系统中，寓磷剩余污泥的择放是磷玉除的主要途径，排泥量的多 少直接决定了磷的去除簟。这就要求e p b r 系统尽可能采用较小的s r t ，这一方面造成了人 量剩余污泥的排放：另一方面硝化细苗由于生长缓慢要求较长的s r t ，为了除磷缩短s r t 可能严审影响生物脱氮过程。 在，i 水脱氪除磷实践中一类能在缺氧环境f 以硝酸氮( n o ，) 为屯了接受体进行过量 吸磷的细菌被发现了，这类细菌称为反硝化除磷苗( d p b ：d e n i t t i f y m gp h o s p h o r u s - r e m o v i n g b a c t e r i a ) ，此过样称为反硝化除磷( d e n i t r i f y i n gd e p h o s 口h a t a t i o n ) 。1 。反硝化除磷实际上 是将生物脱氮与生物除磷有机地结台在一起，其是明显的优点就是对c 振和曝气量的节省。 d b p 能在去除每4 5m gn o j 的同时去除im gp 而无需消耗额外的c o d 。理论上讲，与常规 生物脱氢除磷相比，反硝化除磷可节省5 0 的c o d 承；3 0 的曝气馈。c o d 的节省不仪能缓解 生物脱氯与生物除磷在c 源需求上的矛盾，也意味着剩余沿泥产量的减少。 ( 2 ) 化学磷回收辅助生物除磷 尽管反硝化除磷能一定科度e 减小生物除磷过群对c 源的需求，c 源不足仍是污水生物 除磷面临的主要问题。为了保证磷的击除效果，需要引进化学除磷辅助生物除磷。传统化学 北京建筑t 程学院硕l 学位论文第1 章概论 除磷技术主要为金属离子沉淀t 艺，以磷的去除为唯一目的。药剂投加位置一般为曝气池或 沉淀池。这造成两个方面的问题：是投加点的磷酸盐浓度较低，由于溶度积规则的限制， 进一步降低磷的浓度需要较大的药剂投加量；二是磷沉淀物与生物固体混合在一起难于分 离，生成的化学污泥难以处理，此外，无法实现磷资源的回收利用。磷是一种贮量十分有限 的自然资源，在使用过程中呈单向流动，最终以污水形式流入大海并沉入深海的沉积层中。 因此，从某种程度上讲，磷是一种不可再生的资源，磷危机已成为世界各国实现可持续发展 的一大障碍。人类只能在磷进入大海之前最大限度地截留同收才能延缓磷资源的匮乏速度。 客观上需要的污水除磷与磷同收使人们重新审视单纯的污水除磷问题，将污水磷回收与除磷 相结合的可持续生物除磷脱氮技术已成为污水营养物去除技术发展的发展趋判】。 通过对多种从污水生物除磷过程中磷回收位置和磷同收方式的研究睁1 2 】，确定磷回收的 最佳位置是厌氧池上清液、污泥消化液这些正磷酸盐浓度较高之处【9 d 1 1 。图1 2 为典型的以 厌氧池上清液侧流离线方式实现磷回收强化生物脱氮除磷的工艺。该工艺以u c t 工艺为基 础，通过收集厌氧池富磷上清液形成鸟粪石等沉淀回收部分磷( 5 0 ) ，可减少后续生物除 磷负荷，相对提高c o d p 比，从而达到强化生物除磷的作用。这一新工艺的性能首先通过 数学模拟技术进行了性能评价【l 川3 | ，随后义以实验室小试方式予以了验证【1 4 1 。该工艺不仅 有助于磷的可持续利用，而且充分利用了聚磷菌对磷的亲和性，达到利用磷同收提高生物除 磷出水效果的目的。 内同流a 磷酸钙 图1 2u c t 工艺及磷回收单元示意 1 1 3b c f s 工艺 为了最大限度地从工艺角度创造d p b 富集和磷回收的条件，荷兰代尔夫特理工大学在 u c t 的基础上研发出了一种变型工艺b c f s ，并已在1 0 座升级新建的污水处理厂中得到实 际应用 1 5 j o 该工艺设计充分体现了可持续污水处理技术思想，即在保证出水水质的前提下 实现最小的能源消耗与运行成本，减小化学药剂的使用量，实现资源( p ) 与能源的回收。 