基于BioWin的污水處理工藝數(shù)學(xué)模擬與工程應(yīng)用.pdf

基于 B ioW in的污水處理工藝數(shù)學(xué)模擬與工程應(yīng)用 胡志榮 1 周 軍2 甘一萍2 K Chap m an1 郝二成2 常 江2 I Takacs 1 P Dold1 1 EnviroSi m AssociatesL td 加拿大 2 北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100061 摘 要 借助于計(jì)算機(jī)技術(shù) 活性污泥工藝數(shù)學(xué)模型已發(fā)展成為一種成熟的工程工具 并在 國外得到了廣泛應(yīng)用 成為一種標(biāo)準(zhǔn)的工程實(shí)踐 而我國在該方面的研究和應(yīng)用還處于起步階段 介紹了基于 Bio W in污水處理工藝的數(shù)學(xué)模擬概念和方法 包括非常成熟的活性污泥工藝模型以及 為整個(gè)污水處理廠工藝過程模擬而開發(fā)的新模型 如厭氧消化模型 pH 模型 化學(xué)沉淀模型和污泥 上清液的處理工藝模型 厭氧氨氧化模型 同時(shí)還介紹了 Bio W in模型在智利某污水廠水費(fèi)談判 中采取的動(dòng)態(tài)模擬 紐約市環(huán)保局管轄污水廠生物脫氮除磷升級(jí)改造 F W ayneH ill污水處理工藝 優(yōu)化的全廠模型及高碑店污水四系列改造項(xiàng)目中的應(yīng)用 說明了該模型在污水處理廠優(yōu)化設(shè)計(jì) 運(yùn) 行以及改造中作為一種管理工具具有較高的實(shí)用價(jià)值和良好的應(yīng)用前景 關(guān)鍵詞 污水處理 Bio W in數(shù)學(xué)模型 模擬器 工藝模擬 中圖分類號(hào) X703 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B 文章編號(hào) 1000 4602 2008 04 0019 05 Bio W in basedM athematicalM odels forW astewater Treat mentProcesses and Their Engineering Application HU Zhi rong 1 Z HOU Jun 2 GAN Yi ping2 K Chapman1 HAO Er cheng2 CHANG Jiang2 I Takacs1 P Dold1 1 EnviroSim A ssociatesLtd Canada 2 Beijing DrainageGroup Co Ltd Beijing 100061 China Abstract W ith the aid of computer technology themathematicalmodels forwastewater treat ment processes have beenw idely and successfully applied abroad However their research and application are at an early stage in China The concepts and methods of Bio W in based m athematical models for waste water treatment processes including well established models for activated sludge process and new modelsdeveloped for the whole plan t such as anaerobic digestion mode l p H mode l chem ical precipita tionmodel andmodel for treatment of sludge supernatant anaerobic ammonia oxidation model were in troduced The application of Bio W in model to the negotiation ofwater tariffs for aWWTP in Chile the upgrading reconstruction of biological phosphorus and nitrogen re moval process ofWWTPs in New York City the process opti m ization of F W ayne H illWWTP and the reconstruction of Gaobeidian WWTP was also introduced All these show