三溝式氧化溝曝氣系統節能優化模擬

楊 躍，張金松，劉禮祥，徐子明

(1．哈爾濱工業大學深圳研究生院，518055廣東深圳，yangyueww@126．com;2．深圳市能源環保有限公司，518052廣東深圳;3．深圳市水務(集團)有限公司，518030廣東深圳)

三溝式氧化溝曝氣系統節能優化模擬

楊 躍1，2，張金松1，3，劉禮祥3，徐子明1

(1．哈爾濱工業大學深圳研究生院，518055廣東深圳，yangyueww@126．com;2．深圳市能源環保有限公司，518052廣東深圳;3．深圳市水務(集團)有限公司，518030廣東深圳)

以降曝氣系統運行能耗為目的，通過數學模擬方法提出三溝式氧化溝工藝曝氣系統優化運行方案，即正常運行工況下將中溝轉刷開啟臺數由5臺降至4臺;當水量增幅超過25%或污染物質量濃度增幅超過50%時增開曝氣轉刷至5臺;當水量負荷低于正常工況時，將轉刷開啟臺數降低至3臺．按照此方案運行2個月，該污水廠不僅出水水質達標，而且降低了污水處理能耗．

三溝式氧化溝工藝;曝氣轉刷;模擬;節能

污水處理是能源密集型的綜合技術［1］，在為減輕環境負擔、削減污染物排放、改善水環境提供有力保障的同時，也面臨著能源短缺、電力供應不足的困境［2］．優化能耗策略，實現節能降耗，是污水處理事業可持續發展的必由之路．截至2006年，我國具有能耗資料的559座城鎮污水處理廠的平均電耗為0.290 kW·h/m3［3］，僅相當于發達國家20世紀初或更早期的污水處理能耗水平，具有一定節能空間．而在污水處理的各個能耗環節中，生物處理的曝氣能耗所占比例最大，通常占總處理能耗的 50% ～70%［4－5］，因此，曝氣設備節能是實現污水處理工藝節能降耗的核心環節．

本文以某城市污水處理廠的三溝式氧化溝工藝為研究對象，采用數學模擬方法，以某污水處理仿真軟件為平臺，研究其曝氣轉刷的運行狀態對出水水質的影響效果，提出曝氣系統節能優化方案，并通過實際工藝進行驗證．

1 三溝式氧化溝工藝特征及能耗分析

1.1 工藝分析

三溝式氧化溝工藝是一種典型的交替運行式氧化溝工藝［6］，保留了氧化溝工藝完全混合的特點，同時又具有序批式工藝的特征［7］，可在不設二沉池的條件下連續運行，脫氮除磷效果好［8］．圖1為某城市污水處理廠三溝式氧化溝工藝簡圖，單座設計日處理量為6.25×104t，總停留時間為15.2 h，污泥回流比為(50～100)%．為強化生物除磷效果，氧化溝前置厭氧池并回流活性污泥，厭氧池前增設回流污泥濃縮池，以提高回流污泥濃度，減少進入厭氧池的硝酸鹽質量濃度．厭氧池設計污泥回流比100%，經回流污泥濃縮池后為50%．

作為一種交替式運行的污水處理工藝，三溝式氧化溝的運行過程具有周期性時序特征．其運行周期為8.0 h，上、下半周期運行模式完全對稱，僅水流方向相反，時間均為4.0 h．中溝始終作為反應池，維持好氧曝氣的運行狀態，兩邊溝則交替作為反應池和沉淀池，先后處于缺氧、好氧、預沉淀和沉淀狀態，每種狀態持續的時間分別為1.5、1.5、1.0和4.0 h．進水在作為反應池的邊溝與中溝之間切換．

