基于BioWin3.1軟件的擴建項目水解酸化－A2O工藝模擬研究

王貝靈，薛 罡，劉振鴻，宋新山

（東華大學 環境學院，上海 201620）

1 引言

隨著污水處理工藝的快速發展、污水處理工程的大批興建，以及污水處理廠排放標準的日趨嚴格，規范、快速、可靠的污水處理廠設計方法就成為重要的研究方向。由于傳統的程式化的設計方法已經逐漸無法滿足目前的各種水質和工藝要求，因此在設計過程中引入基于國際通行的污水處理模型的模擬方法就成為一個可施性較高的替代方案。商業水處理軟件的推出和升級大大促進了數學模擬在污水處理方面的發展，常用的有GPS－X、WEST、BioWin等［1］。目前國內已經有研究人員運用此類軟件進行污水處理工程前期的設計和正常運行的優化，但是在工程調試階段對其優化模擬的先例還未見報道。

2 BioWin3.1模型簡介

BioWin3.1模型是加拿大環境咨詢公司Envirosim開發的設計、分析全污水處理廠的單一矩陣模型。Bio－Win3.1可以模擬特定工藝單元的行為和單元中依賴于環境條件的主要反應，追蹤物理、化學和生物工藝的組分變化和反應情況［2］。Biowin3.1數學模型還可以對動態進水情況作出良好的響應，這就大大提高了對實際工程的分析處理能力，擁有較高的真現性。BioWin3.1模型包含了國際水協推出的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模型［3］。此外，其特有的區分靜態進水與動態進水方案能夠對實際情況進行有效還原，提高了軟件的實用性。BioWin自開發以來，各個版本在全球，特別是歐美地區有了極大的應用［4～6］。

3 BioWin3.1模型項目研究應用

3.1 研究對象簡介

江西省某地毯生產廠印染60m3／d廢水目前采用水解酸化－A／O工藝進行處理。但經過簡單處理，污水處理站存在出水氨氮、COD、色度等指標含量均嚴重不達標的情況。同時，由于企業擴大生產規模，在生產過程中所產生的印染污水量也隨之增加，實際日均進水量已經超過130m3／d。

3.2 工程水質及水量分析

本污水處理站進水水量每天在180～230m3／d。由于印染方式的差異，染料和助劑的用法、用量的變化造成了進水氨氮波動在140～480mg／L之間，COD在360～1540mg／L之間。進水水質的巨大波動對改擴建后的污水處理能力提出了嚴峻的考驗，考慮到廠區有一定的閑置土地，因此設計方在水解酸化－A2O生物處理后增設人工濕地單元進行進一步的處理。本項目主要對人工濕地前的生物處理部分進行模擬，確定最佳運行條件。

對廠區持續監測后，模擬中擬采用典型數據的平均值:進水量 200m3／d，COD 820mg／L，氨氮 200mg／L，TSS350mg／L，處理后考察 COD、氨氮、TSS分別低于200mg／L、110mg／L、50mg／L。

3.3 模型的建立

本工程根據原有構筑物結構單元進行改擴建，從而能夠降低土建成本，節約資源。根據工藝設計目標，擬采用A2O工藝對污水進行脫氮處理。擴建后擬進水量達到200m3／d，前處理設置集水井、調節池等穩定進水流量。生物處理運用多級錯層推流的方式在布有填料的生化池運行，在各級生化池中同時還設有曝氣管線，此法不但能夠有效地提高生物處理能力，同時也能夠自由改變各部分的曝氣狀態，為改變調試方案提供了更廣泛的可能性。工藝中對污泥的處理，大部分進行回流，其余污泥根據實際產量進入好氧消化池實現污泥減量，最后污泥壓濾脫水、外運。根據上述的擬建工程，在BioWin3.1軟件上設計如圖1的工藝流程。其中好氧池后的回流比為200%，沉淀池后的回流比為50%。缺氧填料生物反應器DO維持在0.5mg／L，好氧填料生物反應器DO維持在3.0mg／L，以此作為穩定的基態條件進行多組分變量模擬。