that thismode l as a manage m ent too l has higher application value and better application prospect in opti m al design operation and reconstruction ofWWTP Key words waste water treat men t B io W in m athematicalmode l si mulator process si mula tion 19 第 24卷 第 4期 2008年 2月 中 國 給 水 排 水 CHI NA WATER 二是實(shí)施這些數(shù)學(xué)模型的計(jì)算機(jī)軟件 有時(shí)也稱之為計(jì)算機(jī)模擬或仿真 若在同一模擬器 中實(shí)施不同單元的工藝模型 通常采用轉(zhuǎn)換器法和 單一矩陣法來模擬 1 1 模擬模型的建立 在工程實(shí)踐中應(yīng)用工藝模擬技術(shù) 需有一套模 擬軟件或一個(gè)平臺(tái)來實(shí)施某個(gè)特定污水處理廠的所 有工藝模型 并聯(lián)結(jié)所有單元工藝 如生物反應(yīng)器 沉淀池 污泥消化池 該模型在模擬器設(shè)好后 需 進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證以用于各種目的的模擬 為了建立 一個(gè)污水廠的綜合模型 所有的單元工藝 包括水 區(qū)和泥區(qū)以及來自泥區(qū)的回流液 上清液 的處理 工藝 都需要集中到一個(gè)模擬器中考慮 圖 1列出 了建立一個(gè)采用典型活性污泥法的污水處理廠模擬 模型的要求 5 圖 1 污水處理工藝模擬模型的組成 F ig 1 Composition ofwastewater treatment processmodel 1 2 模擬方法 轉(zhuǎn)換器法 在轉(zhuǎn)換器法中 一座污水處理廠的不同單元工 藝 如活性污泥反應(yīng)器 厭氧消化池和旁流處理單 元 使用不 同的模型 如活性污泥反 應(yīng)器采用 AS M1 ASM2 AS M3模型 厭氧消化池采用 I WA 的 厭氧消化一號(hào)模型 但描述這些不同模型的狀態(tài) 變量并不相同 因此在模擬由這些不同單元組成的 整座污水處理廠時(shí)必須解決這些狀態(tài)變量在不同單 元工藝水流中間的轉(zhuǎn)換問題 即一個(gè)狀態(tài)變量如何 在活性污泥反應(yīng)器 厭氧消化池和旁流處理工藝反 應(yīng)器模型中的相互轉(zhuǎn)換 例如 氧化的氮組分在活 性污泥模型中一般僅考慮硝酸鹽 如 AS M1 AS M2 AS M2D 在厭氧消化模型中則不考慮硝酸鹽 而在 旁流工藝模型中不僅要求考慮硝酸鹽還要考慮亞硝 酸鹽以及相應(yīng)的反應(yīng) 即兩步硝化模型 在氨氧化 菌的作用下氨被轉(zhuǎn)換成亞硝酸鹽 在亞硝酸鹽氧化 菌的作用下亞硝酸鹽被氧化成硝酸鹽 轉(zhuǎn)換器法 需建立復(fù)雜的模型相接界面即轉(zhuǎn)換器 5 7 要求每 一個(gè)狀態(tài)變量的詳細(xì)元素信息 通常難以做到 并 依賴于狀態(tài)變量的固定組成 目前大多數(shù)模擬器都 使用這種方法 如 GPS X WEST 單一矩陣法 在單一矩陣法中 由不同單元組成的整座污水 處理廠使用一個(gè)單一矩陣的綜合模型 包括所有的 組分或狀態(tài)變量及相關(guān)反應(yīng) 無需界面接口 從 工程意義上講 這種方法比轉(zhuǎn)換器法更為實(shí)用 因 為這種方法可以追蹤整座污水處理廠中任何一個(gè)模 型組分 或狀態(tài)變量 在不同單元工藝中的變化 因 20 第 24卷 第 4期 中 國 給 水 排 水 www watergasheat com 此可估計(jì)這些組分在不同工藝之間的轉(zhuǎn)換 如活性 生物量 普通異養(yǎng)菌 氨氧化菌 亞硝酸鹽氧化菌 單一矩陣模型法僅在 Bio W in模擬器中使用 該模型 包括活性污泥反應(yīng) 厭氧消化 旁流工藝 p H 模型 氣體轉(zhuǎn)移及化學(xué)沉淀反應(yīng)等 5 8 現(xiàn)已廣泛用于模 擬生物污水處理廠的工藝 圖 2是整個(gè)污水處理廠 的模擬工藝流程 該工藝包括 a 剩余污泥經(jīng)脫水后 與初沉污泥混合進(jìn)入?yún)捬跸?b 厭氧消化池的 上清液一部分進(jìn)入 S HARON處理單元 另一部分直 接進(jìn)入?yún)捬醢毖趸磻?yīng)器 ANNAMOX c 上清液 處理出水返回主流工藝 圖 2 全污水處理廠的模擬工藝流程 Fig 2 Flow chart of si mulation process for wholeWWTP 