Carrousel氧化沟建模实例研究（环保）

Carrousel氧化沟建模实例研究（环保）

                        张凯歌¹，  李翠梅¹，  龚希博^1，2

（1．苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏苏州215009；2．苏州市清泽环境技术有限公司，江苏苏州215011）

摘要：根据Carrousel氧化沟完全混合特性，提出了将其划分成多个曝气和非曝气的完全混合反应池的串联反应器的思想，并基于ASM3机理模型，在WEST软件平台上搭建其物理模型。利用WEST模拟软件，对建立的模型进行稳态模拟。实例研究表明：对于处理能力1.2万t/d的Carrousel氧化沟，通过分析其工艺特点和DO沿程变化特征，可以将缺氧区和好氧区根据沟池长度平均分为15区；每个区长13.2 m、宽4.5 m、面积56.87 m²;其中前4区为缺氧区，后11区为好氧区。通过稳态模拟，该次建模能够体现污水处理厂的处理工艺过程及处理效果，拟合效果良好，为后续研究进行动态模拟、模型优化和参数估计奠定了基础。关键词：Carrousel氧化沟；建模；实例；研究；稳态模拟

中图分类号：X703     doi：10.3969/j.issn．1003-6504.2016,05.018    文章编号：1003-6504(2016)05-0090-05

    目前计算机仿真在污水处理系统设计或污水处理厂改造中的应用主要是确定工艺参数，即对影响水质、水量变化的参数进行分析和复杂的理论计算与推测，利用计算机强大的快速计算功能，应用成熟的反应机理数学模型，短时间内获得实时的运行参数，并通过自动控制系统进行科学调度，提高污水系统运行、处理的科学性、准确性，进而达到污水处理系统运

行节能降耗的目的。因此，污水处理系统数学模型的建立成为计算机仿真与模拟的关键，模型准确，计算得出的运行参数准确，可靠性强，具有应用价值；模型偏差较大，计算得出的运行参数基本不具备应用价值。

    Carrousel氧化沟是由荷兰的DHV技术咨询公司在20世纪60年代后期发明的，至今全世界已有超过800座投入使用，应用领域几乎涉及所有行业的污水、废水处理，处理规模从400～113x10⁴ m³/d不等。Car-rousel氧化沟工艺是城市污水处理厂主要工艺类型之一，其技术特点有：采用立式曝气机，设备数量少，系统简单；有极强的混合搅拌与耐冲击负荷能力；曝气功率密度大，传氧效率达到平均至少2.1  kg/( kW．h);氧化沟沟深大，可达到5m以上，使氧化沟占地面积减少；土建费用降低；调节性能好，节能效果显著；操作环境好，运行管理简单；能在寒冷地区使用等技术特点。随着城市污水处理厂不断提标改造，Carrousel氧化沟自动运行成为被改造的主要对象之一。以下结合实例介绍Carrousel氧化沟建模过程及应用。

1  污水处理厂概况

    苏州市某污水处理厂位于苏州市吴中区的东北角，主要接纳吴中区运河北侧城区居民生活污水。设计规模2万t/d，分两期建设。一期工程于1998年8月投产运行，处理能力0.8万t/d，采用2座并行运行的单沟式氧化沟。二期工程(扩建改造)2005年11月投产运行，处理能力1.2万t/d，采用了前置厌氧池的氧化沟工艺，同时在一期氧化沟前增加厌氧池，构成A²/O工艺，使该污水厂具备生物脱氮除磷功能，尾水执行一级B标准。

    二期扩建改造工程中粗格栅及进水泵房、细格栅及沉砂池、接触消毒池、加氯间、污泥浓缩池、脱水车间按2.0万m³/d规模进行设计参数复核。二期氧化沟采用循环往复型式的卡鲁塞尔氧化沟。厌氧区单独设置在氧化沟前，容积719 m³；缺氧区和好氧区合建，氧化沟总容积3 690 m³，其中缺氧区容积910 m。，好氧区容积2 780 m³，氧化沟平面尺寸为62.35 mx19.05m，池深5.5 m，水深4.5 m。氧化沟设计最大需氧量117 kg/h，最大供氧量222 kg/h。厌氧区设2台2.3 kW液下推进器；缺氧区设2台功率4.3 kW液下推进器；好氧区设曝气转碟7台，单台直径1400 mm，跨度4.2 m，最大充氧量38 kg/h，配套电机功率15 kW，采