圖1 三溝式氧化溝工藝簡圖

1.2 能耗現狀分析

為降低全廠綜合處理能耗，2007年起，該污水廠一期A2/O工藝采取滿負荷穩定運行方式，二期三溝式氧化溝工藝則發揮水量調節作用．由于水量波動較大，主要用電設備并未隨水量變化進行相應調整，三溝式氧化溝工藝能耗相對較高，2007年平均噸水單耗為0.293 kW·h/m3，遠高于一期0.187 kW·h/m3的水平．與此同時，該廠2007年進水水量比2006年有所提高，進水污染物質量濃度更是大幅提高，在二期主要耗電設備沒有進行相應調整的情況下，負荷電耗仍維持在較低的水平．上述分析表明，該廠三溝式氧化溝工藝仍具有一定的節能空間．而氧化溝工藝的能耗中，曝氣轉刷能耗超過80%，單臺轉刷日耗電量占氧化溝日總耗電量5%左右．因此，合理控制轉刷運行模式對三溝式氧化溝工藝節能降耗意義重大．

由于邊溝處于間歇曝氣狀態，中溝始終處于好氧曝氣狀態，因此，中溝轉刷的調控對三溝式氧化溝節能貢獻更大．以中溝為主要研究對象，研究以節能為目標的曝氣轉刷運行方式．

2 反應器構建

利用三溝式氧化溝工藝時序對稱性對其進行簡化，僅模擬半個周期即可了解另外半周期的運行狀況，進而了解整個周期的運行狀況．

三溝式氧化溝工藝中3條溝具有不同特性，中溝主要為完全混合及推流特性．優化前，中溝開啟5臺轉刷，將中溝分割成5個串聯的完全混合反應器(Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR)以模擬其推流特性［11］;通過最低流速、截面積和進水流量等數據設置內回流比，以模擬其完全混合特性．作為沉淀池的邊溝采用矩形理想沉淀池反應器模擬．作為反應池的邊溝主要特性為序批特性，采用序批式反應器(Sequnencing Batch Reactor，SBR)進行模擬，其周期設置與三溝式氧化溝半周期時序一致．各反應器體積均與三溝式氧化溝工藝設計值一致．模擬流程圖見圖2．

圖2 三溝式氧化溝反應器構建方式示意圖

3 基于數學模擬的曝氣系統節能方案

3.1 節能運行方案的提出

以活性污泥數學模型［9－11］ASM2D 為模擬機理，以GPS－X軟件［12］為模擬平臺搭建工藝流程圖，采用龍格－庫塔－費爾伯格法求解生化反應微分方程．對各工藝參數敏感性進行分析并校正模型后，以該廠2009年9～10月實際原水水質平均值(COD為340 mg/L，TN為31 mg/L，NH4+－N為21 mg/L，TP為4 mg/L，pH 為7.45)為模擬水質初值，令設計水量6.25×104t/d為Q，研究進水水量從0.7Q至1.3Q的情況下，系統穩定運行45 d后，轉刷開啟臺數對出水水質的影響，模擬結果平均值見圖3．

圖3中的模擬結果顯示，水量負荷不同，開啟轉刷臺數不同，出水水質大不相同．開啟5臺轉刷，在水量負荷增加30%的情況下，出水各項指標仍滿足一級B(GB18918—2002)標準要求，即COD≤60 mg/L，TP≤1 mg/L，TN≤20 mg/L，NH4

+－N≤8 mg/L，因此，仍具有一定節能空間．開啟4臺轉刷，在水量負荷增加25%的情況下，出水各項水質指標均能達標，但水量負荷增加30%時，出水總磷將超標．而開啟3臺轉刷，當水量負荷低于設計值Q時，可以保證出水水質達標，但當水量負荷超過設計負荷時，由于曝氣供氧能力不足，出水水質不能達標．總體來說，開啟4臺轉刷可以承受一定的水量沖擊負荷，使出水水質滿足達標要求，且降低了曝氣能耗．

圖3 轉刷開啟臺數對出水水質影響模擬結果

設置轉刷開啟數量為4臺，在上述模擬水質初始值基礎上，逐漸增加污染物質量濃度，并模擬相應出水水質，模擬時間為45 d，模擬結果平均值見表1．

從表1中可以看出，當進水底物質量濃度增加50%時，出水的各項指標均能滿足達標要求;當進水底物質量濃度增加60%時，由于曝氣供氧能力不能滿足硝化反應的順利進行，出水氨氮超標．這說明4臺轉刷的曝氣供氧能力可以承受一定的水質沖擊負荷，當進水底物質量濃度增加時，開啟4臺轉刷基本可以滿足出水達標的要求．

