轉載自給水排水

　　摘要　介紹了污水處理廠全流程模擬軟件BioWIN的使用方法,并對北京市某城市污水處理廠的運行進行了數學模擬,結果顯示,BioWIN能夠正確反映實際污水處理工藝的運行。在此基礎上,對軟件在污水處理輔助設計、工藝優化和科學研究方面的作用進行了探討。

    由于污水處理廠進水特性的地域差別大,進水負荷的動態變化快,運行狀態與設計參數相差較遠等原因,不少城市污水處理廠存在運行不良、難以達標的困難。這就要求對目前的污水處理工藝進行改造和優化,通過深入研究進水條件、工藝控制參數和系統運行效果三者之間的關系,調整工藝控制參數,優化工藝運行,從而改善出水水質。此外,城市污水處理是能耗較高的產業之一,污水處理工藝的優化也可以實現節能降耗的效果。污水處理工藝涉及的過程復雜,工藝調整一般依靠工程經驗,調整周期長,成本高,存在一定風險。由于數值模擬方法可以快速預測不同處理工藝條件下的出水水質,因此在污水處理廠工藝的設計和優化運行方面得到了重視和發展。從20世紀70年代起,研究人員和機構陸續開發了多種活性污泥系統的數學模型[1~3],其中以水協會提出的活性污泥模型(ASM)和厭氧硝化模型(ADM)代表性。在此基礎上,研究人員開發了計算機應用軟件模擬各種污水處理工藝[4~6]。商業水處理軟件的出和升級大大促進了數學模擬在污水處理方面的展,常用的有GPS-X、WEST、BioWIN等。其中,BioWIN是典型的污水處理廠全流程模擬軟件,
在國外水處理工程中得到廣泛應用。
    本文將介紹BioWIN軟件的使用方法,利用BioWIN軟件對北京市某城市污水處理廠的運行進行了數值模擬,并對軟件的應用和推廣進探討。

1　BioWIN軟件基本概況
    BioWIN模擬軟件于20世紀90年代由加拿Envirosim聯合公司研制。經過十幾年的不斷完開發,在北美和澳大利亞等地得到了廣泛的應用,為當地污水處理運行和設計的標準工程工具[7]。新的BioWIN版本軟件不僅能可靠模擬污水處理生物脫氮除磷活性污泥工藝和厭氧硝化系統,而還可以模擬固定生物膜反應器和生物移動床反器。目前BioWIN在國內的應用還很少。BioWIN模擬軟件的核心是ASDM綜合模型,描述了污水處理過程中的50種組分(普通異養菌、氨氧化菌、亞硝酸鹽氧化菌等)以及作用于這些組分的80個物理、化學和生物反應過程。該模型整合了水協會的三套活性污泥生物反應模型(ASM1~3),并集成了厭氧硝化模型ADM)、pH平衡、氣體轉移和化學沉淀等模型。由于ASDM模型采用單一矩陣的整體結構[8],BioWIN能模擬整座污水處理廠的全部流程,能追蹤任意模型組分或狀態變量在不同單元工藝中的變化。同時,BioWIN通過
總結研究成果和實際污水處理廠測試,提供了比較符合實際的模型參數缺省值。
    BioWIN可運行于多種操作系統,軟件界面十分友好。由于軟件在ASDM模型的基礎上建立了各種進水、反應器、沉淀池、污泥處理等共計30個工藝單元模塊,所以用戶可以通過簡單地組合這些模塊來快速建立目標污水處理廠的工藝概化模型。

2　BioWIN軟件應用案例
2.1　研究對象
    北京市A污水處理廠采用A2/O(厭氧—缺氧—好氧)生物處理工藝,設計處理水量為60萬m3/d,工藝流程如圖1所示。生物處理單元平行分為16組運行,每組含厭氧區、缺氧區、好氧區和1個二沉池,其中好氧區采用了“溶解氧—閥門開度”的PID閉環反饋系統,分四段控制反應池內溶解氧濃度。各區容積和水力停留時間如表1所示。由于污水處理工藝的進出水都是*混合水流,因此模擬1組處理系統可以代表全廠的運行狀況。
   根據污水處理廠的實際工藝,建立如圖2所示的工藝概化模型。模型中使用了多個CSTR反應器的串聯形式來表征實際反應器內的推流特性。在基礎上,選擇ASDM模型、pH平衡模型和氣體傳輸模型作為生物反應單元的數學模型,選用Vesilind修正模型作為二沉池的數學模型。

