專(zhuān)利名稱(chēng)：一種卡努賽爾氧化溝工藝優(yōu)化調(diào)控方法
一種卡努賽爾氧化溝工藝優(yōu)化調(diào)控方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于廢水生物處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種卡努賽爾氧化溝工藝優(yōu)化調(diào)控方法。
背景技術(shù)：
隨著人口的增加、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及工業(yè)化步伐的加快，我國(guó)污水的排放量與日俱增，截至2010年我國(guó)生活污水排放總量達(dá)379. 6億m3。針對(duì)污水排放量逐年遞增的態(tài)勢(shì)， 我國(guó)加大了城市污水處理廠(chǎng)建設(shè)的力度，截至2010年9月底，全國(guó)設(shè)市城市、縣及部分重點(diǎn)建制鎮(zhèn)已經(jīng)累計(jì)建成城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)2630座，總處理能力達(dá)1. 22億m3/d。然而，污水處理為能源密集型行業(yè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)平均能耗達(dá)O. 29kw · h/m3，而美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家將污水消毒、污泥消化與焚燒等我國(guó)污水處理廠(chǎng)目前尚未普及的耗能環(huán)節(jié)考慮后平均能耗僅為O. 2kw · h/m3。因此，能耗大、運(yùn)行效率低已成為約束已建成污水廠(chǎng)正常運(yùn)行的瓶頸問(wèn)題。
在各類(lèi)污水處理工藝中，氧化溝工藝因具有操作單元少、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、處理效果好以及污泥產(chǎn)率低的特點(diǎn)，成為我國(guó)城市污水處理的主導(dǎo)工藝，其數(shù)量占全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)總量的32. 2%。然而，由于氧化溝低負(fù)荷和長(zhǎng)污泥齡的特點(diǎn)，使得氧化溝工藝的能耗較高；與此同時(shí)，隨著我國(guó)對(duì)水環(huán)境質(zhì)量要求的提高，對(duì)污水處理廠(chǎng)出水氮磷濃度也提出了更高的要求，保證處理出水的一級(jí)A排放是多數(shù)污水處理廠(chǎng)面臨的共同難題。因此，在當(dāng)前倡導(dǎo)節(jié)能減排和生態(tài)文明建設(shè)的大背景下，尋找能耗低、運(yùn)行效率高的優(yōu)化控制策略成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
然而，氧化溝系統(tǒng)內(nèi)部是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng),氧化溝的優(yōu)化的雖然可以通過(guò)足夠的試驗(yàn)來(lái)解決，但是試驗(yàn)的方式有很大的局限性第一、生物試驗(yàn)周期比較長(zhǎng)，從開(kāi)始試驗(yàn)到得出解決方案需要半年甚至多年的時(shí)間；第二、每次試驗(yàn)需要進(jìn)行多方案的比較，可是因?yàn)闀r(shí)間限制，能夠?qū)嵤┑脑囼?yàn)方案非常有限，得不到最佳解決方案；第三、試驗(yàn)不僅周期長(zhǎng)，而且耗費(fèi)多，尤其生產(chǎn)性試驗(yàn)更是花費(fèi)不菲。
針對(duì)上述情況，本發(fā)明以卡努賽爾氧化溝工藝為研究對(duì)象，提供一種基于計(jì)算流體力學(xué)的卡努賽爾氧化溝工藝優(yōu)化調(diào)控方法，在計(jì)算機(jī)上方便快速的計(jì)算大量的試驗(yàn)方案，估計(jì)處理效果，快速找出氧化溝運(yùn)行費(fèi)用最少、處理效率最高的方案，實(shí)現(xiàn)氧化溝的高效處理及節(jié)能優(yōu)化。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種卡努賽爾氧化溝工藝優(yōu)化調(diào)控方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一、確定氧化溝運(yùn)行需要優(yōu)化的m個(gè)項(xiàng)目。
二、將每個(gè)擬優(yōu)化的項(xiàng)目分別劃分成η個(gè)等級(jí)，以代表η個(gè)試驗(yàn)水平。`
三、采用正交表，構(gòu)造P組氧化溝運(yùn)行方式，即Lp (nm)。
四、基于計(jì)算流體力學(xué)構(gòu)建并驗(yàn)證氧化溝數(shù)值模擬模型。
五、采用步驟四中驗(yàn)證后的模型，分別對(duì)步驟三中構(gòu)造的P組氧化溝運(yùn)行方式下的出水水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
