（市政工程专业论文）基于ASM2D的A2O工艺数学模拟和优化策略研究.pdf

fiilll rllrlli i r l lr r l l l l l l li ii i r i l l l r l r l l f f y 18 8 0 3 6 2 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：立经 日期：21 ! 上：超 j 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( ：遍导师( 捌盈丝醐型汐 摘要 为进一步控制水环境污染和加快实现污水资源化，我国对城镇污水处理厂 的排放标准日益严格。这不仅使新建的污水处理厂要遵循高排放标准，同时， 现有的污水处理厂也面临着十分紧迫的升级改造压力。a 2 o 工艺是目前我国城 镇污水处理厂普遍采用的一种同步生物脱氮除磷技术，因此，运用a s m 2 d 数学 模型对a 2 o 工艺进行模拟，分析优化a 2 o 工艺控制方法和最佳工艺技术参数， 以进一步挖掘现有各处理单元的潜能，具有重要的理论与现实意义。 本文以武汉市龙王嘴污水处理厂生物处理系统进水水质特性为研究对象。 连续1 年的常规水质指标分析结果表明，龙王嘴污水处理厂进水中各污染物指 标( 除n h 3 - n 外) 变化幅度较大，随季节变化明显，分为两个阶段。第一阶段， 2 0 0 9 年1 2 月至2 0 1 0 年6 月进水中各污染物指标均较高，c o d c r 、b o d s 、s s 、 t n 、t p 及p 0 4 3 平均值分别为：3 8 7 8 m g l 、2 6 5 9m g l 、3 7 6 9m g l 、4 0 6 6m g l 、 8 2 0m g l 和2 0 7m g l ：第二阶段，2 0 1 0 年7 月至2 0 1 0 年1 1 月进水中各污染 物指标均较低，上述各指标平均值分别为：19 6 8 m g l 、1 2 2 3m g l 、13 8 4m g l 、 2 5 7 5m g l 、3 8 7m g l 和1 5 6m g l ；n h 3 - n 受环境因素影响不大，全年平均值 为1 8 7 5 m g l 。基于a s m 2 d 模型对龙王嘴污水处理厂进水水质组分进一步划分， 结果表明，当进水c o d 小于3 5 0 m g l 时，溶解性惰性不可降解有机物s i 、易生 物降解有机物s f 、挥发酸s a 、颗粒性慢速可生物降解有机物x s 以及颗粒态惰性 不可生物降解有机物x i 占进水总c o d 的比例分别为7 2 、1 0 9 、7 3 、5 0 9 和2 3 7 ；当进水c o d 大于3 5 0 m g l 时，该比例分别为2 6 、6 5 、4 3 、 2 9 7 和5 6 9 。 建立了一套与龙王嘴污水处理厂工艺参数相同的2 4 m 3 d 中试装置，利用物 料平衡，分析研究了内回流比( 3 0 0 、2 0 0 、1 0 0 和o ) 对污染物在a 2 o 工艺中迁移转化及脱氮除磷性能的影响。试验表明，回流比对出水c o d 、b o d 5 、 s s 以及n h 3 n 的影响不大，但增大内回流比有助于硝化速率的提高，四种工况 条件下的平均硝化速率分别为1 0 4 9 n h 3 - n ( k g l v i l v s s d ) 、1 0 2 9 n h 3 - n ( k g m l v s s d ) 、8 9 9 n h 3 - n ( k g m l v s s d ) 和8 6 9 n h 3 - n ( k g m l v s s d ) 。在本 试验中，在有内回流比条件下，内回流比对t n 的去除效果影响不大，但随着内 回流比的减小，t n 在选择区、厌氧区的去除百分比逐渐减小；在无内回流的条 件下，好氧区第一廊道存在着明显的s n d 损失现象，占t n 去除百分比的3 3 4 。 在本试验中，随着内回流比的减小，t p 和p 0 4 3 的去除率逐渐减小，缺氧区存在 反硝化除磷的现象，并随着内回流比的减小而增大，而在好氧池除磷的百分比 随着内回流的减小而减小。 运用课题组自主研发的基于a s m s 的活性污泥法工艺模拟软件，首先对中 试模型进行了初步模拟及校准，结果表明，异养菌的产率系数y h 对系统脱氮除 磷模拟有显著影响，硝化自养菌的最大生长速率i t a r u 对出水n h 3 - n 有较大的影 响。校正后的模型模拟值与实测值符合较好，其中模拟出水c o d 、t n 和n 0 3 的相对误差分别为：3 2 、1 2 和6 5 ，由于模拟出水t p 、p 0 4 3 。和n h 3 - n 本 身值比较小，但其绝对误差均在0 3 m g l 以下，在正常范围内。建立的模型可以 较好地模拟工艺的运行，能够基本满足中试系统对脱氮除磷趋势的分析。 其次，利用校正后的模型，对中试系统进行工艺优化时发现，在进水污染 物浓度较低的情况下，内回流比宜为5 0 1 0 0 ，污泥回流比宜为5 0 - 7 5 ，好 氧池d o 宜控制在1 5 2 0 m g l 范围内，可得到较好的出水水质，并可节省能 耗。同时，中试系统生物处理单元处理能力具有很大提升空间。 