2.3　數據調研處理
2.3.1　基礎數據
構筑物尺寸;厭氧池、缺氧池內推進器功率;曝氣池內曝氣頭數量、面積、高度、曝氣能力等。
2.3.2　工藝運行條件
根據A污水處理廠實際運行狀況,設定內回流量Qr為75 000 m3/d,外回流量QR定為37 500m3/d,排泥量Qw為400 m3/d,均不隨時間變化;好氧區4段中前兩段固定曝氣量分別為3 000 m3/h和2 800 m3/h,后兩段將溶解氧設定為2.5 mg/L和2 mg/L進行反饋控制,水溫為20℃。
2.3.3　進水水質組分
根據A污水處理廠的常規監測數據,進水中氨氮占總凱氏氮的比例為0.81,溶解性磷酸鹽占總磷的比例為0.75。根據相關研究成果[9],進水COD組分Fus確定為0.09。其他組分參數均采用軟件缺省值,如表2所示。
由于城市污水處理廠進水特性的地域差別很大,軟件中進水組分的缺省值往往難以精確反映進水的實際情況,因此在進行污水處理工藝模擬時,應地通過試驗分析確定進水組分的實際值,保證模擬的效果。
2.4　模型校準
為了提高模擬結果的可信度,必須對所使用的模型參數進行校準。模型校準通常有兩種途徑:一是基于靈敏度分析的系統工程方法;二是基于經驗的工藝工程法。由于活性污泥法生物反應系統中大部分的動力學參數和化學計量參數較為穩定,并且BioWIN使用的ASDM模型的參數缺省值來源于的科學研究結果和大量實際污水處理廠工藝系統的校正參數,因此在實際模擬過程中需要校正的很少,可以重點關注變化較明顯的異養菌和自養菌大比增長速率。通過現場的活性污泥呼吸速率試驗[10],修改異養菌產率系數和大比增長速率為實測值0.64和1.5 d-1(缺省值為0.67和3.2)。自養菌的大比增長速率從0.9調整為0.46。其他動力學參數及化學計量學參數均采用軟件缺
省值。
2.5　模型驗證
通過14 d的現場試驗,連續監測獲得了生化單元進出水水質的每小時變化數據,并通過中控室獲取了進水水量的實時數據。為了排除離散數據的干擾,運用時間序列季節變動分析法[11]對數據進行處理,得到了A廠生化單元進水的日內時變化情況,見表3。
為了驗證工藝概化模型的有效性,輸入A污水處理廠生物單元的進水水量和水質數據,將動態模擬得到的出水水質情況與實際監測值進行比較。出水水質日內時變化規律以及模擬得到的出水水質情況如圖3、圖4所示。從圖中可以看出,生化單元出水的COD、NH3—N、正磷的模擬濃度值與實測濃度值基本相符,模型能夠反映實際污水處理工藝的
運行。
3　BioWIN的應用討論
作為優秀的污水處理行業商業軟件,BioWIN不僅能夠準確模擬污水處理廠工藝運行,還可憑借其*的模型和豐富的模塊應用于輔助設計、工藝優化和科學研究。

3.1　輔助設計
傳統的設計認為有機底物降解遵循一級反應,但大多數污水中的有機物的降解實際上處在零級到一級反應之間。采用BioWIN進行輔助設計,可按照污水處理中的真實反應由微分計算有機物的降解速率,從而降低傳統設計的偏差。
此外,BioWIN豐富的處理單元模塊可以良好地模擬常見的活性污泥處理系統和污泥處置工藝,其全面的數據輸出能力不僅能夠反映出水水質情況,而且能表征運行能耗狀況,因此可以實現對不同設計工藝的全面評估和比較。
3.2　工藝優化
污水處理廠進水的水量水質和生物反應單元中污泥的活性時常變化,這就要求在運行中適時調整回流、曝氣排泥等工藝參數。BioWIN在對準確模擬污水處理廠工藝運行的前提下,可以對不同的運行參數進行模擬,并對化學除磷金屬鹽的不同投加點和量、污泥的處置和回流、關閉部分處理單元等情況產生的影響進行評價,快捷地找出運行中存在的關鍵問題,針對易于調整的條件進行模擬分析,從而省時省力地確定工藝優化方案。
3.3　科學研究
污水處理工藝中遇到的問題一般和進水特性、活性污泥中的微生物及其產物相關。傳統的研究在解決這些微觀問題時,往往面臨影響因素繁多、數據難以獲取等困難。采用BioWIN進行數值模擬,則可以在很短的時間內從眾多影響因子中辨認出關鍵因子,從而縮小研究范圍。另一方面,BioWIN可以提供化學除磷單元鳥糞石的產生量、厭氧硝化中生物產氣量等許多試驗研究難以獲取的數據描述,有助于科學研究更加細致、全面
和深入。

4　結語
本文介紹了BioWIN軟件的使用方法和實例。模擬結果表明,BioWIN可以成功模擬城市污水處理廠的A2/O工藝脫氮除磷的效果。在準確模擬的基礎上,對于BioWIN的在輔助設計、工藝優化和科學研究方面的應用進行了展望。