CN106650296B - 一种基于二段处理的高浓度污水cod消解系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于二段处理的高浓度污水COD消解模型，包括A段处理模型和B段处理模型；总系统输入为被处理污水主流量和侧流量，输入变量为Qin,A，输入A段处理模型；A段处理模型包括A段反应池和A段沉降器；A段反应池利用异养生物完成高浓度COD的部分消解以及利用活性污泥完成高浓度COD的吸附，输出变量为流量QA和模型状态量XA，并输入A段沉降器；A段沉降器完成污水固体颗粒状COD的部分消解，输出变量分为XrW和Xout两部分：XrW为沉降得到的固体COD状态量。本发明的有益效果是:本发明能够准确模拟高负荷好氧型COD消解反应池的工作过程，过程包括反馈型A段处理和常规型B段处理(二段处理)。

Description

一种基于二段处理的高浓度污水COD消解系统及方法
技术领域
本发明涉及污水COD处理方法，更具体地说，它涉及基于二段处理方法的高浓度COD消解系统及方法。
背景技术
在污水处理中，化学需氧量COD(Chemical Oxygen Demand)是表示水中有机物总量的一个综合性指标，也是水体是否受生活污水和工业废水污染的判断依据。传统的高浓度好氧型COD去除反应池是基于A段处理(一段处理)方法，该方法主要包括两个过程：首先利用厌氧生物菌种初步去除COD，接着利用活性污泥吸附法深度去除COD。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种能够准确模拟高负荷好氧型COD消解反应池的工作过程，达到集总估计反应池效率和沉降器效率目的的基于二段处理的高浓度污水COD消解系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:基于二段处理的高浓度污水COD消解系统，包括A段处理模型和B段处理模型；总系统输入为被处理污水主流量和侧流量，输入变量为Qin,A，输入A段处理模型；A段处理模型包括A段反应池和A段沉降器；A段反应池利用异养生物完成高浓度COD的部分消解以及利用活性污泥完成高浓度COD的吸附，输出变量为流量QA和模型状态量XA，并输入A段沉降器；A段沉降器完成污水固体颗粒状COD的部分消解，输出变量分为XrW和Xout两部分：XrW为沉降得到的固体COD状态量，将其分为Qr和QW两部分流量，Qr循环输入A段反应池，QW进行回收；Xout为A段沉降器输出固体COD浓度状态量，作为B段处理的输入状态量，其流量值为Qin,A-QW；B段处理模型包括B段反应池和B段沉降器；B段反应池利用异养生物完成低浓度COD的消解以及利用活性污泥完成低浓度COD的吸附，并将处理后污水输入B段沉降器；B段沉降器完成污水固体颗粒状COD剩余部分的消解,输出变量为总循环状态量Xrecirc和流量Qrecirc，并循环输入A段处理系统作为总输入。
这种基于二段处理的高浓度污水COD消解系统的方法，包括如下步骤：
步骤1：污泥滞留时间(SRT)的计算公式为：
其中，XA为生物量浓度，满足公式XA＝XHET+XS+Xi，XS为XS有机物浓度，Xi为XI有机物浓度，XHET为SS和SI有机物浓度之和，VA为反应池体积，Xout和Xrw分别为B段处理输出和输出沉降池的固体颗粒状COD浓度，QA和Qr分别为输入反应池和输出反应池的污水流量；WWTP变量XA包括多个分量：可生物降解有机物SS，可溶性惰性非生物降解有机物SI，缓慢生物可降解有机物XS，以及颗粒惰性非生物降解有机物XI；
步骤2：固体颗粒状COD浓度计算公式为：
二段处理总输出计算公式为：
其中，系数fsettler定义为沉降池中缓慢生物可降解有机物(XS)的去除量，该系数与污泥吸附率和沉降率有关。
