二沉池的数学模型及瞬变响应特性模拟研究① ——瞬变响应特性

出　　自： 《中国给水排水》 1997年第1期第6页
发表时间： ： 1997-1

黄勇；杨铨大

( 苏州城建学院)王宝贞(哈尔滨建筑大学)

摘要：采用描述浓缩过程的动态模型，对二次沉淀池在几种典型输入条件下瞬变过程的特性进行了模拟研究。结果表明，输入的变化幅度、方式和过程都可能影响瞬态响应的特性，并对达到稳态后的工况造成极大影响。模拟结果证实了模型能够描述污泥沿沉淀池深的分布，预测污泥浓缩性能和有关参数的变化，从而显示了它在活性污泥系统的工艺设计和运行控制研究中的应用价值。

关键词：二沉池；动态模拟；瞬变响应；运行控制

　　二沉池的运行对整个活性污泥工艺系统的处理效果有重要影响，有时可能成为整个系统动态的制约因素。从工艺的角度，二沉他的工作状态和性能受入流的水力负荷、固体负荷、污泥沉降性能和底流排泥量等运行因素的影响。在这些干扰因子中，入流的污泥浓度是整个系统的一个重要状态变量，取决于来自进水和回流管线的固体物质量以及曝气池中生长和降解作用引起的污泥量变化；污泥的沉降性能主要取决于生物反应系统的状态和环境因素。它们的变化往往是渐进的，而不具备突发性。这里，试图通过考察二沉池对几种来自系统之外的输入变化所产生的瞬变响应特性，揭示在变化工作条件下各种功能发挥的情况，为其运行控制提供有益的启示。同时，也显示应用模型模拟动态行为的效能和应用价值。

1 模拟系统概述
　　 以完全混合活性污泥工艺系统作为模拟对象。模拟系统的有关工艺数据见表1。

　　为了简化模拟过程，假定系统的剩余污泥从曝气池中排除，曝气池的生物反应对系统中污泥量变化的影响忽略不计。这样，曝气池中的污泥量变化
　 　V dx/dt=Q u X u -(Q+Q u )X(1)
　　式中 V——曝气池容积
　　X——曝气池悬浮固体浓度
　　Q——曝气池进水流量
　　X u ——回流污泥浓度
　　Q u ——回流量
　　根据拥挤沉降的特性，二沉池模型中定义了一个Φ p 函数描述沉降固体通量所传递的悬浮固体量，即:
　　Φ p，i =min(φ s，i φ s，i+1 X i ≥X t (2)
　　式中 φ s ——根据浓度-通量函数关系计算得到的沉降通量
　　在模拟过程中，为避免函数的不连续性给数学处理过程造成麻烦，采用近似式(2)的连续式
　　Φ p，i =(1-a)φ s，i +aφ s，i+1 (3)
　　式中 a——为一开关函数，定义为

　　β——任意正值常数
　　表2给出了模拟研究的背景数据并以此为基础，探讨输入和操作变量的特定变化导致二沉池出现瞬变过程的一系列特性，包括浓缩污泥区高度、污泥浓度的分布、底流(回流)污泥浓度的瞬变过程，以及由此造成曝气池污泥浓度的波动。根据试验结果，设定Xt值为0.8g/L；因此，所得污泥区高度≥这一浓度污泥层在沉淀池中的最高位置。

