BioWin在污水脫氮除磷系統中的應用研究

摘要：本文對BioWin數學(xué)模擬工具及其在污水處理中的應用現狀進(jìn)行了介紹，利用BioWin 3.0對生物脫氮除磷中試系統進(jìn)行了模擬，并對所建立的模型進(jìn)行了校準和驗證，結果表明，利用BioWin建立的模型能夠較好地反應污水處理實(shí)際運行狀況。

關(guān)鍵詞：BioWin　模擬　脫氮除磷

一、前言

不同國家和地區的研究和應用實(shí)踐表明，數學(xué)模擬已經(jīng)成為污水處理工藝優(yōu)化設計和運行以及新工藝開(kāi)發(fā)試驗研究中有效的工程工具。數學(xué)模擬技術(shù)即利用數學(xué)模型和模擬工具，對假設的系統或不便進(jìn)行試驗測定的系統進(jìn)行模擬預測。應用數學(xué)模擬技術(shù)，可以大大減少試驗工作量，不僅能提高工作效率，還可以節省大量人力、物力和財力[1] [2]。

數學(xué)模擬需要借助于特定的應用程序和軟件，在已經(jīng)開(kāi)發(fā)的諸多軟件中，BioWin幾乎包括了其他各種軟件的大部分功能并形成了自己的特點(diǎn)，有著(zhù)更加廣泛的發(fā)展應用前景。

二、BioWin 簡(jiǎn)介及應用現狀

1、BioWin 簡(jiǎn)介

BioWin是由加拿大Envirosim環(huán)境咨詢(xún)公司推出的一款污水處理工藝數學(xué)模擬軟件。BioWin模型包含了國際水協(xié)推出的ASM1號模型、ASM2d模型、ASM3號模型以及污泥消化模型等一系列活性污泥數學(xué)模型。它包含兩個(gè)模塊，一個(gè)是穩態(tài)分析器，假定進(jìn)水流量和組分恒定；另一個(gè)是動(dòng)態(tài)仿真器，使用的是時(shí)變輸入。

經(jīng)過(guò)十多年的開(kāi)發(fā)研究，BioWin數學(xué)模擬軟件幾乎包括了其他各種軟件的大部分功能并形成了自己的特點(diǎn)，例如能夠模擬整個(gè)污水處理廠(chǎng)（包括污水、污泥以及污泥處理后的上清液的處理工藝）的pH變化，預測厭氧消化系統中的pH值和沼氣（包括CO2、CH4和H2）的構成，使用技術(shù)上優(yōu)越的單一模型矩陣，這種廣泛和綜合的解決方案使得模型校正要求大大減少，設計更加準確。

目前采用的最新的BioWin 3.0 是污水處理工藝模擬方面的一個(gè)重要進(jìn)展。BioWin 模型的動(dòng)力學(xué)參數和化學(xué)計量參數已經(jīng)通過(guò)大量的研究和工程應用得到校正。因此，在工程應用時(shí)模型校正的工作量大大減少。

2、BioWin 應用現狀

BioWin作為有用的模擬工具已經(jīng)在污水處理的許多方面獲得了廣泛應用[3]。如在污水處理工藝設計、評估和比較中利用BioWin進(jìn)行模擬可以使工作量大為減少，起到事半功倍的效果；在工藝運行中，利用BioWin進(jìn)行模擬可以診斷和優(yōu)化污水處理廠(chǎng)各種因素的變化對處理效果的影響。

在紐約市生物脫氮除磷升級改造項目中，通過(guò)使用BioWin模擬確定生物脫氮除磷升級改造對四個(gè)污水處理廠(chǎng)脫氮能力的影響并估計出水總氮可能的最高值。結果顯示BioWin模擬的預測值與后來(lái)實(shí)測值很接近。

在全污水處理廠(chǎng)工藝優(yōu)化過(guò)程中，BioWin起了關(guān)鍵作用。2005年，為改造美國喬治亞州F.Wayne Hill水資源中心的污水處理設施，利用BioWin工藝模擬軟件，在水資源中心對以下運行情況評價(jià)的基礎上，開(kāi)發(fā)了該中心污水廠(chǎng)的模擬模型——全污水處理廠(chǎng)模型的結構。這些運行情況包括：采用或不采用初沉池、不同的運行結構和生物反應池的季節優(yōu)化、金屬鹽的投加點(diǎn)和投加量的影響/優(yōu)化、固體處置和回流影響、DO優(yōu)化、暴雨流模擬和部分廠(chǎng)關(guān)閉的評價(jià)。這個(gè)應用實(shí)例顯示了如何建立一個(gè)全廠(chǎng)模型，以降低運行和維護成本并產(chǎn)生高質(zhì)量的出水水質(zhì)。