用双速电机。Carrousel氧化沟工艺平面示意如图1所示（图中①表示曝气转碟1台，②表示液下推进器2台）。

    二期二沉池采用平流式沉淀池，设一座，与一期厌氧池合建。单座平面净尺寸为54.9 mx13.9 m，池深4.7 m，水深4.1 m。进水采用指形配水槽配水，溢流堰出水。二期二沉池设一台虹吸式刮泥机，将污泥排至池中间的排泥槽，运行方式同一期。污水厂主要设计参数及主要设备的技术参数见表1，工艺流程见图2。

    在厌氧池和缺氧池中，分别装有2台和4台液下推进器，其主要作用是使污泥处于悬浮状态，防止污泥沉积；好氧区配备有7台曝气转碟，运行时，通过开启不同台数曝气转碟及调节转速来控制氧化沟中的溶解氧水平，控制在2 mg/L左右。

2  建模过程    

在实际运行过程中，反应器内的水流受到环境、操作条件等因素的影响，通常会出现短路、死区和局部内回流等非理想状态。在建模过程中，非理想状态通常采用多级串联完全混合反应器进行模拟。污水厂二期采用“厌氧+卡鲁塞尔氧化沟”工艺，从整体上看，氧化沟的流态是完全混合的，而且在WEST模拟软件的单元模块中只有完全混合生物反应器，没有氧化沟的模块。因此，利用多级串联完全混合反应器来搭建氧化沟工艺是对其的一种简化，实践证明，此种简化是可行且方便的。

    为了确定氧化沟实际运行状态变化特征和模型构建方案分区，在该污水处理厂二期氧化沟正常运行状态下，根据氧化沟沿程DO监测点的设置（图3），于2011年5月9:00、13:00和17:00 3个不同时刻，对氧化沟进行取样。并采用哈希便携式DO测量仪，测得氧化沟沿程的DO浓度值，其变化趋势图见图4所示。

    根据实际监测结果，氧化沟在运行过程中，沿程溶解氧存在明显的浓度梯度。在此污水厂中，由于采用前置厌氧池而组成的A²/O工艺，厌氧池出水进入氧化沟到曝气之前处于明显的缺氧运行状态，仅有液下推动装置缓慢转动，从而保证其脱氮效果；如图4中的1～11点，从氧化沟进水到第一个曝气转刷之前，该过程中溶解氧浓度低于0.5 mg/L。经过第一个曝气转刷之后溶解氧浓度迅速上升，进入好氧运行状态，由于污染物浓度较高，溶解氧消耗较快，但DO浓度保持在0.5 mg/L以上。此后，每隔一段距离都有曝气转刷运行，氧化沟内保持较高的溶解氧浓度，处于好氧运行状态。

  为了便于设置各反应器运行参数，根据Carrousel氧化沟工艺特点及运行过程DO沿程变化情况，拟将氧化沟沟池按照长度平均分为15区，每一分区采用一个完全混合生物反应池表示，采用15个容积相同的CSTR串连模型。在分区过程中，前4个分区刚好处于缺氧运行阶段，后几个分区都是好氧运行阶段，并无相互干扰重叠过程，故对于DO浓度分布来说，此分区格式理论上是较为合理的，可以作为建模的初始设置考虑，在后期的模拟优化可对其进行改进，具体分区格式与每个反应区的长宽及体积参数见图5和表2所示。

