一种AAO工艺反应池的优化设计方法 【技术领域】
本发明涉及一种污水处理工艺中的反应池的设计方法，尤其涉及一种AAO工艺反应池的优化设计方法。
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生物处理工艺，已经成为城市污水处理的关键技术之一。在AAO工艺中，反应池的体积是影响到基建投资和污水处理效果的关键设计参数之一。目前，污水生物处理工艺(包括AAO工艺)的设计主要采用污泥负荷法、泥龄法等经验设计方法，结合相关设计手册、设计规范中的经验参数范围进行。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。但是，根据经验法设计AAO工艺的过程仍存在一些问题，例如，相关设计规范和手册中的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，如果设计人员经验不足，对反应机理理解不够，设计参数取值过于保守，无法实现污水处理工艺的优化设计，更不能保证污水处理的高效性和运行成本的经济性。此外，设计不合理的工艺往往要在污水处理工程调试或运行阶段才能够发现，增加了无谓的投资和后期优化的难度。
活性污泥模型ASM2d是目前唯一能够同时实现脱氮除磷模拟的较为成熟的机理模型。利用ASM2d模型，并借助计算机技术，就可以实现AAO工艺的模拟。目前该技术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ASM2d模型直接运用于AAO工艺设计阶段，且应用ASM2d模型直接进行AAO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，提供一种既能够确定反应池的最小体积，又能满足工程规范要求的AAO工艺反应池的优化设计方法。
本发明的目的是这样实现的：一种AAO工艺反应池的优化设计方法，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AAO工艺的主要参数值；
步骤二，根据步骤一得到的工艺参数值，利用含有ASM2d模型的仿真软件在计算机中建立AAO工艺模型；
步骤三，利用AAO工艺模型进行AAO工艺的稳态模拟，验证经验设计结果是否满足设计要求。如果满足要求，模型建立合理有效，进入下一步骤；如果不满足要求，则返回步骤一中，重新选择经验参数污泥负荷Ls的值进行计算；
步骤四，根据水力停留时间HRT的经验范围计算反应池体积的范围，并以此范围作为ASM2d模型中反应池体积的边界条件；然后以反应池的体积为变量，在所述反应池体积的范围内设置一定的步长，在AAO工艺模型中进行稳态模拟，得出能够满足设计要求的最小反应池体积。步长的选值通常越小越好，但是还要考虑尽量减小计算量，所以步长的值可根据计算出的总体积大小酌情设定，可以在1～50m3之间选择，通常步长地值设定为10m3。
步骤一中所述水质参数为：总化学需氧量CODCr、溶解性CODCr、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和磷酸盐PO4-P，这12项进水水质参数均按照国家标准方法测定。
步骤一中所述按照经验公式和经验参数，计算出AAO工艺的主要参数，其主要经验公式和经验参数的取值范围取自GB50014-2006《室外排水设计规范》和《给水排水设计手册(第5册)-城镇排水》(第二版，2003)，计算步骤为：
(1)计算反应池总体积VT：
VT=Q(So-Se)1000LSX]]>
Q为进水流量，单位m3/d；So为进水BOD5，单位mg/L；Se为出水BOD5，单位mg/L；X为反应池内的污泥浓度，单位g/L；LS为污泥负荷，单位kgBOD5/(kgMLSS·d)；
(2)计算厌氧池体积VP：
Vp=tpQ24]]>
tp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VN：
VN=0.001Q(Nk-Nte)-0.12ΔXVKdeX]]>
Q为进水流量，单位m3/d；Nk为进水TN，单位mg/L；Nte为出水TN，单位mg/L；X为反应池内的污泥浓度，单位g/L；ΔXV为排出反应池的生物量，单位kgMLVSS/d；Kde为温度为20℃时的脱氮速率，单位kgN/(kgMLSS·d)；
ΔXV=yYtQ(So-Se)1000]]>
Q为进水流量，单位m3/d；So为进水BOD5，单位mg/L；Se为出水BOD5，单位mg/L；y为MLSS中MLVSS所占的比例，单位kgMLVSS/kgMLSS；Yt为污泥总产率系数，单位kgMLSS/kgBOD5；
Kde(T)＝Kde(20)1.08(T-20)
Kde(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VO：
VO＝VT-VP-VN
(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Rin≥200％；污泥龄SRT＝10～20d。
所述仿真软件可以选用BioWin、GPS-X或WEST，均为市售产品。
本发明的有益效果为：