在北京市高碑店污水處理廠(chǎng)四系列改造過(guò)程中，北京排水集團甘一萍等采用數學(xué)模擬技術(shù)建立了高碑店污水處理廠(chǎng)四系列的工藝模型，對當時(shí)的運行情況進(jìn)行了模擬分析，在此基礎上提出了提高脫氮效果的改造方案。針對脫氮效率不高的問(wèn)題，研究組對延長(cháng)缺氧段并保證好氧段的硝化效果進(jìn)行了詳細的模擬分析，最終確定了改造方案的核心內容。改造后運行穩定時(shí)的脫氮效率明顯提高，與預期效果基本一致，證明了數學(xué)模擬技術(shù)的可靠性和實(shí)用性。該例主要說(shuō)明了運用數學(xué)模擬技術(shù)可以對現有工藝進(jìn)行分析和診斷，找出運行中存在問(wèn)題的關(guān)鍵原因，并針對易于改善和改造的條件進(jìn)行模擬分析，最終確定工藝優(yōu)化和改造方案。

三、BioWin對脫氮除磷中試系統的模擬

1、模型建立

本文針對處理規模為144噸/日的污水脫氮除磷中試系統進(jìn)行模擬，該系統為強化生物脫氮除磷工藝，采用預缺氧—厭氧—缺氧—好氧—缺氧—好氧的模式運行。進(jìn)水方式為兩點(diǎn)式進(jìn)水，其中85%直接進(jìn)入厭氧池，15%進(jìn)入預缺氧池，同時(shí)進(jìn)入預缺氧池的還有回流比為100%的回流污泥。內回流比為300%，剩余污泥從好氧池末端排出。

按照中試實(shí)際工藝流程，采用BioWin 3.0軟件建立的中試工藝流程如圖1所示，其中好氧池根據實(shí)際運行中各池不同的溶解氧濃度分為四部分。

2、參數確定及模型校準

系統參數主要包括三部分：模型參數、工藝參數和污水組成參數。模型參數是指生物反應器的動(dòng)力學(xué)參數和化學(xué)計量參數，它們是表征模型固定特性的量。工藝參數是指代表實(shí)際污水處理運行工藝的模型工藝參數。污水組成參數是指將污水劃分成一定的組分，這些組分是有同樣的計量單位并按一定的比例關(guān)系組成可以衡量污水水質(zhì)的指標。

（1） 污水組成參數

① COD組分確定方法

COD是表征城市生活污水性質(zhì)的常用指標，在用BioWin軟件進(jìn)行數學(xué)模擬前，需先確定COD組分。ASM1根據可生物降解性和溶解性將COD劃分為四個(gè)組分：易生物降解組分SS、慢速可生物降解組分XS、顆粒性不可生物降解組分XI和溶解性不可生物降解組分SI。ASM2又將易生物降解組分SS進(jìn)一步細分，分為可溶極易生物降解組分（發(fā)酵產(chǎn)物）SA和可發(fā)酵的易生物降解組分SF，則COD進(jìn)水＝SA+SF+SI+XI+XS。
進(jìn)水COD組分測定及計算方法如下[4]：
1）取二沉池出水，測定SCOD（溶解性COD），則SI=0.9×SCOD出水；
2）用五點(diǎn)pH值滴定法測定VFA（揮發(fā)性脂肪酸），則SA=1.08×VFA；
3）測定生物反應池進(jìn)水SCOD，則SF=SCOD進(jìn)水-SI-SA；
4）XS=BCOD-SA-SF。BCOD（可生物降解COD）可由如下方法估算：測定BOD5，因城市污水中BOD5約占極限生化需氧量（BODU）的70%，且大量試驗結果表明BODU約占BCOD的88%.
5）XI=COD進(jìn)水-SI-SA-SF-XS。

② 模型中污水組成參數的確定

模型的建立及校準過(guò)程采用污水脫氮除磷中試系統2007年12月12日~21日運行數據的平均值，如表1所示。
污水組成參數的具體確定過(guò)程如下：
經(jīng)試驗測定SCOD出水=33.73 mg/L，則SI=0.9×SCOD出水=30.36 mg/L；
SA=1.08×VFA=30.816 mg/L；
SF= SCOD進(jìn)水-SI-SA=94.824 mg/L；
XS=BCOD-SA-SF=210.08 mg/L；
XI=COD進(jìn)水-SI-SA-SF-XS=39.52 mg/L；