步骤3：参数fsettler计算公式为：
步骤4：利用式(1)和式(2)，根据参数SRT，fsettler和VA，QW计算公式为：
步骤5：全部消解后固体COD浓度计算公式为：
本发明的有益效果是:本发明能够准确模拟高负荷好氧型COD消解反应池的工作过程，过程包括反馈型A段处理和常规型B段处理(二段处理)。利用全规模污水处理厂一年的测量数据进行模型验证，计算COD吸收效率，并验证数学模型应用于静态环境和动态环境的可行性和有效性。本发明能够同时测量污泥滞留时间(SRT)和污水沉降效率(fsetller)，达到集总估计反应池效率和沉降器效率的目的。
附图说明
图1是本发明基于二段处理方法的COD消解过程；
图2是本发明A段反应数学模型；
图3是基于二段处理的COD消解比例计算结果与测量结果比较图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
一、模型说明及处理过程说明：
(1)本发明设计的二段处理装置包括A段处理和B段处理，如图1所示由几个并行的曝气污泥处理池组成。沉降器输出的污泥分为两部分，大部分循环到二段处理系统进行循环处理，少部分到厌氧消化池产生沼气。本发明设计的A段处理装置中，主要还包含循环污水进水量。
(2)该模型基于活性污泥1号模型(ASM1)，并引入亚硝酸盐的浓度作为附加的状态变量；
(3)不同状态变量表示不同的有机化合物浓度，变量包括：可生物降解有机物(SS)，可溶性惰性非生物降解有机物(SI)，缓慢生物可降解有机物(XS)，以及颗粒惰性非生物降解有机物(XI)；
为了突出研究重点，该模型不考虑广泛性的生物可降解有机物和不同的存储聚合物，并用异养细菌作为主要的细菌种群。
二、COD深度处理装置的参数设置(表1)：
(1)可生物降解有机物(SS)作为异养生长基底，包括部分可溶性惰性非生物降解有机物(SI)
(2)缓慢生物可降解有机物(XS)有可溶性状态和颗粒状态，本发明设置比例为40％可溶性状态和60％颗粒状态；
(3)A段处理过程中，大部分缓慢生物可降解有机物(XS)和颗粒惰性非生物降解有机物(XI)能够被吸收，且缓慢生物可降解有机物(XS)水解于可生物降解有机物(SS)；
(4)剔除变量：胶状COD参数和颗粒状COD参数不作为独立的状态变量，不考虑硝化作用(COD/N的比例系数很大)，不考虑化学除磷过程；
(5)假设：A段处理过程吸收相同比例的缓慢生物可降解有机物(XS)，随后从沉降器中分离(颗粒状COD参数的化学构成不重要)，沉降池不包含生物活性和缓冲容量(沉降池中的污泥比例较少)。
三、二段处理过程框图和过程说明
二段处理过程包括A段处理(A-stage)和B段处理，图1为二段处理方法的过程框图，具体说明如下：
步骤一：A段处理过程说明
1、总系统输入为被处理污水主流量和侧流量，输入变量为Qin,A，输入A段处理模型；
2、A段反应池功能：高浓度COD的部分消解(利用异养生物)和高浓度COD的吸附(利用活性污泥)，输出变量为流量QA和模型状态量XA，并输入A段沉降器；
3、A段沉降器功能：完成污水固体颗粒状COD的部分消解。输出变量分为两部分：XrW为沉降得到的固体COD状态量，将其分为Qr和QW两部分流量，Qr循环输入A段反应池，QW进行回收；Xout为A段沉降器输出固体COD浓度状态量，作为B段处理的输入状态量，其流量值为Qin,A-QW；
4、A段处理数学模型说明和计算步骤说明
(1)模型参数说明：该模型对应图1中的虚线框内部分，输入参数包括：反应池体积VA，污水总流量Qin,A和温度系数T；污水处理厂全数据(wastewater treatment plant，WWTP)变量XA；B段处理输出循环变量Xrecirc。