b c f s 工艺流程如图1 3 所示。从流程上看，整个系统在u c t 的基础上增加了两个生物 反应器，两个混合液回流及一个侧流磷沉淀单元。增加的两个反应器分别为接触池及缺氧， 好氧池。接触池的主要作用是抑制污泥膨胀：来自二沉池的回流污泥回流至此，以污水接触 后吸附了几乎所有厌氧池出流中残余的溶解性c o d ，抑制了丝状菌在后续好氧环境中的生 长。增加的第二个生物反应器为介于缺氧池和好氧池之间的缺氧，好氧池( 缺好池) 。该反 应器仅在好氧池溶解氧( d o ) 过低或其自身或缺氧池氧化还原电位( o r p ) 过低时进行微 量曝气( 维持i ) 0 5 0 5m g l ) ，以利于获得同时硝化与反硝化( s n d ) 从而保证较低的出水 总氮浓度。对应增加了一个从好氧池到缺好池的混合液同流。为了实现磷回收，设置了一 个磷沉淀单元：通过侧流的方式引出厌氧池上清液至磷沉淀池，沉淀反应后上清液回流至接 3 北京建筑工程学院硕一 ：学位论文第1 章概论 触池参与后续生物反应。由于各反应器中厌氧池的磷浓度最高( 约3 0r a g l ) ，可投加少量 的化学药剂而获得较高的沉淀效率。离线操作的方式避免了化学沉淀与生物固体的混合，易 于实现磷资源的回收。 回流q q 曲回流c ( q c ) 图1 3 b c f s 工艺流程 1 1 4 实际运行问题 尽管b c f s 工艺在设计上己充分体现了实现资源和能源回收的可持续污水处理技术思 想，但设计目标的最终实现还取决于实际运行管理。从可持续的观点出发，实际运行的目标 不仅在于保证良好稳定的出水水质( n h 4 + lm g n l ，t n 1 0 m g n l ，t p 1m g p l ) ，还要 求实现处理过程中最小的能源消耗( 曝气及c o d 氧化) ，最小的运行成本，最小的剩余污 泥排放及最大限度的资源( p ) 回收。但由于进水水量、水质及温度等运行条件的动态变化 及污水生物处理过程的复杂性和相互影响，这些目标往往难于同时实现。 实际运行中进水水量、水质及温度等运行条件是时刻变化的动态过程，这直接导致了出 水水质的波动；如果进水负荷的变化超出了污水处理系统的抗冲击能力，则将导致出水水质 超标。为了保证在此动态变化的运行条件下实现稳定的出水，就必须对运行工况进行相应调 整。有效控制策略首先需要对出水变化做出可靠预测( 如，进水c o d 负荷的提高将导致出 水c o d 浓度超标) ，然后在此基础上确定操作变量( 如，曝气量，混合液回流量，及剩余 污泥排放量) 及其调控水平( 如，将好氧池d o 从2m g l 提高至3m g l ) 。 但对于出水水质的准确预测及操作变量调控水平的确定比较困难。为了保证出水达标， 实际运行中往往采取保守的方式盲目加大曝气量、混合液流量及化学药剂量来满足出水水质 标准的要求，导致巨大的能量消耗和运行费用。往往在付出如此沉重的代价后，出水达标的 基本要求还是无法满足。这是冈为污水生物处理的各个过程是相互影响的，如，提高曝气量 和增大好氧区体积虽然有利于c o d 和n h 4 1 去除，但不利于反硝化过程，在出水c o d 达标 的同时很可能造成t n 的超标。 