Fxsp= （由于膠體性慢速可生物降解COD部分XSC不易測定，故Fxsp取BioWin軟件的默認值0.75）。
式中，Fbs—進(jìn)水中易生物降解COD占總COD的比例；
Fus—進(jìn)水中溶解性不可生物降解COD占總COD的比例；
Fup—進(jìn)水中顆粒性不可生物降解COD占總COD的比例；
Fac—進(jìn)水中VFA占易生物降解COD的比例；
Fxsp—進(jìn)水中顆粒性慢速可生物降解COD占慢速可生物降解COD的比例。

（2）工藝參數
根據工藝實(shí)際運行情況，模型建立過(guò)程所需各項工藝參數列于表2。

（3）模型參數
將上述污水組成參數和工藝參數輸入BioWin軟件，準備進(jìn)行模型的校準。在利用BioWin進(jìn)行模型校準前，還需初步確定模型參數。動(dòng)力學(xué)參數AOB（氨氧化菌）最大比增長(cháng)速率μA取軟件默認值0.9d-1，二沉池去除率設為99.8%，剩余污泥排泥量實(shí)測為7~8m3/d左右，在進(jìn)行模型調試前初步定為7 m3/d。

根據2007年12月12日~21日運行數據的平均值對模型進(jìn)行調試，過(guò)程如下：

（1）μA取0.9d-1，水溫16.2℃，二沉池去除率99.8%，排泥7m3/d，輸入進(jìn)水水質(zhì)及各組分比例，運行模擬；

（2）運行第1次模擬后，出水SS、TP、NO3－－N的模擬值與實(shí)測值相比略高，因此將排泥量增至7.5m3/d以期降低上述3個(gè)指標，運行第2次模擬；

（3）第2次模擬后出水水質(zhì)指標中SS、TP、NO3－－N均有所降低，說(shuō)明增大排泥量的措施有效，繼續增大排泥量至7.8m3/d；而NH4+-N模擬值與實(shí)測值相比偏小，分析原因可能是μA取值較高，考慮到冬季水溫較低，硝化反應受低溫影響，反應速率相對較低，因此μA減為0.85d-1，運行第3次模擬；

（4）第3次模擬后，各出水水質(zhì)指標模擬值與實(shí)測值均擬合較好，各次模擬結果如表3所示。

從表中模擬結果看出，第3次模擬的各水質(zhì)指標模擬值與實(shí)測值擬合較好，因此，采用第3次模擬后確定的模型參數是可行的。

3、模型驗證

在用12月12日~21日運行數據平均值進(jìn)行模型校準后，污水組成參數、工藝參數、模型參數均已確定，模型已成功建立。用該模型對12月24日和26日兩天的運行情況進(jìn)行模擬，并將出水水質(zhì)模擬值與實(shí)測值比較，以檢驗模型的可靠性和預測能力。預測結果列于表4。

從表4中看出，出水TP、TN、SS、NO3--N、NH4+-N等指標的預測值與實(shí)測值擬合較好。COD預測值與實(shí)測值偏差相對稍大，原因可能是在后來(lái)的兩天里進(jìn)水水質(zhì)發(fā)生了變化，與模型中的進(jìn)水水質(zhì)組分相差較大，例如24日和26日實(shí)際進(jìn)水COD分別為540mg/L和495mg/L，遠高于12日至21日的進(jìn)水COD平均值405.6mg/L，因此相應的污水組成參數也可能發(fā)生了變化，這時(shí)用前幾天的組分參數所得的模擬結果就會(huì )與實(shí)測值有一定偏差。

四、結論與建議

從以上對模型的校準和驗證過(guò)程可以得出以下幾點(diǎn)結論和建議：

（1）上述模型是利用BioWin3.0軟件基于脫氮除磷中試系統一周的實(shí)測數據建立的，可以較好地反應污水處理實(shí)際工藝運行狀況。但是如果實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)與建模所用平均值相差較大，可能會(huì )導致部分模擬結果與實(shí)際值有較大出入，不能完全準確地反應實(shí)際運行，因此模型的建立需要大量準確的運行數據，才能增強模型的可靠性和代表性。

（2）任何的數學(xué)模型都有一定的適用范圍。隨著(zhù)時(shí)間的變化，進(jìn)水水質(zhì)、反應池中污泥的性狀和運行狀況（如好氧池中溶解氧濃度）也會(huì )有一定的變化，因此，在不同季節或月份應該有各自的模型，從而使模型可以更好地指導污水處理廠(chǎng)的運行。來(lái)源：水工業(yè)市場(chǎng)雜志