(2)数学模型说明：A段处理模型中的反应池模型，利用现有的活性污泥1号模型(ASM1)，沉降池输出的固体颗粒COD部分循环输入量Qr，利用参数fsettler进行计算。
(3)数学模型及参数计算步骤：
步骤1：污泥滞留时间(SRT)的计算公式为：
其中，XA为生物量浓度，满足公式XA＝XHET+XS+Xi，XS为XS有机物浓度，Xi为XI有机物浓度，XHET为SS和SI有机物浓度之和，VA为反应池体积，Xout和Xrw分别为输入B段反应池和输出B段沉降器的固体颗粒状COD浓度，QA和Qr分别为输入A段沉降池和循环输入A段反应池的污水流量。
(说明：WWTP变量XA包括多个分量：可生物降解有机物(SS)，可溶性惰性非生物降解有机物(SI)，缓慢生物可降解有机物(XS)，以及颗粒惰性非生物降解有机物(XI))
步骤2：固体颗粒状COD浓度计算公式为：
A段处理总输出变量计算公式为：
其中，系数fsettler定义为沉降池中缓慢生物可降解有机物(XS)的去除量，该系数与污泥吸附率和沉降率有关。
步骤3：参数fsettler计算公式为：
步骤4：由图1二段处理过程框图可知，剩余污泥量QW与A段处理污水输入量Qin,A和循环输出量Qr有关。利用式(1)和式(2)，根据参数SRT，fsettler和VA，QW计算公式为：
综上所述，本发明设计的基于二段处理的高浓度COD消解模型中，各项参数均为常规参数功能，创新点是系数fsettler的设置和计算，该参数用来描述COD的吸收过程和处理效率。
步骤二：B段处理过程说明
B段处理系统包括B段反应池和B段沉降器。
1、将A段处理剩余污泥量输入B段处理系统，输入量为流量Qin,AQW和状态量Xout，输出量为流量Qrecirc和总循环状态量Xrecirc。
2、B段反应池功能：低浓度COD的消解(利用异养生物)和低浓度COD的吸附(利用活性污泥)，并将处理后污水输入B段沉降器。
3、B段沉降器功能：完成固体COD剩余部分的消解，输出变量为总循环状态量Xrecirc和流量Qrecirc，并循环输入A段处理系统，作为本发明设计的二段处理系统的总输入。
4、全部消解后固体COD浓度计算公式为：
四、算法实施方案
本发明利用WWTP测量数据对新算法进行验证，分为静态处理过程验证和动态处理过程验证，仿真应用软件为AQUASIMv2.1.，仿真周期为1000天，具体测试仿真步骤如下：步骤1：设置参数初始值如表1所示，初始参数包括A段处理污水体积VA和总输入污水流量Qin，固体停留时间SRTA，系数fsettler,A，溶解氧浓度DOA，温度参数T，总循环流量Qrecirc和A段处理循环流量Qr。其中动态处理过程的部分参数为随机量，包括温度、污水流量、总循环流量和A段再循环流量。
步骤2：进行1000天周期的污水参数测量，测量方法为化学测量法，测量参数变量定义为流量Q、COD浓度、氮浓度NOx和氨浓度NH4。
步骤3：设置算法模型参数为各种有机物浓度SI、SS、XHET、XS和XI，氮浓度SNO2和SNO3，氨浓度SNH4+。
步骤4：利用第4部分阐述的算法过程和公式，对输入污水、剩余污泥和输出污水三者进行模型值计算，包括单独参数值，总和值(SI+SS+XS+XHET+XI)和(SNO2-+SNO3-)。
五、仿真结果说明
(1)污水变量SI，SS，XS，XI等参数值的计算公式如表3所示。
(2)测量结果和模型计算结果如表2所示，可见输入污水和输出污水的模型值和测量值误差较小，模型精确度高。
(3)COD消解率比较曲线如图3所示，实线为测量曲线，虚线为模型仿真曲线，结果显示本发明的计算模型能够收敛于实际数据曲线，具有较高的仿真精度。
表1仿真测试参数初始值
参数 静态处理仿真 动态处理仿真
A段处理体积(V<sub>A</sub>,m<sup>3</sup>) 4680 4680