关键词：a 2 o 工艺；脱氮除磷；水质特性；内回流比；a s m 2 d ；优化策略 a b s t r a c t i no r d e rt ot a k ef t u r t h e rm s u r e st oc o n t r o lt h es e r i o u sw a t e rp o l l u t i o no ft h e e n v i r o n m e n ta n ds p e e du pt h ep r o c e s so fc o n v e r t i n gw a s t e w a t e ri n t or e s o u r c e s ， i n c r e a s i n g l ys t r i n g e n te m i s s i o ns t a n d a r d sf o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s a r ef o r m u l a t e di no u rc o u n t r y n o to n l yt h ew ，1 p sw h i c ha r eg o i n gt ob eb u i l th a v e t 00 b e yt h eh i g he m i s s i o ns t a n d a r d s ，b u tt h ee x i s t i n gw w t p sa r ea l s of a c i n gav e r y u r g e n tp r e s s u r eo fu p g r a d i n ga n dt r a n s f o r m a t i o n a tp r e s e n t , a 2 op r o c e s sh a sb e e n g e n e r a l l ya c c e p t e da n dw i d e l ya p p l i e da so n eo ft h es i m u l t a n e o u sb i o l o g i c a ln u t r i e n t a n dp h o s p h o r u sr e m o v a l t e c h n o l o g i e s f o r w 啊仃p s i no u rc o u n t r y , t h e r e f o r e , m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o no ft h ea 2 op r o c e s sb a s e do na s m 2 d ，a n a l y s i st h e o p t i m i z a t i o no fc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dt h eb e s tt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fa 2 op r o c e s s f i l r t h e re x c a v a t i n gt h ep o t e n t i a lo fe a c he x i s t i n gp r o c e s su n i t s ，a l le n j o yi m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f i r s to fa l l ，t h ei n f l u e n t i a lw a t e rq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb i o l o g i c a l t r e a t m e n ts y s t e mo fl o n g w a n g z u iw w t pi nw u h a nw e r ea n a l y s i s e di nt h ep a p e r t h ec o n t i n u o u so n e - y e a ra n a l y s i so ft h ec o n v e n t i o n a lw a t e rq u a l i t yh a ds h o v mt h a t t h ec o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n ti n d e x ( e x c e p tt h en h 3 - n i n d e x ) i nt h ei n f l u e n ti so f g r e a tv a r i a t i o na l o n gw i t ht h es e a s o n a lc h a n g ea n dc o u l db ed i v i d e di n t ot w oo b v i o u s s t a g e s t h ec o n c e n t r a t i o no fv a r i o u sp o l l u t a n ti n d e xi sh i g hf r o md e c e m b e r2 0 0 9t o j u n e2 0 1 0 ，a n dc