專利名稱：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)領域
本發(fā)明屬于廢水生物處理技術(shù)領域，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)濟的發(fā)展以及工業(yè)化步伐的加快，我國污水的排放量與日俱增，截至2010年我國生活污水排放總量達379. 6億m3。針對污水排放量逐年遞增的態(tài)勢， 我國加大了城市污水處理廠建設的力度，截至2010年9月底，全國設市城市、縣及部分重點建制鎮(zhèn)已經(jīng)累計建成城鎮(zhèn)污水處理廠2630座，總處理能力達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，我國城鎮(zhèn)污水處理廠平均能耗達O. 29kw · h/m3，而美國等發(fā)達國家將污水消毒、污泥消化與焚燒等我國污水處理廠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、運行效率低已成為約束已建成污水廠正常運行的瓶頸問題。
在各類污水處理工藝中，氧化溝工藝因具有操作單元少、耐沖擊負荷能力強、處理效果好以及污泥產(chǎn)率低的特點，成為我國城市污水處理的主導工藝，其數(shù)量占全國城鎮(zhèn)污水處理廠總量的32. 2%。然而，由于氧化溝低負荷和長污泥齡的特點，使得氧化溝工藝的能耗較高；與此同時，隨著我國對水環(huán)境質(zhì)量要求的提高，對污水處理廠出水氮磷濃度也提出了更高的要求，保證處理出水的一級A排放是多數(shù)污水處理廠面臨的共同難題。因此，在當前倡導節(jié)能減排和生態(tài)文明建設的大背景下，尋找能耗低、運行效率高的優(yōu)化控制策略成為人們關(guān)注的焦點。
然而，氧化溝系統(tǒng)內(nèi)部是一個較為復雜的系統(tǒng),氧化溝的優(yōu)化的雖然可以通過足夠的試驗來解決，但是試驗的方式有很大的局限性第一、生物試驗周期比較長，從開始試驗到得出解決方案需要半年甚至多年的時間；第二、每次試驗需要進行多方案的比較，可是因為時間限制，能夠?qū)嵤┑脑囼灧桨阜浅Ｓ邢?，得不到最佳解決方案；第三、試驗不僅周期長，而且耗費多，尤其生產(chǎn)性試驗更是花費不菲。
針對上述情況，本發(fā)明以卡努賽爾氧化溝工藝為研究對象，提供一種基于計算流體力學的卡努賽爾氧化溝工藝優(yōu)化調(diào)控方法，在計算機上方便快速的計算大量的試驗方案，估計處理效果，快速找出氧化溝運行費用最少、處理效率最高的方案，實現(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、確定氧化溝運行需要優(yōu)化的m個項目。
二、將每個擬優(yōu)化的項目分別劃分成η個等級，以代表η個試驗水平。`
三、采用正交表，構(gòu)造P組氧化溝運行方式，即Lp (nm)。
四、基于計算流體力學構(gòu)建并驗證氧化溝數(shù)值模擬模型。
五、采用步驟四中驗證后的模型，分別對步驟三中構(gòu)造的P組氧化溝運行方式下的出水水質(zhì)進行預測。
六、依據(jù)模型計算的P組運行方式下的出水水質(zhì)，設定約束條件，基于正交試驗的思想優(yōu)選出滿足達標要求的氧化溝運行方式，再從滿足達標排放要求的運行方式中優(yōu)選出能耗最低的運行方式，確定該運行方式為優(yōu)化運行方式。
七、調(diào)動氧化溝至該優(yōu)化條件下運行。
其中步驟四中所述的基于計算流體力學構(gòu)建的氧化溝數(shù)值模擬模型可參考相關(guān)文獻(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)點和有益效果
(I)本發(fā)明采用基于計算流體力學的模型對氧化溝工藝進行優(yōu)化，在優(yōu)化過程中， 僅需開展少量的實驗獲取數(shù)據(jù)對模型進行驗證后即可開展優(yōu)化工作，最后能通過模型找出氧化溝最優(yōu)工作條件，并通過實地運行實驗對該工作條件進行驗證，從而節(jié)省了大量的人力及時間成本。
(2)本發(fā)明基于正交試驗法均衡分布的思想構(gòu)建待模擬預測的試驗組，構(gòu)建的實驗組具有典型性，可通過最少的試驗組來找出最優(yōu)的運行方式，節(jié)省大量計算時間。
(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)達標又能讓氧化溝運行能耗最低的運行工況，對于節(jié)約能耗、降低運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點示意圖
圖3為各指標實測值與模擬值的比較圖a為溶解氧的對比，b為COD的對比，c為氨氮的對比，d為硝氮的對比
