好氧-厌氧交替运行与传统活性污泥法的比较研究

好氧缺氧交替运行法与传统活性污泥法的比较研究SAZIYEBALKU（ATILIMUNIVERSITYINDUSTRIALLIAISONOFFICE,OSTIM,06370ANKARA,TURKEY）摘要传统活性污泥法可以有效地去除水中的有机物胶体和溶解性有机物，好氧缺氧交替运行法除此之外，可以有效地去除水中的氮元素。两者之间的主要区别在于后者必须有缺氧的环境从而达到反硝化的效果。也就是说，传统活性污泥法一直处于好氧环境而交替法需要定时完成好氧环境和缺氧环境的变化。因此，交替法的关键问题在于确定两种条件的运行时间。本研究在相同的优化模型条件下，比较了两种方法在氮去除率和曝气时间等方面不同。研究结果表明传统活性污泥法，可以依好氧缺氧交替运行，在不增加额外费用和设施的情况下，达到去除氮的效果。关键词好氧缺氧交替，活性污泥，活性污泥模型3，优化模拟专业术语ASM活性污泥模型SS总悬浮固体AT曝气池TN总氮IN进水V容器体积COD化学需氧量V0理论最大沉淀速度CSTR连续完全混合反应器V0实际最大沉淀速度DO溶解氧VS沉淀速度EFF出水W剩余污泥FNS出水未沉淀部分ASM3组分H高度SO溶解氧浓度J垂直通量S1进水溶解性有机物KLA液相体积传质系数SS易生物降解有机底物MLVSS混合液悬浮物浓度SNH氨氮Q体积流量SN2四氧化二氮RASM3组分的出现与消失SNO硝态氮RH阻碍沉淀组分的沉淀系数SHCO碱度RP悬浮液中低浓度组分的沉淀系数X1惰性颗粒有机物RS回流污泥XS缓慢讲解基质SAT饱和度XH异养菌浓度SET沉淀池XSTO异养菌合成有机物SQP二次方程排列程序XA硝化菌浓度SRT污泥停留时间XS总悬浮固体浓度1介绍活性污泥法作为一种生物处理方法，主要用于城市污水处理或工业废水的二级处理。在常规的处理方法中，可以实现胶体和溶解性有机物的有效去除。如果考虑除氮，需要有一个独立的缺氧区进行反硝化反应，或者使用卡罗塞尔氧化沟，最近SBR池也经常用于硝化/反硝化反应。但是可以控制曝气装置的开启关闭，则可以到一个单独的曝气池内实现硝化/反硝化，从而达到去除氮的效果，这种系统称之为交替好氧缺氧系统，它的溶解氧值（DO）是不断变化的，而传统活性污泥系统一般是在恒定的DO值下运行，无论是哪种方法都可以简单的用一个曝气池和一个沉淀池表示，如图1所示。在活性污泥系统中，主要的运行费用是曝气的电耗，通过曝气提供给系统必需的氧气和搅拌。如果考虑到脱氮，耗能比传统法会进一步加大，因为它需要更高的DO来满足硝化细菌的生长速度和活性。硝化菌的活性在低DO环境下显著的降低。本项研究旨在给出以上系统在能耗和脱氮率上的差别，从而使决策者可以清晰地判断是否值得将传统活性污泥法改造为交替法。欧盟城市污水处理指导委员会对氮的去除做出了严格的要求，尤其在一些易受污染的地区。因此可以预见，在不远的将来常规污水处理也将必须考虑脱氮。将交替法和优化综合考虑的文章目前非常有限。（CHACHUAT等人，2001，2005），以活性污泥模型1（HENZE等人，1987）位基础进行了相关研究。相类似的活性污泥系统研究还有工艺工程评价方面（HUANG和HAO）和动力学模型（HUANG和HAO，1996）方面，仍然以活性污泥模型1为基础，但是在PH值和碱度方面有一些调整。以活性污泥模型3GUJER等人1999为基础的好氧缺氧交替法，运行得出的适宜操作曲线表现的模拟结果由BERBER发表（2006）。LEE等人（2006）发文使用以偏微分方程为基础的分布式参数模型，回顾了污水处理中活性污泥法去除营养氮的模型和控制发展历程。最近的几年里，这种运行方式新的优化方法和策略已有报道。一种由有效的运行约束方法遗传算法由DEB（2000）提出并由BALKU和BERBER应用到交替活性污泥法中。与此同时，BIEGLER和GROSSMANN（2004）提出了在序批情况下以控制矢量为参数的优化方法，只有控制参数时离散的。