o d e r , b o d s ，s s ，t n ，t pa n dp 0 4 o ft h ei n f l u e n ta r e3 8 7 8m e l , 2 6 5 9i n 班，3 7 6 9m e l ，4 0 6 6m e l ，8 2 0m e la n d2 0 7m e lr e s p e c t i v e l yi n a v e r a g e t h ec o d e r , b o d 5 ，s s ，t n ，t pa n dp 0 4 弘o f t h ei n f l u e n tf r o mj u l y2 0 1 0t o n o v e m b e r2 0 1 0 ，a r e1 9 6 8m e l ，1 2 2 3m g ，l ，1 3 8 4m e l , 2 5 7 5m e l ，3 8 7m e l a n d1 5 6m e lr e s p e c t i v e l yi na v e r a g e ，w h i c hs h o w st h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fv a r i o u s p o l l u t a n ti n d e xi sl o w e n v 打o n m e n m lf a c t o r sh a v el i t t l ee f f e c to nt h en h 3 - ni n d e x , w i t l li t sa n n u a la v e r a g ec o n c e n t r a t i o ns t a n d i n ga t18 7 5m e l f u r t h e ra n a l y s i so ft h e w a t e rq u a l i t yo ft h ei n f l u e n ti nl o n g w a n g z u iw w t pw e r ec o n d u c t e da c c o r d i n gt o a s m 2 ds t a n d a r d s ，a n di ts h o w st h a tw h e nt h ei n f l u e n tt o t a lc o dw a sl e s st h a n3 5 0 m g l ，s bs f s a x sa n dx tt a k eu p7 2 ，l0 9 ，7 3 ，5 0 9 a n d2 3 7 o ft o t a l c o di na v e r a g er e s p e c t i v e l ya n dw h e ni ti sg r e a t e rt h a n3 5 01 1 1 扎s l ，s t , s a x sa n d i i i x it a k eu p2 6 ，6 5 ，4 3 ，2 9 7 a n d5 6 9 o ft o t a lc o di na v e r a g er e s p e c t i v e l y a2 4n l j dp i l o tp l a n tw i t ht h es a m ep r o c e s sp a r a m e t e r sw i t hl o n g w a n g z u i w w t pw a se s t a b l i s h e d 。t h em i g r a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no ft h ep o l l u t i o ni nt h e 醚| o p r o c e s s ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lw e r es t u d i e da n d a n a l y s i s e du s i n gm a t e r i a lb a l a n c em e t h o du n d e rd i f f e r e n ti n t e r n a lr e c y c l er a t i o ， n a m e l y3 0 0 ，2 0 0 ，1o o a n do t h er e s u l ts h o w e dt h a t ，t h ei n t e r n a lr e c y c l er a t i o h a dl i t t l ee f f e c to nt h ee f f i u e n tc o d ，b o d 5 ，s sa n dn h 3 - n ，h o w c v e r , r a i s i n gi n t e r n a l r e c y c l er a t i oh a dc o n t r i b u t e dt ot h ei n c r e a s eo ft h en i t r i f i c a t i o nr a t e ，t h ea v e r a g e n i t r i f i c a t i o nr a t e sw e r e 1 0 4 9 n h 3 - n ( k g m l v s s 。