出　　自： 《中國(guó)給水排水》 1997年第1期第6頁(yè)
發(fā)表時(shí)間： ： 1997-1

黃勇；楊銓大

( 蘇州城建學(xué)院)王寶貞(哈爾濱建筑大學(xué))

摘要：采用描述濃縮過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型，對(duì)二次沉淀池在幾種典型輸入條件下瞬變過(guò)程的特性進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果表明，輸入的變化幅度、方式和過(guò)程都可能影響瞬態(tài)響應(yīng)的特性，并對(duì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的工況造成極大影響。模擬結(jié)果證實(shí)了模型能夠描述污泥沿沉淀池深的分布，預(yù)測(cè)污泥濃縮性能和有關(guān)參數(shù)的變化，從而顯示了它在活性污泥系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制研究中的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：二沉池；動(dòng)態(tài)模擬；瞬變響應(yīng)；運(yùn)行控制

　　二沉池的運(yùn)行對(duì)整個(gè)活性污泥工藝系統(tǒng)的處理效果有重要影響，有時(shí)可能成為整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的制約因素。從工藝的角度，二沉他的工作狀態(tài)和性能受入流的水力負(fù)荷、固體負(fù)荷、污泥沉降性能和底流排泥量等運(yùn)行因素的影響。在這些干擾因子中，入流的污泥濃度是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)重要狀態(tài)變量，取決于來(lái)自進(jìn)水和回流管線的固體物質(zhì)量以及曝氣池中生長(zhǎng)和降解作用引起的污泥量變化；污泥的沉降性能主要取決于生物反應(yīng)系統(tǒng)的狀態(tài)和環(huán)境因素。它們的變化往往是漸進(jìn)的，而不具備突發(fā)性。這里，試圖通過(guò)考察二沉池對(duì)幾種來(lái)自系統(tǒng)之外的輸入變化所產(chǎn)生的瞬變響應(yīng)特性，揭示在變化工作條件下各種功能發(fā)揮的情況，為其運(yùn)行控制提供有益的啟示。同時(shí)，也顯示應(yīng)用模型模擬動(dòng)態(tài)行為的效能和應(yīng)用價(jià)值。

1 模擬系統(tǒng)概述
　　 以完全混合活性污泥工藝系統(tǒng)作為模擬對(duì)象。模擬系統(tǒng)的有關(guān)工藝數(shù)據(jù)見表1。

　　為了簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，假定系統(tǒng)的剩余污泥從曝氣池中排除，曝氣池的生物反應(yīng)對(duì)系統(tǒng)中污泥量變化的影響忽略不計(jì)。這樣，曝氣池中的污泥量變化
　 　V dx/dt=Q u X u -(Q+Q u )X(1)
　　式中 V——曝氣池容積
　　X——曝氣池懸浮固體濃度
　　Q——曝氣池進(jìn)水流量
　　X u ——回流污泥濃度
　　Q u ——回流量
　　根據(jù)擁擠沉降的特性，二沉池模型中定義了一個(gè)Φ p 函數(shù)描述沉降固體通量所傳遞的懸浮固體量，即:
　　Φ p，i =min(φ s，i φ s，i+1 X i ≥X t (2)
　　式中 φ s ——根據(jù)濃度-通量函數(shù)關(guān)系計(jì)算得到的沉降通量
　　在模擬過(guò)程中，為避免函數(shù)的不連續(xù)性給數(shù)學(xué)處理過(guò)程造成麻煩，采用近似式(2)的連續(xù)式
　　Φ p，i =(1-a)φ s，i +aφ s，i+1 (3)
　　式中 a——為一開關(guān)函數(shù)，定義為

　　β——任意正值常數(shù)
　　表2給出了模擬研究的背景數(shù)據(jù)并以此為基礎(chǔ)，探討輸入和操作變量的特定變化導(dǎo)致二沉池出現(xiàn)瞬變過(guò)程的一系列特性，包括濃縮污泥區(qū)高度、污泥濃度的分布、底流(回流)污泥濃度的瞬變過(guò)程，以及由此造成曝氣池污泥濃度的波動(dòng)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定Xt值為0.8g/L；因此，所得污泥區(qū)高度≥這一濃度污泥層在沉淀池中的最高位置。