2 模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證 Bio W in模型中的默認(rèn)參數(shù)是基于世界上數(shù)百 座生產(chǎn)性城市污水處理廠的觀測數(shù)據(jù) 反映了典型 城市污水水質(zhì)的特征 這些默認(rèn)參數(shù)非常有利于污 水處理廠性能趨勢的預(yù)測 但對(duì)于某座特定的污水 處理廠 考慮到污水水質(zhì)的變化 需對(duì)模型進(jìn)行某種 程度的校準(zhǔn) 以使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確 通過校準(zhǔn)驗(yàn)證可使模型結(jié)構(gòu)真實(shí) 可靠地預(yù)測 和優(yōu)化污水處理廠的運(yùn)行性能 校準(zhǔn)所需數(shù)據(jù)可采 用污水廠的歷史數(shù)據(jù) 也可采用專門用于校準(zhǔn)的補(bǔ) 充數(shù)據(jù)和難以從正常運(yùn)行廠獲得而通過直接測量獲 得的數(shù)據(jù) 如 20 時(shí)的最大硝化速率 污水處理 廠模型校準(zhǔn)的方法和指南可參考文獻(xiàn) 9 和 10 3 應(yīng)用實(shí)例 污水處理工藝模擬作為有用的工具已在污水處 理的許多方面得到了廣泛應(yīng)用 如在工藝設(shè)計(jì)方面 可實(shí)現(xiàn)不同工藝的評(píng)估和比較 在工藝運(yùn)行方面則 可實(shí)現(xiàn)工藝診斷和優(yōu)化 以評(píng)價(jià)污水處理廠流量 負(fù) 荷和運(yùn)行工況變化對(duì)工藝的影響 實(shí)例 南美智利某污水廠運(yùn)行水費(fèi)談判 中采用的工藝動(dòng)態(tài)模擬 Nolasco 11 描述了一個(gè)用 Bio W in模型和模擬器 實(shí)施污水處理動(dòng)態(tài)模擬的應(yīng)用實(shí)例 在該實(shí)例中 動(dòng)態(tài)的工藝模型用于智利圣地亞哥最大污水處理廠 運(yùn)行合同的水費(fèi)談判中 通過模擬污水處理廠的運(yùn) 行以估計(jì)運(yùn)行費(fèi)用 污泥產(chǎn)量和能耗要求 氧需求 在水費(fèi)談判中 運(yùn)營合同商基于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)指 南和穩(wěn)態(tài)模型 建議 2005年 2010年合同期間水 費(fèi)在 2004年的基礎(chǔ)上增加 23 而政府部門基于 動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)要求水費(fèi)在此合同期內(nèi)減少約 15 與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和穩(wěn)態(tài)模型相比 基于動(dòng)態(tài)模擬 所估計(jì)的污水處理投資和運(yùn)行費(fèi)用更加可靠 最后 負(fù)責(zé)決定水費(fèi)的委員會(huì)決定支持政府機(jī)構(gòu) 在考慮 其他不可預(yù)測因素的情況下 在 2005年 2010年 合同期內(nèi)水費(fèi)僅增加 3 實(shí)例 紐約市環(huán)保局管轄污水廠的生物 脫氮除磷升級(jí)改造項(xiàng)目 Mahoney等 12 報(bào)道了基于 Bio W in的模擬模型 在紐約市環(huán)保局所管轄污水廠生物脫氮除磷升級(jí)項(xiàng) 目中的應(yīng)用實(shí)例 紐約市環(huán)保局有 4座污水處理 廠 所有的處理出水均排放到東河上游 最終到達(dá)長 島海峽 總的二級(jí)處理能力 318 更重要的是證實(shí)東河上游 4 座污水廠的生物脫氮除磷升級(jí)改造是否能實(shí)現(xiàn)長島 海峽長期的最大日負(fù)荷 TMDL 達(dá)標(biāo) Bio W in工藝模擬工具可用來預(yù)測每座污水廠 的流量和負(fù)荷在施工前 施工期間和施工后期對(duì)污 水廠運(yùn)行性能的影響 如施工期間反應(yīng)器不能使用 時(shí) 升級(jí)后處理能力的變化及增加額外碳源等的影 響 專家組使用 Bio W in模擬出水氮的結(jié)果創(chuàng)建了 一個(gè)稱為 Bulge 的管理工具 它用圖形方式表示 21 www watergasheat com胡志榮 等 基于 Bio W in的污水處理工藝數(shù)學(xué)模擬與工程應(yīng)用第 24卷 第 4期 了升級(jí)改造建設(shè)過程中對(duì)出水氮的預(yù)測 將污水廠 