CN116562412B - 一种污水生物处理低碳运行优化方法 - Google Patents
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Abstract
发明公开了一种污水生物处理低碳运行优化方法，包括以下步骤:S1、构建动态模拟系统：根据活性污泥法，结合污水处理过程碳元素的迁移转化和质量平衡建立碳排放核算模型；并根据工艺特征和运行涉及到的参数，建立整个生物处理过程中碳排放过程的模拟系统；S2、确认参数：确定工艺动态模拟系统的主要初始参数；S3、模拟运行：获取上述生物处理过程中的动力学和碳元素转化涉及到的参数，代入上述模拟系统中，分析获得CH4和CO2的排放结果。本发明提供了一种污水生物处理低碳运行优化方法，该方法结合活性污泥法，根据工艺特征和水力负荷、污泥负荷、进水碳元素等运行条件来进行设计，通过系统仿真对污水生物处理过程进行控制，从而达到低碳运行优化的目的。
Description
技术领域
本发明涉及污水的生物处理技术领域，具体为一种污水生物处理低碳运行优化方法。
背景技术
全球变暖是当今人类可持续发展面临的全球性重大挑战，为减少温室气体的排放，制定了减排目标并为此出台了一系列的减排措施。污水处理工艺在对污水进行净化的过程中，会产生大量的温室气体增加碳排放，虽然控制了污水对环境的污染，但是由于碳排放量过高，同样对环境十分不利。污水处理是一种高碳排放的产业，主要排放的温室气体种类为CO2、N2O和CH4，而且随着污水处理行业的快速发展和排放标准的不断提高，污水厂向大气中排放的温室气体呈逐渐提高甚至指数上升趋势。美国环境保护署已经将污水处理列为世界第七大N2O和CH4排放产业。虽然污水处理行业的经济总量、从业人员和投资规模只占全行业的千分之一，但是其碳排放量却占全社会总碳排放量的1-2％，是名副其实的高碳排放行业。为此，必须充分利用碳中和模式解决污水处理的碳排放问题，实现碳排放的平衡，最大化提升污水处理的环境效益。
另一方面，污水处理流程复杂且多变，包含了预处理、二级处理、深度处理和污泥处理等模块，不同工艺的反应原理、物料平衡和反应计量关系均有差异，所以统一采用单一系数的排放因子法并不能真实的反映污水厂的实际碳排量，同时也无法对污水厂低碳运营提供支撑和指导，而如何精确核算和控制碳排放量成为城市污水处理厂低碳运行关键技术。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种污水生物处理低碳运行优化方法，该方法结合活性污泥法，根据工艺特征和水力负荷、污泥负荷、进水碳素等运行条件来进行设计，通过系统仿真对污水生物处理过程进行控制，从而达到低碳运行优化的目的。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种污水生物处理低碳运行优化方法，包括以下步骤：
S1、构建动态模拟系统：根据活性污泥法，结合污水处理过程碳元素的迁移转化和质量平衡建立碳排放核算模型；并根据工艺特征和运行涉及到的参数，建立整个生物处理过程中碳排放过程的模拟系统；
S2、确认参数：确定工艺动态模拟系统的主要初始参数；
S3、模拟运行：获取上述生物处理过程中的动力学和碳素转化涉及到的参数，代入上述模拟系统中，分析获得CH4和CO2的排放结果。
优选的，所述S1中碳排放动态模拟模型中涉及到参数包括：水量水质参数、动力学参数、水力负荷参数、污泥负荷参数。
优选的，所述S2中主要初始参数包括：水量水质参数、运行工艺参数及模型参数。
优选的，所述S3中将工艺特征、进水条件、运行条件参数代入所述动态模拟系统中核算，得到不同参数条件下CH4和CO2的排放量，根据低碳运行的要求，获得最佳运行工况参数。
优选的，所述动态模拟系统算法根据生化池+沉淀池反应器进行污水短程硝化处理，根据污水处理全流程过程中碳元素质量动态守恒原则和碳素在反应器中的迁移转化，构建全过程物料平衡方程组，并利用软件实现计算机程序控制。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种污水生物处理低碳运行优化方法，具备以下有益效果：该方法综合了工艺特征涉及和数学模拟技术的优点，通过建立动态模拟系统，结合已有的参数指标和运行数据，对污水生物处理过程进行高精度的模拟和核算，从而实现对碳排放过程进行优化运行和精确控制，且该优化方法可通过对不同参数的运行模拟控制，优化生物处理过程的运行，以得到最佳运行工况的控制参数，该优化方法充分体现了生物处理过程中全流程碳素转化过程机理，其设计过程可实现计算机程序控制，实时核算并反馈碳量排放，可以针对各种水质进行低碳优化运行设计和控制，其可靠性和经济性都有进一步的提高，为污水厂工艺的优化运行和管理提供一条新的途径。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，对本发明一种污水生物处理低碳运行优化方法做进一步详细的描述。
