出　　自： 《中國給水排水》 1997年第1期第6頁
發表時間： ： 1997-1

黃勇；楊銓大

( 蘇州城建學院)王寶貞(哈爾濱建筑大學)

摘要：采用描述濃縮過程的動態模型，對二次沉淀池在幾種典型輸入條件下瞬變過程的特性進行了模擬研究。結果表明，輸入的變化幅度、方式和過程都可能影響瞬態響應的特性，并對達到穩態后的工況造成極大影響。模擬結果證實了模型能夠描述污泥沿沉淀池深的分布，預測污泥濃縮性能和有關參數的變化，從而顯示了它在活性污泥系統的工藝設計和運行控制研究中的應用價值。

關鍵詞：二沉池；動態模擬；瞬變響應；運行控制

　　二沉池的運行對整個活性污泥工藝系統的處理效果有重要影響，有時可能成為整個系統動態的制約因素。從工藝的角度，二沉他的工作狀態和性能受入流的水力負荷、固體負荷、污泥沉降性能和底流排泥量等運行因素的影響。在這些干擾因子中，入流的污泥濃度是整個系統的一個重要狀態變量，取決于來自進水和回流管線的固體物質量以及曝氣池中生長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系統的狀態和環境因素。它們的變化往往是漸進的，而不具備突發性。這里，試圖通過考察二沉池對幾種來自系統之外的輸入變化所產生的瞬變響應特性，揭示在變化工作條件下各種功能發揮的情況，為其運行控制提供有益的啟示。同時，也顯示應用模型模擬動態行為的效能和應用價值。

1 模擬系統概述
　　 以完全混合活性污泥工藝系統作為模擬對象。模擬系統的有關工藝數據見表1。

　　為了簡化模擬過程，假定系統的剩余污泥從曝氣池中排除，曝氣池的生物反應對系統中污泥量變化的影響忽略不計。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——曝氣池進水流量
　　X u ——回流污泥濃度
　　Q u ——回流量
　　根據擁擠沉降的特性，二沉池模型中定義了一個Φ p 函數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 ——根據濃度-通量函數關系計算得到的沉降通量
　　在模擬過程中，為避免函數的不連續性給數學處理過程造成麻煩，采用近似式(2)的連續式
　　Φ p，i =(1-a)φ s，i +aφ s，i+1 (3)
　　式中 a——為一開關函數，定義為