2模型和方法以下概述的动力学模型在MATLAB里使用ODE综合函数求解。最优化部分使用相当的函数求解，但是使用辅助程序FMINCON（THEMATHWORKS，2006）。21反应器模型反应器模型包括一个曝气池模型进行生物降解和一个沉淀池，实验中考虑其中的活性污泥沉降速度。211曝气池关于活性污泥的生物降解的各种模型，比如ASM1，ASM2，ASM3（HENZE等人，2002）都被IWA（国际水协会）报告或者在杂志上发表过。在目前的研究中，ASM3被认为是一个一个比较好的模型，尤其合适于好氧缺氧法的单体池形。曝气池物料平衡得公式如下（1）ATINRSATIIINRSIIATDXQXQRV公式中XAT,XRSANDXIN是依据SM3模型，不曝气条件下活性污泥池组成成分，循环和进水的空间向量。在曝气条件下，考虑到溶解氧，物料平衡公式右边有一个额外的项表示氧气的转移。SATTLOKS212沉淀池二次沉淀池的理论、模型、设计和运行，EKAMA等人（1997）有详细的研究介绍。沉淀池以含有十个水平层的圆柱体为模型，沉淀速度采用的模型TAKACS（TAKACS等人，1991），整体模型符合ASM3组成（BALKU,2004BALKUANDBERBER,2006）。ASM3组成成分的沉淀速度依据TAKACS表达式0MAX,IN,SETSETSETSETPNIHNIRXFRXFSETVX（2）公式中V0V0RHRPFNSS是TAKACS等人（1991）定义的模型参数，XSET是进入沉淀池的悬浮固体浓度，XSETIN是按照ASM3模型计算得出的沉淀池每层悬浮固体浓度，公式如下（3）750906SETSETSTSETSTSETISHASTOX因此得到每层的微粒沉降速度为（4）SETSJJVJ如果物料平衡中考虑最小通量和固体浓度的临界值限制，根据迁移理论可以得到每个层和每一种颗粒成分的偏微分物料平衡方程，（5）,SETATSETTDXF其中为60维空间向量。SETX213综合模型综合模型为（6）DFXT其中X是73维空间向量，13个曝气池变量，60个沉淀池变量。22优化方法MATLAB72在优化工具箱中植入了一个标准的序列二次规划算法用以计算解决问题（THEMATHWORKS，2006）。有了这种功能，算法可以方便执行并且满足各种要求的限制条件。在序列二次规划法中，二次方程式问题可以解决，通过海森矩阵和拉格朗日矩阵的复返迭代，直到满足预先设定的标准。3动态仿真和优化31活性污泥系统设计参数在活性污泥系统的模拟和控制方面，公认的研究由COSTACTIONS的不同共组小组引领，模拟基准包括包括进水速度和浓度的波动性，DO和NO3作为模拟控制目标。尽管曝气反应池和缺氧反应器的容积都事先确定。在最近的研究中，人们倾向于使用基本的恒流活性污泥系统以简化比较。本研究采用CSTR型反应器，曝气和不曝气的时间由优化算法在限制条件下计算得到。活性污泥构筑物的设计参数根据污水处理构筑物设计基本原理（TCHOBANOGLOUS和BURTON,1991）确定如下QIN1000M3/DQRS800M3/DVAT450M3VSET400M3HSET35MKLA45/H进水的组成，化学计量矩阵和热力学参数（200C）依ASM3确定，沉降速度的模型参数由TAKACS等人的低负荷公式确定。沉淀池的污泥从顶部到第七层，回流污泥中的S0和SN2为0，XT极限浓度为3000G/M3。32实验流程改进后的动力模型为进行两种系统的比较，分别进行模拟。解决算法如下321启动阶段不排泥模拟处理厂的启动阶段，向曝气池和二沉池通水，但是不排泥。这个阶段主要是为了达到常规处理的微生物浓度和较好的沉降性能，模拟过程为持续运行20天。322调节阶段，排泥在接下来的20天运行中，进行污泥排放调节，因为在污泥排放的开始阶段，曝气池悬浮污泥固体和相关的颗粒浓度下降到了无法满足优化需求的程度，运行工程中更希望有尽可能多的颗粒状污泥稳定存在。