申请日2018.07.13
公开(公告)日2018.12.14
IPC分类号C02F3/30; C02F101/16; C02F101/10; C02F101/34
摘要
本发明提供一种对污水强化生物除磷过程聚磷菌富集的设计和/或运行进行优化的方法，该方法使用改良活性污泥模型，该改良活性污泥模型包括聚磷菌‑聚糖菌竞争模块以及分阶段的细胞维护‑细胞凋亡。另外，本发明还提供一种提高污水强化生物除磷过程性能的方法，其使污水生物强化除磷过程中对于进水中碳源依赖程度减少并且使聚磷菌得以富集。
权利要求书
1.一种对污水强化生物除磷过程的设计和/或运行进行优化的方法，其特征在于：使用改良活性污泥模型，该改良活性污泥模型包括聚磷菌-聚糖菌竞争模块，该聚磷菌-聚糖菌竞争模块中包含了分阶段的细胞维护-细胞凋亡。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于：上述污水强化生物除磷过程是处于延长厌氧条件下的污水强化生物除磷过程，上述改良活性污泥模型是基于延长厌氧状况下生物除磷过程中微生物种群间竞争机理的模型的。
3.权利要求1所述的方法，其特征在于：上述污水强化生物除磷过程是高浓度污泥厌氧旁流生物除磷过程。
4.权利要求3所述的方法，其特征在于：上述高浓度淤泥为回流污泥。
5.权利要求1所述的方法，其特征在于：上述方法是在强化生物除磷过程中通过活性污泥发酵连续产生可挥发性有机酸从而使对于进水中碳源的依赖程度减少，并通过延长厌氧条件下聚磷菌-聚糖菌间竞争使得聚磷菌得以富集，从而对旁流强化生物除磷系统性能进行优化的。
6.权利要求2所述的方法，其特征在于：上述延长厌氧条件指处于厌氧状态的时间为8小时以上，优选14小时以上，更优选18小时以上，特别更优选24小时以上。
7.权利要求1所述的方法，其特征在于：上述改良活性污泥模型的基本模型继承自现有活性污泥模型，增加了上述分阶段的细胞维护-细胞凋亡和上述聚磷菌-聚糖菌竞争模块，用以模拟延长厌氧条件下的聚磷菌-聚糖菌活性竞争的。
8.权利要求1所述的方法，其特征在于：上述改良活性污泥模型的基本模型继承自ASM2活性污泥模型，增加了上述分阶段的细胞维护-细胞凋亡和上述聚磷菌-聚糖菌竞争模块，用以模拟延长厌氧条件下的聚磷菌-聚糖菌活性竞争的。
9.权利要求1所述的方法，其特征在于：将该方法用于评估污泥停留时间、水力停留时间、有机酸生成速率以及聚磷菌/聚糖菌相对种群丰度对于厌氧聚磷菌选择反应器性能的影响，从而为进一步优化设计和/或运行条件以及针对特定水厂的生物除磷过程的设计和/或运行提供标准。
10.权利要求1所述的方法，其特征在于：
针对聚磷菌，进行如下模拟：(1)在厌氧阶段的可挥发性有机酸摄取，活性P释放，糖原降解和聚β羟基烷酸酯形成;维护中按次序的利用体内聚合物，聚合物消耗后的分解凋亡;以及(2)在有氧阶段基于聚β羟基烷酸酯的生物质成长，基于聚β羟基烷酸酯的糖原合成，基于聚β羟基烷酸酯的多磷酸盐合成，维护中的按次序的聚合物利用，生物质凋亡，细胞内聚合物凋亡;
针对聚糖菌，进行如下模拟：(1)在厌氧阶段的可挥发性有机酸摄取，糖原降解和聚β羟基烷酸酯形成;维护中的按次序的体内聚合物利用，聚合物消耗后的分解凋亡;以及(2)在有氧阶段的基于聚β羟基烷酸酯的生物质成长，基于聚β羟基烷酸酯的糖原合成，维护中的按次序的聚合物利用，生物质凋亡，细胞内聚合物凋亡;
针对其他异养菌，进行如下模拟：(1)在厌氧阶段的生物质凋亡，(2)在有氧阶段的基于基质的生物质增长以及生物质凋亡。
11.权利要求1所述的方法，其特征在于：
在上述细胞维护的模拟中，使用一组潜在的可利用的细胞内聚合物{s1，s2，...，sn}时，这些聚合物按照利用率优先顺序进行排序，细胞维护中个物质的实时降解率如下：
ri是第i种物质的实时降解率，单位为mol-ATP/C-mol MLVSS/hr;
mATP是细胞维护需求，单位为mol-ATP/C-mol MLVSS/hr，其仅取决于被模拟微生物本身以及环境条件，该环境条件包括温度和氧化还原条件，该还原条件环境即需氧、厌氧或缺氧;
