CN101746929B - 一种aao工艺曝气量的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种AAO工艺曝气量的优化设计方法，包括以下步骤：一、分析污水水质组分；二、采用经验方法设计AAO工艺除曝气量外的其他工艺参数；三、用仿真软件建立AAO工艺模型；四、根据一和二的结果设定AAO工艺模型的主要参数；五、沿好氧池池长方向调节曝气量分布；六、在稳态条件下计算曝气量，以满足设计条件。用本方法设计的AAO工艺曝气量，能够有效节约曝气能耗12％以上，降低系统运行成本。

Description

一种AAO工艺曝气量的优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种污水处理工艺曝气量的设计方法，尤其涉及一种AAO工艺曝气量的优化设计方法。

背景技术

AAO工艺及其改进工艺的反应池具有厌氧、缺氧和好氧的环境，可以实现同步生物脱氮除磷，是一种应用广泛的污水处理活性污泥法工艺，已经成为城市污水处理的关键技术之一。在AAO工艺中，曝气系统的能耗是影响到污水处理效果和运行成本的关键设计参数之一，设计曝气量过低会降低处理效率，设计曝气量过高会增加运行成本。在科技期刊《中外建筑》2007年第07期题为“活性污泥工艺曝气量计算方法探讨”和《中国给排水》2007年第10期题为“活性污泥法需氧量计算方法比较”中，均指出了目前AAO工艺曝气量的设计主要依据是《室外给排水设计规范GB50014-2006》、《给排水设计手册》、《城市污水生物脱氮除磷处理设计规程》提供的经验设计方法及经验参数范围。这些经验方法中的参数和公式是根据大量的工程实践总结得出的，具有使用方便、简单的优点，但仍存在一些问题，例如，设计参数的范围较宽，参数的确定主要依赖于设计人员的经验；不同规范的曝气量设计结果相差较大；在理论上存在缺陷，不能反映过程的机理。在《中外建筑》2007年第07期题为“活性污泥工艺曝气量计算方法探讨”一文中，作者提出了“三分法”的设计方法，认为曝气量计算应包括BOD需氧量、硝化需氧量和内源呼吸需氧量三部分。但是，“三分法”所给出的计算公式中仍然存在较多的经验公式，也不能反映活性污泥法的生物学机理，对于AAO工艺除磷过程的需氧量没有作进一步的考虑。

活性污泥模型ASM2d是目前唯一能够同时实现脱氮除磷模拟计算的相对成熟的机理模型(可参考同济大学出版社2002年出版的《活性污泥数学模型》一书)。该模型对AAO工艺需氧过程机理做了详尽的描述，认为活性污泥工艺曝气量计算应包括碳(BOD)氧化过程、硝化反硝化过程、内源呼吸过程和除磷过程。但是，应用ASM2d模型直接进行AAO工艺曝气量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。目前尚未出现将ASM2d模型直接运用于AAO工艺曝气量的设计的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于针对AAO工艺曝气量现有设计方法中的缺陷，提供一种既能满足工程规范要求，也能够反映AAO工艺耗氧过程机理的最小曝气需氧量的优化设计方法。

本发明的目的是这样实现的：一种AAO工艺曝气量的优化设计方法，其特征在于：

步骤一，测定进水水质的13项水质参数：总化学需氧量COD_Cr、溶解性COD_Cr、总五日生化需氧量BOD₅、溶解性BOD₅、总悬浮物TSS、挥发性悬浮物VSS、总凯氏氮TKN、溶解性TKN、总氮TN、氨氮NH₃-N、总磷TP、磷酸盐PO₄-P和碱度ALK。

步骤二，按照设计规范要求，以经验公式设计AAO工艺中除曝气量外的其他工艺参数；所述设计规范为《室外排水设计规范(GB50014-2006)》，所述工艺参数的计算步骤为：

(1)计算反应池总体积V_T：

$V_T=\frac{Q(S_o-S_e)}{1000L_{S}X}$

Q为进水流量，单位m³/d；S_o为进水BOD₅，单位mg/L；S_e为出水BOD₅，单位mg/L；X为反应池内的污泥浓度，单位g/L；L_S为污泥负荷，单位kgBOD₅/(kgMLSS·d)；

