Carrousel氧化溝建模實例研究（環(huán)保）
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Carrousel氧化溝建模實例研究（環(huán)保）
張凱歌1， 李翠梅1， 龔希博1，2
（1．蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州215009；2．蘇州市清澤環(huán)境技術(shù)有限公司，江蘇蘇州215011）
摘要：根據(jù)Carrousel氧化溝完全混合特性，提出了將其劃分成多個曝氣和非曝氣的完全混合反應(yīng)池的串聯(lián)反應(yīng)器的思想，并基于ASM3機理模型，在WEST軟件平臺上搭建其物理模型。利用WEST模擬軟件，對建立的模型進行穩(wěn)態(tài)模擬。實例研究表明：對于處理能力1.2萬t/d的Carrousel氧化溝，通過分析其工藝特點和DO沿程變化特征，可以將缺氧區(qū)和好氧區(qū)根據(jù)溝池長度平均分為15區(qū)；每個區(qū)長13.2 m、寬4.5 m、面積56.87 m2;其中前4區(qū)為缺氧區(qū)，后11區(qū)為好氧區(qū)。通過穩(wěn)態(tài)模擬，該次建模能夠體現(xiàn)污水處理廠的處理工藝過程及處理效果，擬合效果良好，為后續(xù)研究進行動態(tài)模擬、模型優(yōu)化和參數(shù)估計奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：Carrousel氧化溝；建模；實例；研究；穩(wěn)態(tài)模擬
中圖分類號：X703 doi：10.3969/j.issn．1003-6504.2016,05.018 文章編號：1003-6504(2016)05-0090-05
目前計算機仿真在污水處理系統(tǒng)設(shè)計或污水處理廠改造中的應(yīng)用主要是確定工藝參數(shù)，即對影響水質(zhì)、水量變化的參數(shù)進行分析和復(fù)雜的理論計算與推測，利用計算機強大的快速計算功能，應(yīng)用成熟的反應(yīng)機理數(shù)學(xué)模型，短時間內(nèi)獲得實時的運行參數(shù)，并通過自動控制系統(tǒng)進行科學(xué)調(diào)度，提高污水系統(tǒng)運行、處理的科學(xué)性、準(zhǔn)確性，進而達到污水處理系統(tǒng)運
行節(jié)能降耗的目的。因此，污水處理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立成為計算機仿真與模擬的關(guān)鍵，模型準(zhǔn)確，計算得出的運行參數(shù)準(zhǔn)確，可靠性強，具有應(yīng)用價值；模型偏差較大，計算得出的運行參數(shù)基本不具備應(yīng)用價值。
Carrousel氧化溝是由荷蘭的DHV技術(shù)咨詢公司在20世紀(jì)60年代后期發(fā)明的，至今全世界已有超過800座投入使用，應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及所有行業(yè)的污水、廢水處理，處理規(guī)模從400～113x104 m3/d不等。Car-rousel氧化溝工藝是城市污水處理廠主要工藝類型之一，其技術(shù)特點有：采用立式曝氣機，設(shè)備數(shù)量少，系統(tǒng)簡單；有極強的混合攪拌與耐沖擊負(fù)荷能力；曝氣功率密度大，傳氧效率達到平均至少2.1 kg/( kW．h);氧化溝溝深大，可達到5m以上，使氧化溝占地面積減少；土建費用降低；調(diào)節(jié)性能好，節(jié)能效果顯著；操作環(huán)境好，運行管理簡單；能在寒冷地區(qū)使用等技術(shù)特點。隨著城市污水處理廠不斷提標(biāo)改造，Carrousel氧化溝自動運行成為被改造的主要對象之一。以下結(jié)合實例介紹Carrousel氧化溝建模過程及應(yīng)用。
1 污水處理廠概況
蘇州市某污水處理廠位于蘇州市吳中區(qū)的東北角，主要接納吳中區(qū)運河北側(cè)城區(qū)居民生活污水。設(shè)計規(guī)模2萬t/d，分兩期建設(shè)。一期工程于1998年8月投產(chǎn)運行，處理能力0.8萬t/d，采用2座并行運行的單溝式氧化溝。二期工程(擴建改造)2005年11月投產(chǎn)運行，處理能力1.2萬t/d，采用了前置厭氧池的氧化溝工藝，同時在一期氧化溝前增加厭氧池，構(gòu)成A2/O工藝，使該污水廠具備生物脫氮除磷功能，尾水執(zhí)行一級B標(biāo)準(zhǔn)。