wi是第i种物质si的开关函数，取决于各物质的剩余储量，使用如下公式计算得出：
Ki是特定的半饱和浓度常数，针对多磷酸盐单位是gP/gMLVSS COD，针对糖原和聚β羟基烷酸酯的单位是gCOD/gMLVSS COD;
fi=Xi/X是第i种物质的归一化浓度，即其储存含量对所在细胞的生物量的比值，针对多磷酸盐单位是gP/gMLVSS COD，针对糖原和聚β羟基烷酸酯的单位是gCOD/gMLVSS COD;其中Xi作为聚β羟基烷酸酯或糖原的COD当量或多磷酸盐当量，X表示生物质的COD当量;
在上述方法中，在上述细胞凋亡的模拟中，每个个体的实时凋亡速率如下计算得出：
b'是实时凋亡比速率，单位为d-1;
b是最大特定凋亡速率，单位为d-1;
Σγri是实时总体可用ATP供应量，单位为mol-ATP/C-mol MLVSS/hr。
在上述方法中，在个体为本模型中实现该模型：为了简化重复计算以适应个体为本模型的计算强度，在本发明模型中每个个体将直接储存fi与X，并在需要时通过反算得到Xi。
12.权利要求1至10之一所述的所述的方法，其特征在于：在校准过程中应用自动校准技术，通过对当前正在校准的参数迭代地尝试所有可能的数值组合，并跟踪每个参数集的预测和观察到的醋酸盐、磷酸盐、聚β羟基烷酸酯、糖原和混合液挥发性悬浮物之间的归一化均方根误差。
13.一种提高污水强化生物除磷过程性能的方法，其特征在于：使污水生物强化除磷过程中对于进水中碳源依赖程度减少并且使聚磷菌得以富集，具有如下步骤：使经过厌氧区、好氧区处理之后的部分活性污泥处于延长厌氧条件下的步骤。
14.权利要求13所述的方法，其特征在于：
对于上述部分活性污泥处于延长厌氧条件下的固体停留时间进行如下设定，
聚糖菌丰度在≥4.5%时，聚磷菌丰度≤3.5%则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在>3.5%且≤9.5%则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度>9.5%且≤13.5%则固体停留时间设定为至少21小时;聚磷菌丰度>13.5%则固体停留时间设定为至少27小时;
聚糖菌丰度在≥3.5%且<4.5%时，聚磷菌丰度≤3.5%则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在>3.5%且≤9.5%则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度>9.5%且≤14.5%则固体停留时间设定为至少21小时;聚磷菌丰度>14.5%则固体停留时间设定为至少27小时;
聚糖菌丰度在≥2.5%且<3.5%时，聚磷菌丰度≤1.5%则固体停留时间设定为至少3小时，聚磷菌丰度在>1.5%且≤4.5%则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在>4.5%且≤10.5%则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度>10.5%且≤14.5%则固体停留时间设定为至少21小时;聚磷菌丰度>14.5%则固体停留时间设定为至少27小时;
聚糖菌丰度在≥0.5%且<2.5%时，聚磷菌丰度≤2.5%则固体停留时间设定为至少3小时，聚磷菌丰度在>2.5%且≤6.5%则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在>6.5%且≤11.5%则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度>14.5%则固体停留时间设定为至少21小时;
聚糖菌丰度在<0.5%时，聚磷菌丰度≤3.5%则固体停留时间设定为至少3小时，聚磷菌丰度在>3.5%且≤7.5%则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在>7.5%且≤12.5%则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度>12.5%则固体停留时间设定为至少21小时。
