A/O-MBR工艺调试强化炼化废水脱氮除碳及模拟研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2024-0036

摘要/Abstract

摘要：

以陕西省某石化公司污水处理厂为研究对象，通过调试A/O-MBR中试系统的运行参数优化脱氮除碳处理效果，并基于活性污泥模型（ASMs）建立污水生物处理系统数学模型，对污水处理过程进行模拟研究。运行调试结果表明，优化运行参数后AO⁵工艺仍不能确保出水达标排放，而将原AO⁵工艺改为A²O⁴工艺使缺氧区停留时间由4 h延长至8 h后，在好氧池填料投加比20%，缺氧池100%污泥内回流和200%硝态液回流条件下，出水COD、NH₄ ⁺-N、TN分别为28.53、0.24、12.22 mg/L，满足《陕西省黄河流域污水综合排放标准》（DB 61/224—2018）中表2其他单位水污染物排放质量浓度限值标准。此外，基于ASMs模型构建的Ind. ASM-Petrochem模型可较为准确地模拟系统对COD和NH₄ ⁺-N的去除，对TN的模拟则需要进一步提升。

关键词: A/O-MBR, 脱氮除碳, 停留时间, 填料, Ind. ASM-Petrochem模型

Abstract:

In this paper, the sewage treatment plant of a petrochemical company in Shaanxi Province was used as the research object to optimize the effect of nitrogen and carbon removal by adjusting the operating parameters of A/O-MBR pilot system, and the mathematical model of sewage biological treatment system based on the activated sludge models(ASMs) was established to simulate the sewage treatment process. The results of operation and debugging showed that the AO⁵ process still could not ensure the effluent meet the standard after optimizing the operation parameters. Then the residence time of the anoxic zone was extended from 4 h to 8 h by changing the original AO⁵ process to A²O⁴ process. Under the conditions of 20% filling ratio in the aerobic tank, 100% sludge reflux in the anoxic tank, and 200% nitrate liquid reflux, effluent COD, NH₄ ⁺-N, and TN were 28.53 mg/L, 0.24 mg/L, and 12.22 mg/L, respectively, which met the concentration limit standards for other units of water pollutants in Table 2 of the Integrated Wastewater Discharge Standard of Yellow River Basin in Shaanxi Province(DB 61/224-2018). In addition, the Ind. ASM-Petrochem model based on the ASMs model could simulate the removal of COD and NH₄ ⁺-N accurately, while further improvement was needed for the simulation of TN.

Key words: A/O-MBR, nitrogen and carbon removal, retention time, filler, Ind. ASM-Petrochem model

中图分类号:

X742

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https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I2/96

图/表 12

表1 污水处理厂水质

Table 1 Water quality of wastewater treatment plant

项目	COD	NH₄ ⁺-N	TN
进水质量浓度/（mg∙L^-1）	285.5~425.7	21.8~25.8	28.1~29.3
出水质量浓度/（mg∙L^-1）	28.9~55.2	0.1~0.2	15.6~18.9
平均去除率/%	88.15	99.39	38.40
排放限值/（mg∙L^-1）	50	8	15

表2 模型的过程动力学和化学计量矩阵

Table 2 Process dynamics and stoichiometry matrix of the model

项目	组分/（g·m^-3）							过程速率（ρ_j ）
项目	S _s	S ₂	S _i	X _B	X _O	S _NO	S _NH	过程速率（ρ_j ）
总动力学速率方程		$γ i = ∑ j v i j ρ j$
慢速生物降解有机物的水解		-1
异养微生物的好氧生长	$- 1 Y H$			1			$- i X B$	$μ H (S S k S S + S S) (S O K O, H + S O) X B$
异养微生物的缺氧生长	$- 1 Y H$			1		$- 1 - Y H 2.86 Y H$	$- i X B$	$μ H (S S K S S + S S) (K O, H K O, H + S O) (S N O K N O + S N O) η g X B$
自养微生物的好氧生长					1	$1 Y A$	$- i X B$ $- 1 Y A$	$μ A (S N H K N H + S N H) (S O K O, A + S O) X O$

表2 模型的过程动力学和化学计量矩阵

Table 2 Process dynamics and stoichiometry matrix of the model

项目	组分/（g·m^-3）							过程速率（ρ_j ）
项目	S _s	S ₂	S _i	X _B	X _O	S _NO	S _NH	过程速率（ρ_j ）
总动力学速率方程		$γ i = ∑ j v i j ρ j$
慢速生物降解有机物的水解		-1
异养微生物的好氧生长	$- 1 Y H$			1			$- i X B$	$μ H (S S k S S + S S) (S O K O, H + S O) X B$
异养微生物的缺氧生长	$- 1 Y H$			1		$- 1 - Y H 2.86 Y H$	$- i X B$	$μ H (S S K S S + S S) (K O, H K O, H + S O) (S N O K N O + S N O) η g X B$
自养微生物的好氧生长					1	$1 Y A$	$- i X B$ $- 1 Y A$	$μ A (S N H K N H + S N H) (S O K O, A + S O) X O$

