MBBR工艺的模拟优化和升级改造方案评估李冰

？2712？中国环境科学学会学术年会论文集（2015）ＭＢＢＲ工艺的模拟优化和升级改造方案评估李冰1熊天煜1邱勇“ａ环境模拟与污染控制国家联合重点实验室清华大学环境学院北京市海淀区清华园1号100084）摘要ＭＢＢＲ工艺在新建和改造污水处理厂时广泛应用。本文采用Ｂ1〇ＷＩＮ工艺模拟平台灵敏度分析工具，对某污水处理厂的ＭＢＢＲ工艺进行模拟和优化，评估一级Ａ（ＧＢ189182002）提标改造工艺设计方案，并对改造工艺的低温（14°Ｃ）运行提出了填料量和碳源投加方面的建议。关键词ＭＢＢＲＢ1〇ＷＩＮ灵敏度分析数值模拟提标改造国家水体污染控制与治理科技重大专项（2011ＺＸ07316001）资助1引言ＭＢＢＲ（Ｍｏｖｉｎｇｂｅｄｂｉｏｆｉｌｍｒｅａｃｔｏｒ，移动床反应器）工艺是近年来兴起的一种新工艺，目前已在国内多家污水处理厂有广泛的应用。该种工艺通过向反应器中投加一定数量的悬浮载体，提高反应器中的生物量及生物种类，从而提高反应器的处理效率。相比于传统活性污泥法及生物膜法，生物量大，具有抗冲击负荷强及良好的脱氮除磷效果［1］。与传统的ＡＡＯ相比，ＭＢＢＲ工艺较新，国内设计和运行经验较少，在实际运行中需要进行一定的优化研究，使其处理效果更稳定。此外，污水处理厂升级改造过程中经常采用ＭＢＢＲ工艺，为了达到更高标准的出水水质，也需要加深工艺认识，提高工艺运行的能力。目前的优化运行方法一般是数学模型和生产实验两种。数学模型评估全面、涵盖因素广泛，与生产实验配合使用可以节约时间和经费，因此有一定的优势。本文使用的ＢｉｏＷＩＮ模拟软件是污水处理工艺的模拟平台，可对污水处理厂进行全流程工艺模拟，能正确反映污水厂实际运行状况［2］，可模拟多种工艺来有效地指导污水厂的运行。因此，较多研究人员使用该平台和模型，辅助开展污水处理优化、升级改造方案评估等工作［35］。本研究以东北某污水处理厂为对象，探讨了采用ＢｉｏＷＩＮ软件对ＭＢＢＲ工艺的模拟及优化方法，对其提标改造方案进行了出水水质预测，分析了工艺参数对出水水质的影响。2材料与方法2．1污水处理工艺概况案例污水处理厂是城市南部排水系统末端污水处理工程，厂区占地面积6．2公顷，设计处理规模20万吨／日。生化反应池采用ＭＢＢＲ工艺，出水可稳定达到《国家综合污水排放标准》二级标准。由于提标改造的要求，出水水质需由二级标准提高到一级标准。改造工艺采用新建缺氧池并投加浮动填料，将现有生物池改为好氧池，其中仅好氧段投加填料，最后配以转盘过滤等深度处理工艺，以保证ＳＳ等达标排放。2．2进水水质及工艺参数根据污水处理厂提供的2012全年水质监测数据，进水水质如表1所示。2012年该厂全年进水水量约21万ｍＶｃＵ进水总ＣＯＤ和总磷都根据全年数据取平均值而得，总氮的全年均值为22ｍｇ／Ｌ，其中硝酸盐氮为3．2ｍｇ／Ｌ，因此可以得到进水的总凯式氮为18．8ｍｇ／Ｌ；该厂全年进第四章污水资源化再生利用技术与措施？2713？水ＳＳ平均为66ｍｇ／Ｌ。通过两周的短期测试，该厂进水ＶＳＳ／ＳＳ的值在0．6左右，故ＩＳＳ／ＳＳ＝0．4，无机悬浮固体ＩＳＳ为26．5ｍｇ／Ｌ。污水处理厂改造前后的工艺运行参数如表2所示。由表2可知，改造设计的ＭＢＢＲ池填料填充率大大提高，有利于提高生物池的微生物量。表1某污水处理厂现状工艺进水水质－ｐ－ｔ－ｒｔｏｓｇ参難麵怠ＣＯＤ．ｉｉｔ式眞总磷：猶酸盘氮ｐＨ值纏戴Ｍ，二、周体ＩＳＳ攀像ｒｎＶｄｒ．ｉａＣ＇ＯＩＩ1．