1 2i k ：f s 工艺现行的运行控制策略 t1 b c f s 工艺现行的主要运行控制策略是采用如图缸所示的o r p 定点调节的方式t l 纠： 对于回流a ，若厌氧池o r p - - 0 0 7 8v 则维持最小流量6 0 0 0m 3 d ，- - 0 2 2 7 v o r p - - 0 0 7 8v 之间则回流量随o r p 值的增大而 线性减小，通过这种调整维持厌氧池污泥浓度处于最佳水平( 设计值为4gc o d m 3 ) 。回 流b 与回流c 的控制方式与回流a 致。其原理是o l 冲值与污水中各氧化，还原电对浓度间 的线性关系。具体关系如下：厌氧池o r p 随进水c o d 负荷的升高而线性下降，而c o d 负 荷与随进水流量的增加而线性上升，所以，在回流a 一定的情况下，厌氧池o r p 的下降意 4 北京建筑f t 程学院硕上学位论文第1 章概论 味着进水流量的增加或厌氧池污泥浓度的减小。缺氧池中，o p r 随l o g ( n 0 3 。) 值升高而线性 上升，一般维持缺氧池n 0 3 在一个较低的水平( 0 5m gn l ) ，此时对应一个特定的o r p 值，o p r 值低于此值则说明缺氧池的反硝化能力还未充分发挥，可进一步加火回流b 以加 强反硝化作用：缺好池中，o p r 随l o g ( 0 2 + n 0 3 - ) 值升高而线性上升，理论上缺1 好池n 0 3 浓度维持在1 5m gn l 最有利于反硝化，此时对应一个最佳的o r p 值并由此调整同流c 。 翼 蓬 茎 晕 星 芷 r 1s船r 3im ， l h 跫 鬻 h 6 一l 悝 叫 辱口 l o审 n 磕匮i- 0 均m 锉 n 售x硒0 m q d m a ，跏蒯 m 砸1 4 4 0 0m t t d 确n1 2 0 0 0i 1 1 钼 f n i n6 0 0 0 ，州 0 30 2- 0 101 3 10 20 31 3 40 5 0 r p v 图1 4b c f s 工艺基于o r p 定点值的回流量控制3 1 好氧池d o 控制在2 8m g l ；若好氧池d o 2 5m g l ，则开启缺好池曝气。在对污泥 龄( s r t ) 的要求上，生物脱氮与生物除磷过程往往存在矛盾，硝化反应需要一个较长s r t ， 而对于生物除磷过程则需要较大的排泥量或者说较短的s r t 往往比较有利。考虑到b c f s 在 设计上存在侧流化学磷回收单元，最终确定采取尽可能长的s r l 首先保证良好的脱氮效果， s r t 延长造成生物除磷的不足将由化学磷沉淀弥补。厌氧池侧流量的大小由每日出水耶铱度 控制。出水1 p 的控制目标设定在0 5m gp l ，若出水t p 大于此值则加大侧流量，否则即减小 侧流量。通过这种方式，生物脱氮和生物除磷在s r t 上的矛盾得到了解决，能够同时保证较 低的t n 和t p 浓度。 1 3 存在的问题 1 3 10 r p 与d o 定点值控制造成的能量浪费 以上定点控制的方法虽然保证了稳定、良好的出水水质，但m e i j e r 的研究结果表明这 种控制策略可能造成很大的能量浪费【3 l 。主要原因是0 r p 虽然与流量及污水中组分能保持 良好的线性相关度，但长期运行中o r p 电极电位存在严重的漂移现象，即o r p 信号在数值 上偏离实际流量与组分浓度。例如，对于厌氧池，其o r p 设定值的下限为- 0 2 7 7 v ，低于此 下限，回流a 将维持最大流量1 8 0 0 0m 3 d 。