图1 中试装置及实验流程

Fig.1 Pilot plant and experimental process

图2 MBR膜池结构

Fig.2 MBR membrane cell structure

表3 模型参数

Table 3 Model parameters

符号	定义	取值	备注
Y _H，A	缺氧时异养菌产率系数	0.54 g/g	以氧化单位质量废水COD形成的细胞COD质量计
Y _H，O	好氧时异养菌产率系数	0.67 g/g	以氧化单位质量废水COD形成的细胞COD质量计
Y _A	自养菌产率系数	0.24 g/g	以消耗单位质量废水TN形成的细胞COD质量计
k _h	最大比水解速率	3 g/（g·d）	以单位时间、单位质量细胞COD水解的慢速可生物降解COD质量计
K _h	慢速生物降解有机物水解饱和常数	1 g/g	以单位质量细胞COD水解的慢速可生物降解COD质量计
μ _H，A	缺氧时异养菌最大比增长速率	4.8 d^-1
μ _H，O	好氧条件下异养菌最大比增长速率	6 d^-1
$k S S$	易降解有机物好氧饱和常数	1 200 g/m³	以单位体积污水中的COD质量计
$K S S$	易降解有机物缺氧饱和常数	1 371 g/m³	以单位体积污水中的COD质量计
K _NH	自养菌的氨半饱和系数	1.0 g/m³	以单位体积污水中的NH₄ ⁺-N质量计
K _NO	反硝化菌的硝态氮饱和常数	30 g/m³	以单位体积污水中的NO₃ ^--N质量计
μ_A	自养菌最大比增长速率	0.8 d^-1
η _g	缺氧条件下µ _H，A校正因子	0.8	量纲为1
K _O，H	异养菌氧半饱和系数	0.2 g/m³	以单位体积污水中的O₂质量计

表3 模型参数

Table 3 Model parameters

符号	定义	取值	备注
Y _H，A	缺氧时异养菌产率系数	0.54 g/g	以氧化单位质量废水COD形成的细胞COD质量计
Y _H，O	好氧时异养菌产率系数	0.67 g/g	以氧化单位质量废水COD形成的细胞COD质量计
Y _A	自养菌产率系数	0.24 g/g	以消耗单位质量废水TN形成的细胞COD质量计
k _h	最大比水解速率	3 g/（g·d）	以单位时间、单位质量细胞COD水解的慢速可生物降解COD质量计
K _h	慢速生物降解有机物水解饱和常数	1 g/g	以单位质量细胞COD水解的慢速可生物降解COD质量计
μ _H，A	缺氧时异养菌最大比增长速率	4.8 d^-1
μ _H，O	好氧条件下异养菌最大比增长速率	6 d^-1
$k S S$	易降解有机物好氧饱和常数	1 200 g/m³	以单位体积污水中的COD质量计
$K S S$	易降解有机物缺氧饱和常数	1 371 g/m³	以单位体积污水中的COD质量计
K _NH	自养菌的氨半饱和系数	1.0 g/m³	以单位体积污水中的NH₄ ⁺-N质量计
K _NO	反硝化菌的硝态氮饱和常数	30 g/m³	以单位体积污水中的NO₃ ^--N质量计
μ_A	自养菌最大比增长速率	0.8 d^-1
η _g	缺氧条件下µ _H，A校正因子	0.8	量纲为1
K _O，H	异养菌氧半饱和系数	0.2 g/m³	以单位体积污水中的O₂质量计

图3 填料投加体积比对AO⁵系统运行效果的影响

Fig.3 Effect of the volume ratio of filler on the operational performance of the AO⁵ system

图4 污泥回流比对AO⁵系统运行效果的影响

Fig.4 Effect of sludge reflux ratio on the operational performance of the AO⁵ system

图5 模拟回流比为400%时的缺氧过程TN变化

Fig.5 Simulated changes of TN during anaerobic process with a reflux ratio of 400%

图6 缺氧池停留时间对系统运行效果的影响

Fig.6 Effect of anaerobic tank retention time on the operational performance of the system

图7 回流比对A²O⁴系统运行效果的影响

Fig.7 Effect of reflux ratio on the operational performance of the A²O⁴ system

图8 填料投加比对A²O⁴系统运行效果的影响

Fig.8 Effect of filler ratio on the operational performance of the A²O⁴ system

表4 实际工艺监测参数 (mg/L)

Table 4 Parameters obtained from actual process monitoring

项目	COD	氨氮	总氮	硝态氮
进水	400	24.1	28	3.7
出水	35.5	0.1	13.6	13.7

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