反應器理論在水處理中的應用

付美林

1 HSY算法在水質模型參數識別中的應用

1.1 HSY 算法主要步驟[1，2］

1)確定參數可能取值的空間，即確定參數取值的上限和下限以及空間統計分布狀態;2)根據已有數據和模擬的要求，將模擬的結果劃分為可接受和不可接受兩種類型[3］;3)對參數在取值空間進行隨機采樣，用采樣的參數進行系統模擬;4)根據這組模擬的結果把參數進行歸類，分別對應于2)中的兩種劃分方案;5)重復3)和4)，直到找到要求數量的可以接受的參數為止。

HSY算法摒棄了逼近實際觀測值單一時間變化曲線的優化方法識別模型參數的理念，而以一個可接受域代表系統的發生。HSY算法識別的參數不是一個單點，而是由大量“可行”參數形成的集合。

1.2 南水北調工程水質模型與模擬

南水北調工程水質模擬采用了連續箱式模型(CSTR)，它是由若干個完全混合的箱體串聯而成的一維模型。即把河道分成若干連續的段，在段內劃分箱子，在每一段內模型參數認為保持不變，在每一個箱內水質是完全混合的。

在CSTR模型中，每個箱子的輸入主要包括上游來水、支流匯入、非點源、點源，輸出包括下游箱子的出流、支流出流、下滲等(見圖1)。

本試驗采用2000年9月中的3 d數據進行參數識別，而用1994年～1999年及2000年12月的數據對模型的參數進行檢驗(來自水利部淮河水利委員會對調水沿線專門進行監測的水質數據)。

1.3 參數識別結果

以南水北調工程東線寶應—高郵段為例，運用HSY算法對CODMn的降解常數參數識別結果如圖2所示。它是從幾十萬次運算中找出的5 000組“可行”的參數值，即模擬結果的期望值與實際觀測數據平均值的相對誤差不超過10%。這5 000組參數值體現了在當時的輸入數據條件下，模型的參數所具有的分布特征。

從圖2可以看出CODMn的一級降解常數在0.06左右出現的概率最大，并向兩端逐漸減小。

1.4 相關結論

通過以上分析可知，模型參數范圍的選取以及“可行”參數標準選取是HSY算法的關鍵問題。要根據實際的數據情況選取一個較為合理的范圍和標準，這是一個主觀與客觀相結合的過程。此外，通過HSY算法可以求得模型參數的分布，而不再是一個單一的最優參數，從而在一定程度上避免了由于“最優”參數失真帶來的決策風險[4］。

2 反應器理論用于中藥廢水處理工程的改造

2.1 處理工藝改造理論分析

蔣彬等人在研究中發現，用SBR單級好氧處理工藝(2池并聯交替運行)處理中藥生產廢水，處理效果嚴重超過排放標準GB 8978-1996:運行期間COD濃度為10 000 mg/L左右，出水COD濃度為1 200 mg/L～1 350 mg/L。對此，蔣彬等人從理論分析著手，得出了工藝改造的理論基礎[5］。在本廢水處理工程中，將生化反應假定為一級反應，速率常數為 k，因此:dc/dt= －kc。?，pr，ci分別為轉化率(即去除率)、生產率和進水濃度。SBR反應器可以看作是一個完全混合反應器，根據文獻[6］可得如下公式:

對于n級完全混合反應器來說，存在如下關系:

經過數學推導可得V∞/V級＞1(推導過程略)。當n越大時，式(3)比值也越大。這說明反應器級數越多，達到同樣的處理效果所需的多級完全混合反應器的容積就越小。反過來說，如果SBR反應器與多級完全混合反應器的容積相同，則后者的處理效果更好，并隨著反應器級數的增加，出水污染物濃度將會進一步降低。

設式(1)，式(2)中 ?，pr，ci均相等，則式(1)/式(2)得:

2.2 改造工藝的確定

根據以上反應器理論分析，并結合改造工程實際情況及經濟因素，主體工藝采用4級串聯的好氧工藝，以獲得更大的反應推動力。由于中藥廢水的可生化性較差，在好氧處理前采用水解酸化工藝，利用兼氧細菌水解和產酸作用，將中藥廢水中難降解的大分子有機物轉化為易降解的小分子有機物，不溶性的有機物變成溶解性的有機物，提高廢水的可生化性，去除部分污染物。國內亦有采用水解酸化——好氧處理中藥廢水的成功實例[7］。改造工藝流程如圖3所示。

2.3 運行結果及分析

表1為吉林省環境監測中心站于2003年11月27日和28日工程驗收監測結果。通過表1，并與SBR工藝處理效果進行比較，驗證了前文的推斷，即隨著反應器級數的增加，出水污染物濃度將會進一步降低。從表1得知，SS，COD，BOD5，NH3-N的去除率分別達到了 73.6% ，99.4%，99.3%，94.5%。除了 COD 略微超標，其他水質指標都達到了GB 8978-1996污水綜合排放標準的一級排放標準，說明采用四級活性污泥法處理高濃度中藥廢水(COD在10 000 mg/L～15 000 mg/L)是可行的。

表1 監測結果 mg/L

在實際運行中發現，水解池將廢水的B/C升至0.35～0.38，大大提高了廢水的可生化性，降低了好氧工藝的處理難度。4級曝氣池中的污泥濃度、活性污泥的有機負荷、COD絕對去除量從高到低分布，這從反應器的串聯原理上說明了該設計的合理性。

3 結語

采用HSY算法可求得模型參數的分布，并且此參數不是一個單一的最優參數，從而一定程度上避免了“最優”參數失真帶來的決策風險。根據反應器理論進行中藥廢水處理工程的改造，解決了SBR工藝對于高濃度有機廢水處理上的瓶頸，將普通活性污泥法對高濃度有機廢水的處理范圍擴大到COD為10 000 mg/L～15 000 mg/L。通過分析反應器原理，得出反應器參數與實際處理效果的關系，對于改進反應器的運行狀態，提高處理效果，將起到實質性的作用。這對水科學研究人員提升反應效率提供了一條捷徑。

[1]Chen J，Beck M B.Detecting and Forecasting Growth in the Seeds of Change.Environmental Foresight and Models.A manifest to Elsvier Science，USA:Elsvier Science，2001:124-165.

[2]Jining Chen.Modeling and Control of the Activated Sludge Process:Towards a Systematic Framework.A Thesis Submitted for the Degree of Doctor of Philosophy of the University of London，London，1993:95-97.

[3]Roland Brun，Peter Reichert，Hans R Knsch.Practical indentifiability analysis of large environmental simulation models[J］.Water Resources Research，2001，37(4):1015-1030.

[4]鄧義祥，陳吉寧，杜鷗飛.HSY算法在水質模型參數識別中的應用探討[J］.上海環境科學，2002，21(8):497-500.

[5]蔣 彬，呂錫武，劉 壯，等.反應器理論在重要廢水處理改造工程中的應用[J］.水處理技術，2006，32(4):86-88.

[6]許保玖，龍騰銳.當代給水與廢水處理原理[M］.第2版.北京:高等教育出版社，2000:49-120.

[7]袁守軍，鄭 正，孫亞兵.水解酸化—兩級接觸氧化法處理中藥廢水[J］.環境工程，2004，22(4):22-23.