廢水生物-生態(tài)聯(lián)合處理系統(tǒng)仿真與協(xié)同學(xué)優(yōu)化分析.pdf

1、本研究以活性污泥1號(hào)模型(ASM1)以及相關(guān)系列模型、厭氧生物處理模型和水生植物生態(tài)模型以及顆粒分層沉淀模型為基礎(chǔ)，建立了廢水生物/生態(tài)聯(lián)合處理模型，其中包括了生物處理子系統(tǒng)模型、生態(tài)處理子系統(tǒng)模型和沉淀與組分轉(zhuǎn)化子系統(tǒng)模型三個(gè)部分。通過(guò)MATLAB/Simulink軟件開(kāi)發(fā)工具箱，以Simulink的模塊式程序?qū)崿F(xiàn)該模型的數(shù)學(xué)表達(dá)，為系統(tǒng)模擬仿真和診斷提供了有力的工具。在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)流、能量流分析。并以物質(zhì)流和能量流為基礎(chǔ)

2、，根據(jù)協(xié)同學(xué)原理，通過(guò)調(diào)控系統(tǒng)信息流中的控制因素，滿足物質(zhì)流和能量流的局部最優(yōu)，從而使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到全局的最優(yōu)。其主要結(jié)論如下： 1)系統(tǒng)仿真：對(duì)于生物處理系統(tǒng)，根據(jù)一年中的溫度情況，分為冬季、夏季和春/秋季3個(gè)不同的運(yùn)行時(shí)段。其中，春/秋季運(yùn)行時(shí)段仿真效果最好，污染物仿真的平均誤差在10％以下；冬季運(yùn)行時(shí)段由于低溫對(duì)硝化和反硝化反應(yīng)的影響沒(méi)有在模型中得以體現(xiàn)，導(dǎo)致氮的仿真情況較差，平均誤差在13％左右；夏季運(yùn)行時(shí)段，由于暴雨影

3、響，使系統(tǒng)被稀釋、微生物含量下降，導(dǎo)致其COD仿真情況較差，平均誤差近17％，其他污染物仿真的平均誤差也高于前兩個(gè)運(yùn)行時(shí)段；對(duì)于生態(tài)處理系統(tǒng)，模型根據(jù)植物生長(zhǎng)特性，分為植物生長(zhǎng)時(shí)段和非植物生長(zhǎng)時(shí)段分別進(jìn)行仿真。由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性以及很低的進(jìn)水濃度，其仿真的平均誤差要高于生物系統(tǒng)(碳素仿真平均誤差在16％，氮素為18％左右)，但基本可以描述系統(tǒng)的處理效果和水質(zhì)波動(dòng)的趨勢(shì)。這也說(shuō)明模型尚存一些功能上的不足，有待進(jìn)一步的完善。 2

4、)物質(zhì)流：根據(jù)廢水生物/生態(tài)處理系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用單物質(zhì)區(qū)域觀察法將系統(tǒng)(在多級(jí)缺氧—好氧工藝下運(yùn)行)分為生物處理觀察區(qū)(其中包括預(yù)缺氧、缺氧、好氧和二沉池子觀察區(qū))與生態(tài)處理觀察區(qū)，對(duì)進(jìn)入每個(gè)(子)區(qū)域的碳素和氮素進(jìn)行物質(zhì)流分析，確定其盈虧量，分析形態(tài)間的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化過(guò)程。分別建立碳素和氮素在生物和生態(tài)處理區(qū)內(nèi)的收支平衡方程，分析這兩種物質(zhì)在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的流向和分配。在生物處理觀察區(qū)內(nèi)：進(jìn)入?yún)^(qū)域內(nèi)的碳素流向微生物量組成、能量、剩余污泥和出水4

5、個(gè)部分的質(zhì)量百分比分別為41％、30％、4％和11％；氮素流向微生物組成、反硝化去除、剩余污泥和出水4個(gè)部分的質(zhì)量百分比分別為17％、46％、3％和35％。在生態(tài)處理觀察區(qū)域，由于植物的生長(zhǎng)死亡影響著物質(zhì)流的平衡，并涉及到光能和生物能以及二者之間更為復(fù)雜的相互轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)過(guò)程，以目前的資料還無(wú)法建立碳素的流配圖；根據(jù)氮素的收支平衡方程，其流向植物生長(zhǎng)、微生物組成、反硝化去除以及沉滯和出水4個(gè)部分的質(zhì)量比例分別為7％、18％、18％和6