本发明：一种污水生物处理低碳运行优化方法，包括以下步骤：
S1、构建动态模拟系统：根据活性污泥法，结合污水处理过程碳元素的迁移转化和质量平衡建立碳排放核算模型；并根据工艺特征和运行涉及到的参数，建立整个生物处理过程中碳排放过程的模拟系统；
S2、确认参数：确定工艺动态模拟系统的主要初始参数；
S3、模拟运行：获取上述生物处理过程中的动力学和碳素转化涉及到的参数，代入上述模拟系统中，分析获得CH4和CO2的排放结果。
具体来说，本发明根据污水生物处理过程中碳元素质量动态守恒，考虑进出水有机碳、内源代谢消耗碳量、剩余污泥的碳量以及气体形式排入大气的碳量等，结合活性污泥法，建立碳排放核算模型，并根据工艺特征和运行涉及到的参数，建立整个生物处理过程中碳排放过程的模拟系统，其S1中碳排放动态模拟模型中涉及到参数包括：水量水质参数、动力学参数、水力负荷参数、污泥负荷参数，根据污水处理全流程过程中碳元素质量动态守恒，将整个污水处理系统视为一个整体，考虑进入系统的碳质量(CIn)和离开系统的碳质量(Cout)，进入系统的碳质量包括进水中的有机碳(CW,In)和内源代谢消耗的部分污泥中的有机碳(ΔCEnRe)，离开系统的碳质量(Cout)包括出水中的有机碳(CW,Out)、剩余污泥中的碳(ΔCExSl)和以气体形式(CO2和CH4)排入大气中的碳(ΔCCO2+CH4)，即:
进出水中去除的碳量,即：
其中：QW—日进水量，万t/d；CODIn—进水COD，mg/L；CODOut—出水COD，mg/L；αIn—进水BOD5与进水COD比值，kg BOD5/kg COD；αOut—出水BOD5与出水COD比值，kg BOD5/kg COD；β—BOD5与BOD比值，kg BOD5/kg BOD；γ—TOC与BOD比值，kg TOC/kg BOD。
微生物内源代谢的碳量ΔCEnRe：ΔCEnRe＝10-3×δ×Kd×ε×(VAn+VFa+VAe)×MLSS
其中：Kd—污泥内源性衰减系数，1/d；MLSS—生化池MLSS，mg/L；VAe—好氧池体积，m3；VAn—厌氧池体积，m3；VFa—缺氧池体积，m3；δ—生化池MLVSS均值与MLSS均值比值，kg MLVSS/kg MLSS；ε—微生物中C质量比例，kg C/kg Biomass，按微生物化学通式C5H7O2N计算，取0.53。
剩余污泥中的碳量ΔCExSl：
ΔCExSl＝10×ε×δ×Y×QW×(CODIn×αIn-CODOut×αOut)
-10-3×ε×δ2×Kd×(VAn+VFa+VAe)×MLSS
+10×ε×δ×f×QW×(SSIn-SSOut)
其中：QW—日进水量，万t/d；CODIn—进水COD，mg/L；CODOut—出水COD，mg/L；f—SS污泥转化率，kg MLSS/kg SS；Kd—污泥内源性衰减系数，1/d；MLSS—生化池MLSS，mg/L；VAe—好氧池体积，m3；VAn—厌氧池体积，m3；VFa—缺氧池体积，m3；Y—污泥产率系数，kgMLVSS/kg BOD5；αIn—进水BOD5与进水COD比值，kg BOD5/kg COD；αOut—出水BOD5与出水COD比值，kg BOD5/kg COD；δ—生化池MLVSS均值与MLSS均值比值，kg MLVSS/kg MLSS；ε—微生物中C质量比例，kg C/kg Biomass，按微生物化学通式C5H7O2N计算，取0.53。
进一步来说，上述S2中主要初始参数包括：水量水质参数、运行工艺参数及模型参数，S3中将工艺特征、进水条件、运行条件参数代入所述动态模拟系统中核算，得到不同参数条件下CH4和CO2的排放量，根据低碳运行的要求，获得最佳运行工况参数，本发明中以AAO工艺处理城市污水为例，对污水处理过程中的生物处理产生的温室气体排放量进行模拟分析，处理对象为城市污水，pH和反应温度均为城市污水实际温度，水质水量参数、运行工艺参数及模型参数如表1所示：
表1
在本发明中动态模拟系统算法根据生化池+沉淀池反应器进行污水短程硝化处理，根据污水处理全流程过程中碳元素质量动态守恒原则和碳素在反应器中的迁移转化，构建全过程物料平衡方程组，并利用软件实现计算机程序控制，将上述各类参数输入到模拟系统中，考察不同MLSS条件下碳排放量的模拟变化结果，其模拟结果如图1所示：
如图所示：由于处理对象为城市污水，反应器中的pH和温度均为定值，因此选择过程控制器中的溶解氧参数，模拟50天运算结果，考察不同溶解氧(DO)条件下亚硝化及硝化处理效果来判断最佳运行工艺条件，由图1可以看出，随着MLSS的升高，碳排量随之升高，且呈线性相关趋势。