但实际运行中，厌氧池o r p 从未大于此下限值， 5 0 7 6 5 4 3 2 l 北京建筑t 程学院硕士学位论文第1 章概论 导致q a 长期维持在最大流量，高达进水流量的6 倍，造成了很大的能量浪费。对于缺氧池， 观测期间n 0 3 浓度大部分时间低于0 5m gn l ，按照上述控制策略，q b 也一直处于最大流 量，而此期间实际负荷远小于设计负荷，反硝化反应已经进行得非常完全了，回流b 的增加 没有起到强化反硝化的作用反而造成了能量浪费。观测期间约6 5 的时间缺好池都处于 曝气状态，反硝化本身已受到抑制。此外，曝气加强的硝化作用引起缺好池n 0 3 - 浓度上升。 这些情况下都可以减小q c 以降低能耗，但由于电极电位漂移效应，o r p 电极没有准确反应 这些变化，同流c 仍然一直处于最大流量。 1 3 2 与p 回收相关的复杂控制问题 化学p 回收的目的一方面是相对提高c p ( n ) 比以强化b n r 运行效果，另一方面是实现 p 资源的回收。运行上自然期望p 的回收率最高。但化学除磷比例的升高必然导致生物除磷 作用的减弱。模拟研究表明【l 7 1 ，厌氧池p 0 4 3 + 浓度随侧流比的增加首先缓慢而稳定下地降， 当侧流比升高到某一定值之后，p 0 4 轴 浓度急剧f 降。这是因为厌氧释磷和好氧吸磷是一个 相辅相成的动态过程，通过化学磷回收厌氧池p 0 4 3 + 总量的减少必然导致好氧吸磷总量的降 低，而这又进一步导致厌氧释磷量的降低，并由此循环往复。这表明化学磷同收存在一个最 大或者说最佳的同收量，超过这个量将由于厌氧池p 0 4 3 + 浓度的降低导致化学药剂量的增加 进而加大磷回收的运行成本。这个最佳的侧流比应该是厌氧池p 0 4 浓度加速下降前的转折 点。然而，这个最佳比值不是确定不变的，它受到实际进水p 浓度和污泥负荷的影响。 如上所述，b c f s 在实际运行中采用尽可能长的s r t 以利于消化反应并减小剩余污泥排 放量，由于s r t 延长导致的生物除磷不足将由化学磷同收补偿。但两个模拟研究表明，化 学磷回收很可能对硝化细菌造成消极影响。如果化学磷回收的产物为鸟粪石 ( m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0 ) ，则一分p 0 4 h 的去除必然伴随一分n h 4 + 的沉淀。n h 4 + 总量的减少将导 致好氧环境中硝化细菌由于基质不足而总量减少，从而影响硝化反应【l6 】。b a r a t 等人也在模 拟研究中发现当侧流比增加到某一定值后( 约4 0 ) ，出水n h 4 + 的浓度显著上升，这一现象 在高污泥负荷时尤为明显。但此时硝化反应受到抑制的原因是p 0 4 孔量的减少，以致成为硝 化细菌生长的营养限制u 川。 1 4 数学模拟技术应用于b n r 过程控制的可行性 为了实现保证良好稳定的出水质，最小的能源消耗，最小的运行成本，最小的剩余污泥 排放量及最大限度的资源( p ) 回收这一运行控制目标，就必须采取更加有效的运行控制方 法和策略。污水处理中水量和水质的动态变化和b n r 各过程复杂的相互作用要求控制方法 在性能上应具有良好的预测能力及对污水生物处理过程机理全面和深入的描述。在这方面， 活性污泥数学模拟技术具有独特的优势。 数学模拟技术包含两方面的内容：活性污泥数学模型和应用软件的开发。在活性污泥模 型方面，从第一个最简单的用于去除有机物和氨氮的活性污泥稳态模型于1 9 7 6 年由南非开 普敦大学开发出来以来【1 8 】，目前已经得到各种有机物( c o d ) 、氮( n ) 和磷( p ) 去除过程 的活性污泥动力学模型，如国际水协( ，a ) 推荐的活性污泥系列模型( a s m s ) 【l9 。