6、3％。 3)能量流：建立系統(tǒng)能量流分析的體系與環(huán)境。區(qū)分了人為環(huán)境和自然環(huán)境同系統(tǒng)發(fā)生的能量交換(暫不分析自然環(huán)境同體系發(fā)生的能量交換，即生態(tài)系統(tǒng))；根據(jù)廢水污染物中含有的能量，將污染物常規(guī)指標(biāo)同熱能值建立聯(lián)系，并以熱能作為一次能源；將系統(tǒng)內(nèi)其他能量形式，如操作設(shè)備所需或產(chǎn)生的電能、機(jī)械能等視為二次能量，并將其折算為一次能源，從而建立了系統(tǒng)能量流分析的基礎(chǔ)。以人為可控環(huán)境同體系的能量交換為重點(diǎn)，分別從攪拌單元、水泵單元和鼓風(fēng)機(jī)

7、單元分析了能量輸入特點(diǎn)及節(jié)省能量的運(yùn)行方式，建立能量輸入與體系運(yùn)行操作的關(guān)系。建立了采用多極缺氧-好氧((A)nO)工藝的生物處理系統(tǒng)在多種運(yùn)行工況下的能量流，分析能量的流向和分配比例。大部分能量在體系內(nèi)轉(zhuǎn)化為功和熱，這部分含量高達(dá)80-95％。這其中包括：因處理過(guò)程的不可逆反應(yīng)造成部分和因傳質(zhì)和其他輔助操作單元過(guò)量消耗部分(這兩部分比例需進(jìn)一步研究確認(rèn))。定義了目標(biāo)能量比，即被去除污染物所含能量占整個(gè)環(huán)境對(duì)體系的能量輸入總量比例。定義

8、了比能耗：每處理單位體積廢水所消耗的能量(kWh m-3)或去除單位重量的污染物(COD)所消耗的能量(kWh kg COD-1)。通過(guò)這兩個(gè)概念來(lái)分析系統(tǒng)能量的有效利用情況和進(jìn)行不同工藝間能耗比較，并據(jù)此確定了采用(A)nO工藝的生物處理系統(tǒng)能耗最低的運(yùn)行工況(比能耗為0.88 kWh m-3，目標(biāo)能量比29％)。以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步分析影響系統(tǒng)比能耗和能量有效利用的因素以及系統(tǒng)在四季運(yùn)行條件下不同工藝工況的能量流。針對(duì)不同的運(yùn)行目標(biāo)(以

9、去除有機(jī)物為主或脫氮為主)，和根據(jù)進(jìn)水不同特點(diǎn)(流量大或污染物濃度大)，在保證出水質(zhì)量的基礎(chǔ)上，從節(jié)省能耗的角度推薦出較優(yōu)的運(yùn)行工藝和工況。 4)系統(tǒng)協(xié)同學(xué)優(yōu)化：根據(jù)協(xié)同學(xué)原理，分別建立物質(zhì)流子系統(tǒng)、能量流子系統(tǒng)和信息流子系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)：其中物質(zhì)流子系統(tǒng)以出水中主要污染物(C、N)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)GB18918-2002(生物段)和GB3838-2002(生態(tài)段)為目標(biāo)函數(shù)；能量流子系統(tǒng)以物質(zhì)流達(dá)到目標(biāo)函數(shù)為限制條件，以系統(tǒng)比能耗

10、最低為目標(biāo)函數(shù)；信息流子系統(tǒng)以控制因素為調(diào)控手段，以協(xié)同物質(zhì)、能量流完成目標(biāo)函數(shù)為目標(biāo)函數(shù)。通過(guò)各子系統(tǒng)局部最優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的全局最優(yōu)。設(shè)定信息流中的控制因素，包括混合液回流比RN、污泥回流比R和好氧區(qū)溶解氧濃度DO。采用均勻設(shè)計(jì)的方法來(lái)分析信息流子系統(tǒng)中的控制因素對(duì)物質(zhì)流和能量流的影響；利用回歸分析、響應(yīng)曲面分析和相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析控制因素對(duì)物質(zhì)流子系統(tǒng)和能量流子系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的影響規(guī)律。通過(guò)聯(lián)合處理模型和能量流中的系統(tǒng)比