CN101659476A - 一种膜生物反应器系统的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种膜生物反应器系统的优化设计方法，其特征在于：测定进水的水质参数，按照经验公式和经验参数，计算出膜生物反应器的容积和曝气池供气量；利用含有ASM1模型的仿真软件在计算机中建立膜生物反应器工艺模型进行动态模拟，判断出水水质情况是否符合设计要求，若出水水质情况过好或者不达标，都调节膜生物反应器的容积和曝气量，进而得到膜生物反应器的最小反应器容积和曝气池供气量。本发明方法综合了传统的经验设计方法和数学模拟仿真技术的优点，既能够克服单纯经验设计方法易偏于保守的不足，又能避免直接应用ASM1模型进行污水处理工艺设计时结果偏于理论化，不能符合工程规范的要求的缺陷。

Description

一种膜生物反应器系统的优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种污水处理系统的优化设计方法，尤其涉及一种膜生物反应器系统的优化设计方法。

背景技术

膜生物反应器(Membrane Bioreactor，简称MBR)是将高效膜分离技术和生物反应器的生物降解作用集于一体的生物化学反应系统。它使用膜组件替代传统活性污泥法中的沉淀池实现泥水分离，从而对废水进行处理，具有固液分离率高、出水水质好、处理效率高、占地空间小、运行管理简单等特点。随着膜技术的发展及人们节水意识的提高，MBR以其独特的优势在多种行业废水的处理与回用中均有应用。

在污水处理过程中，反应器的有效容积、曝气量等直接影响到基建投资的大小、污水处理的效果及运行的成本等。目前MBR的设计，基本上都是依据相关手册和规范中的经验参数和公式进行，具有使用简捷、方便等优点。但是，依据经验参数和公式设计反应器的过程中也存在一些不足之处，如设计参数的范围较宽，相对保守。大量的研究和工程实例表明，仅仅根据经验参数和公式设计有时无法实现反应器的优化设计。

国际水协会提出的活性污泥1号模型(ASM1)是用微分方程组来描述活性污泥系统复杂的动态过程，采用矩阵的形式来描述活性污泥中各组分的变化规律和相互关系。目前该模型被运用在废水处理工程的运行模拟上，以对工艺运行过程的问题进行诊断和工艺进行优化。和工程试验技术相比，数学模拟具有节约投资、节省时间的优势，为污水处理工程的运行管理和运行期的工艺优化，提供了一条新的途径。但是尚未出现有效的途径能够将ASM1模型直接运用于MBR的工艺设计阶段，且应用ASM1模型直接进行MBR工艺设计的缺陷在于缺少大量的工程数据进行验证，结果易偏于理论化，不能符合工程规范的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种既能够满足工程规范要求，又能对膜生物反应器系统进行最优化设计的方法。

本发明的目的是这样实现的：一种膜生物反应器系统的优化设计方法，其特征在于：

步骤一，测定进水的水质参数，按照经验公式和经验参数，计算出膜生物反应器的容积和曝气池供气量；

步骤二，根据步骤一得到的进水水质参数、膜生物反应器的容积和曝气池供气量，利用含有ASM1模型的仿真软件在计算机中建立膜生物反应器工艺模型；

步骤三，利用步骤二建立的膜生物反应器工艺模型进行动态模拟，判断出水水质情况是否符合设计要求，如果符合设计要求，得到膜生物反应器的最小反应器容积和曝气池供气量，如果水质情况过好或者不达标，都调节膜生物反应器的容积和曝气池供气量，重新进行动态模拟，直至出水水质符合设计要求。

步骤一中所述水质参数为：总五日生化需氧量BOD₅、总化学需氧量COD_Cr、悬浮物SS、氨氮NH₃-N和总氮TN；

步骤一中所述按照经验公式和经验参数，计算出膜生物反应器的容积和曝气池供气量，其中相关经验公式和经验参数来源于《一体式膜生物反应器污水处理应用技术规范》，出水水质的标准采用GB18918-2002中一级A标准，具体计算步骤为：

(1)、计算膜生物反应器有效容积

$V=\frac{24L_{i}Q}{1000F_V}$

V为膜生物反应器的有效容积，单位m³；Li为膜生物反应器进水的BOD₅，单位mg/L；Q为膜生物反应器的设计处理水流量，单位m³/h；F_V为膜生物反应器内BOD₅容积负荷，单位为kg/m³·d；