2 和荷 兰代代尔夫特理工大学生物除磷代谢模型( t u d 模型) 等【2 玉删。活性污泥模型的发展循序 经历了“黑箱”、“灰箱”和“代谢机理”三个阶段：第一个活性污泥稳态模型至a s m i 属于“黑 箱”阶段；随着一些基础研究的不断深入，特别是微生物生理学的发展，人们对细胞内部的 代谢机理有了深入的了解，当把这些新发现融入模型时，黑箱就渐渐变成了灰箱。灰箱再继 续分析下去，根据功能与结构关系原理可反求其结构从而进一步明确内部机理，使灰箱越来 越“透明”，如a s m 2 、a s m 2 d 等。荷兰代尔夫特理工大学v a l ll o o s d r e c h t 等针对生物除磷部 分，经多年研究实现了微生物细胞内部完整代谢机理的明朗化，最终建立生物除磷的完整代 谢模型，即t u d 模型。 6 北京建筑下程学院硕上学位论文 第1 章概论 在模拟软件开发方面，随着计算机技术的发展许多嵌入活性污泥动力学模型、功能强大 的商业化模拟软件也已问世。这些软件不仅能实现对污水生物处理系统精确的静态模拟，更 能在动态水质、水量下实现实时动态模拟及进行敏感性分析和参数估计。其中，应用较为广 泛的有a s i m 、a q u a s i m 、b i o w i n 、 g p s x 、w e s t 、s i m b a 等”1 删。 活性污泥模型与计算机技术的飞速发展使数学模拟技术广泛用于活性污泥系统工艺设 计、运行优化与控制、试验定向等领域，已成为污水生物处理技术中一种强有力的工具u 卜”1 。 数学模拟技术的这些特征使其具备应用于b n r 过程控制的能力。 1 5 课题的研究目的、内容与方法 本课题的目的一是研究可持续污水处理工艺的运行控制与优化，二是研究并验证数学模 拟技术应用于b n r 过程控制的适用性。工艺运行控制的主要目标为：保证良好稳定的出水 质，最小的能源消耗，最小的运行成本，最小的剩余污泥排放量及最大限度的资源( p ) 回 收。工艺模型的主要研究内容为：模型的校正方法，模型预测性能的试验验证，基于模型的 运行控制与优化。研究方法为建立b c f s 的中间试验装置，采用人工模拟污水以控制获得可 控的动态工况，工艺模型建立后以模型指导试验并以试验验证模型结论。 1 6 论文结构 论文总共包括8 章。第1 章为绪论，主要讨论可持续污水处理工艺b c f s 的运行控制目 标、现行的运行控制策略及其存在的问题，并讨论数学模拟技术应用于b n r 过程控制的可 行性。第2 章为工艺模型的建立与初步静态模型，确定出模拟偏差并初步确定参数调整的范 围。第3 章为工艺模型的校正与验证，将首先回顾以往的模型校正经验，并总结出基于系统 物料平衡的模犁校正方法，最后对校正后的工艺模型进行验证。第4 章将应用校正后的模型 进行水质动态模拟预测，并通过中间试验实际验证，以检验工艺模型的预测性能。第5 章重 点模拟评价各工艺运行参数( 各回流量，d o ) 并进行试验验证，以确定最佳的运行控制参 数和运行控制策略。第6 章将初步探讨低碳源条件下的运行控制策略，重点在于反硝化除磷 的强化及化学磷同收对各b n r 过程的影响。第7 章将通过对实际生活污水处理厂基于物料 平衡的工艺模型校正与验证，进一步考察实际污水厂工艺模型的校正问题，并验证基于物料 平衡模型校正方法的实用性。