15.权利要求13所述的方法，其特征在于：
上述使经过厌氧区、好氧区处理之后的部分活性污泥处于延长厌氧条件下的步骤包括：
使该聚磷菌选择装置处于延长厌氧状态，并具有足够的固体停留时间和/或水力停留时间;
使经过厌氧区、好氧区处理之后的部分活性污泥回流至位于生物强化除磷系统的旁流的聚磷菌选择装置中并从该聚磷菌选择装置中通过。
16.权利要求15所述的方法，其特征在于：上述方法是在生物除磷过程中通过活性污泥发酵连续产生可挥发性有机酸从而使对于进水中碳源的依赖程度减少，并通过延长厌氧条件下聚磷菌-聚糖菌间竞争使得聚磷菌得以富集，从而提高污水强化生物除磷过程性能的。
说明书
一种污水强化生物除磷过程聚磷菌富集优化的方法和提高污水强化生物除磷过程性能的方法
技术领域
本发明涉及污水除磷技术，具体来讲，涉及一种污水强化生物除磷技术，特别是延长厌氧条件下的污水强化生物除磷技术，以及对污水强化生物除磷过程聚磷菌富集的设计和/或运行进行优化的方法，提高污水强化生物除磷过程性能的方法。
背景技术
随着近年来对于污水中含有磷的更高水平处理的需求，更可靠和更好的优化除磷方法的出现被广泛期待。与传统的化学除磷(使用铁盐、铝盐或氢氧化钙等化学物质与含磷化合物进行反应进行除磷的技术)相比，强化生物除磷过程，即利用污水处理中微生物通过过量吸收超过自身代谢所需要的磷元素而以积累磷为细胞内聚合磷的方式完成的除磷，被认为是一种具有经济和环境优势的潜在高效方法。但是，在实践中，存在如下技术问题：许多强化生物除磷设施的表现不稳定，除磷的表现受进水条件影响大。强化生物除磷方法由于其运作不稳定通常需要备用化学品(standby chemicals)来保障其获得可靠和一致的出水达标性能，而经常地添加通过商业购买的碳源或现场初级污泥发酵的外部碳会增加成本并增加过程中的碳足迹，并且并非在所有情况下初级污泥发酵都是可行的，特别是对于没有初级处理的设施。越来越多的设施面临较低的磷排放许可限制。如果没有一致有效的强化生物除磷过程性能，这些设施被迫越来越依赖化学磷去除，这显着增加了化学品使用的成本和不良环境影响。
发明内容
越来越多的设施面临较低的磷排放许可限制。具有稳定、有效的性能，不依赖于商业化学碳源的强化生物除磷过程的开发受到迫切期待。
在对强化生物除磷工艺进行改进的新型旁流强化生物除磷工艺(旁流强化生物除磷过程)中，包括有旁流式厌氧生物污泥水解和发酵反应器;旁流强化生物除磷工艺(旁流强化生物除磷过程)可以消除外部添加碳的需求并最大限度地减少化学品的使用。其对污水进水的依赖程度低并可提高强化生物除磷过程工艺稳定性，被认为具有潜在优势。旁流强化生物除磷过程的其他优点包括：建筑和运行成本低，设计灵活，可以在多种现有水资源回收设施中实施的多种工艺配置;减少对污水进水特性和碳源的依赖;使进水碳源更多用于反硝化从而帮助除氮;与初级污泥发酵相比较少的气味，不需要初级澄清池。但是，因旁流强化生物除磷过程过程的基本机理尚未被阐明，对于基本机理的关键空白妨碍了该过程的更广泛应用，造成无法对该工艺进行有效设计和操作标准的制定。
在污水生物除磷系统性能优化中,数学建模(数学模型)的使用在指导设计和优化污水处理性能方面发挥着越来越重要的作用。目前在实践中被经常使用的数学模型通常在新型强化生物除磷工艺，特别是具有大量无氧区域的旁流强化生物除磷工艺(旁流强化生物除磷过程)中会因低估其性能而失败。旁流强化生物除磷过程的性能往往无法被充分预测，特别是当使用默认模型化学计量和动力学参数时。因此迫切需要开发这样一个可用于强化生物除磷工艺性能预测的改良模型，并用其来进行污水旁流生物除磷系统性能的优化。
本发明人基于上述技术情况进行了锐意研究，深入研究阐明了延长厌氧条件下强化生物除磷过程。特别是具有延长厌氧区域生物除磷过程，尤其是旁流强化生物除磷过程的基本机理，并开发了新的改良污泥模型，以及使用该改良污泥模型对污水旁流生物除磷系统性能优化的方法。以及应用了改机理的一种提高污水强化生物除磷过程性能的方法。