圖1 改建后污水處理廠模擬布置

4 軟件模擬調試優化參數

根據模型內核的數據控制，調整關鍵影響因素，找到合適的運行、調試方案，并為特例情況的出現做預案，方便了調試控制和正常運行的順利進行。

4.1 DO濃度調整

生物池中DO的濃度是對氨氮去除的重要影響因素，DO的升高能夠有效地促進氨氮降解，但是DO值過高對TN的去除有制約作用。本模型在維持內回流比200%、外回流比50%的情況下，調整了DO分別為2mg／L、3mg／L、4mg／L 3種狀態（表1）。模擬結果表明DO的改變對COD、TSS無實質影響，DO降低到2mg／L，氨氮值升高到105.90mg／L，而 DO 升 高 到 4mg／L，氨 氮 值 變 為103.52mg／L。考慮到提高DO值對充氧設備所增加的要求和穩定操控的復雜性，建議調試期間將DO設定為3.0mg／L。

表1 DO濃度調整對處理效果的影響 mg／L

4.2 內回流比調整

內回流比的不同對氨氮的硝化作用將產生明顯影響，提高內回流比能夠有效稀釋氨氮，但是同時也會由于水流的混合作用對厭氧部分產生可見干擾。模擬運行中將內回流比調整為100%、200%、300%和400%進行模擬（表2），模擬實驗結果顯示調整內回流比對COD、TSS無實質影響。考慮到提高后的效能比過低，為了維持合理的內回流能力，穩定出水水質，建議將內回流比調整為200%。

表2 內回流比調整對處理效果的影響 mg／L

4.3 污泥回流比調整

在本項目中，污泥回流的可以從一定程度上補充好氧池流出帶走的活性污泥，使各個池內的懸浮固體濃度MLSS保持相對穩定，懸浮污泥和填料附著污泥的存在可以最大化地對污水進行有效處理。模擬中將污泥回流比按照每25%增加一級的方式進行，最大達到150%（表3）。結果顯示，回流量的加大對氨氮的去除差異性不大，但是COD和TSS的出水模擬結果從179.4mg／L和26.7mg／L迅速提升到210.3mg／L和106.3mg／L，這就不能嚴格保證水解酸化A20工藝的出水水質和后續人工濕地系統的進水水質。因此，出于項目的綜合運行考慮，建議將外回流比調整到50%為適。

表3 污泥回流比調整對處理效果的影響 mg／L

5 結語

通過對高氨氮廢水水解酸化－A2O－人工濕地系統生化處理設計工藝的模擬，得出該設計能夠有效滿足設計要求，為后續生態處理提供穩定的碳氮基。根據不同的模擬方式，得出前期生化處理的最佳運行參數為好氧池DO3.0mg／L、內回流比200%、污泥回流比50%。軟件模擬后，出水COD、TSS、氨氮結果分別為185.5mg／L、47.5mg／L、105.8mg／L。

［1］沈童剛，邱 勇，應啟鋒，等.污水處理廠模擬軟件BioWIN的應用［J］.給水排水，2009（S1）:459～462.

［2］孫 遜，梁 恒，張克峰，等.百樂克工藝BioWin3數學模型的應用［J］.水處理技術，2010（8）:53～55.

［3］李鑫瑋，牛慶利，周 軍，等.BioWin在污水脫氮除磷系統中的應用研究［J］.中國建設信息:水工業市場，2009（11）:38～41.

［4］Eldyasti A，Andalib M，Hafez H，et al.Comparative modeling of biological nutrient removal from landfill leachate using a circulating fluidized bed bioreactor（CFBBR）［J］.Journal of Hazardous Materials，2011，187（1～3）:140～149.

［5］Hafez H，Elbeshbishy E，Nakhla G，et al.Simulating the impact of suppression of methanogenesis in continuous flow biohydrogen reactors［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2011，36（10）:5885 ～5894 .

［6］Sweeney M W，Kabouris J C.Modeling，instrumentation，automation，and optimization of wastewater treatment facilities［J］.Water Environment Research，2010，82（10）:1348 ～1366 .