ｍｇＮ／ＬｍｇＰ／ＬｍｇＮ／Ｌ／ｍｍｏｌ／ＬｍｇｌＳＳ／Ｌ＿偉21（Ｘ＿｜ｓ14Ｓ．5Ｓ18＊835Ｉｓ＃3，Ｉｌｆ626，5表2某污水处理厂的工艺运行参数工艺改參数改遙读1＃＃＾聲；＝■段进水比／35％ＭＢＢＲ池填料填笼率21，§｜＇ｉ池填料斑盡面歡蹄；ｍ2／ｉｊｉ3靜ＭＢＢＲ池馨鮮雲2．33ｍｇ／Ｌ8ｔｏｇ／Ｌ：靜輕缺＿可舞他溶＿氧／2ｍｇ／Ｌ麟＿瘠峰／ｌｆｆｉｇＡ海觀＿糧比11．？Ｋ＜30％親海合液Ｍ籂比．／＜160％．得漏角14ｌ：5ｉｗ＆／ｄ12．5ｄＣＳＲＴ）水温ｌｉＳ—Ｓｅｔｉ14°Ｃ？ｉ〇°Ｃ：转盘＿去＿／＞66％．2：．3：工艺模型污水处理厂的现状工：艺概化模型主要针对该二级处理阶段，省略了预处理中的粗格栅、细格栅以及污泥处理阶段導租关流程。模型是针对浮动填料生化法中的一条廊道进行模拟的，主要包括四个＿气池，一个二沉池，外回淹设有四个囡流分别进人每一段霉气池内，如图1（ａ＞所示。改造土艺概化模塑与现状Ｈｉ艺一样模拟了四条曝气廊道中的一条，生？化池则按照改造方案图中分为了8段＊分别设有分段进水和内外＆流。改造＿的工艺采用多模式进水，可分段进人缺氧池1和缺＿池2前＃如图1〇＞）所示ｓｆａ）进水皤气池1嗶气池2＿气池3曝气池4出水＾＊｜｜ａ’ｒ排泥——（＿ｂｒ？1714？中国赛巍科学学会學术年会论：或集52015）（ｂ）进水缺氧池1可调池1二缺氡池2可明池2ＭＢＢＲ1ＭＢＢＲ2ＭＢＢＲ3Ｋ气池出水＾——1－1丨Ｈ——Ｉ制Ｈ…＾图1某污水处理厂工艺概化模型，（ａ）现状工艺（ｂ）升级改造方案。2，4参獻敏感性分析为了准确对污水厂的实际运行状况进行模拟，＿对进水水质与进水组分及模ＳＩ各个参数进行敏感性分析，确定哪些工艺雜越参数的变化对出水水麵露响较大。常规敏感性分析中的灵敏度（Ｓｉ，ｊ）定义为输人变量5Ｃ变化10％财输出变量ｒ变化时相对比例，其计算方法如下：其中？：Ｓｉ，ｊ为输人变量Ｘ取ｘｉ时输出变量叉对又的灵敏度Ｉｙｉ为输人变量Ｘ取ｘｉ时的输出变量ｙ值；ｙｉ为输人变量ｘ取遽＋ｘｉ时的输出变量ｙ值！ｘｉ为输人变量ｘ的变化值，＿檀一般为ｘｉ的＋10％。具体的判定标准如下；Ｓｉ，ｊＣ＆．2＼说明该参数对模型的输出绾果无显著影响；0．怒端Ｓｉ．ｊ＜ｌ，说明该参数对模型的输出觜果有一定拥影响；ｌ＜Ｓｉｆｊ＜2，说明该参数对模型．的输出结果有较大的影响；Ｓｉ，说匕说明该参数对模型的输出绪枭有相当大的影响。3结果与讨论3．1模型敏感性分析3．1．1进水水质．的敏＿性．对进水水质与进水组分各个参数进行敏感性分析，结果如表Ｓ所示。通过对比改造工艺和现状工艺进水特怔敏感性分析可以发现：改迨工艺的进水流量对出水氨氮的影响．显鲁握高，这可能是因为在现状工艺中系统中的硝化能力很弱．出水氧氮很畜．流量携改变掰于出水氨氮的相对值提裔影响很小，而改造工艺中系统中的硝化能力在一个正常的范围中ｉ出水氣氮浓度较低，流量的改变影响着擊个系统的处理负荷，使其相对值的影响有了很大提升口同时，流＿对于扭水ＣＱＤ的影响也因为系统的好氧单元的增加而变小；进水ＣＤＤ和ＴＫＮ对于出水ＴＮ的影响也有了显著的提畜Ｂ这可能是＿为改造工艺増加了缺氧池从而改变了现状工艺缺少反硝化过程的问题，而ＣＯＤ提供了反硝化过程中所需要的碳源．而ＴＫＮ的大小鴦响＿进水的ＴＷ浓度；进水的ＩＳＳ大小对？于系统生化池的ＭＬＳＳ以及ＭＬＶＳＳ／ＭＬＳＳ的影响都有所提高／其他参数的影响輝与现状工艺较为类似。表3某污水处理厂现状工艺进水特征敏感性分析ＣＤＤＨＨ＊ＮＴＮＴＰＳＳＭＬＳＳ＿数ｍ后則后則后則后則后則后Ｑ0．