2 模擬結(jié)果和分析
　　 2.1 流量的階躍變化

　　圖1是兩種不同幅度的流量階躍增加產(chǎn)生的響應(yīng)情況。在流量提高幅度不大(20%)的情況下，污泥區(qū)迅速向上擴(kuò)展，這是由于輸入固體負(fù)荷的增加超過(guò)了沉淀池面積允許通過(guò)的固體通量，導(dǎo)致污泥在上層積累，結(jié)果使底流污泥濃度降低。而曝氣池由于流量的增大和回流污泥量減小，污泥濃度也逐漸地降低，從而減小了進(jìn)入沉淀他的固體負(fù)荷。于是，上層積累的污泥開始向下輸送，污泥層高度得以下降，底流濃度回升，阻止了曝氣池污泥濃度的進(jìn)一步降低，直至達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。這一變化的最終效應(yīng)是部分污泥轉(zhuǎn)移到沉淀池中，污泥層高度上升，但仍處于進(jìn)水口以下；回流污泥濃度略有降低，曝氣池污泥濃度則明顯下降。
　　但當(dāng)出現(xiàn)較大幅度的流量陡增(40%)時(shí)，會(huì)使沉淀池受到更為持久的沖擊。曝氣池污泥濃度的逐漸降低不足以抵消流量提高引起固體負(fù)荷的增大，沉淀池截面始終無(wú)法將入流帶來(lái)的污泥全部輸送到底部進(jìn)行良好的濃縮。污泥持續(xù)在上層積累，導(dǎo)致污泥區(qū)高度進(jìn)步上升；與此同時(shí)，回流污泥濃度明顯降低，致使曝氣池中的污泥繼續(xù)被進(jìn)水所稀釋呈現(xiàn)持續(xù)的降低，大量污泥從曝氣池轉(zhuǎn)移到二沉池中。污泥層高上升達(dá)到出水堰，部分污泥將隨出水流失，造成系統(tǒng)內(nèi)污泥總量的減少；進(jìn)水固體負(fù)荷的不斷減小將使得上層污泥得以緩慢地濃縮而向下傳遞，污泥層高開始漸漸下降，最終達(dá)到穩(wěn)定。值得注意的是后來(lái)的污泥濃縮、泥層回落的過(guò)程不會(huì)對(duì)底流的輸出產(chǎn)生影響。
　　2.2 流量的漸增變化
　　當(dāng)流量漸增20%時(shí)，固體負(fù)荷逐漸增大。污泥濃縮過(guò)程能夠完全適應(yīng)這種變化，使得轉(zhuǎn)移到二沉池中的污泥都得到充分的濃縮，底流的污泥濃度增大，補(bǔ)償了進(jìn)水流量提高產(chǎn)生的稀釋作用，曝氣池污泥濃度僅略有降低。沉淀池中污泥區(qū)的高度始終沒(méi)有發(fā)生變化，只是其中的污泥濃度增高了。
在流量漸增40%的情況下，開始時(shí)入流的固體負(fù)荷還能夠被容納，污泥濃縮作用良好，底流污泥濃度得以提高；一旦固體負(fù)荷的增大超過(guò)了允許的通量，很快就會(huì)出現(xiàn)污泥在沉淀池上層的積累，濃縮效果惡化，回流污泥濃度迅速下降，最終仍然穩(wěn)定到與階躍變化相同的水平。模擬的結(jié)果指出，即使延長(zhǎng)漸增過(guò)程的持續(xù)時(shí)間，流量的增加速率放慢仍不能避免最終出現(xiàn)同樣的結(jié)果。這說(shuō)明在流量變化致使進(jìn)入沉淀他的固體負(fù)荷超過(guò)了極限固體通量情況下，瞬變過(guò)程將不會(huì)影響最終達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)。
　　2.3 回流量的階躍變化
　　回流量是一個(gè)重要的運(yùn)行操作變量，它可能被當(dāng)做一種過(guò)程控制的手段?；亓髁繙p小使得污泥在沉淀池中停留時(shí)間延長(zhǎng)，濃縮作用得到加強(qiáng)，從而增大了底流的污泥濃度。但由于流量的減小，總的結(jié)果是污泥從曝氣池向二沉池發(fā)生凈轉(zhuǎn)移，曝氣池污泥濃度降低。與之相反，增大回流量將致使污泥從二沉池向曝氣池凈轉(zhuǎn)移。盡管因?yàn)榭s短了停留時(shí)間而不利于濃縮，回流污泥的濃度降低了，最終結(jié)果仍然會(huì)是曝氣池污濃度的提高。
　　應(yīng)該注意的是，曝氣池污泥濃度的提高和回流量的增大都將使沉淀池的入流固體負(fù)荷提高。一旦超過(guò)了極限固體通量，就會(huì)出現(xiàn)截然不同的瞬變過(guò)程以及最終達(dá)到的穩(wěn)態(tài)結(jié)果。在所給的特定條件下，曝氣池污泥濃度經(jīng)歷了先升高或下降的過(guò)程后恰好穩(wěn)定在以前的基礎(chǔ)值上，這僅是巧合。此時(shí)，回流比提高的結(jié)果僅僅是導(dǎo)致沉淀池中污泥的重新分布，這一新的污泥分布既不利于污泥的濃縮過(guò)程也使運(yùn)行更加不穩(wěn)定，既可能造成污泥從二沉池向曝氣池凈轉(zhuǎn)移，也有可能出現(xiàn)相反方向的污泥轉(zhuǎn)移。
　　2.4 污泥沉降性能對(duì)二沉池運(yùn)行狀況的影響
　　以上的模擬結(jié)果是基于固定不變的污泥沉降性能。如果瞬變過(guò)程使得沉降性能發(fā)生變化，那么響應(yīng)特性也將不同。污泥的沉降性能更主要的是受到曝氣池工作狀態(tài)的影響，但二沉池的工藝性能與污泥的沉降、濃縮性能之間的相互作用也是不容忽視的。污泥的沉降、濃縮性能對(duì)二沉池的工藝性能及其動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有著決定性的影響。圖2a顯示了在表2給定的運(yùn)行條件下，不同的污泥沉降性能(SVI)所造成的污泥分布的差異。這種現(xiàn)象的后果之一是將導(dǎo)致不同的回流污泥濃度，使得曝氣池中的活性污泥量出現(xiàn)相當(dāng)大的差異。如圖2b所示，即使在同樣的流量輸入和操作條件下，曝氣池中的污泥量可能由于污泥沉降性能的不同從占整個(gè)系統(tǒng)污泥量的近90%下降到60%左右。這反過(guò)來(lái)會(huì)對(duì)生物反應(yīng)系統(tǒng)的工藝性能產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