A段处理固体停留时间(SRT<sub>A</sub>，d) 0.25 0.25/0.30
A段处理颗粒分离系数(f<sub>settler,A</sub>) 0.883 0.885/0.884
溶解氧(DO<sub>A</sub>，gO<sub>2</sub>/m<sup>3</sup>) 0.5 0.5
温度(T，℃) 15 随机量
污水流量(Q<sub>in</sub>，m<sup>3</sup>/d) 116,544 随机量
总循环流量(Q<sub>recirc</sub>，m<sup>3</sup>/d) 71,455 随机量
A段处理再循环流量(Qr，m<sup>3</sup>/d) 72,000 随机量
表2数据说明：
(1)测量值说明：输入污水测量总流量Q，COD浓度和氨氮浓度(NOx、NH4)；输出污水测量总流量Q，COD和氨浓度NH4，因为实际污水处理结果中氮浓度较小，可以忽略。
(2)模型值说明：输入污水和输出污水的模型值包括表格中所有模型变量；剩余污泥模型值根据第4部分计算步骤和公式，计算污泥总量Q，COD，缓慢生物可降解有机物浓度XS，颗粒惰性非生物降解有机物浓度XI，SS和SI浓度之和XHET(可生物降解有机物浓度SS和可溶性惰性非生物降解有机物SI)。
表2污水处理参数模型仿真计算结果与实际测量值对比
表3污水处理参数值和计算方法说明

Claims (2)

1.一种基于二段处理的高浓度污水COD消解系统，其特征在于：包括A段处理模型和B段处理模型；总系统输入为被处理污水主流量和侧流量，输入变量为Qin,A，输入A段处理模型；A段处理模型包括A段反应池和A段沉降器；A段反应池利用异养生物完成高浓度COD的部分消解以及利用活性污泥完成高浓度COD的吸附，输出变量为流量QA和模型状态量XA，并输入A段沉降器；A段沉降器完成污水固体颗粒状COD的部分消解，输出变量分为XrW和Xout两部分：XrW为沉降得到的固体COD状态量，将其分为Qr和QW两部分流量，Qr循环输入A段反应池，QW进行回收；Xout为A段沉降器输出固体COD浓度状态量，作为B段处理的输入状态量，其流量值为Qin,A-QW；B段处理模型包括B段反应池和B段沉降器；B段反应池利用异养生物完成低浓度COD的消解以及利用活性污泥完成低浓度COD的吸附，并将处理后污水输入B段沉降器；B段沉降器完成污水固体颗粒状COD剩余部分的消解,输出变量为总循环状态量Xrecirc和流量Qrecirc，并循环输入A段处理系统作为总输入。
2.一种如权利要求1所述的基于二段处理的高浓度污水COD消解系统的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：污泥滞留时间(SRT)的计算公式为：
其中，XA为生物量浓度，满足公式XA＝XHET+XS+Xi，XS为XS有机物浓度，Xi为XI有机物浓度，XHET为SS和SI有机物浓度之和，VA为反应池体积，Xout和Xrw分别为B段处理输出和输出沉降池的固体颗粒状COD浓度，QA和Qr分别为输入反应池和输出反应池的污水流量；WWTP变量XA包括多个分量：可生物降解有机物SS，可溶性惰性非生物降解有机物SI，缓慢生物可降解有机物XS，以及颗粒惰性非生物降解有机物XI；
步骤2：固体颗粒状COD浓度计算公式为：
二段处理总输出计算公式为：
其中，系数fsettler定义为沉降池中缓慢生物可降解有机物(XS)的去除量，该系数与污泥吸附率和沉降率有关。
步骤3：参数fsettler计算公式为：
步骤4：利用式(1)和式(2)，根据参数SRT，fsettler和VA，QW计算公式为：
步骤5：全部消解后固体COD浓度计算公式为：
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