一种卡努赛尔氧化沟工艺优化调控方法

摘要

本发明公开了一种卡努赛尔氧化沟工艺优化调控方法。该方法首先确定需要优化的m个项目；再将每个项目分别划分成n个等级；采用正交表，构造p组氧化沟运行方式，即Lp(nm)；基于计算流体力学方法构建氧化沟数值模拟模型，并对该模型进行验证；采用构建的数学模型分别对构造的p组氧化沟运行方式下的出水水质进行预测；依据模型计算的p组运行方式下的出水水质，基于正交试验的思想优选出氧化沟运行方式；最后将氧化沟调整到优选的方式下运行。该方法简单易行，节约人力及时间成本，在实现系统出水水质达标排放的前提下，能够有效降低氧化沟运行的能耗和成本，具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于废水生物处理技术领域，涉及一种卡努赛尔氧化沟工艺优化调控方法。

背景技术

随着人口的增加、经济的发展以及工业化步伐的加快，我国污水的排放量与日俱增， 截至2010年我国生活污水排放总量达379.6亿m³。针对污水排放量逐年递增的态势，我 国加大了城市污水处理厂建设的力度，截至2010年9月底，全国设市城市、县及部分重 点建制镇已经累计建成城镇污水处理厂2630座，总处理能力达1.22亿m³/d。然而，污水 处理为能源密集型行业，据统计，我国城镇污水处理厂平均能耗达0.29kw·h/m³，而美国 等发达国家将污水消毒、污泥消化与焚烧等我国污水处理厂目前尚未普及的耗能环节考虑 后平均能耗仅为0.2kw·h/m³。因此，能耗大、运行效率低已成为约束已建成污水厂正常运 行的瓶颈问题。

在各类污水处理工艺中，氧化沟工艺因具有操作单元少、耐冲击负荷能力强、处理效 果好以及污泥产率低的特点，成为我国城市污水处理的主导工艺，其数量占全国城镇污水 处理厂总量的32.2%。然而，由于氧化沟低负荷和长污泥龄的特点，使得氧化沟工艺的能 耗较高；与此同时，随着我国对水环境质量要求的提高，对污水处理厂出水氮磷浓度也提 出了更高的要求，保证处理出水的一级A排放是多数污水处理厂面临的共同难题。因此， 在当前倡导节能减排和生态文明建设的大背景下，寻找能耗低、运行效率高的优化控制策 略成为人们关注的焦点。

然而，氧化沟系统内部是一个较为复杂的系统，氧化沟的优化的虽然可以通过足够的 试验来解决，但是试验的方式有很大的局限性：第一、生物试验周期比较长，从开始试验 到得出解决方案需要半年甚至多年的时间；第二、每次试验需要进行多方案的比较，可是 因为时间限制，能够实施的试验方案非常有限，得不到最佳解决方案；第三、试验不仅周 期长，而且耗费多，尤其生产性试验更是花费不菲。

针对上述情况，本发明以卡努赛尔氧化沟工艺为研究对象，提供一种基于计算流体力 学的卡努赛尔氧化沟工艺优化调控方法，在计算机上方便快速的计算大量的试验方案，估 计处理效果，快速找出氧化沟运行费用最少、处理效率最高的方案，实现氧化沟的高效处 理及节能优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种卡努赛尔氧化沟工艺优化调控方法。

本发明的技术方案如下：

一、确定氧化沟运行需要优化的m个项目。

二、将每个拟优化的项目分别划分成n个等级，以代表n个试验水平。

三、采用正交表，构造p组氧化沟运行方式，即L_p(n^m)。

四、基于计算流体力学构建并验证氧化沟数值模拟模型。

五、采用步骤四中验证后的模型，分别对步骤三中构造的p组氧化沟运行方式下的出 水水质进行预测。

六、依据模型计算的p组运行方式下的出水水质，设定约束条件，基于正交试验的思 想优选出满足达标要求的氧化沟运行方式，再从满足达标排放要求的运行方式中优选出能 耗最低的运行方式，确定该运行方式为优化运行方式。

七、调动氧化沟至该优化条件下运行。

其中步骤四中所述的基于计算流体力学构建的氧化沟数值模拟模型可参考相关文献 （Makinia J,Wells S A.A general model of the activated sludge reactor with dispersive flow-I. Model development and parameter estimation[J].Water Research,2000,34(16):3987-3996； Makinia J,Wells S A.A general model of the activated sludge reactor with dispersive flow-II. Model verification and application[J].Water Research,2000,34(16):3997-4006）

本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明采用基于计算流体力学的模型对氧化沟工艺进行优化，在优化过程中，仅 需开展少量的实验获取数据对模型进行验证后即可开展优化工作，最后能通过模型找出氧 化沟最优工作条件，并通过实地运行实验对该工作条件进行验证，从而节省了大量的人力 及时间成本。

（2）本发明基于正交试验法均衡分布的思想构建待模拟预测的试验组，构建的实验组 具有典型性，可通过最少的试验组来找出最优的运行方式，节省大量计算时间。

（3）本发明所建立的调控方法，能够优选出既能使出水水质达标又能让氧化沟运行能 耗最低的运行工况，对于节约能耗、降低运行成本具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的一种卡努赛尔氧化沟工艺优化调控的流程示意图