一种对污水强化生物除磷过程的设计和/或运行进行优化的方法，其特征在于：使用改良活性污泥模型，该改良活性污泥模型包括聚磷菌-聚糖菌竞争模块，该聚磷菌-聚糖菌竞争模块中包含了分阶段的细胞维护-细胞凋亡。
上述方法中，还可以是：上述污水强化生物除磷过程是处于延长厌氧条件下的污水强化生物除磷过程，上述改良活性污泥模型是基于延长厌氧状况下生物除磷过程中微生物种群间竞争机理的模型的。
上述方法中，还可以是：上述污水强化生物除磷过程是高浓度污泥(比如回流污泥)厌氧旁流生物除磷过程。
上述方法中，还可以是：上述方法是在强化生物除磷过程中通过活性污泥发酵连续产生可挥发性有机酸从而使对于进水中碳源的依赖程度减少，并通过延长厌氧条件下聚磷菌-聚糖菌间竞争使得聚磷菌得以富集，从而对旁流强化生物除磷系统性能进行优化的。
上述方法中，还可以是：上述延长厌氧条件指处于厌氧状态的时间为8小时以上，优选14小时以上，更优选18小时以上，特别更优选24小时以上。
上述方法中，还可以是：上述改良活性污泥模型的基本模型继承自ASM2活性污泥模型，上述分阶段的细胞维护-细胞凋亡和上述聚磷菌-聚糖菌竞争模块是用以模拟延长厌氧条件下的聚磷菌-聚糖菌活性竞争的。
上述方法中，还可以是：将该方法用于评估污泥停留时间、水力停留时间、有机酸生成速率以及聚磷菌/聚糖菌相对种群丰度对于厌氧聚磷菌选择反应器性能的影响，从而为进一步优化设计和/或运行条件以及针对特定水厂的生物除磷过程的设计和/或运行提供标准。
上述方法中，还可以是：针对聚磷菌，进行如下模拟：(1)在厌氧阶段的可挥发性有机酸摄取，活性P释放，糖原降解和聚β羟基烷酸酯形成;维护中按次序的聚合物利用，聚合物消耗后的分解凋亡;以及(2)在有氧阶段基于聚β羟基烷酸酯的生物质成长，基于聚β羟基烷酸酯的糖原合成，基于聚β羟基烷酸酯的多磷酸盐合成，维护中的按次序的聚合物利用，生物质凋亡，细胞内聚合物凋亡;
针对聚糖菌，进行如下模拟：(1)在厌氧阶段的可挥发性有机酸摄取，糖原降解和聚β羟基烷酸酯形成;维护中的按次序的聚合物利用，聚合物消耗后的分解凋亡;以及(2)在有氧阶段的基于聚β羟基烷酸酯的生物质成长，基于聚β羟基烷酸酯的糖原合成，维护中的按次序的聚合物利用，生物质凋亡，细胞内聚合物凋亡;
针对其他异养菌，进行如下模拟：(1)在厌氧阶段的生物质凋亡，(2)在有氧阶段的基于环境中可利用底物的生物质增长以及生物质凋亡。
上述方法中，还可以是：在上述细胞维护的模拟中，使用一组潜在的可利用的细胞内聚合物{s1，s2，...，sn}时，这些聚合物按照利用率优先顺序进行排序，细胞维护中个物质的实时降解率如下：
ri是第i种物质的实时降解率，单位为mol-ATP/C-mol MLVSS/hr;
mATP是细胞维护需求，单位为mol-ATP/C-mol MLVSS/hr，其仅取决于被模拟微生物本身以及环境条件，该环境条件包括温度和氧化还原条件，该还原条件环境即需氧、厌氧或缺氧;
wi是第i种物质si的开关函数，取决于各物质的剩余储量，使用如下公式计算得出：
Ki是特定的半饱和浓度常数，针对多磷酸盐单位是gP/gMLVSS COD，针对糖原和聚β羟基烷酸酯的单位是gCOD/gMLVSS COD;
fi=Xi/X是第i种物质的归一化浓度，即其储存含量对所在细胞的生物量的比值，针对多磷酸盐单位是gP/gMLVSS COD，针对糖原和聚β羟基烷酸酯的单位是gCOD/gMLVSSCOD;其中Xi作为聚β羟基烷酸酯或糖原的COD当量或多磷酸盐当量，X表示生物质的COD当量。
上述方法中，还可以是：在上述细胞凋亡的模拟中，每个个体的实时凋亡速率如下计算得出：
b'是实时凋亡比速率(d-1);
b是最大特定凋亡速率(maximum specific decay rate)(d-1);
Σγri是实时总体可用ATP供应量，单位为mol-ATP/C-mol MLVSS/hr。
上述方法中，还可以是：在个体为本模型中实现该模型：常规模型为每个被模拟的个体分别显式地使用变量Xi与X，但在计算速率时必须经常性地实时计算fi=Xi/X;在个体为本模型中，这部分计算的开会销变得十分明显。为了简化重复计算以适应个体为本模型的计算强度，在本发明模型中每个个体(agent)将直接储存fi与X，并在需要时通过反算得到Xi。