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

2 模擬結果和分析
　　 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生的響應情況。在流量提高幅度不大(20%)的情況下，污泥區迅速向上擴展，這是由于輸入固體負荷的增加超過了沉淀池面積允許通過的固體通量，導致污泥在上層積累，結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，從而減小了進入沉淀他的固體負荷。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一步降低，直至達到新的穩定狀態。這一變化的最終效應是部分污泥轉移到沉淀池中，污泥層高度上升，但仍處于進水口以下；回流污泥濃度略有降低，曝氣池污泥濃度則明顯下降。
　　但當出現較大幅度的流量陡增(40%)時，會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荷的增大，沉淀池截面始終無法將入流帶來的污泥全部輸送到底部進行良好的濃縮。污泥持續在上層積累，導致污泥區高度進步上升；與此同時，回流污泥濃度明顯降低，致使曝氣池中的污泥繼續被進水所稀釋呈現持續的降低，大量污泥從曝氣池轉移到二沉池中。污泥層高上升達到出水堰，部分污泥將隨出水流失，造成系統內污泥總量的減少；進水固體負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，最終達到穩定。值得注意的是后來的污泥濃縮、泥層回落的過程不會對底流的輸出產生影響。
　　2.2 流量的漸增變化
　　當流量漸增20%時，固體負荷逐漸增大。污泥濃縮過程能夠完全適應這種變化，使得轉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，補償了進水流量提高產生的稀釋作用，曝氣池污泥濃度僅略有降低。沉淀池中污泥區的高度始終沒有發生變化，只是其中的污泥濃度增高了。
在流量漸增40%的情況下，開始時入流的固體負荷還能夠被容納，污泥濃縮作用良好，底流污泥濃度得以提高；一旦固體負荷的增大超過了允許的通量，很快就會出現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，最終仍然穩定到與階躍變化相同的水平。模擬的結果指出，即使延長漸增過程的持續時間，流量的增加速率放慢仍不能避免最終出現同樣的結果。這說明在流量變化致使進入沉淀他的固體負荷超過了極限固體通量情況下，瞬變過程將不會影響最終達到的穩定狀態。
　　2.3 回流量的階躍變化
　　回流量是一個重要的運行操作變量，它可能被當做一種過程控制的手段。回流量減小使得污泥在沉淀池中停留時間延長，濃縮作用得到加強，從而增大了底流的污泥濃度。但由于流量的減小，總的結果是污泥從曝氣池向二沉池發生凈轉移，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移。盡管因為縮短了停留時間而不利于濃縮，回流污泥的濃度降低了，最終結果仍然會是曝氣池污濃度的提高。
　　應該注意的是，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荷提高。一旦超過了極限固體通量，就會出現截然不同的瞬變過程以及最終達到的穩態結果。在所給的特定條件下，曝氣池污泥濃度經歷了先升高或下降的過程后恰好穩定在以前的基礎值上，這僅是巧合。此時，回流比提高的結果僅僅是導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程也使運行更加不穩定，既可能造成污泥從二沉池向曝氣池凈轉移，也有可能出現相反方向的污泥轉移。
　　2.4 污泥沉降性能對二沉池運行狀況的影響
　　以上的模擬結果是基于固定不變的污泥沉降性能。如果瞬變過程使得沉降性能發生變化，那么響應特性也將不同。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、濃縮性能對二沉池的工藝性能及其動態響應都有著決定性的影響。圖2a顯示了在表2給定的運行條件下，不同的污泥沉降性能(SVI)所造成的污泥分布的差異。這種現象的后果之一是將導致不同的回流污泥濃度，使得曝氣池中的活性污泥量出現相當大的差異。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系統污泥量的近90%下降到60%左右。這反過來會對生物反應系統的工藝性能產生影響。

3 結論

　　① 對于一個特定系統而言，在相同的進水流量Q和回流量Q u 輸入的條件下，可能產生不同的穩態回流污泥濃度X u ，這是由于輸入變化過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造成同樣的結果。
　　② 調節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，回流量增加導致污泥從二沉池向曝氣池發生凈轉移，反之亦然。但如果回流量過大則無法達到預期的目的，甚至可能出現相反的結果。
　　③ 二次沉淀池中污泥的分布反映了污泥濃縮效果的優劣，也表明了運行的穩定性。良好運行的二沉池的濃縮污泥層與低濃度污泥區之間有明顯的界限，其厚度不大，污泥濃度高而均一，接近底流污泥的濃度。而當污泥區的濃度自下而上逐漸降低，污泥區高度接近或超過進水口時，表明進水負荷超出了濃縮能力。
　　④ 模擬結果表明，污泥的沉降性能及輸入的水力負荷、固體負荷、排泥流量(回流量)等工藝參數，不僅影響沉淀池的工藝性能和動態行為，還可能對整個系統的污泥分配產生實質性的影響。所以，在研究系統動態時將二沉池視為理想的固液分離點的做法是不可取的。
上述模擬結果證實了濃縮過程模型能夠方便有效地描述二次沉淀池的工作狀態，預測其性能和參數變化，從而體現了它在活性污泥系統的工藝設計和運行控制研究中的應用價值。模型也可用于污泥濃縮池的設計和過程分析。
(參考文獻略)

　　作者簡介:黃勇 工學博士 副教授
　　通訊處:215008 蘇州城市建設環境保護學院
　　(收稿日期1995-05-04)
　　①國家教委優秀年輕教師基金資助項目。