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施方式
結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。
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。本例的模擬對象為一中試級別的四廊道卡努賽爾氧化溝，如圖2所示。該氧化溝的總長2. 2m，寬1. 4m，有效水深0. 5m,有效容積1. 4m3 ;直溝段長1. 05m,大、小彎道半徑分別為0. 35m、0. 7m,單溝溝寬為0. 35m。該氧化溝進水口斷面為一長方形，長200mm、寬50mm ;人工合成污水從進水口以 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，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力不足而沉降，在各彎道處的底部設置攪拌槳，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水口的橫截面大小尺寸一樣，流出氧化溝的水體進入體積為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)化的項目攪拌槳及推流器的轉(zhuǎn)動速度；氧化溝的總曝氣量。
二、劃分各項目等級本例中的攪拌槳及推流器的轉(zhuǎn)速由同一個調(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、試驗組確定因本例中需要優(yōu)化的項目僅有兩個，因此構(gòu)建含有所有組合的試驗組，即p=3X3=9組試驗。
四、基于計算流體力學構(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對氧化溝內(nèi)三維流場及水質(zhì)分布特征進行模擬圖3為氧化溝中溶解氧、C0D、氨氮、硝氮的實測值與計算值的對比結(jié)果，模型模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合程度較好，可用于優(yōu)化試驗。
五、采用上步驗證了的模型，對9組運行方式下的氧化溝出水水質(zhì)進行數(shù)值計算。 計算結(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)首先確定氧化溝運行需要優(yōu)化的m個項目；(2)將每個擬優(yōu)化的項目分別劃分成η個等級，以代表η個試驗水平；(3)采用正交表，構(gòu)造P組氧化溝運行方式，即Lp(nm)；(4)基于計算流體力學方法構(gòu)建氧化溝數(shù)值模擬模型，并對該模型進行驗證；(5)采用構(gòu)建的數(shù)學模型分別對構(gòu)造的P組氧化溝運行方式下的出水水質(zhì)進行預測；(6)依據(jù)模型計算的P組運行方式下的出水水質(zhì)，基于正交試驗的思想優(yōu)選出滿足達標要求的氧化溝運行方式；(7)調(diào)動氧化溝至該優(yōu)化條件下運行。
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)中確定的氧化溝運行需要優(yōu)化的項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)中確定的氧化溝運行需要優(yōu)化的項目為氧化溝系統(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)控方法在水處理過程中的應用。
全文摘要
本發(fā)明公開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個項目；再將每個項目分別劃分成n個等級；采用正交表，構(gòu)造p組氧化溝運行方式，即Lp(nm)；基于計算流體力學方法構(gòu)建氧化溝數(shù)值模擬模型，并對該模型進行驗證；采用構(gòu)建的數(shù)學模型分別對構(gòu)造的p組氧化溝運行方式下的出水水質(zhì)進行預測；依據(jù)模型計算的p組運行方式下的出水水質(zhì)，基于正交試驗的思想優(yōu)選出氧化溝運行方式；最后將氧化溝調(diào)整到優(yōu)選的方式下運行。該方法簡單易行，節(jié)約人力及時間成本，在實現(xiàn)系統(tǒng)出水水質(zhì)達標排放的前提下，能夠有效降低氧化溝運行的能耗和成本，具有廣闊的應用前景。
文檔編號C02F3/12GK103043785SQ20131002867
公開日2013年4月17日 申請日期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 申請人:北京大學