d ) ，1 0 2 9 n h 3 - n ( k g m l v s s d ) ， 8 9 9 n h 3 - n ( k g m l v s s d ) ，8 6 9 n h 3 - n ( k g m l v s s d ) r e s p e c t i v e l yu n d e rt h ef o u r d i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s i nt h i si s s u e , i n t e r n a lr e c y c l er a t i o sh a df i t t l ee f f e c t0 1 1 t h et nr e m o v a lb u tw i t ht h ed e c r e a s eo ft h ei n t e r n a lr e c y c l er a t i o ，t nr e m o v a lr a t e s i np r 争a n o x i ca n da n a e r o b i cz o n ew a sr e d u c e dg r a d u a l l y ；, i nt h ea b s e n c eo ft h e i n t e r n a lr e c y c l er a t i o ，t h e r ew a sa no b v i o u sp h e n o m e n o no fs n dl o s ei nt h ef i r s t c o r r i d o ro f t h ea e r o b i cz o n e ，w h i c ha c c o u n t e df o r3 3 4 o ft nr e m o v a l i nt h i ss t u d y , a l o n gw i t ht h ed e c r e a s eo f t h er e f l u xr a t i o ，t h er e m o v a lr a t eo ft pa n dp 0 4 3 d e c r e a s e d , a n dt h e r ew a sa n o x i cd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a li nt h ea n o x i cz o n e ，w h i c h i n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s e o ft h e r e f l u xr a t i o h o w e v e r , t h ep e r c e n t a g eo f p h o s p h o r u sr e m o v a li nt h ea e r o b i ct a n kd e c r e a s e d 、析mt h ed e c r e a s eo ft h ei n t e r n a l r e c y c l er a t i o t h ei n i t i a ls i m u l a t i o na n dc a l i b r a t i o no ft h ep i l o ts y s t e mw a sf i r s t l yt e s t e dw i t l l t h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s ss i m u l a t i o ns o i w a r eb a s e do nt h ea s m sw h i c hw a s d e v e l o p e db yt h er e s e a r c hg r o u po fw h u t 1 1 圮r e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h ey i e l d c o e f f i c i e n t so fh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i a h ) h a ds i g n i f i c a n ti m p a c to nt h es i m u l a t i o no f t h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，w h i l et h em a x i m u mg r o w t hr a t eo fa u t o t r o p h i c i l i t r i 助n gb a c t e r i a ( i x a r o ) h a dg r e a ti m p a c to nt h en h 3 ni ne f f l u e n t n es i m u l a t e d v a l u e so ft h ec a l i b r a t e dm o d e lc o n f o r mt ot h em e a s u r e dv a l u e sv e r yw e l l ；t h er e l a t i v e