第8 章为结论与建议，将总结本题的主要结果与存在的问题， 并对进一步的研究提出建议。 7 北京建筑t 程学院硕士学位论文 第2 章工艺模型的建立j j 静态模拟 第2 章工艺模型的建立与静态模拟 2 1 概述 对实际污水生物处理系统进行数学模拟的第一步工作是建立其工艺模型。一个实际的污 水生物处理系统既有物料( 流量与物质) 的输入输出、水力混合、物质传递与同液分离等 物理过程，也包括微生物增长与衰减、底物的消耗等生化过程。这些过程是相互作用、不可 分割的，共同构成了一个复杂的非线性系统。 建立工艺模型必须对此非线性系统进行适当的概括和简化，将整个系统划分为进水特性 模型、活性污泥模型、反应器模型、水力传递模型和沉淀模型等子模型。进水特性模型描述 水质、水量的输入与变化。活性污泥模型描述活性污泥系统内发生的生物化学反应，具体包 括化学计量系数模型和动力学模型；前者反映生化反应过程中各物质相互转化间的定量关 系，后者反映各生化过程的反应速率。反应器模型描述每个反应器的物理特性，包括体积、 构造、内部的物质及水力混合等。水力传递模型描述不同反应器间的物料传输。沉淀池模型 描述同液分离过程。工艺模型的建立就是以上子模型的确定过程。工艺模型建立后就可以在 适当的软件平台上运行，进行微分与积分运算从而实现对实际污水处理过程的数学模拟。 本章将首先建立一个b c f s 工艺中间试验系统工艺模型，具体内容包括：系统设备参数， 运行参数，活性污泥模型与软件平台的选择及工艺模型的建立。工艺模型建立后将进行静态 模拟，并对模拟偏差及其产生的原因进行初步分析。 2 2 中间试验系统 2 2 1 试验装置 中间试验系统采用的工艺为b c f s ，工艺流程如图2 1 所示。从流程上看，整个系统在 u c t 的基础上增加了两个生物反应器，两个混合液回流及一个侧流磷沉淀单元。增加的两 个反应器分别为接触池及缺氧好氧池。接触池的主要作用是抑制污泥膨胀：来自二沉池的 回流污泥同流至此，以污水接触后吸附了几乎所有厌氧池出流中残余的溶解性c o d ，抑制 了丝状菌在后续好氧环境中的生长。增加的第二个生物反应器为介于缺氧池和好氧池之间的 缺氧女f 氧池( 缺好池) 。该反应器仅在好氧池溶解氧( d o ) 过低或其自身或缺氧池氧化 还原电位( o r p ) 过低时进行微量曝气( 维持d o e - o 5r a g l ) ，以利于获得同时硝化与反硝 化( s n d ) 从而保证较低的出水总氮浓度。对应增加了一个从好氧池到缺好池的混合液回 流。为了实现磷回收，设置了一个磷沉淀单元：通过侧流的方式引出厌氧池上清液至磷沉淀 池，沉淀反应后上清液回流至接触池参与后续生物反应。 回流q q 砧 回流c ( q 0 图2 1b c f s 工艺流程 8 北自建筑t 程学院颤学论立第2 乖i 岂模型的建t 。j 静态模拟 b c f s 中间试验裴置按处理水量0 5 一m 设计。备反麻器来用嘟丰 = 形有机玻璃池体，实 际设备如图2 2 所示。在厌氧池、接触池、缺氧池和缺好池上端设有l 调速的搅拌器。缺 好池_ f _ | 好氧池底端设有盘式曝气头。进水，荐泄台液同流及剩余污泥排放采j j 兰格蠕动泵。 兰格蠕动泵 育精确的流龋( 相对误差 2 ) h 能1 ，计算机通讯实现自动拄制。在腱氧反 应器池体内设置竖直挡板，挡板底部与厌氧池土反府k 连通，捎板上部与主反应区隔绝以形 成沉淀区。厌氧池灌台液从 ，】j 板f 韶进入沉淀区经泥水分离以形成厌氧池e 情液，沉淀的 活性污泥通过底部的连通返川主反麻k 。具体设备参数见袁2 1 。 