二期擴建改造工程中粗格柵及進水泵房、細(xì)格柵及沉砂池、接觸消毒池、加氯間、污泥濃縮池、脫水車間按2.0萬m3/d規(guī)模進行設(shè)計參數(shù)復(fù)核。二期氧化溝采用循環(huán)往復(fù)型式的卡魯塞爾氧化溝。厭氧區(qū)單獨設(shè)置在氧化溝前，容積719 m3；缺氧區(qū)和好氧區(qū)合建，氧化溝總?cè)莘e3 690 m3，其中缺氧區(qū)容積910 m。，好氧區(qū)容積2 780 m3，氧化溝平面尺寸為62.35 mx19.05m，池深5.5 m，水深4.5 m。氧化溝設(shè)計最大需氧量117 kg/h，最大供氧量222 kg/h。厭氧區(qū)設(shè)2臺2.3 kW液下推進器；缺氧區(qū)設(shè)2臺功率4.3 kW液下推進器；好氧區(qū)設(shè)曝氣轉(zhuǎn)碟7臺，單臺直徑1400 mm，跨度4.2 m，最大充氧量38 kg/h，配套電機功率15 kW，采
用雙速電機。Carrousel氧化溝工藝平面示意如圖1所示（圖中①表示曝氣轉(zhuǎn)碟1臺，②表示液下推進器2臺）。
二期二沉池采用平流式沉淀池，設(shè)一座，與一期厭氧池合建。單座平面凈尺寸為54.9 mx13.9 m，池深4.7 m，水深4.1 m。進水采用指形配水槽配水，溢流堰出水。二期二沉池設(shè)一臺虹吸式刮泥機，將污泥排至池中間的排泥槽，運行方式同一期。污水廠主要設(shè)計參數(shù)及主要設(shè)備的技術(shù)參數(shù)見表1，工藝流程見圖2。
在厭氧池和缺氧池中，分別裝有2臺和4臺液下推進器，其主要作用是使污泥處于懸浮狀態(tài)，防止污泥沉積；好氧區(qū)配備有7臺曝氣轉(zhuǎn)碟，運行時，通過開啟不同臺數(shù)曝氣轉(zhuǎn)碟及調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制氧化溝中的溶解氧水平，控制在2 mg/L左右。
2 建模過程
在實際運行過程中，反應(yīng)器內(nèi)的水流受到環(huán)境、操作條件等因素的影響，通常會出現(xiàn)短路、死區(qū)和局部內(nèi)回流等非理想狀態(tài)。在建模過程中，非理想狀態(tài)通常采用多級串聯(lián)完全混合反應(yīng)器進行模擬。污水廠二期采用“厭氧+卡魯塞爾氧化溝”工藝，從整體上看，氧化溝的流態(tài)是完全混合的，而且在WEST模擬軟件的單元模塊中只有完全混合生物反應(yīng)器，沒有氧化溝的模塊。因此，利用多級串聯(lián)完全混合反應(yīng)器來搭建氧化溝工藝是對其的一種簡化，實踐證明，此種簡化是可行且方便的。
為了確定氧化溝實際運行狀態(tài)變化特征和模型構(gòu)建方案分區(qū)，在該污水處理廠二期氧化溝正常運行狀態(tài)下，根據(jù)氧化溝沿程DO監(jiān)測點的設(shè)置（圖3），于2011年5月9:00、13:00和17:00 3個不同時刻，對氧化溝進行取樣。并采用哈希便攜式DO測量儀，測得氧化溝沿程的DO濃度值，其變化趨勢圖見圖4所示。
根據(jù)實際監(jiān)測結(jié)果，氧化溝在運行過程中，沿程溶解氧存在明顯的濃度梯度。在此污水廠中，由于采用前置厭氧池而組成的A2/O工藝，厭氧池出水進入氧化溝到曝氣之前處于明顯的缺氧運行狀態(tài)，僅有液下推動裝置緩慢轉(zhuǎn)動，從而保證其脫氮效果；如圖4中的1～11點，從氧化溝進水到第一個曝氣轉(zhuǎn)刷之前，該過程中溶解氧濃度低于0.5 mg/L。經(jīng)過第一個曝氣轉(zhuǎn)刷之后溶解氧濃度迅速上升，進入好氧運行狀態(tài)，由于污染物濃度較高，溶解氧消耗較快，但DO濃度保持在0.5 mg/L以上。此后，每隔一段距離都有曝氣轉(zhuǎn)刷運行，氧化溝內(nèi)保持較高的溶解氧濃度，處于好氧運行狀態(tài)。
為了便于設(shè)置各反應(yīng)器運行參數(shù)，根據(jù)Carrousel氧化溝工藝特點及運行過程DO沿程變化情況，擬將氧化溝溝池按照長度平均分為15區(qū)，每一分區(qū)采用一個完全混合生物反應(yīng)池表示，采用15個容積相同的CSTR串連模型。在分區(qū)過程中，前4個分區(qū)剛好處于缺氧運行階段，后幾個分區(qū)都是好氧運行階段，并無相互干擾重疊過程，故對于DO濃度分布來說，此分區(qū)格式理論上是較為合理的，可以作為建模的初始設(shè)置考慮，在后期的模擬優(yōu)化可對其進行改進，具體分區(qū)格式與每個反應(yīng)區(qū)的長寬及體積參數(shù)見圖5和表2所示。
WEST軟件平臺上，通過在節(jié)點庫中建立節(jié)點數(shù)據(jù)庫，將上述數(shù)據(jù)放入到數(shù)據(jù)庫中，通過節(jié)點數(shù)據(jù)庫生成系統(tǒng)布局，即可形成Carrousel氧化溝物理模型，如圖6所示。