e r r o r so ft h ee f f l u e n tc o d ，t na n dn 0 3 w e r e3 2 ，1 2 a n d6 5 ，r e s p e c t i v e l y 1 1 1 ea b s o l u t ee l t o ro ft h es i m u l a t e dt p , p 0 4 3 - a n dn h 3 - nv a l u eo fe f f l u e n tw a sl e s s t h a n0 3 m g l ，w h i c hi t s e l fi sr e l a t i v e l ys m a l la n db e l o wt h en o r m a lr a n g e t h e r e f o r e , t h em o d e lc o u l ds i m u l a t et h eo p e r a t i o no ft h ep r o c e s sw e l l ，w h i c hc o u l db a s i c a l l y r e f l e c tt h et r e a t m e n tt e n d e n c yo ft h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a li np i l o t i v s y s t e m s e c o n d l y , 诵n lt h eh e i po fc a l i b r a t e dm o d e ls y s t e mf o rp r o c e s so p t i m i z a t i o ni n p i l o ts y s t e m , i tw a sf o u n dt l l a ：t i nt h ec a s eo f t h el o wc o n c e n t r a t i o n so fp o l l u t a n t si n i n f l u e n t ，t h ei n t e r v a lr e c y c l er a t i oo f5 0 t o10 0 w a sa p p r o p r i a t e ，t h es l u d g er b e t l l l - n r a t i oo f5 0 t o7 5 c o u l dw a sa p p r o p r i a t e ，a n dt h ed oo f1 5 - - , 2 0 m g li nt h e a e r o b i ct a n kw a sa p p r o p r i a t e a sw e l l ，w h i c hw o u l db ee f f e c t i v et oo b t a i nt h eb e t t e r w a t e rq u a l i t ya n ds a v ee n e r g yc o n s u m p t i o n b e s i d e s ，t h ec a p a c i t yo ft h eb i o l o g i c a l t r e a t m e n tu n i to ft h ep i l o ts y s t e ma l s oh a dg r e a tp o t e n t i a lf o ri m p r o v e m e n to nt r e a t i n g w a s t e w a t e r k e yw o r d s ：a 2 op r o c e s s ；p h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a l ；w a s t e w a t e r c h a r a c t e r i z a t i o n ；i n t e r n a lr e c y c l er a t i o ；a s m 2 d ；o p t i m i z a t i o ns t r a t e g i e s v 目录 摘要。i a l s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题来源及研究背景1 1 1 1 课题来源1 1 1 2 研究背景1 1 1 3 研究目的和意义2 1 2 生物脱氮除磷基本原理4 1 2 1 生物脱氮基本原理。4 1 2 2 生物除磷基本原理5 1 2 3 同步脱氮除磷基本原理6 1 3a 2 o 工艺原理和主要影响因素分析7 1 3 1 工艺概述7 1 3 2a 2 o 工艺脱氮除磷原理8 1 3 3 影响a 2 o 工艺脱氮除磷的主要因素。9 1 4 数学模拟技术的研究进展1 2 1 4 1 国外研究现状1 3 1 4 2 国内研究现状。1 4 1 4 3 数学模拟技术的发展前景。1 5 1 5 主要研究内容及技术路线。l5 1 5 1 主要研究内容1 5 1 5 2 技术路线16 第2 章试验材料与方法1 7 2 1 试验装置17 2 1 1 中试试验的目的1 7 2 1 2 中试系统的设计1 7 ， 2 1 3 中试系统的进水2 0 2 2 分析项目及检测方法2 0 第3 章龙王嘴污水处理厂进水水质特性研究。