323动态最佳化作为第三步,动态优化的方法用来计算在相同的条件下，两系统的最佳的和恒定的曝气序列。目标函数为曝气时间占运行时间的百分比，即曝气时间（A）除以总的运行时间，曝气时间（A）和不曝气时间（B）的总和。目标函数/MINJBA（7）目标函数从属于两个连续的微分方程，如下不曝气时间（8）1DXFT曝气时间（9）2约束条件包括,时间,废水排放标准,溶解氧浓度,与曝气池中异养菌浓度最后的约束为了保持系统长时间运行，避免污泥大量流失。1时间限制（10）ONONMIAXTBT（11）FFIN界定曝气和静止阶段的最短时间05分钟和最大长度2小时。2异养菌浓度在曝气池的最大允许波动位001。3时间划分100份，该算法进行了连续100个时间序列,这意味着总时间长度由50个非曝气和50个曝气时间以上三个限制条件在两个系统种保持一致，但是水中的DO值和出水的总氮浓度限制在优化算法中随着系统不同而不同。324恒定流曝气池模拟由于交替系统的总时间段被分割成了100份，传统活性污泥系统的曝气总时间相比于交替法就非常短，为解决这个问题，模拟算法的利用323部分的限制使得两者的总运行时间一致，以便两者在相同的基础上比较。33应用两种函数（ODE15S和ODE45）用来比较的解决问题。在两个系统的启动期，调整期两者得到的结果没有明显的区别，尽管优化算法中ODE45函数得到的结果优于ODE15S函数。两种方法得到的目标函数结果列于了表1中，在COST模拟基准中ODE45函数也被认为最好的解决方法（COPP，2006）。在整个研究过程中，都使用MATLAB中步长为001的ODE45整体函数。331传统活性污泥法为了实现污泥的积累，在曝气池的启动阶段进行连续曝气而且不排泥。在调整阶段，DO浓度精确控制在2G/M3的水平。在运行中进行排泥，排泥量为进水的12（体积比）。在稳定运行阶段，启/闭策略应用到曝气系统，使曝气池中的DO浓度也保持在2G/M3以上（由于不连续曝气难以精确保证在2G/M3）。曝气阶段和停止曝气阶段末期的平均DO浓度都保持在2G/M3以上，运行中尽量保持尽可能的接近这个浓度，以便可以计算得最小的曝气时间百分比。出水的SS和COD满足要求的处理标准，但是不考虑出水的总氮浓度，因为系统设计不考虑脱氮。出水的限制标准为CODMAX125G/M3SSMAX35G/M3出水的标准可按照下列的公式严格控制（12）MAXMAXAX0,0,JEFEFDXCODST公式中J表示第74位态变数，稳定运行阶段的出水COD值按照ASM3模型的定义进行计算，在整个过程中，微分方程式表示的是偏离限制标准的累积量。根据优化计算得到的参数，稳定运行期一直持续到交替运行期以便两者可以在同一条件下进行比较。进一步的，运行1G/M3状态的传统活性污泥法。332交替好氧缺氧系统在启动期和调整期，人工控制曝气控制，曝气周期包括09H的不曝气阶段和18小时的曝气阶段，以此作为启/闭策略。污泥排放与传统法相同，在稳定运行阶段，参数按照适宜进行硝化和反硝化反应决定，出水考虑总氮浓度。TNMAX10G/M3MAXMAXMAXAX0,0,0,JEFEFEFDXTNCODST（13）公式中表示第74为态变数，出水的总氮浓度和COD浓度按照ASM3种的定义进行计算。在整个运行过程中，微分方程式表示的是偏离限制标准的累积量。在本系统中，曝气阶段末期的允许最高平均DO浓度限制放宽，为3G/M3。计算中使用MATLAB72软件，16GHZ，1GB内存的笔记本电脑。4结果和讨论两个系统的运行结果分别列出。ASM3组分的在运行过程中随时间的变化情况在图中列出，图2代表的是传统活性污泥法，图3代表的是交替运行法。虽然实验中测量了所有组分的变化情况，但遗憾的是在图中无法全部表示出，给出了曝气池中惰性物质，活性污泥，悬浮固体浓度的变化情况。