WEST软件平台上，通过在节点库中建立节点数据库，将上述数据放入到数据库中，通过节点数据库生成系统布局，即可形成Carrousel氧化沟物理模型，如图6所示。

3  稳态模拟

    研究采用的软件平台是DHI的新一代污水处理模拟工具WEST 2012，WEST不但使用了可靠的数学模型对真实系统进行模拟，还提供了多种高级“实验类型”进行模型校正和模拟分析，如局部敏感性分析、全局敏感性分析、参数估计、预案分析以及不确定分析等。WEST拥有多种模型库和开放的结构，方便用户构建新模型或修改现有的模型。基于WEST强大的模拟功能和完全开放的建模环境，其工作过程并不复杂。系统建模首先要进行工艺构建和定义模型：选择ASM类别中的某一个机理模型，确定全厂方案设置及单元过程模型，如二沉池模型、控制器模型等，构筑物尺寸的确定及参数赋值，绘制各种输出图表以便分析模拟结果；模型校正确定模拟的准确性和可靠性，对参数进行局部调整；最后进行工艺模拟和结果分析，对各种方案实施评估预测。而运用WEST软件进行稳态模拟是根据氧化沟运行过程的稳态数据，诸如溶解氧浓度、温度、流量和有关的工艺操作条件、工艺规定、出水指标以及一定的设备参数，如曝气机的功率、进水位置等，采用模拟软件，用计算机模拟实际的稳态运行过程，最后确定模型的有效性。

    在软件平台WEST上，搭建苏州某污水处理厂二期氧化沟处理工艺物理模型，并设置各类参数。针对污水处理厂的实际工艺进行建模，并进行稳态模拟以确定模型建立的可行性，为后续开展敏感度分析及参数估计等相关性研究打下基础。在模拟之初，需要向已建立的模型输入必须的边界条件和边界值。综合污水处理工艺主要构筑物的物理参数、污水处理厂的运行参数、进水水质参数、模型参数等模型初始模拟条件，以WEST软件为平台，利用污水处理厂所建工艺模型，采用2011年污水处理厂夏季平均进水水质数据，进行废水特征参数、动力学参数和化学计量学参数都采用WEST软件默认值，在此情况下，进行初步稳态模拟，模拟结果见表3和图7。

  从表3可以看出，基于软件平台WEST建立的工艺模型初步模拟结果与实际运行结果有较为良好的拟合。初步分析，COD相对误差较大，达到了39%，其原因可能在于进水水质组分划分的差异导致，在研究ASM3的动力学参数估计问题上，并不能影响本研究结果，故暂时不予考虑；氨氮相对误差为7.1%，绝对误差仅为0.12 mg/L，可以说拟合非常理想；而TN绝对误差也比较低，仅为1.33 mg/L，虽然相对误差达到了20.5%，但在接受范围之内，SS的绝对误差和相对误差都很低，模拟拟合程度高。

    结果表明，本次建模基本能体现该研究污水处理厂的处理工艺过程及处理效果，拟合效果良好，能够开展后续敏感度分析及参数估计等相关研究。

4  结论

    (1)通过分析污水厂的工艺特点及Carrousel氧化沟的实际运行过程，整体看来氧化沟的流态是完全混合的，可以在WEST软件平台上利用多级串联完全混合反应器来搭建氧化沟的物理模型。

    (2)通过分析氧化沟运行过程中DO的沿程变化特征，根据氧化沟长度将其平均分为15个区，采用15个容积相同的CSTR串联模型。其中前4个分区由于没有安装任何曝气装置，溶解氧浓度普遍低于0.5 mg/L，处于缺氧运行阶段；后11个分区在经过曝气转刷之后，溶解氧浓度迅速上升并始终维持在0.5 mg/L以上，处于好氧运行阶段。

    (3)通过在WEST软件平台上，在节点库中简单的节点选择，并拖放到布局页面，合理安排各单元位置并连接各节点，形成Carrousel氧化沟的物理模型。

    (4)针对污水厂氧化沟的工艺流程，利用WEST模拟软件建立的工艺模型并对其进行模拟。通过分析出水水质的实测值与模拟值，初步模拟结果与实际运行结果有较为良好的拟合。