(2)、计算曝气池供气量

$G_s=\frac{R_0}{0.3E_A}\×100$

G_s为曝气池的供气量，单位为m³/h，R₀为标准条件下的脱氧清水的充氧量，单位为kg/h，E_A为扩散器氧转移效率；

$R_0=\frac{{\mathrm{RC}}_{s\left(20\right)}}{\mathrm{\α}[\mathrm{\β\ρ}{C}_{s\left(T\right)}-C_L]{1.02}^{(T-20)}}$

R为需氧量，单位为kg/h；α、β、ρ为修正系数；C_s(20)和C_s(T)为20℃和实际温度为T℃时氧饱和浓度，单位为mg/L；C_L为水中实际溶解氧浓度，单位为mg/L；T为水温，单位为℃；

R＝(aL_r+bS_a)/24

a为氧化去除BOD₅的需氧量，单位为kgO₂/kgBOD₅；b为污泥自身氧化需氧率，单位为kgO₂/kgMLSS·d；L_r为BOD₅去除量，单位为kgBOD₅/d；Sa为反应器内MLVSS的量，单位为kg。

本发明中所述仿真软件可以选用市售商品BioWin、GPS-X或WEST，当然，也可自己利用计算机建立包含ASM1模型的仿真模拟程序。

本发明的有益效果为：

1、本发明方法综合了传统的经验设计方法和数学模拟仿真技术的优点，通过应用ASM1模型在仿真软件中模拟反应器的运行情况并对设计进行优化，既能够克服单纯经验设计方法易偏于保守的不足，又能避免直接应用ASM1模型进行污水处理工艺设计时结果偏于理论化，不能符合工程规范的要求的缺陷；

2、本发明方法可以简化复杂的模型微分方程组计算过程，既能设计出满足设计要求的MBR系统，同时对MBR系统进行优化，可达到节省投资，降低运行费用、提高出水水质的目的，具有很好的经济效益。

附图说明

图1是本发明方法的设计流程图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例的方式，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1

以处理水量Q＝2000m³/d的MBR反应器的优化设计过程为例。

步骤一，测定进水的水质参数，按照经验公式和经验参数，计算出膜生物反应器的容积和曝气池供气量；

进水水质及出水标准(GB18918-2002中一级A标准)见表1；

表1MBR反应器进水水质及出水标准

项目	进水水质(mg/L)	出水标准(mg/L)
			BOD5	200	10
CODCr	400	50
			SS	250	10
NH3-N	35	5
			TN	45	15

与出水标准值相比，出水水质参数越小，说明出水水质情况越好，但是不利于膜生物反应器系统的优化，所以，处理后的出水水质参数取表1中出水标准值或略低于出水标准值，但不得高于所述出水标准值；

按照《一体式膜生物反应器污水处理应用技术规范》计算得到反应器的容积和曝气量：

1、反应器的容积

设反应器内BOD5容积负荷F_V＝0.9kg/m3·d，反应器的有效容积

$V=\frac{24L_{i}Q}{1000F_V}=\frac{24\×200\×2000/24}{1000\×0.9}=450m^3.$

2、曝气量供氧量

需氧量：

R＝(aL_r+bS_a)/24＝0.5×2000×(0.2-0.01)+0.1×9×450＝595kg/d＝24.8kg/h

标准条件下的脱氧清水的充氧量：

$R_0=\frac{{\mathrm{RC}}_{s\left(20\right)}}{\mathrm{\α}[\mathrm{\β\ρ}{C}_{s\left(T\right)}-C_L]{1.02}^{(T-20)}}=\frac{24.8\×10.5}{0.82\×[0.95\×1\×8.72-2]\×{1.02}^{(30-20)}}=39.7\mathrm{kg}/h$

曝气池的供气量为：

$G_s=\frac{R_0}{0.3E_A}\×100=\frac{39.7}{0.3\×15}\×100=882m^3/h$

步骤二，根据步骤一得到的进水水质参数、膜生物反应器的容积和曝气池供气量，利用含有ASM1模型的仿真软件在计算机中建立膜生物反应器工艺模型；

仿真软件采用GPS-X，将上述得到的反应器的容积、曝气量输入GPS-X软件中进行模拟；

步骤三，利用步骤二建立的膜生物反应器工艺模型进行动态模拟，判断出水水质情况是否符合设计要求，如果符合设计要求，得到膜生物反应器的最小反应器容积和曝气池供气量，如果水质情况过好或者不达标，都调节膜生物反应器的容积和曝气池供气量，重新进行动态模拟，直至出水水质符合设计要求。