每月的出水水質(zhì)與 Bulge 的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比 發(fā)現(xiàn)在 2003年 2006年中 Bulge 預(yù)測的出水 氮含量比實(shí)際運(yùn)行結(jié)果僅高了 2 如此小的偏差 使 Bulge 被紐約市環(huán)保局接納 并認(rèn)為它能進(jìn)行 污水廠的升級(jí)改造 且滿足每個(gè)中間的限制性條件 該例介紹了 B io W in工藝模擬工具是關(guān)鍵的規(guī) 劃和運(yùn)行工具 基于 BioW in模擬的 Bulge 工具可 用來分析建設(shè)速度 批式調(diào)整和運(yùn)行范圍變化的影 響 也可用來估計(jì)項(xiàng)目潛在變化的效能 并能容易地 知道任何變化對(duì)管理的影響 實(shí)例 污水處理工藝優(yōu)化的全廠模型 2005年 Lati mer等 13 描述了建立一個(gè)全污水處 理廠模擬模型作為改造 F W ayne H ill水資源中心 污水處理工藝優(yōu)化工具的項(xiàng)目 在該例中建立模擬模型包括 4項(xiàng)任務(wù) a 測定 詳細(xì) 具體的污水水質(zhì)特性 b 進(jìn)行小試以校正金屬 鹽的投量 c 用歷史數(shù)據(jù)和補(bǔ)充的取樣數(shù)據(jù) 包括 生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu) 校準(zhǔn)和驗(yàn)證模型 d 建立最終的 執(zhí)行模型 使用 B io W in工藝模擬軟件 在水資源中 心對(duì)以下運(yùn)行情況評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上 開發(fā)了該中心污 水廠的模擬模型 全污水處理廠模型的結(jié)構(gòu)見圖 3 這些運(yùn)行情況包括 采用或不采用初沉池 不 同的運(yùn)行工況和生物反應(yīng)池的季節(jié)優(yōu)化 金屬鹽的 投加點(diǎn)和量的影響 優(yōu)化 污泥的處置和回流影響 DO優(yōu)化 暴雨流模擬和部分單元關(guān)閉的評(píng)價(jià) 這 個(gè)應(yīng)用顯示了如何建立一個(gè)全廠模型 以降低運(yùn)行 和維護(hù)成本 生產(chǎn)高質(zhì)量的出水 圖 3 F Wayne Hill全污水處理廠模擬模型的結(jié)構(gòu) F ig 3 M odel configuration ofwhole F W ayne H illWWTP 實(shí)例 高碑店污水處理廠四系列的改造 2005年北京排水集團(tuán)甘一萍等采用數(shù)學(xué)模擬 技術(shù)建立了高碑店污水處理廠四系列的工藝模型 對(duì)當(dāng)時(shí)的運(yùn)行情況進(jìn)行了模擬分析 在此基礎(chǔ)上提 出了改善脫氮效果的改造方案 針對(duì)脫氮效率不高 的問題 研究組對(duì)延長缺氧時(shí)間并保證好氧段的硝 化效果進(jìn)行了詳細(xì)的模擬分析 最終確定了改造方 案的核心內(nèi)容 改造后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)的脫氮效率 明顯提高 與預(yù)期效果基本一致 證明了數(shù)學(xué)模擬技 術(shù)的可靠性和實(shí)用性 該例主要說明了采用數(shù)學(xué)模擬技術(shù)可對(duì)現(xiàn)有工 藝進(jìn)行分析和診斷 找出運(yùn)行中存在問題的關(guān)鍵原 因 并針對(duì)易于改善和改造的條件進(jìn)行模擬分析 最 終確定工藝優(yōu)化和改造方案 4 結(jié)語 自國際水協(xié)的活性污泥數(shù)學(xué)模型出版以來 數(shù) 學(xué)模型已得到了廣泛研究和應(yīng)用 但這僅僅是污水 處理的一部分 對(duì)于整座污水處理廠來說 數(shù)學(xué)模型 還應(yīng)包括污泥處理等單元 由于 I WA的活性污泥 數(shù)學(xué)模型給出的參數(shù)值并不是模型的一部分 故要 求對(duì)該模型進(jìn)行廣泛的校正 Bio W in模型使用技 術(shù)先進(jìn)的單一矩陣的整體模型 能全面模擬整座污 22 第 24卷 第 4期 中 國 給 水 排 水 www watergasheat com 水處理廠的所有工藝單元 且 BioW in模型的參數(shù)值 來自于最新的研究出版物和實(shí)際污水處理廠校正得 到的最佳缺省值 這種廣泛和綜合的解決方案使得 模型校正要求大大減少 也因此使得 Bio W in模擬 