2 模拟结果和分析
　　 2.1 流量的阶跃变化

　　图1是两种不同幅度的流量阶跃增加产生的响应情况。在流量提高幅度不大(20%)的情况下，污泥区迅速向上扩展，这是由于输入固体负荷的增加超过了沉淀池面积允许通过的固体通量，导致污泥在上层积累，结果使底流污泥浓度降低。而曝气池由于流量的增大和回流污泥量减小，污泥浓度也逐渐地降低，从而减小了进入沉淀他的固体负荷。于是，上层积累的污泥开始向下输送，污泥层高度得以下降，底流浓度回升，阻止了曝气池污泥浓度的进一步降低，直至达到新的稳定状态。这一变化的最终效应是部分污泥转移到沉淀池中，污泥层高度上升，但仍处于进水口以下；回流污泥浓度略有降低，曝气池污泥浓度则明显下降。
　　但当出现较大幅度的流量陡增(40%)时，会使沉淀池受到更为持久的冲击。曝气池污泥浓度的逐渐降低不足以抵消流量提高引起固体负荷的增大，沉淀池截面始终无法将入流带来的污泥全部输送到底部进行良好的浓缩。污泥持续在上层积累，导致污泥区高度进步上升；与此同时，回流污泥浓度明显降低，致使曝气池中的污泥继续被进水所稀释呈现持续的降低，大量污泥从曝气池转移到二沉池中。污泥层高上升达到出水堰，部分污泥将随出水流失，造成系统内污泥总量的减少；进水固体负荷的不断减小将使得上层污泥得以缓慢地浓缩而向下传递，污泥层高开始渐渐下降，最终达到稳定。值得注意的是后来的污泥浓缩、泥层回落的过程不会对底流的输出产生影响。
　　2.2 流量的渐增变化
　　当流量渐增20%时，固体负荷逐渐增大。污泥浓缩过程能够完全适应这种变化，使得转移到二沉池中的污泥都得到充分的浓缩，底流的污泥浓度增大，补偿了进水流量提高产生的稀释作用，曝气池污泥浓度仅略有降低。沉淀池中污泥区的高度始终没有发生变化，只是其中的污泥浓度增高了。
在流量渐增40%的情况下，开始时入流的固体负荷还能够被容纳，污泥浓缩作用良好，底流污泥浓度得以提高；一旦固体负荷的增大超过了允许的通量，很快就会出现污泥在沉淀池上层的积累，浓缩效果恶化，回流污泥浓度迅速下降，最终仍然稳定到与阶跃变化相同的水平。模拟的结果指出，即使延长渐增过程的持续时间，流量的增加速率放慢仍不能避免最终出现同样的结果。这说明在流量变化致使进入沉淀他的固体负荷超过了极限固体通量情况下，瞬变过程将不会影响最终达到的稳定状态。
　　2.3 回流量的阶跃变化
　　回流量是一个重要的运行操作变量，它可能被当做一种过程控制的手段。回流量减小使得污泥在沉淀池中停留时间延长，浓缩作用得到加强，从而增大了底流的污泥浓度。但由于流量的减小，总的结果是污泥从曝气池向二沉池发生净转移，曝气池污泥浓度降低。与之相反，增大回流量将致使污泥从二沉池向曝气池净转移。尽管因为缩短了停留时间而不利于浓缩，回流污泥的浓度降低了，最终结果仍然会是曝气池污浓度的提高。
　　应该注意的是，曝气池污泥浓度的提高和回流量的增大都将使沉淀池的入流固体负荷提高。一旦超过了极限固体通量，就会出现截然不同的瞬变过程以及最终达到的稳态结果。在所给的特定条件下，曝气池污泥浓度经历了先升高或下降的过程后恰好稳定在以前的基础值上，这仅是巧合。此时，回流比提高的结果仅仅是导致沉淀池中污泥的重新分布，这一新的污泥分布既不利于污泥的浓缩过程也使运行更加不稳定，既可能造成污泥从二沉池向曝气池净转移，也有可能出现相反方向的污泥转移。
　　2.4 污泥沉降性能对二沉池运行状况的影响
　　以上的模拟结果是基于固定不变的污泥沉降性能。如果瞬变过程使得沉降性能发生变化，那么响应特性也将不同。污泥的沉降性能更主要的是受到曝气池工作状态的影响，但二沉池的工艺性能与污泥的沉降、浓缩性能之间的相互作用也是不容忽视的。污泥的沉降、浓缩性能对二沉池的工艺性能及其动态响应都有着决定性的影响。图2a显示了在表2给定的运行条件下，不同的污泥沉降性能(SVI)所造成的污泥分布的差异。这种现象的后果之一是将导致不同的回流污泥浓度，使得曝气池中的活性污泥量出现相当大的差异。如图2b所示，即使在同样的流量输入和操作条件下，曝气池中的污泥量可能由于污泥沉降性能的不同从占整个系统污泥量的近90%下降到60%左右。这反过来会对生物反应系统的工艺性能产生影响。

3 结论

　　① 对于一个特定系统而言，在相同的进水流量Q和回流量Q u 输入的条件下，可能产生不同的稳态回流污泥浓度X u ，这是由于输入变化过程的不同造成沉淀池中污泥分布的差异所致。污泥沉降性能的差异也会造成同样的结果。
　　② 调节回流污泥的流量可以改变曝气池和二沉池之间污泥量分配的平衡。一般地说，回流量增加导致污泥从二沉池向曝气池发生净转移，反之亦然。但如果回流量过大则无法达到预期的目的，甚至可能出现相反的结果。
　　③ 二次沉淀池中污泥的分布反映了污泥浓缩效果的优劣，也表明了运行的稳定性。良好运行的二沉池的浓缩污泥层与低浓度污泥区之间有明显的界限，其厚度不大，污泥浓度高而均一，接近底流污泥的浓度。而当污泥区的浓度自下而上逐渐降低，污泥区高度接近或超过进水口时，表明进水负荷超出了浓缩能力。
　　④ 模拟结果表明，污泥的沉降性能及输入的水力负荷、固体负荷、排泥流量(回流量)等工艺参数，不仅影响沉淀池的工艺性能和动态行为，还可能对整个系统的污泥分配产生实质性的影响。所以，在研究系统动态时将二沉池视为理想的固液分离点的做法是不可取的。
上述模拟结果证实了浓缩过程模型能够方便有效地描述二次沉淀池的工作状态，预测其性能和参数变化，从而体现了它在活性污泥系统的工艺设计和运行控制研究中的应用价值。模型也可用于污泥浓缩池的设计和过程分析。
(参考文献略)

　　作者简介:黄勇 工学博士 副教授
　　通讯处:215008 苏州城市建设环境保护学院
　　(收稿日期1995-05-04)
　　①国家教委优秀年轻教师基金资助项目。