具体操作为：

1、反应器容积的优化设计：按设计的反应器容积V＝450m³，曝气量Gs＝882m³/h，模拟得到的出水水质为BOD₅＝1.6mg/L，COD_Cr＝32.8mg/L，SS＝1mg/L，NH₃-N＝2.0mg/L，TN＝9.2mg/L，可以看出，出水水质远好于出水标准；减少反应器的容积重新模拟，可以看出BOD₅、COD_Cr、SS随反应器的容积的改变变化不大，NH₃-N、TN变化相对较大；当反应器的容积V＝300m³时，各项出水水质分别为BOD₅＝2.0mg/L，COD_Cr＝33.5mg/L，SS＝1mg/L，NH₃-N＝4.0mg/L，TN＝13.5mg/L；当反应器的容积V＝270m³时，BOD₅、COD_Cr、SS、TN均能达到排放标准，但NH₃-N会超标；

2、曝气量的优化：当反应器容积V＝300m³，曝气量Gs＝882m³/h时，各项出水水质分别为BOD₅＝2.0mg/L，COD_Cr＝33.5mg/L，SS＝1mg/L，NH₃-N＝4.0mg/L，TN＝13.5mg/L；逐渐减少曝气量可发现，一开始各项出水水质也均能达标，当曝气量减少到Gs＝400m³/h时，各项出水水质分别为BOD₅＝2.3mg/L，COD_Cr＝34.0mg/L，SS＝1mg/L，NH₃-N＝4.3mg/L，TN＝14.0mg/L；当曝气量Gs＝380m³/h时，BOD₅、COD_Cr、SS、NH₃-N能达到排放标准，但TN会超标；

结论：

经过几次设计参数的调整，运用含有ASM1模型的仿真软件GPS-X对反应器的出水水质进行模拟和对比分析，确定处理水量2000m³/d的MBR反应器的有效容积为300m³，曝气量为400m³/h。在保证出水水质的前提下，与比传统的设计方法相比，反应器有效容积体积可减小33％、曝气量可减少54％。

Claims (3)

1、一种膜生物反应器系统的优化设计方法，其特征在于：

步骤一，测定进水的水质参数，按照经验公式和经验参数，计算出膜生物反应器的容积和曝气池供气量；

步骤二，根据步骤一得到的进水水质参数、膜生物反应器的容积和曝气池供气量，利用含有ASM1模型的仿真软件在计算机中建立膜生物反应器工艺模型；

步骤三，利用步骤二建立的膜生物反应器工艺模型进行动态模拟，判断出水水质情况是否符合设计要求，如果符合设计要求，得到膜生物反应器的最小反应器容积和曝气池供气量，如果水质情况过好或者不达标，都调节膜生物反应器的容积和曝气池供气量，重新进行动态模拟，直至出水水质符合设计要求。

2、根据权利要求1所述的膜生物反应器系统的优化设计方法，其特征在于：

步骤一中所述水质参数为：总五日生化需氧量BOD₅、总化学需氧量COD_Cr、悬浮物SS、氨氮NH₃-N和总氮TN；

步骤一中所述按照经验公式和经验参数，计算出膜生物反应器的容积和曝气池供气量为：

(1)、计算膜生物反应器有效容积

$V=\frac{{24L}_{i}Q}{1000F_V}$

V为膜生物反应器的有效容积，单位m³；Li为膜生物反应器进水的BOD₅，单位mg/L；Q为膜生物反应器的设计处理水流量，单位m³/h；F_V为膜生物反应器内BOD₅容积负荷，单位为kg/m³·d；

(2)、计算曝气池供气量

$G_s=\frac{R_0}{0.3E_A}\×100$

G_s为曝气池的供气量，单位为m³/h，R₀为标准条件下的脱氧清水的充氧量，单位为kg/h，E_A为扩散器氧转移效率；

$R_0=\frac{{\mathrm{RC}}_{s\left(20\right)}}{\mathrm{\α}[\mathrm{\β\ρ}{C}_{s\left(T\right)}-C_L]{1.02}^{(T-20)}}$

R为需氧量，单位为kg/h；α、β、ρ为修正系数；C_s(20)和C_s(T)为20℃和实际温度为T℃时氧饱和浓度，单位为mg/L；C_L为水中实际溶解氧浓度，单位为mg/L；T为水温，单位为℃；

R＝(aL_r+bS_a)/24

a为氧化去除BOD₅的需氧量，单位为kgO₂/kgBOD₅；b为污泥自身氧化需氧率，单位为kgO₂/kgMLSS·d；L_r为BOD₅去除量，单位为kgBOD₅/d；Sa为反应器内MLVSS的量，单位为kg。

3、根据权利要求1或2所述的膜生物反应器系统的优化设计方法，其特征在于：所述仿真软件为BioWin、GPS-X或WEST。

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