1、本发明方法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ASM2d模型中的参数边界条件进行了调整，既能够克服单纯经验设计方法的不足，又能避免直接应用ASM2d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、本发明方法摆脱了对设计者经验的依赖，设计出的反应池既能满足国家标准对污染物的去除要求，同时能够大大节约反应池的体积，降低基建投资，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。
实施例一
以处理水量Q＝30000m3/d的城市污水处理AAO工艺设计为例，如图1的流程所示，采用GPS-X仿真软件，对其生物反应池体积进行的设计。设计要求达到GB18918-2002中的一级B标准对CODCr、TN和SS等三项主要参数的控制要求(设计水温20℃)：CODCr＜60mg/L，TN＜20mg/L，SS＜20mg/L。
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AAO工艺的主要参数：
1、测定进水的水质参数
按照国家标准方法测得进水的水质参数为：CODCr为440mg/L，溶解性CODCr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；
2、根据经验方法设计反应池体积
(1)、反应池总体积VT
流量Q＝30000m3/d，污泥负荷LS经验值范围为0.1-0.2kgBOD5/(kgMLSS·d)，取0.15kgBOD5/(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。
VT=Q(So-Se)1000LSX=30000×(208-20)1000×0.15×30=12533m3]]>
(2)、厌氧池体积VP
厌氧池的水力停留时间tP经验值范围为1-2h，取1.7h；
Vp=tpQ24=1.7×3000024=2125m3]]>
(3)、缺氧池体积VN
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Yt经验值范围为0.4-0.8kgMLSS/kgBOD5，取0.70kgMLSS/kgBOD5，得到排出反应池的生物污泥量：
ΔXV=yYtQ(So-Se)1000=0.70×0.70×30000×(208-20)1000=2764kg/d;]]>
脱氮速率Kde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Nk＝40mg/L，出水总氮Nte＝20mg/L，根据求得缺氧池体积：
VN=0.001×30000×(40-20)-0.12×27640.04×3=2236m3]]>
(4)、好氧池体积VO：
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：
VO＝VT-VP-VN＝12533-2125-2236＝8172m3
(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100％，则回流污泥流量为Q×R＝30000×100％＝30000m3/d；回流混合液比Rin取200％，则回流混合液流量为Q×Rin＝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；
步骤二，根据步骤一中的水质参数、反应池体积和其他工艺参数，利用含有ASM2d模型的仿真软件GPS-X在计算机中建立AAO工艺的模型：
在反应池模型中根据步骤一的数据分别设定厌氧池体积为Vp＝2125m3，缺氧池体积VN＝2236m3，好氧池体积Vo＝8172m3；
选用一维沉降模型作为沉淀池的模型，在沉淀池模型中根据步骤一设定表面积为1250m2；
在进水中根据步骤一中设定12项水质参数；
设定从沉淀池到厌氧池的污泥回流量为30000m3/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。
步骤三，利用AAO工艺模型进行稳态模拟，根据模拟结果可知，处理后的水质为CODCr＝45mg/L＜60mg/L，SS＝14mg/L＜20mg/L，TN＝7mg/L＜19.9mg/L，三项指标均能够满足设计要求。这说明模型建立合理，模拟结果可以验证经验设计结果；
步骤四，根据水力停留时间HRT的经验范围计算反应池体积的范围，并以此范围作为ASM2d模型中反应池体积的边界条件。然后以反应池的体积为变量，设置10m3的步长，以AAO工艺模型进行稳态模拟，得出能够满足设计要求的最小反应池体积。
反应池体积的边界范围根据水力停留时间确定，水力停留时间HRT的经验设计范围为7～14h，则反应池体积的范围为VT＝Q/(24×HRT)＝30000/(24×7～14)＝8750～17500m3。设定ASM2d模型中的反应池体积边界条件为以反应池体积为变量，设置步长为10m3，调节反应池体积，稳态模拟分析能够满足设计要求的最小反应池体积。通过模拟分析可发现，反应池体积最小为VT＝9500m3，其中厌氧池、缺氧池和好氧池的体积可以以相同比例缩小，即
VP=2125×950012533=1611m3,]]>VN=2236×950012533=1695m3,]]>
Vo=8172×950012533=6194m3]]>
可见，该工艺采用的反应池经优化设计后，反应池体积为VT＝9500m3，比经验设计方法设计的体积减少了24％，设计结果既可以满足国家标准和设计规范的设计要求，也可以节省工程费用。
实施例二