表1 開啟4臺轉刷出水水質隨進水水質變化模擬結果

從上述模擬結果的分析可知，降低曝氣轉刷開啟臺數至4臺，即可滿足出水水質標準要求，又可以降低曝氣能耗，且減少工作轉刷的數量，相當于增加備用設備數量，也在一定程度上提高了生產的安全性，增加了對曝氣設備調節的空間．通過模擬曝氣轉刷運行工況對出水水質的影響情況，確定了曝氣系統的節能運行方案，即在正常運行工況下，將中溝轉刷開啟臺數由5臺降至4臺;如遇突發水量、水質沖擊負荷(水量增幅超過25%或污染物質量濃度增幅超過50%)時，應增開曝氣轉刷以保證出水水質;在水量負荷低于設計值時，可考慮將轉刷開啟臺數降至3臺，以適應水量的波動，達到節能的目的．

3.2 曝氣轉刷節能運行方案的驗證

2009年12月起，該廠三溝式氧化溝曝氣系統采用上述節能模式運行．表2為2009年12月及2010年1月該廠在節能方案下運行實際出水水質的平均值．

表2 轉刷節能運行模式下出水水質 mg·L－1

從表2可以看出，按照曝氣系統節能方案運行，可以獲得較好的處理效果．尤其是在2010年1月進水底物質量濃度較高的情況下，出水水質仍能保證達標，證明了該方案的合理性和可行性．通過對曝氣系統采取適當的節能措施，以及配合相關精確控制及輔助節能措施，2009年該廠三溝式氧化溝工藝的噸水能耗已降至0.224 kW·h/m3，比2008年下降14%，取得了較好的節能效果．

4 結論

1)在正常運行工況下，將中溝轉刷開啟臺數由5臺降至4臺，既可滿足出水水質標準要求，又可以降低曝氣能耗．如遇突發水量、水質沖擊負荷(水量增幅超過25%或污染物質量濃度增幅超過50%)時，可通過增開曝氣轉刷的辦法保證出水水質;在水量負荷低于設計值時，可考慮將轉刷開啟臺數降至3臺，以適應水量的波動，達到節能的目的．

2)將曝氣系統節能方案應用于實際運行，不僅可以獲得較好的出水水質，而且可實現能耗降低的目的．通過采取節能降耗措施，該廠三溝式氧化溝工藝 2009年的噸水單耗已降至0.224 kW·h/m3，比2008年下降超過14%，節能效果顯著．

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Optimization simulation of aeration mode in a triple oxidation ditch wastewater treatment process

YANG Yue1，2，ZHANG Jin-song1，3，LIU Li-xiang3，XU Zi-ming1

(1．Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School，518055 Shenzhen，Guangdong，China，yangyueww@126．com;2．Shenzhen Energy Environment Engineering Co．Ltd．，518052 Shenzhen，Guangdong，China;3．Shenzhen Water(Group)Co．Ltd．，518030 Shenzhen，Guangdong，China)

Based on mathematical simulation method，an optimization scheme of aeration system was proposed to save energy，which reduced the number of running aeration brush from 5 to 4 in the middle ditch under the normal operation condition．When the increasing degree of inflow was over 25%or the substrate concentration above 50%，the number of running aeration brush would be increased to 5．When the inflow were lower than normal condition，the number would be decreased to 3．With implementing this scheme for two months，the water quality of effluent could always meet the first class of B standard．

triple oxidation ditch process;aeration brush;simulation;energy saving

X703

A

0367－6234(2011)08－0076－04

2010－03－10．

國家“十一五”科技支撐項目(2006BAC19B06)．

楊 躍(1981—)，女，博士;

張金松(1963—)，男，教授級高工，博士生導師．

(編輯 劉 彤)