图2 2b c f s 中问试验装置 表2 1 设备参数表 设备规格、型号 运行条件 厌氧池 接角虫池 缺氧池 池体 缺好池 好氧池 1 1 7 l 桶体e 叫0 0 x 4 0 0 0 漩池 锥体0 4 ( ) 0 2 。) ( 3 0 0 厌氧池9 0 w , 2 2 0 v , o - 2 d o r m i n 2 0r r a i n 接触池6 0 w , 2 2 0 v , 0 - - 2 0 0 r r a i n 4 0r r o i n 搅拌器 缺氧池 4 0 w , 2 2 0 v 0 一2 0 0 r m i n 4 0r r o i n 欧女f 池 4 0r n a i n 水泵 进水b t l o f f l l 蠕动泵 北京建筑工程学院硕十学位论文第2 章工艺模型的建立与静态模拟 同流ab t 3 0 0 1 f 蠕动泵 9 3 8 5 6 2 5l i i 同流bb t 3 0 0 - - 1 f 蠕动泵 9 3 8 5 6 2 5l 1 1 同流c b t 3 0 0 。if 蠕动泵9 3 8 5 6 2 5l l l 污泥同流 b t 3 0 0 1 f 蠕动泵 1 8 7 5i d h 剩余污泥排放b t l 0 0 1 j 蠕动泵 1 0 4 0l d 侧流出流b t l 0 0 1 j 蠕动泵0 9 3 8 l ，i i 磷沉淀上清液同流b t l o o - 1 j 蠕动泵0 9 3 8 l ，1 1 缺好池 d o - - 0 5m g l 曝气器0 2 5 0 盘式曝气器 好氧池 d o 2 - 4m g l 进水水箱 6 0 0 x 1 0 0 0 x 1 0 0 0 1 l m 水箱测流水水箱 6 0 0 x 3 0 0 x10 0 0 r a m 化学回水水箱 1 0 0 0 x 1 0 0 0 x 5 0 m m 2 2 2 模拟污水 中试试验进水采用人工模拟城市生活污水，以获得可控的水质动态变化。实际生活污水 中主要含有大量有机污染物( c o d ) ，以及氮( n ) 、磷( p ) 、钾( k ) 等营养物质。其中c o d 组成成分非常复杂，按其溶解性可划分为颗粒性c o d ( x ) 和溶解性c o d ( s ) ：按其生物 降解性可分为易生物降解c o d ( s ) ，缓慢生物降解c o d ( xs + sr ) 和不可生物降解 c o d ( s 一+ x - ) 。为了模拟c o d 的这些组分，以无水乙酸钠( sa ) 、葡萄糖( sr ) 、牛 肉蛋白胨及牛肉浸膏( x s 、x i 、s i ) 共同作为进水碳源。投加磷酸二氢钾( k h 2 p 0 4 ) 作为 t p 的来源。模拟污水中t n 由3 部分提供：牛肉蛋白胨，牛肉浸膏及氯化铵。进水中钾元 素主要由氯化钾提供，投加量随磷酸二氢钾( k h 2 p o 。) 的投加量而变化，以保持进水k 含 量在3 1 2m g l 。配水水源采用自来水。鉴于北京市自来水中含有较多地下水成分，钙( c a ) 、 镁( m g ) 离子含量较高，所以，在进水中不再投入任何含c a 、m g 药剂。具体组分及投加量 见表2 2 。此外，还投加一定的微量元素来满足微生物的营养需要，微量元素组分及投加量 见表2 3 。 配水所用药剂中，除牛肉蛋白胨及牛肉膏两种生化药剂外，均采用化学纯。牛肉蛋白胨 中总氮( t n ) 占1 3 1 4 ，氨氮( n i - h + ) 占3 肌5 o ，炽灼残渣1 3 o 1 5 0 ，干燥失重5 0 6 0 。 