軟件在北美和澳大利亞等地得到了廣泛的應(yīng)用并成 為污水處理中的標(biāo)準(zhǔn)工程工具 參考文獻(xiàn) 1 HenzeM GujerW M ino T etal Activated sludge mod elNo 2D J W ater SciTechno l 1999 39 1 165 182 2 Barker P S Dold P L Generalmodel for biological nu trient re moval activated sludge syste ms model presenta tion J W ater Environ Res 1997 69 5 969 984 3 Hu Z W entzelM C Ekama G A A generalmodel for biological nutrient re moval activated sludge syste ms model development J Biotechnol Bioeng 2007 98 6 1242 1258 4 DoldP L Fairla mb PM JonesR et al Sidestream mod elling incorporated into whole plant si mulation A Closing the N itrogen Cycle fro m Urban LandfillLeachate by BiologicalNutrientRe movalover N itrate andTher mal Treat ment C Spain Clonic project 2007 5 W ilson A W Dold P L Using a process si mulator for design analysis de bottlenecking and operation ofwaste water treatment plants A Presented at the 50thAnnu al Conference of the W estern Canada W ater W as tewater Association C Canada W ater W aste water Association 1998 6 Vanrolleghe m P A Rosen C Zaher U et al Continuity based interfacing of models for waste water systems de scribed by petersen matrices J W ater Sci Techno l 2005 52 1 2 493 500 7 Volcke E IP van LoosdrechtM CM Vanrolleghe m P A Continuity basedmodel interfacing for plant wide si mula tion a general approach J W ater Res 2006 40 15 2817 2828 8 Tak cs I Bye C M Chapman K et al A biofil m model for engineering design J W ater SciTechno l 2007 55 8 9 329 336 9 Dold P L JonesR M Takacs I et al Practicalguidance forWWTP model calibration and associated data gather ing require ments A Proceedings of the W ater Envi ronment Federation 76th AnnualTechnical Exhibition Conference C California W ater Environment Federa tion 2003 10 M elcer H Dold P L Jones R M et al M ethods for W aste water Characterization in Activated Sludge Model ing M A lexandria VA W ater Environment Research Foundation 2004 11 Nolasco D A Soft ware applications in large wastewater treat ment plants in Latin America A Proceedings of theW ater Environment Federation 78th AnnualTechni calExhibition Conference C W ashington W ater Environment Federatio