(2)计算厌氧池体积V_P：

$V_P=\frac{t_{p}Q}{24}$

t_p为厌氧池的水力停留时间，单位h；Q为进水流量，单位m³/d；

(3)计算缺氧池反应池体积V_N：

$V_N=\frac{0.001Q(N_k-N_{\mathrm{te}})-0.12\mathrm{\Δ}{X}_V}{K_{\mathrm{de}}X}$

Q为进水流量，单位m³/d；N_k为进水TN，单位mg/L；N_te为出水TN，单位mg/L；X为反应池内的污泥浓度，单位g/L；ΔX_v为排出反应池的生物量，单位kgMLVSS/d；K_de为温度为20℃时的脱氮速率，单位kgN/(kgMLSS·d)；

$\mathrm{\Δ}{X}_V=y{Y}_t\frac{Q(S_o-S_e)}{1000}$

Q为进水流量，单位m³/d；S_o为进水BOD₅，单位mg/L；S_e为出水BOD₅，单位mg/L；y为MLSS中MLVSS所占的比例，单位kgMLVSS/kgMLSS；Y_t为污泥总产率系数，单位kgMLSS/kgBOD₅；

K_de(T)＝K_de(20)1.08^(T-20)

K_de(20)为20℃时的脱氮速率，经验范围0.03～0.06kgN/(kgMLSS·d)，温度为T时通过本公式修正；

(4)计算好氧池反应池体积V_O：

V_O＝V_Y-V_P-V_N

(5)计算其他工艺参数：

沉淀池选用普通辐流式沉淀池，表面水力负荷q经验值范围为0.6～1.5m³/(m²·d)，沉淀池表面积A＝Q/(24×q)；回流污泥比R＝50～100％；回流混合液比R_in≥200％；污泥龄SRT＝10～20d。

步骤三，利用含有ASM2d模型的仿真软件在计算机中建立AAO工艺模型；所述ASM2d模型指由国际水协会于1999年发布的活性污泥模型No.2D；所述仿真软件为BioWin、GPS-X或WEST。

步骤四，根据步骤一和步骤二得到的水质参数和工艺参数，设定AAO工艺模型的主要参数；

步骤五，沿好氧池池长方向调节曝气量分布，即满足沿好氧池池长方向对氧气的需求量不均匀的要求，在好氧池前部设置较多的曝气量，中部略少，尾部最少；将好氧池按照池长方向分为体积相等数段(至少3段)，各段气量调节比例的终点需使得根据模型计算出的沉淀池出水COD_Cr和NH₃-N浓度最低。

步骤六，根据步骤五得到的各段气量比例，在稳态条件下调节总曝气量，计算满足设计要求的最小曝气量。

本发明的有益效果为：

1、本发明综合了经验设计方法和数学模拟仿真技术的优点，根据经验设计方法，对AAO工艺模型中的主要参数进行了设计，克服单纯数学模型设计结果易偏于理论化的缺陷，符合工程规范的要求；

2、本发明充分体现了AAO工艺耗氧机理，更加准确地计算出了工艺需要的曝气量，和传统设计方法比能够降低AAO工艺系统的曝气能耗12％以上，有利于降低AAO工艺运行成本。

具体实施方式

下面通过实施例的方式，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＝30000m³/d的城市污水处理AAO工艺设计为例，采用GPS-X仿真软件，对其好氧池曝气量进行的设计。设计要求达到GB18918-2002中的一级B标准对COD_Cr、NH₃-N和TP等三项主要参数的控制要求(设计水温20℃)，即：COD_Cr＜60mg/L，NH₃-N＜8mg/L，TP＜1.5mg/L。

1，测定AAO工艺进水的13项水质参数。

按照国家标准方法测得进水的13项水质参数为：COD_Cr为440mg/L，溶解性COD_Cr为154mg/L，BOD₅为208mg/L，溶解性BOD₅为66mg/L，TSS为217mg/L，VSS为130mg/L，TKN为40mg/L，溶解性TKN为32mg/L，TN为40mg/L，NH₃-N为28.8mg/L，TP为12mg/L，PO₄-P为10.5mg/L，ALK为380mg/L(以CaCO₃计)。

2，按照《室外排水设计规范(GB50014-2006)》规定的方法和公式设计AAO工艺主要参数(除曝气量外)。

(1)、反应池总体积V_T

流量Q＝30000m³/d，污泥负荷L_S经验值范围为0.1-0.2kgBOD₅/(kgMLSS·d)，取0.13kgBOD₅/(kgMLSS·d)，反应池内的污泥浓度X经验值范围为2.5-4.5g/L，取3.0g/L；进水BOD₅浓度So＝208mg/L，出水BOD₅浓度Se＝20mg/L。

$V_T=\frac{Q(S_o-S_e)}{1000L_{S}X}=\frac{30000\×(208-20)}{1000\×0.13\×3.0}=14462m^3$