六、依據(jù)模型計(jì)算的P組運(yùn)行方式下的出水水質(zhì)，設(shè)定約束條件，基于正交試驗(yàn)的思想優(yōu)選出滿(mǎn)足達(dá)標(biāo)要求的氧化溝運(yùn)行方式，再?gòu)臐M(mǎn)足達(dá)標(biāo)排放要求的運(yùn)行方式中優(yōu)選出能耗最低的運(yùn)行方式，確定該運(yùn)行方式為優(yōu)化運(yùn)行方式。
七、調(diào)動(dòng)氧化溝至該優(yōu)化條件下運(yùn)行。
其中步驟四中所述的基于計(jì)算流體力學(xué)構(gòu)建的氧化溝數(shù)值模擬模型可參考相關(guān)文獻(xiàn)(Makinia J, Wells S A. A general model of the activated sludge reactor with dispersive flow-1. 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 fIow-11. Model verification and application[J]. Water Research, 2000, 34(16):3997-4006)
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果
(I)本發(fā)明采用基于計(jì)算流體力學(xué)的模型對(duì)氧化溝工藝進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化過(guò)程中， 僅需開(kāi)展少量的實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證后即可開(kāi)展優(yōu)化工作，最后能通過(guò)模型找出氧化溝最優(yōu)工作條件，并通過(guò)實(shí)地運(yùn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)該工作條件進(jìn)行驗(yàn)證，從而節(jié)省了大量的人力及時(shí)間成本。
(2)本發(fā)明基于正交試驗(yàn)法均衡分布的思想構(gòu)建待模擬預(yù)測(cè)的試驗(yàn)組，構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)組具有典型性，可通過(guò)最少的試驗(yàn)組來(lái)找出最優(yōu)的運(yùn)行方式，節(jié)省大量計(jì)算時(shí)間。
(3)本發(fā)明所建立的調(diào)控方法，能夠優(yōu)選出既能使出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)又能讓氧化溝運(yùn)行能耗最低的運(yùn)行工況，對(duì)于節(jié)約能耗、降低運(yùn)行成本具有重要意義。


圖1為本發(fā)明的一種卡努賽爾氧化溝工藝優(yōu)化調(diào)控的流程示意圖
圖2為中試氧化溝裝置及測(cè)點(diǎn)示意圖
圖3為各指標(biāo)實(shí)測(cè)值與模擬值的比較圖a為溶解氧的對(duì)比，b為COD的對(duì)比，c為氨氮的對(duì)比，d為硝氮的對(duì)比
圖4為優(yōu)化條件下距溝底0. 25m處的水質(zhì)分布圖a為溶解氧分布圖，b為COD分布圖，c為氨氮分布圖，d為硝氮分布圖具體實(shí)施方式
結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。
圖1為本發(fā)明的一種卡努賽爾氧化溝工藝優(yōu)化調(diào)控的流程示意圖。本例的模擬對(duì)象為一中試級(jí)別的四廊道卡努賽爾氧化溝，如圖2所示。該氧化溝的總長(zhǎng)2. 2m，寬1. 4m，有效水深0. 5m,有效容積1. 4m3 ;直溝段長(zhǎng)1. 05m,大、小彎道半徑分別為0. 35m、0. 7m,單溝溝寬為0. 35m。該氧化溝進(jìn)水口斷面為一長(zhǎng)方形，長(zhǎng)200mm、寬50mm ;人工合成污水從進(jìn)水口以 0.1m3A的流量流入氧化溝溝中，流入氧化溝的污水水質(zhì)指標(biāo)為C0D=250mg/L,氨氮=50mg/ L，硝氮=0mg/L。溝內(nèi)水流靠位于第一溝及第三溝末端的推流器驅(qū)動(dòng)，推流器的底部距溝底300_，推流器由18根直徑為4_的鋼邊環(huán)繞組成。為防止污泥在彎道處因動(dòng)力不足而沉降，在各彎道處的底部設(shè)置攪拌槳，攪拌槳的軸心距溝底50mm，攪拌槳的直徑為100mm。為給該氧化溝系統(tǒng)供給空氣，在第二溝及第三溝底部設(shè)置曝氣器，該曝氣器能使得第二及第三溝中自溝底到距溝底50mm的空間內(nèi)均有氣泡冒出，曝氣區(qū)域的平面空間如圖2所示，曝氣量范圍為1.4-3.0m3/h。氧化溝的出水口的橫截面與進(jìn)水口的橫截面大小尺寸一樣，流出氧化溝的水體進(jìn)入體積為O. 15m3的二沉池中，沉積在二沉池中的活性污泥又由泵抽至氧化溝的入流口處，并回流到氧化溝中，污泥回流比為100%,污泥齡為25天。一、確定氧化溝需要優(yōu)化的項(xiàng)目攪拌槳及推流器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度；氧化溝的總曝氣量。
二、劃分各項(xiàng)目等級(jí)本例中的攪拌槳及推流器的轉(zhuǎn)速由同一個(gè)調(diào)速器控制，調(diào)速器分為三檔低速檔、中速檔、高速檔；而氧化溝的總曝氣量由曝氣閥控制，曝氣量被劃分為三檔1. 4,2. 2,3. OmVh0