以处理水量Q＝30000m3/d的城市污水处理AAO工艺设计为例，如图1的流程所示，采用WEST仿真软件，对其生物反应池体积进行的设计。设计要求达到GB18918-2002中的一级B标准对CODCr、TN和SS等三项主要参数的控制要求(设计水温20℃)：CODCr＜60mg/L，TN＜20mg/L，SS＜20mg/L。
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AAO工艺的主要参数：
1、测定进水的水质参数
按照国家标准方法测得进水的水质参数为：CODCr为440mg/L，溶解性CODCr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；
2、根据经验方法设计反应池体积
(1)、反应池总体积Vx
流量Q＝30000m3/d，污泥负荷LS经验值范围为0.1-0.2kgBOD5/(kgMLSS·d)，取0.20kgBOD5/(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。
VT=Q(So-Se)1000LSX=30000×(208-20)1000×0.20×3.0=9400m3]]>
(2)、厌氧池体积VP
厌氧池的水力停留时间tP经验值范围为1-2h，取1.7h；
Vp=tpQ24=1.7×3000024=2125m3]]>
(3)、缺氧池体积VN
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Yt经验值范围为0.4-0.8kgMLSS/kgBOD5，取0.70kgMLSS/kgBOD5，得到排出反应池的生物污泥量：
ΔXV=yYtQ(So-Se)1000=0.70×0.70×30000×(208-20)1000=2764kg/d;]]>
脱氮速率Kde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Nk＝40mg/L，出水总氮Nte＝20mg/L，根据求得缺氧池体积：
VN=0.001×30000×(40-20)-0.12×27640.04×3=2236m3]]>
(4)、好氧池体积VO：
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：
VO＝VT-VP-VN＝9400-2125-2236＝5039m3
(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100％，则回流污泥流量为Q×R＝30000×100％＝30000m3/d；回流混合液比Rin取200％，则回流混合液流量为Q×Rin＝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；
步骤二，根据步骤一中的水质参数、反应池体积和其他工艺参数，利用含有ASM2d模型的仿真软件WEST在计算机中建立AAO工艺的模型：
在反应池模型中根据步骤一的数据分别设定厌氧池体积为Vp＝2125m3，缺氧池体积VN＝2236m3，好氧池体积Vo＝5039m3；
选用一维沉降模型作为沉淀池的模型，在沉淀池模型中根据步骤一设定表面积为1250m2；
在进水中根据步骤一中设定12项水质参数；
设定从沉淀池到厌氧池的污泥回流量为30000m3/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。
步骤三，利用AAO工艺模型进行稳态模拟，根据模拟结果可知，处理后的水质为CODCr＝46.05mg/L＜60mg/L，SS＝20.10mg/L＞20mg/L，TN＝6.77mg/L＜19.9mg/L，两项指标(CODCr和TN)均能够满足设计要求，一项指标(SS)超过设计要求的20mg/L。这说明模型建立不合理合理，返回步骤一中的反应池总体积VT计算，重新选择较低的污泥负荷LS，取LS＝1.2kgBOD5/(kgMLSS·d)得到反应器总体积VT＝15667m3，保持厌氧池和好氧池体积不变，则：厌氧池体积为Vp＝2125m3，缺氧池体积VN＝2236m3，好氧池体积Vo＝10778m3。改变AAO工艺模型中的VT和Vo，再进行稳态模拟。结果为CODCr＝44.84mg/L＜60mg/L，SS＝19.61mg/L＜20mg/L，TN＝6.83mg/L＜19.9mg/L，均满足设计要求。
步骤四，根据水力停留时间HRT的经验范围计算反应池体积的范围，并以此范围作为ASM2d模型中反应池体积的边界条件。然后以反应池的体积为变量，设置10m3的步长，以AAO工艺模型进行稳态模拟，得出能够满足设计要求的最小反应池体积。
反应池体积的边界范围根据水力停留时间确定，水力停留时间HRT的经验设计范围为7～14h，则反应池体积的范围为VT＝Q/(24×HRT)＝30000/(24×7～14)＝8750～17500m3。设定ASM2d模型中的反应池体积边界条件为以反应池体积为变量，设置步长为10m3，调节反应池体积，稳态模拟分析能够满足设计要求的最小反应池体积。通过模拟分析可发现，反应池体积最小为VT＝9500m3，其中厌氧池、缺氧池和好氧池的体积可以以相同比例缩小，即VP＝2125×9500/15667＝1289m3，VN＝2236×9500/15667＝1356m3，VO＝10778×9500/15667＝6535m3。
可见，该工艺采用的反应池经优化设计后，反应池体积为VT＝9500m3，比经验设计方法设计的体积减少了40％，设计结果既可以满足国家标准和设计规范的设计要求，也可以节省工程费用。