　?、?對(duì)于一個(gè)特定系統(tǒng)而言，在相同的進(jìn)水流量Q和回流量Q u 輸入的條件下，可能產(chǎn)生不同的穩(wěn)態(tài)回流污泥濃度X u ，這是由于輸入變化過(guò)程的不同造成沉淀池中污泥分布的差異所致。污泥沉降性能的差異也會(huì)造成同樣的結(jié)果。
　　② 調(diào)節(jié)回流污泥的流量可以改變曝氣池和二沉池之間污泥量分配的平衡。一般地說(shuō)，回流量增加導(dǎo)致污泥從二沉池向曝氣池發(fā)生凈轉(zhuǎn)移，反之亦然。但如果回流量過(guò)大則無(wú)法達(dá)到預(yù)期的目的，甚至可能出現(xiàn)相反的結(jié)果。
　?、?二次沉淀池中污泥的分布反映了污泥濃縮效果的優(yōu)劣，也表明了運(yùn)行的穩(wěn)定性。良好運(yùn)行的二沉池的濃縮污泥層與低濃度污泥區(qū)之間有明顯的界限，其厚度不大，污泥濃度高而均一，接近底流污泥的濃度。而當(dāng)污泥區(qū)的濃度自下而上逐漸降低，污泥區(qū)高度接近或超過(guò)進(jìn)水口時(shí)，表明進(jìn)水負(fù)荷超出了濃縮能力。
　?、?模擬結(jié)果表明，污泥的沉降性能及輸入的水力負(fù)荷、固體負(fù)荷、排泥流量(回流量)等工藝參數(shù)，不僅影響沉淀池的工藝性能和動(dòng)態(tài)行為，還可能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的污泥分配產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。所以，在研究系統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)將二沉池視為理想的固液分離點(diǎn)的做法是不可取的。
上述模擬結(jié)果證實(shí)了濃縮過(guò)程模型能夠方便有效地描述二次沉淀池的工作狀態(tài)，預(yù)測(cè)其性能和參數(shù)變化，從而體現(xiàn)了它在活性污泥系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制研究中的應(yīng)用價(jià)值。模型也可用于污泥濃縮池的設(shè)計(jì)和過(guò)程分析。
(參考文獻(xiàn)略)

　　作者簡(jiǎn)介:黃勇 工學(xué)博士 副教授
　　通訊處:215008 蘇州城市建設(shè)環(huán)境保護(hù)學(xué)院
　　(收稿日期1995-05-04)
　?、賴?guó)家教委優(yōu)秀年輕教師基金資助項(xiàng)目。