750．432．821．381．470．810．78第四章污水资源化再生利用技术与措施？2715？续表ＣＯＤＮＨ3ＮＴＮＴＰＳＳＭＬＳＳ参数則后則后則后則后則后則后ＣＯＤ0．530．740．430．420．291．170．890．110．840．69ＴＫＮ1．571．30．991．61ＴＰ1．791．68Ｎ03Ｎ0．270．29ＩＳＳ0．270．46ＦｂｓＦａｃＦｘｓｐＦｕｓ0．350．61进水组分中主要是Ｆｕ＾Ｆｎａ两个参数对出水有较大的影响。因此，Ｆｂｓ、Ｆｕｓ和Ｆｕｐ采用短期数据实测结果，进水总凯式氮为18．8ｍｇ／Ｌ，而2012年全年的进水氨氮为16．0ｍｇ／Ｌ，故Ｆｎａ取值为0．85。其他参数取ＢｉｏＷＩＮ的默认值。3．1．2模型参数的敏感性基于现状工艺对ＢｉｏＷＩＮ模型的上百个参数进行敏感性分析。表4中列出了灵敏度大于0．25的参数。结果表明：普通异养菌好氧产率系数为最为敏感，对多个出水指标有影响，另一个较为敏感性较强的参数是最大Ｖｅｓｉｌｉｎｄ沉降速度，其影响着二沉池的沉淀性能，对出水的ＳＳ有着较为显著的影响。表4某污水处理厂工艺模型参数敏感性分析结果参数ＣＯＤＮＨ3ＮＴＮＴＰＳＳＭＬＳＳ产率系数（好氧）0．520．361．070．83生物质Ｎ含量0．48普通异养菌生物质Ｐ含量0．65ＣＯＤ：ＶＳＳ0．48修正的Ｖｅｓｉｌｉｎｄ公式沉淀参数最大ＶｅｓＵｍｄ沉降速度0．561．06澄清开关函数〇．460．873．1．3模型参数的校正首先，校正模型出水的ＳＳ，其对应的较强的敏感性参数为两个二沉池参数。该工艺采用的斜板沉淀池比传统二沉池的沉降性能好，故将最大Ｖｅｓｉｌｉｎｄ沉降速度由默认值170ｍ／ｄ调整为255ｍ／ｄ〇其次，Ｘｔ模型出水氨氮、总氮影响较大的参数是普通异养菌的好氧产率系数，它还对ＭＬＶＳＳ／ＭＬＳＳ影响较大。当该参数参数设定0．68时，出水的总氮和整个生化系统的ＭＬＶＳＳ／ＭＬＳＳ值与实际工艺较为接近；通过呼吸速率测试，测得了氨氧化菌的最大单位生长速率一约为0．54ＣＴ1、普通异养菌的最大单位生长速率约为2．8ＣＴ1。此时出水ＣＯＤ略微偏高，而生化池ＭＬＳＳ和ＭＬＶＳＳ／ＶＬＳＳ相对偏低，敏感性分析中表明普通异养菌的ＣＯＤ：ＶＳＳ值与这个值的？2716？中国环境科学学会学术年会论文集（2015）相关趋势是一致的，故将该值由1．42调整为1．22。最后，将普通异养菌的生物质磷含量由0．022调整为0．028，以校准出水总磷。最终校正后的模型参数如表5所示，其它参数均为缺省值。表5模型参数校正值ｎ氨氧化菌最大普通异养菌最大普通异养菌产率普通异养菌普通异养菌最大ＶｅｓＵｍｄ参数单位生长速率单位生长速率系数（好氧）生物质Ｐ含量ＣＯＤ：ＶＳＳ比率沉降速度默认值0．93．20．6660．0221．42170设定值0．542．80．680．0281．222553．2工艺模拟与分析根据上文所述的概化模型、工艺运行参数、进水水质和组分以及模型参数对某污水处理厂改造前后工艺的ＢｉｏＷＩＮ模型进行静态模拟，其模拟温度为年均温度16．5°Ｃ。模拟结果与实际出水水质对照如表6所示。表6某污水处理厂工艺模拟结果（单位：ｍｇ／Ｌ）项目ＣＯＤＮＨ3ＮＴＮＴＰＳＳ实际出水29．9612．0517．791．6110．25改造前模拟出水29．9312．0817．741．6210．31改造后模拟出水22．92．5812．021．823．8化学除磷22．62．4411．990．453．9二级标准10