2 1 v i 3 1 常规进水水质指标监测2 l 3 1 1 监测点的选取2 l 3 1 2 监测周期、指标和取样频率。2 l 3 2 常规进水水质指标监测结果及分析。2 1 3 2 1 常规进水水质指标监测结果2 l 3 2 2 常规进水水质指标监测结果分析。2 4 3 3a s m 2 d 模型进水水质组分监测3 0 3 3 1a s m 2 d 模型对进水水质组分测定的要求3 0 3 3 2a s m 2 d 模型进水水质组分的测定方法3 2 3 4a s m 2 d 模型进水水质组分监测结果及分析3 5 3 4 1 污水中有机部分的测定结果及分析3 5 3 4 2 污水中其他组分的测定结果及分析4 0 3 5 本章小结4 2 第4 章内回流比对a 2 o 工艺性能影响的中试研究4 4 4 1 中试系统的运行工况介绍4 4 4 2 内回流比对a 2 o 工艺性能影响的分析方法4 4 4 3 内回流比r 对有机物、悬浮物去除效果的影响4 5 4 4 内回流比r 对氮去除效果的影响。4 8 4 4 1 内回流比r 对n i l 3 - n 去除效果的影响4 9 4 4 2 内回流比r 对t n 去除效果的影响5 l 4 5 内回流比r 对磷去除效果的影响5 5 4 6 本章小结5 8 第5 章a 2 o 工艺的a s m 2 d 数学模拟及优化策略研究6 0 5 1 基于a s m s 活性污泥工艺模拟软件介绍6 0 5 1 1 模拟软件的功能构成。6 l 5 1 2 模拟软件的主要应用领域6 l 5 2 中试系统流态试验6 2 5 2 1 试验方法6 2 5 2 2 试验步骤。6 2 5 2 3 试验结果与分析6 2 5 3 中试系统数学模拟模型的建立“ 5 a 中试系统数学模拟模型的校准和验证6 5 v i i 5 4 1 初步模拟分析6 5 5 4 2 模型参数校准6 6 5 4 3 模型验证6 7 5 5a 2 o 工艺的模拟优化研究6 8 5 5 1 内回流比模拟优化6 9 5 5 2 污泥回流比模拟优化6 9 5 5 3 好氧池d o 模拟优化7 0 5 5 4 进水流量模拟优化7 l 5 6 本章小结。7 2 第6 章结论与建议7 3 6 1 结论 6 2 问题与建议7 4 参考文献7 6 致谢8 2 作者在攻读硕士期问发表的学术论文8 3 v i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究背景 1 1 1 课题来源 本课题来源于国家十一五水体污染控制与治理科技重大专项研究任务一 “活性污泥处理系统单元优化控制技术研究与综合示范 ( 2 0 0 8 z x 0 7 317 0 0 2 0 1 0 2 ) 。 1 1 2 研究背景 水资源是人类社会可持续发展的命脉。然而进入2 1 世纪以来，随着经济和 城市化进程的高速发展，用水和污水排放量均急剧增加，从而使我国淡水资源短 缺和水环境污染的问题日益严重，其中由氮、磷等过量的植物性营养元素引起的 水体富营养化问题最为突出【1 1 。水体富营养化促进水体中藻类的过量生长，使饮 用水产生异味，并且降低水体的透明度，使得水中d o 也随之减少，对水体正常 的生态平衡造成破坏，导致水生生物的多样性和稳定性降低。此外，许多藻类能 够分泌并释放有毒有害的藻毒素，不仅危害动物，而且对人类的健康会产生严重 影响【2 】。 近年来，随着国家和各级地方政府不断加大对水污染控制的力度，我国城 镇污水处理工程进入快速增长阶段。截至2 0 1 0 年9 月底，我国城镇累计建成污 水处理厂2 6 31 斛3 1 ，全年城镇污水处理率已经达到7 6 9 ，比上一年提高1 6 个 百分点；城市污水处理厂日处理能力达1 0 2 6 2 万立方米，比上年末增长1 3 4 【4 】。 但是，目前地表水污染仍然不容乐观，一些封闭、半封闭水域，如湖泊、水库等， 富营养化程度仍较为严重。并且，从全国废水排放总量上来看，城市生活污水的 污染比重变得越来越突出。2 0 0 6 - , 2 0 0 9 四年期间，生活污水排放n h 3 - n 的比重 分别为6 9 9 、7 4 3 、7 6 6 和7 7 7 。在国家加大对工业废水处理力度的同时， 城市污水已经成为水体污染的最大源头【3 一。因此，城市生活污水中氮磷的有效 去除，对整体上减轻水体污染、控制水体富营养化等问题具有重要的作用和意义， 而城市污水处理厂在这一过程中扮演重要的角色。 城市污水水质浓度高低是污水处理厂工艺流程选择和设计的前提，充分了 解城市污水水质特征，以便合理确定污水处理对策，对节省污水处理厂工程建设 投资和运行费用，具有至关重要的作用【5 l 。同时，污水的成分根据地区、时间、 武汉理工大学硕士学位论文 气候、季节、生活消费习性等不同，表现出显著的时变特征。根据脱氮理论，微 生物需要2 8 6 m g 碳源( 以b o d 5 计) 才可以反硝化l m g 的硝酸根氮，再加上微 生物自身生长所需要的碳源，实际c n 4 0 以上时才能实现高效脱氮【6 ，7 】，同时 当c p 2 0 时生物除磷作用才比较明显【8 一，除磷也需要碳源。因此，脱氮除磷的 工艺系统需要的碳源会更高。由于目前我国大部分污水处理厂都存在碳源短缺的 问题，在一定程度上影响了污水处理厂效能的充分发挥。 