三、試驗(yàn)組確定因本例中需要優(yōu)化的項(xiàng)目?jī)H有兩個(gè)，因此構(gòu)建含有所有組合的試驗(yàn)組，即p=3X3=9組試驗(yàn)。
四、基于計(jì)算流體力學(xué)構(gòu)建氧化溝數(shù)值模擬模型(Makinia J, Wells S A. A general model of the activated sludge reactor with dispersive flow-1. 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-11. Model verification and application[J]. Water Research, 2000, 34(16) : 3997-4006)，采用CFD軟件——Fluent對(duì)氧化溝內(nèi)三維流場(chǎng)及水質(zhì)分布特征進(jìn)行模擬圖3為氧化溝中溶解氧、C0D、氨氮、硝氮的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比結(jié)果，模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合程度較好，可用于優(yōu)化試驗(yàn)。
五、采用上步驗(yàn)證了的模型，對(duì)9組運(yùn)行方式下的氧化溝出水水質(zhì)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。 計(jì)算結(jié)果如下表所示。
表I
權(quán)利要求
1.一種氧化溝工藝優(yōu)化調(diào)控的方法，其特征在于包括以下步驟(1)首先確定氧化溝運(yùn)行需要優(yōu)化的m個(gè)項(xiàng)目；(2)將每個(gè)擬優(yōu)化的項(xiàng)目分別劃分成η個(gè)等級(jí)，以代表η個(gè)試驗(yàn)水平；(3)采用正交表，構(gòu)造P組氧化溝運(yùn)行方式，即Lp(nm)；(4)基于計(jì)算流體力學(xué)方法構(gòu)建氧化溝數(shù)值模擬模型，并對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證；(5)采用構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型分別對(duì)構(gòu)造的P組氧化溝運(yùn)行方式下的出水水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)；(6)依據(jù)模型計(jì)算的P組運(yùn)行方式下的出水水質(zhì)，基于正交試驗(yàn)的思想優(yōu)選出滿(mǎn)足達(dá)標(biāo)要求的氧化溝運(yùn)行方式；(7)調(diào)動(dòng)氧化溝至該優(yōu)化條件下運(yùn)行。
2.如權(quán)利要求1所述的卡努賽爾氧化溝工藝優(yōu)化調(diào)控方法，其特征在于步驟(I)中確定的氧化溝運(yùn)行需要優(yōu)化的項(xiàng)目為推流器及攪拌槳轉(zhuǎn)速。
3.如權(quán)利要求1所述的卡努賽爾氧化溝工藝優(yōu)化調(diào)控方法，其特征在于步驟(I)中確定的氧化溝運(yùn)行需要優(yōu)化的項(xiàng)目為氧化溝系統(tǒng)曝氣量。
4.如權(quán)利要求1所述的卡努賽爾氧化溝工藝優(yōu)化調(diào)控方法在水處理過(guò)程中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種卡努賽爾氧化溝工藝優(yōu)化調(diào)控方法。該方法首先確定需要優(yōu)化的m個(gè)項(xiàng)目；再將每個(gè)項(xiàng)目分別劃分成n個(gè)等級(jí)；采用正交表，構(gòu)造p組氧化溝運(yùn)行方式，即Lp(nm)；基于計(jì)算流體力學(xué)方法構(gòu)建氧化溝數(shù)值模擬模型，并對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證；采用構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型分別對(duì)構(gòu)造的p組氧化溝運(yùn)行方式下的出水水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)；依據(jù)模型計(jì)算的p組運(yùn)行方式下的出水水質(zhì)，基于正交試驗(yàn)的思想優(yōu)選出氧化溝運(yùn)行方式；最后將氧化溝調(diào)整到優(yōu)選的方式下運(yùn)行。該方法簡(jiǎn)單易行，節(jié)約人力及時(shí)間成本，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放的前提下，能夠有效降低氧化溝運(yùn)行的能耗和成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C02F3/12GK103043785SQ20131002867
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
發(fā)明者倪晉仁, 雷立 申請(qǐng)人:北京大學(xué)