图2为中试氧化沟装置及测点示意图

图3为各指标实测值与模拟值的比较图：a为溶解氧的对比，b为COD的对比，c为 氨氮的对比，d为硝氮的对比

图4为优化条件下距沟底0.25m处的水质分布图：a为溶解氧分布图，b为COD分布 图，c为氨氮分布图，d为硝氮分布图

具体实施方式

结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

图1为本发明的一种卡努赛尔氧化沟工艺优化调控的流程示意图。本例的模拟对象为 一中试级别的四廊道卡努赛尔氧化沟，如图2所示。该氧化沟的总长2.2m，宽1.4m，有 效水深0.5m，有效容积1.4m³；直沟段长1.05m，大、小弯道半径分别为0.35m、0.7m，单 沟沟宽为0.35m。该氧化沟进水口断面为一长方形，长200mm、宽50mm；人工合成污水 从进水口以0.1m³/h的流量流入氧化沟沟中，流入氧化沟的污水水质指标为： COD=250mg/L，氨氮=50mg/L，硝氮=0mg/L。沟内水流靠位于第一沟及第三沟末端的推流 器驱动，推流器的底部距沟底300mm，推流器由18根直径为4mm的钢边环绕组成。为防 止污泥在弯道处因动力不足而沉降，在各弯道处的底部设置搅拌桨，搅拌桨的轴心距沟底 50mm，搅拌桨的直径为100mm。为给该氧化沟系统供给空气，在第二沟及第三沟底部设 置曝气器，该曝气器能使得第二及第三沟中自沟底到距沟底50mm的空间内均有气泡冒出， 曝气区域的平面空间如图2所示，曝气量范围为：1.4-3.0m³/h。氧化沟的出水口的横截面 与进水口的横截面大小尺寸一样，流出氧化沟的水体进入体积为0.15m³的二沉池中，沉积 在二沉池中的活性污泥又由泵抽至氧化沟的入流口处，并回流到氧化沟中，污泥回流比为 100%，污泥龄为25天。一、确定氧化沟需要优化的项目：搅拌桨及推流器的转动速度； 氧化沟的总曝气量。

二、划分各项目等级：本例中的搅拌桨及推流器的转速由同一个调速器控制，调速器 分为三档：低速档、中速档、高速档；而氧化沟的总曝气量由曝气阀控制，曝气量被划分 为三档：1.4、2.2、3.0m³/h。

三、试验组确定：因本例中需要优化的项目仅有两个，因此构建含有所有组合的试验 组，即p=3×3=9组试验。

四、基于计算流体力学构建氧化沟数值模拟模型（Makinia J,Wells S A.A general model  of the activated sludge reactor with dispersive flow-I.Model development and parameter  estimation[J].Water Research,2000,34(16):3987-3996；Makinia J,Wells S A.A general model  of the activated sludge reactor with dispersive flow-II.Model verification and application[J]. Water Research,2000,34(16):3997-4006），采用CFD软件——Fluent对氧化沟内三维流场及 水质分布特征进行模拟：图3为氧化沟中溶解氧、COD、氨氮、硝氮的实测值与计算值的 对比结果，模型模拟结果与实测数据吻合程度较好，可用于优化试验。

五、采用上步验证了的模型，对9组运行方式下的氧化沟出水水质进行数值计算。计 算结果如下表所示。

表1

六、优选运行方式：

设定约束条件：

COD_out<50mg/L

NH₄⁺-N_out<5mg/L

TN_out<15mg/L

E=E_min

式中COD_out、NH₄⁺-N_out、TN_out分别为出水的化学需氧量、氨氮及总氮浓度，E为氧化沟 运行的能耗，E_min为满足氧化沟达标排放运行的最低能耗。

考虑到模型计算具有一定的误差，从上表中计算结果可知，能使得出水水质氨氮低于 5mg/L，总氮低于15mg/L（国家一级A排放标准）的运行方式是编号为4与5的运行方式， 即搅拌桨及推流器以低速或中速方式运行、氧化沟的总曝气量为2.2m³/h时的运行方式。

进一步从能耗方面考虑，该氧化沟在出水水质达标的条件下使系统能耗最低的最优运 行方式为：搅拌桨及推流器以低速方式运行，氧化沟的总曝气量为2.2m³/h。在该优化条 件下运行的氧化沟内的溶解氧、COD、硝氮及氨氮的分布特征如图4所示。

在优化运行方式下，氧化沟曝气机、搅拌桨及推流器的总能耗为430W，较编号为5 的运行方式下的能耗降低了18.9%。本例中卡努赛尔氧化沟为中式级别装置，总体能耗不 大，而有关文献（Yang Y,Yang J,Zuo J,et al.Study on two operating conditions of a full-scale  oxidation ditch for optimization of energy consumption and effluent quality by using CFD  model[J].Water Research,2011,45(11):3439-3452）报道称：国内实际运行的日处理水量为 10万立方的卡努赛尔氧化沟的曝气及推流装置能耗约为800kW左右，若按照本例中18.9% 的节能率及0.8元/kw·h的电费率进行计算，采用本方法优化后所节约的电能约为 1.3×10⁶kw·h/年，节约的成本约为106万元。

七、调整氧化沟运行方式为：搅拌桨及推流器以低速方式运行；氧化沟的总曝气量为 2.2m³/h。氧化沟实际运行的出水水质为：COD15.7±6.3mg/L，氨氮3.0±0.4mg/L，总氮 14.6±0.3mg/L。因此，本方法能够用于氧化沟工艺的优化调控，在保证出水水质达标的同 时，通过优化运行条件使得系统能耗显著降低。