一种提高污水强化生物除磷过程性能的方法，其特征在于：使污水生物强化除磷过程中对于进水中碳源依赖程度减少并且使聚磷菌得以富集，具有如下步骤：使经过厌氧区、好氧区处理之后的部分活性污泥处于延长厌氧条件下的步骤。
上述方法中，还可以是：对于上述部分活性污泥处于延长厌氧条件下的固体停留时间进行如下设定，
聚糖菌丰度在≥4.5%时，聚磷菌丰度≤3.5%则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在>3.5%且≤9.5%则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度>9.5%且≤13.5%则固体停留时间设定为至少21小时;聚磷菌丰度>13.5%则固体停留时间设定为至少27小时;
聚糖菌丰度在≥3.5%且<4.5%时，聚磷菌丰度≤3.5%则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在>3.5%且≤9.5%则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度>9.5%且≤14.5%则固体停留时间设定为至少21小时;聚磷菌丰度>14.5%则固体停留时间设定为至少27小时;
聚糖菌丰度在≥2.5%且<3.5%时，聚磷菌丰度≤1.5%则固体停留时间设定为至少3小时，聚磷菌丰度在>1.5%且≤4.5%则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在>4.5%且≤10.5%则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度>10.5%且≤14.5%则固体停留时间设定为至少21小时;聚磷菌丰度>14.5%则固体停留时间设定为至少27小时;
聚糖菌丰度在≥0.5%且<2.5%时，聚磷菌丰度≤2.5%则固体停留时间设定为至少3小时，聚磷菌丰度在>2.5%且≤6.5%则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在>6.5%且≤11.5%则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度>14.5%则固体停留时间设定为至少21小时;
聚糖菌丰度在<0.5%时，聚磷菌丰度≤3.5%则固体停留时间设定为至少3小时，聚磷菌丰度在>3.5%且≤7.5%则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在>7.5%且≤12.5%则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度>12.5%则固体停留时间设定为至少21小时。
上述方法中，还可以是：上述使经过厌氧区、好氧区处理之后的部分活性污泥处于延长厌氧条件下的步骤包括：使经过厌氧区、好氧区处理之后的部分活性污泥回流至位于生物强化除磷系统的旁流的聚磷菌选择装置中并从该聚磷菌选择装置中通过，使该聚磷菌选择装置处于延长厌氧状态，并具有足够的污泥停留时间和/或水力停留时间。
上述方法中，还可以是：上述方法是在生物除磷过程中通过活性污泥发酵连续产生可挥发性有机酸从而使对于进水中碳源的依赖程度减少，并通过延长厌氧条件下聚磷菌-聚糖菌间竞争使得聚磷菌得以富集，从而提高污水强化生物除磷过程性能。
本发明人深入研究阐明了旁流强化生物除磷过程过程的基本机理，并开发了新的改良污泥模型，以及用于污水生物除磷系统性能优化的方法。该方法可用于强化生物除磷工艺性能预测，并用其来进行污水旁流生物除磷系统性能的优化。这将从根本上改变如何设计和实施有效的除磷技术。该方法可用于提供关于针对特定工厂的设计和运行条件和标准的进一步指导，并且提出了一种提高污水强化生物除磷过程性能的方法，其使污水生物强化除磷过程中对于进水中碳源依赖程度减少并且使聚磷菌得以富集，从而提高污水强化生物除磷过程性能。