两个图中显示了相似的趋势，三种物质的组分在启动阶段都持续增长，调整阶段由于排泥，活性污泥浓度和悬浮固体浓度开始下降，然后在稳定运行阶段活性污泥浓度基本保持稳定。在图中未见的部分，两系统最大的不同是交替法运行时有缺氧段，氮化合物和DO的浓度波动比传统法要大。曝气池中的ASM3各组分浓度和各阶段末期的出水水质列于以下各表中。表2为传统活性污泥法在2G/M3DO条件下的运行结果，第一栏为实验中测量的各个参数。第二栏表示系统各组分的进水浓度或初始浓度，第三栏为启动阶段末期各组分的浓度，第四栏表示调整阶段末期各组分的浓度，第五栏表示稳定运行阶段的实验数据。表三各栏意义相同，表示的是交替法运行的实验结果。当两个表格中的数据进行比较时，可以清楚地看到最重要的区别是硝酸亚硝酸氮浓度的不同。交替法系统中这个浓度为627G/M3，在传统法中，浓度为1784G/M3，不难看出这些数值直接影响了表四种列出的处理水总氮浓度。图2ASM3组分的变化曲线XSS,XH,XI图3交替法ASM3组分变化曲线XSS,XH,XI三种系统（包括按照1G/M3DO运行的系统）的运行结果简要的在表四种列出。各个系统出水的COD和SS都符合标准，但是总氮浓度传统法较高，（1884G/M3和1590G/M3对应不同的DO），而交替法的总氮浓度低于要求的10G/M3（72G/M3）。与氮的去除率和曝气能耗一起，把两个系统的MLVSS（混合液挥发性固体浓度），异养菌和自养菌浓度进行比较，变化的百分比按下式进行计算（14）OPTIMZEDCONDITGCONITGMLVSSCHANGEI自养菌和异养菌浓度变化的百分比也按以上的方法进行计算，结果表明，在各个容器当中练习运行情况下，MLVSS，自养菌和异养菌的浓度变化小于1，异养菌的变化百分比超过限定值是因为系统的各个阶段持续时间。按照设定的参数进行稳定运行的交替法系统中，连续曝气阶段氨氮，硝态氮，DO浓度以及碱度随时间的变化曲线列在图四中。这些参数的波动情况是由于曝气时采用的启/闭策略，其出水的水质随时间的变化可以在图5中看出。出水的COD和SS浓度基本恒定，但是TN的浓度有周期性的波动，也是因为启/闭策略导致硝态氮浓度的波动。图4ASM3组分在稳定运行时候的变化SNO,SNH,SO,SHCO图5交替法在稳定运行时德出水水质CODEFF,SSEFF,TNEFF污泥停留时间按照下式进行计算反应器和沉淀池中总的污泥量除以出水和排放污泥中含有的污泥量10HAATHASET,JSET,JWFXVXHVSRTQJJ其中J表示沉淀池的层数SRT计算得到的时间是1894天，虽然时间略长，但是对于实验中的有机物浓度可以稳定的状态运行。5结论在本项实验中，从氮的去除率和曝气池能耗方面考查了传统法和交替法的区别。不仅仅是MLVSS，包括异养菌和自养菌在连续运行中的浓度变化也进行了比较。为了进行这一比较，一个模拟的处理反应器使用传统活性污泥法，而另外的系统从相同的初始状态开始，使用交替法。在达到稳定运行状态之后，进行适宜的曝气以保证每个反应器的出水都可以达到预期的标准，从而比较出水的水质和能耗。结果表明两个系统的COD和SS去除率大致相同，但是总氮的去除率只有交替法可满足要求（表四）。目标函数表明曝气时间占总运行时间的部分，传统法在2G/M3DO运行下为7541，在1G/M3DO运行下为6248，交替法运行时为6319。这些数字表明交替法的能耗不高于在2G/M3DO水平运行下的传统法，甚至更少，但是能耗比在1G/M3DO水平运行下的传统法略高。一般而言，活性污泥系统一般在1G/M3DO水平运行，因此可以得出结论，将传统法改造为交替法不需要额外的运行费用，另外由于两种系统可以采用相同的设计参数，交替法也不需要额外的投资费用。因此我们可以将传统活性污泥系统在不增加额外投资和运行费用的情况下，改造成交替法。