牛肉浸膏中 占i 形物大于7 0 ，t n 占1 3 ，氯化物小于4 5 。上述百分率均为质量比。 表2 2 配水成分表 项目 药剂及浓度投加量( m g l ) c o d 牛肉蛋白胨 1 1 8 4 1 1 5 0 m g l 牛肉浸膏 6 7 6 6 葡萄糖 4 5 0 m g l 4 3 5 9 9 1 0 北京建筑工程学院硕士学位论文第2 章工艺模型的建立与静态模拟 ( c 6 h 1 2 0 6 h 2 0 )2 7 0 m g l 2 6 1 6 0 1 7 0r n g l1 6 4 7 1 无水乙酸钠 3 0 m g l 4 4 1 2 ( c h 3 c o o n a ) 5 0 m g l 7 3 5 3 8 m g p l 3 5 1 2 磷酸二氢钾 r i p 1 0 m g p l 4 3 9 0 k h 2 p 0 4 1 5m g p l6 5 8 5 氯化铵n h 4 0 2 0 4 1m g n l7 8 t n 牛肉蛋白胨 1 5 3 9m g n l 1 】8 4 1 牛肉浸膏8 8 0m g n l6 7 6 6 1 9 1 9m g k l3 6 6 8 kk c l 1 6 6 5m g k l3 1 8 3 1 0 3 7m g k l1 9 8 3 表2 3 微量元素成分表 药剂 浓度( m g l )投加量( u g l ) e d l a3 03 3 3 f e c l 3 6 h 2 0 0 4 50 5 h 3 8 0 3 0 0 5o 0 5 c u s 0 4 5 h 2 0 0 0 1o 0 1 l 【10 0 50 0 6 m n c l 2 4 h 2 0 0 0 40 0 4 n a 2 m 0 0 4 2 h 2 0 0 0 2o 0 2 z n s 0 4 7 h 2 0 0 0 40 0 4 c o c l 2 6 h 2 0 0 0 50 0 5 2 2 3 运行参数 1 、水力停留时间 水力停留时间( h l 汀) 确定根据荷兰某污水处理厂实际工艺参数确定【3 6 】。中试试验装置 在进水量为0 5m 3 d 的设计值下，各池体内的f i r t 如下：厌氧池2h ，接触池1 5r a i n ，缺氧 池2h ，缺好池6h ，好氧池6h 。设备运行过程中实际日处理水量为0 4 5i l l 3 d ，运行中实际 容积如表2 1 所示。由此得出实际h r t 为：厌氧池2 2h ，接触池1 8m i n ，缺氧池2 2h ，缺 北京建筑丁程学院硕士学位论文第2 章工艺模型的建立与静态模拟 好池6 4h ，好氧池6 2h ，总h r t1 7 3 h 。 2 、混合液同流比 混合液回流比同样参照上述污水处理厂的运行参数，并结合u c t 工艺的同流比来确定。 实际运行中，污泥回流比为8 0 1 0 0 ，回流a 为5 0 - - 2 0 0 ，同流b 为5 0 - 3 0 0 ， 回流c 为0 2 0 0 。以上同流比通过调节( 手动或自动) 、计量兰格蠕动泵的流量来实现。 蠕动泵软管可在2 天内保持1 的精度，4 天内保持- ) - 5 的精度。根据运行经验，由于摩 擦软管将在运行五天后破损，所以，每4 天更换一次软管，并在在每次更换后进行流量校正， 以保证精确的流量。 3 、污泥龄( s r t ) 由于该工艺要求同步脱氮除磷，因此将s r t 控制在8 2 0d 。排泥方式为曝气池混合液 连续排泥，该方式可避免二沉池底部污泥浓度波动