3 穩(wěn)態(tài)模擬
研究采用的軟件平臺是DHI的新一代污水處理模擬工具WEST 2012，WEST不但使用了可靠的數(shù)學(xué)模型對真實系統(tǒng)進行模擬，還提供了多種高級“實驗類型”進行模型校正和模擬分析，如局部敏感性分析、全局敏感性分析、參數(shù)估計、預(yù)案分析以及不確定分析等。WEST擁有多種模型庫和開放的結(jié)構(gòu)，方便用戶構(gòu)建新模型或修改現(xiàn)有的模型�；�WEST強大的模擬功能和完全開放的建模環(huán)境，其工作過程并不復(fù)雜。系統(tǒng)建模首先要進行工藝構(gòu)建和定義模型：選擇ASM類別中的某一個機理模型，確定全廠方案設(shè)置及單元過程模型，如二沉池模型、控制器模型等，構(gòu)筑物尺寸的確定及參數(shù)賦值，繪制各種輸出圖表以便分析模擬結(jié)果；模型校正確定模擬的準(zhǔn)確性和可靠性，對參數(shù)進行局部調(diào)整；最后進行工藝模擬和結(jié)果分析，對各種方案實施評估預(yù)測。而運用WEST軟件進行穩(wěn)態(tài)模擬是根據(jù)氧化溝運行過程的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，諸如溶解氧濃度、溫度、流量和有關(guān)的工藝操作條件、工藝規(guī)定、出水指標(biāo)以及一定的設(shè)備參數(shù)，如曝氣機的功率、進水位置等，采用模擬軟件，用計算機模擬實際的穩(wěn)態(tài)運行過程，最后確定模型的有效性。
在軟件平臺WEST上，搭建蘇州某污水處理廠二期氧化溝處理工藝物理模型，并設(shè)置各類參數(shù)。針對污水處理廠的實際工藝進行建模，并進行穩(wěn)態(tài)模擬以確定模型建立的可行性，為后續(xù)開展敏感度分析及參數(shù)估計等相關(guān)性研究打下基礎(chǔ)。在模擬之初，需要向已建立的模型輸入必須的邊界條件和邊界值。綜合污水處理工藝主要構(gòu)筑物的物理參數(shù)、污水處理廠的運行參數(shù)、進水水質(zhì)參數(shù)、模型參數(shù)等模型初始模擬條件，以WEST軟件為平臺，利用污水處理廠所建工藝模型，采用2011年污水處理廠夏季平均進水水質(zhì)數(shù)據(jù)，進行廢水特征參數(shù)、動力學(xué)參數(shù)和化學(xué)計量學(xué)參數(shù)都采用WEST軟件默認(rèn)值，在此情況下，進行初步穩(wěn)態(tài)模擬，模擬結(jié)果見表3和圖7。
從表3可以看出，基于軟件平臺WEST建立的工藝模型初步模擬結(jié)果與實際運行結(jié)果有較為良好的擬合。初步分析，COD相對誤差較大，達到了39%，其原因可能在于進水水質(zhì)組分劃分的差異導(dǎo)致，在研究ASM3的動力學(xué)參數(shù)估計問題上，并不能影響本研究結(jié)果，故暫時不予考慮；氨氮相對誤差為7.1%，絕對誤差僅為0.12 mg/L，可以說擬合非常理想；而TN絕對誤差也比較低，僅為1.33 mg/L，雖然相對誤差達到了20.5%，但在接受范圍之內(nèi)，SS的絕對誤差和相對誤差都很低，模擬擬合程度高。
結(jié)果表明，本次建模基本能體現(xiàn)該研究污水處理廠的處理工藝過程及處理效果，擬合效果良好，能夠開展后續(xù)敏感度分析及參數(shù)估計等相關(guān)研究。
4 結(jié)論
(1)通過分析污水廠的工藝特點及Carrousel氧化溝的實際運行過程，整體看來氧化溝的流態(tài)是完全混合的，可以在WEST軟件平臺上利用多級串聯(lián)完全混合反應(yīng)器來搭建氧化溝的物理模型。
(2)通過分析氧化溝運行過程中DO的沿程變化特征，根據(jù)氧化溝長度將其平均分為15個區(qū)，采用15個容積相同的CSTR串聯(lián)模型。其中前4個分區(qū)由于沒有安裝任何曝氣裝置，溶解氧濃度普遍低于0.5 mg/L，處于缺氧運行階段；后11個分區(qū)在經(jīng)過曝氣轉(zhuǎn)刷之后，溶解氧濃度迅速上升并始終維持在0.5 mg/L以上，處于好氧運行階段。
(3)通過在WEST軟件平臺上，在節(jié)點庫中簡單的節(jié)點選擇，并拖放到布局頁面，合理安排各單元位置并連接各節(jié)點，形成Carrousel氧化溝的物理模型。
(4)針對污水廠氧化溝的工藝流程，利用WEST模擬軟件建立的工藝模型并對其進行模擬。通過分析出水水質(zhì)的實測值與模擬值，初步模擬結(jié)果與實際運行結(jié)果有較為良好的擬合。