本发明提出的动态模拟系统算法，根据生化池+沉淀池反应器进行污水短程硝化处理，根据污水处理全流程过程中碳元素质量动态守恒原则和碳素在反应器中的迁移转化，构建全过程物料平衡方程组，并利用软件实现计算机程序控制,该优化方法可通过对不同参数的运行模拟控制，优化生物处理过程的运行，以得到最佳运行工况的控制参数，为污水厂工艺的优化运行和管理提供一条新的途径。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (5)
1.一种污水生物处理低碳运行优化方法，包括以下步骤：
S1、构建动态模拟系统：根据活性污泥法，结合污水处理过程碳元素的迁移转化和质量平衡建立碳排放核算模型；并根据工艺特征和运行涉及到的参数，建立整个生物处理过程中碳排放过程的模拟系统，根据污水处理全流程过程中碳元素质量动态守恒，将整个污水处理系统视为一个整体，包括进入系统的碳质量(CIn)和离开系统的碳质量(Cout)，进入系统的碳质量包括进水中的有机碳(CW,In)和内源代谢消耗的部分污泥中的有机碳(ΔCEnRe)，离开系统的碳质量(Cout)包括出水中的有机碳(CW,Out)、剩余污泥中的碳(ΔCExSl)和以气体形式(CO2和CH4)排入大气中的碳(ΔCCO2+CH4)，即:
进出水中去除的碳量,即：
进出水中去除的碳量计算公式中QW—日进水量，万t/d；CODIn—进水COD，mg/L；CODOut—出水COD，mg/L；αIn—进水BOD5与进水COD比值，kg BOD5/kg COD；αOut—出水BOD5与出水COD比值，kg BOD5/kg COD；β—BOD5与BOD比值，kg BOD5/kg BOD；γ—TOC与BOD比值，kg TOC/kg BOD；
微生物内源代谢的碳量ΔCEnRe：ΔCEnRe＝10-3×δ×Kd×ε×(VAn+VFa+VAe)×MLSS
微生物内源代谢的碳量计算公式中Kd—污泥内源性衰减系数，1/d；MLSS—生化池MLSS，mg/L；VAe—好氧池体积，m3；VAn—厌氧池体积，m3；VFa—缺氧池体积，m3；δ—生化池MLVSS均值与MLSS均值比值，kg MLVSS/kg MLSS；ε—微生物中C质量比例，kg C/kgBiomass；
剩余污泥中的碳量ΔCExSl：
ΔCExSl＝10×ε×δ×Y×QW×(CODIn×αIn-CODOut×αOut)-10-3×ε×δ2×Kd×(VAn+VFa+VAe)×MLSS+10×ε×δ×f×QW×(SSIn-SSOut)
剩余污泥中的碳量计算公式中QW—日进水量，万t/d；CODIn—进水COD，mg/L；CODOut—出水COD，mg/L；f—SS污泥转化率，kg MLSS/kg SS；Kd—污泥内源性衰减系数，1/d；MLSS—生化池MLSS，mg/L；VAe—好氧池体积，m3；VAn—厌氧池体积，m3；VFa—缺氧池体积，m3；Y—污泥产率系数，kg MLVSS/kg BOD5；αIn—进水BOD5与进水COD比值，kg BOD5/kg COD；αOut—出水BOD5与出水COD比值，kg BOD5/kg COD；δ—生化池MLVSS均值与MLSS均值比值，kgMLVSS/kg MLSS；ε—微生物中C质量比例，kg C/kg Biomass；
S2、确认参数：确定工艺动态模拟系统的主要初始参数；
S3、模拟运行：获取上述生物处理过程中的动力学和碳素转化涉及到的参数，代入上述模拟系统中，分析获得CH4和CO2的排放结果。
2.根据权利要求1所述的一种污水生物处理低碳运行优化方法，其特征在于：所述S1中碳排放动态模拟模型中涉及到参数包括：水量水质参数、动力学参数、水力负荷参数、污泥负荷参数。
3.根据权利要求1所述的一种污水生物处理低碳运行优化方法，其特征在于：所述S2中主要初始参数包括：水量水质参数、运行工艺参数及模型参数。
4.根据权利要求1所述的一种污水生物处理低碳运行优化方法，其特征在于：所述S3中将工艺特征、进水条件、运行条件参数代入所述动态模拟系统中核算，得到不同参数条件下CH4和CO2的排放量，根据低碳运行的要求，获得最佳运行工况参数。
5.根据权利要求1所述的一种污水生物处理低碳运行优化方法，其特征在于：所述动态模拟系统算法根据生化池+沉淀池反应器进行污水短程硝化处理，根据污水处理全流程过程中碳元素质量动态守恒原则和碳素在反应器中的迁移转化，构建全过程物料平衡方程组，并利用软件实现计算机程序控制。
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