从几个典型的城市污水处理厂【i o - 1 3 】实际进水水质来看，可生化性普遍较高， b c 在0 5 左右，但b o d d t n t p 比值较低。因此，碳源不足会导致脱氮除磷工 艺难以达到设计的脱氮除磷效果，实际应用中氮、磷的排放都难以达到国家一级 排放标准。这些矛盾在处理碳、氮、磷比例失调城市污水时尤为明显。以徐州为 例，徐州市城市污水组分中的c n p 比例明显失调，b o d 5 值为8 0 一1 0 0 m g l ， 总氮值为3 5 - - 4 0m g l ，总磷值为4 - 5 m g l ，c n 、c p 比值分别为2 - 3 2 和1 6 - 2 5 ，存在碳源偏低的现象。 目前我国环境污染状况改善速度较慢，一个重要的原因就是由于现有已建 的污水处理厂不能充分发挥处理效能。我国的经济水平相对于发达国家还有一定 的差距，用于水污染治理的资金还很短缺，污水处理厂高额的运行维护管理费用 使得许多已建的污水处理厂不能正常运转、超标排污。这不仅浪费了国家大量资 金投入，更会将原来分散的排污变成集中的排污，污染治理单位变为新的污染大 户，成为影响群众生产生活的又一突出环境问题。同时，城市污水处理是能源密 集的行业，污水处理厂运行维护管理费用是庞大的、长期的。有资料表明，在常 规的城市污水处理厂的运行成本中( 包括折旧费等) ，电费约占1 3 多，污水生 物处理系统中曝气电耗则占全厂电耗的5 0 - 6 0 t 】。如果通过有效的控制能将城 市污水处理厂的运行费用节省1 ，总节省量也是个天文数字，因此，研究和开 发城市污水处理系统的运行优化和节能降耗的过程控制技术具有重要理论和现 实意义。 1 1 3 研究目的和意义 我国从2 0 0 3 年7 月1 日开始实施的城镇污水处理厂污染物排放标准 ( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 中，对c o d 、t n 、t p 以及n h 3 - n 指标均作了更严格的控 制，也就对城市污水处理技术提出了更高的要求。2 0 0 6 年，我国对城镇污水 处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 作出修改，其中明确规定：城镇污水处 理厂出水排入国家和省确定的重点流域及湖泊、水库等封闭、半封闭水域时，执 行一级标准的a 标准。各地方也根据当地实际情况制定了地标，如太湖流域， 其污水处理厂就制订全国最严格的太湖流域城镇污水处理厂主要水污染排放限 2 武汉理工大学硕士学位论文 值，并从2 0 0 8 年1 月1 日起执行。2 0 0 8 年，重点流域地区的污水处理厂进一 步提高出水水质要求，部分城市污水处理厂出水要求达到一级a 标准。不仅新 建城市污水处理厂需要遵循高排放标准，已有的污水处理厂也面临着迫在眉睫的 升级改造压力。 从全国污水处理厂建设总的趋势来看，2 0 世纪8 0 年代建设的城市污水处理 厂主要采用普通活性污泥法及其改良工艺；2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初随着除 磷脱氮要求的提出，a 2 o 工艺因其较好的除磷脱氮效果而逐渐应用于城市污水 处理之中。a 2 o 工艺相对于其他的同步脱氮除磷工艺，具有设计运行经验成熟、 构造简单、总水力停留时间短、控制复杂性小和不易产生污泥膨胀等优点【l 习，是 城市污水脱氮除磷污水处理厂设计时优先考虑的工艺之一。可以预见，在没有更 好的生物脱氮除磷工艺出现之前，在较长的一段时期内，国内各种规模的城市污 水处理厂仍会以a 2 o 工艺原理为主导来设计、修建。 武汉市龙王嘴污水处理厂座落于武昌雄楚大道南侧、南湖之滨的关山村， 总占地约1 3 3 公顷，服务范围为关东工业园及华中科技大学以西、石牌岭路以 东、南湖南路以北、鲁磨路以南的地区，服务人口4 0 6 万。该厂设计总处理规 模为1 5 万m 3 日，采用改良型a 2 o 工艺，其工艺流程如图1 1 所示。 混合液回流投加p a c 回流污泥剩余污泥 图1 - 1 龙王嘴污水处理厂工艺流程图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f l o n g w a n g z u iw w t pp r o c e s s 龙王嘴污水处理厂尾水排入半封闭式的南湖，但出水只能满足一级b 标准， 达不到国家提标后的排放要求；南湖水质现为劣v 类，达不到规划的类水体 要求；无论从国家要求还是从南湖水质改善需求，都需要对该厂进行升级改造。 同时，南方城市湖泊众多，许多污水处理厂尾水排入封闭、半封闭式湖泊或交换 能力差的湖泊，而且工艺及出水水质与龙王嘴污水处理厂相似。因此，对龙王嘴 污水处理厂进行升级改造，得到a 2 o 工艺污水处理厂升级改造的共性技术集成， 对武汉以及附近城市具有较好的示范作用。 本论文基于a s m 2 d 数学模型，通过划分城市污水水质，应用a s m 2 d 数 学模拟软件对在城市污水处理厂中广泛采用的a 2 o 工艺各处理构筑物单元的降 3 武汉理工大学硕士学位论文 解过程进行模拟仿真和工艺运行诊断分析。并针对现有的城市污水脱氮除磷的现 状及问题，探讨在不同条件下的最佳运行模式，提出a 2 o 工艺的脱氮除磷性能 优化策略。同时，针对污水处理厂运行能耗