改造后的优势在于可以实现较高的脱氮效果，在本实验中，交替法的脱氮率可达7110，而2G/M3DO水平运行下的传统法脱氮率只有2437。参考文献BALKU,S,2004ENERGYOPTIMIZATIONINACTIVATEDSLUDGESYSTEMSINCLUDINGNITROGENREMOVALPHDTHESISDEPARTMENTOFCHEMICALENGINEERING,ANKARAUNIVERSITYINTURKISHBALKU,S,BERBER,R,2006DYNAMICSOFANACTIVATEDSLUDGEPROCESSINCLUDINGNITRIFICATIONANDDENITRIFICATIONSTARTUPSIMULATIONANDOPTIMIZATIONUSINGEVOLUTIONARYALGORITHMCOMPUTCHEMENG303,490499BIEGLER,LT,GROSSMANN,IE,2004RETROSPECTIVEONOPTIMIZATIONCOMPUTCHEMENG288,11691192CHACHUAT,B,ROCHE,N,LATIFI,MA,2001DYNAMICOPTIMIZATIONOFSMALLSIZEWASTEWATERTREATMENTPLANTSINCLUDINGNITRIFICATIONANDDENITRIFICATIONPROCESSESCOMPUTCHEMENG25,585593CHACHUAT,B,ROCHE,N,LATIFI,MA,2005OPTIMALAERATIONCONTROLOFINDUSTRIALALTERNATINGACTIVATEDSLUDGEPLANTSBIOCHEMENGJ23,277289COPP,JB,2006SIMULATORMANUAL/HTTP/WWWENSICINPLNANCYFR/BENCHMARKWWTP/PDF/SIMULATOR_MANUALPDFS三13112006THECOSTSIMULATIONBENCHMARK,/HTTP/WWWENSICUNANCYFR/COSTWWTPS13112006DEB,K,2000ANEFFICIENTCONSTRAINTHANDLINGMETHODFORGENETICALGORITHMSCOMPUTMETHODSAPPLMECHENG186,311338EUCOUNCILDIRECTIVE91/271/EEC/HTTP/EURLEXEUROPAEU/SMARTAPI/CGI/SGA_DOCSMARTAPICELEXPLUSPRODDOCNUMBERLGENTYPE_DOCDIRECTIVEAN_DOC1991NU_DOC271S29082006EUCOMMISIONDIRECTIVE98/15/EECAMENDINGDIRECTIVE91/271EEC/HTTP/EURLEXEUROPAEU/LEXURISERV/LEXURISERVDOURICELEX31998L0015ENHTMLS29082006EKAMA,GA,BARNARD,JL,GUNTHERT,FW,KREBS,P,MCCORQUODALE,JA,PARKER,DS,WAHLBERG,EJ,1997SECONDARYSETTLINGTANKSTHEORY,MODELING,DESIGNANDOPERATIONSCIENTIFICANDTECHNICALREPORTSNO6IWAPUBLISHING,LONDONGUJER,W,HENZE,M,MINO,T,LOOSDRECHT,M,1999ACTIVATEDSLUDGEMODELNO3WATERSCITECHNOL391,183193HAO,OJ,HUANG,J,1996ALTERNATINGAEROBICANOXICPROCESSFORNITROGENREMOVALPROCESSEVALUATI