反应池总体积V_T取15000m³。

(2)、厌氧池体积V_P

厌氧池的水力停留时间t_P经验值范围为1-2h，取1.8h；

$V_P=\frac{t_{p}Q}{24}=\frac{2\×30000}{24}=2500m^3$

厌氧反应池体积V_P取2500m³。

(3)、缺氧池体积V_N

MLSS中MLVSS所占的比例y经验值范围为0.7-0.8，取0.70；污泥总产率系数Y_t经验值范围为0.4-0.8kgMLSS/kgBOD₅，取0.60kgMLSS/kgBOD₅，得到排出反应池的生物污泥量：

$\mathrm{\Δ}{X}_V=y{Y}_t\frac{Q(S_o-S_e)}{1000}=0.70\×0.70\×\frac{30000\×(208-20)}{1000}=2369\mathrm{kg}/d;$

脱氮速率K_de经验值范围为0.03-0.06kgN/(kgMLSS·d)，取0.04kgN/(kgMLSS·d)；污泥浓度X经验值范围为2.5-4.5g/L，取3g/L；进水总氮N_k＝40mg/L，出水总氮N_te＝20mg/L，根据 $V_N=\frac{0.001Q(N_k-N_{\mathrm{te}})-0.12\mathrm{\Δ}{X}_V}{K_{\mathrm{de}}X}$ 求得缺氧池体积：

$V_N=\frac{0.001\×30000\×(40-20)-0.12\×2369}{0.04\×3}=2631m^3$

缺氧反应池体积V_N取2500m³。

(4)、好氧池体积V_O：

生物反应池由厌氧池、缺氧池和好氧池三部分组成，好氧池体积为：

V_O＝V_T-V_P-V_N＝15000-2500-2500＝10000m³

(5)、其他工艺参数

其他主要工艺参数计算按照经验方法进行，其中污泥停留时间SRT取15d，污泥回流比R取50％，则回流污泥流量为Q×R＝30000×50％＝15000m³/d；回流混合液比R_in取200％，则回流混合液流量为Q×R_in＝30000×2000％＝60000m³/d；

沉淀池选用普通辐流式沉淀池，表面水力负荷q经验值范围为0.6-1.5m³/(m²·h)，取0.8m³/(m²·h)，则沉淀池表面积A＝Q/(24×q)＝30000/(24×0.8)＝1563m²，取1560m²。

3，利用含有ASM2d模型的仿真软件GPS-X(5.0)在计算机中建立AAO工艺模型，包含进水、推流曝气反应池(含厌氧、缺氧和好氧三个池)、二沉池和出水。

4，根据步骤一和步骤二得到的水质参数和工艺参数值，设定AAO工艺模型的主要参数如下：

13项水质参数为：COD_Cr为440mg/L，溶解性COD_Cr为154mg/L，BOD₅为208mg/L，溶解性BOD₅为66mg/L，TSS为217mg/L，VSS为130mg/L，TKN为40mg/L，溶解性TKN为32mg/L，TN为40mg/L，NH₃-N为28.8mg/L，TP为12mg/L，PO₄-P为10.5mg/L，ALK为380mg/L(以CaCO₃计)。

设定厌氧池体积为Vp＝2500m³，缺氧池体积V_N＝2500m³，好氧池体积Vo＝10000m³；沉淀池表面积为1560m²；设定从沉淀池到厌氧池的污泥回流量为15000m³/d，从好氧池到缺氧池的混合液流量为60000m³/d，污泥停留时间为15d。

5，沿好氧池池长方向调节曝气量分布。

厌氧池和缺氧池无需曝气，好氧池分为体积相等的4段。第一段的曝气量为总气量的28％，第二段的曝气量为总气量的28％，第三段的曝气量为总气量的24％，第四段曝气量为总气量的20％。

6，按照28％：28％：24％：20％的曝气量比例，在稳态条件下计算总曝气量。

设置好氧池4段的曝气量比例分别为28％、28％、24％和20％。在GPS-X软件中，通过调节总曝气量以实现COD_Cr＜60mg/L，NH₃-N＜8mg/L的设计目标，发现当最低总曝气量为5667kg/d时，COD_Cr＝40mg/L，NH₃-N＝7.99mg/L，满足设计要求。

表1中列出了根据各设计规范及手册的经验方法计算的AAO工艺曝气量。可见，采用本发明的方法设计的曝气量为5667kg/d，比经验设计方法最低值(按照《室外排水设计规范GB50014-2006》规定方法计算的曝气量为6453kg/d)减少了12％，设计结果既可以满足国家标准和设计规范的设计要求，也可以节省曝气能耗和工艺运行费用。

表1根据各设计规范及手册的经验方法计算的本实施例AAO工艺曝气量

序号	曝气量(kgO2/d)	计算依据
			1	6710	《室外排水设计规范GBJ14-87(1997版)》
2	6453	《室外排水设计规范GB50014-2006》
			3	7345	《城市污水生物脱氮除磷处理设计规程》
4	7151-10719	《给排水工程设计手册》
			5	10367	“三分法”

Claims (3)

1.一种AAO工艺曝气量的优化设计方法，其特征在于：

步骤一，测定进水水质参数，所述进水水质参数为：总化学需氧量COD_Cr、溶解性COD_Cr、总五日生化需氧量BOD₅、溶解性BOD₅、总悬浮物TSS、挥发性悬浮物VSS、总凯氏氮TKN、溶解性TKN、总氮TN、氨氮NH₃-N、总磷TP、磷酸盐PO₄-P和碱度ALK；

步骤二，按照设计规范要求，以经验公式设计AAO工艺中除曝气量外的其他工艺参数；

步骤三，利用含有ASM2d模型的仿真软件在计算机中建立AAO工艺模型；

步骤四，根据步骤一和步骤二得到的水质参数和工艺参数，设定AAO工艺模型的主要参数；

步骤五，沿好氧池池长方向调节曝气量分布；

步骤六，在稳态条件下调节总曝气量，计算满足设计要求的最小曝气量。

所述的步骤二中所述设计规范为《室外排水设计规范(GB50014-2006)》，所述工艺参数的计算步骤为：

(1)计算反应池总体积V_T：

$V_T=\frac{Q(S_o-S_e)}{1000L_{S}X}$

Q为进水流量，单位m³/d；S_o为进水BOD₅，单位mg/L；S_e为出水BOD₅，单位mg/L；X为反应池内的污泥浓度，单位g/L；L_S为污泥负荷，单位kgBOD₅/(kgMLSS·d)；

(2)计算厌氧池体积V_P：

$V_P=\frac{t_{P}Q}{24}$

t_p为厌氧池的水力停留时间，单位h；Q为进水流量，单位m³/d；

(3)计算缺氧池反应池体积V_N：

$V_N=\frac{0.001Q(N_k-N_{\mathrm{te}})-0.12\mathrm{\Δ}{X}_V}{K_{\mathrm{de}}X}$

Q为进水流量，单位m³/d；N_k为进水总凯氏氮TKN浓度，单位mg/L；N_te为出水TN，单位mg/L；X为反应池内的污泥浓度，单位gMLSS/L；ΔX_V为排出反应池的生物量，单位kgMLVSS/d；K_de为温度为20℃时的脱氮速率，单位kgNO₃-N/(kgMLSS·d)；

$\mathrm{\Δ}{X}_V=y{Y}_t\frac{Q(S_o-S_e)}{1000}$

Q为进水流量，单位m³/d；S_o为进水BOD₅，单位mg/L；S_e为出水BOD₅，单位mg/L；y为MLSS中MLVSS所占的比例，单位kgMLVSS/kgMLSS；Y_t为污泥总产率系数，单位kgMLSS/kgBOD₅；

K_de(T)＝K_de(20)1.08^(T-20)

K_de(20)为20℃时的脱氮速率，经验范围0.03～0.06kgN/(kgMLSS·d)，温度为T时通过本公式修正；

(4)计算好氧池反应池体积V_O：

V_O＝V_T-V_P-V_N

(5)计算其他工艺参数：

沉淀池选用普通辐流式沉淀池，表面水力负荷q经验值范围为0.6～1.5m³/(m²·d)，沉淀池表面积A＝Q/(24×q)；回流污泥比R＝50～100％；回流混合液比R_in≥200％；污泥龄SRT＝10～20d。

2.根据权利要求1所述的AAO工艺曝气量的优化设计方法，其特征在于：

步骤三所述ASM2d模型指由国际水协会于1999年发布的活性污泥模型No.2D；所述仿真软件为BioWin、GPS-X或WEST。

3.根据权利要求1所述的AAO工艺曝气量的优化设计方法，其特征在于：

步骤五所述沿好氧池池长方向调节曝气量分布为将好氧池按照池长方向分为3个以上体积相等段，各段气量调节比例的终点需使得根据模型计算出的沉淀池出水COD_Cr和NH₃-N浓度最低。