BioWin數學模型在污水處理廠輔助工藝設計中的應用

陳建，周諧，李萍，黃偉，龔玲

(重慶市生態環境監測中心，重慶 401147)

BioWin數學模型在污水處理廠輔助工藝設計中的應用

陳建，周諧，李萍，黃偉，龔玲

(重慶市生態環境監測中心，重慶 401147)

目前，城市污水處理廠設計方式還是依據設計手冊選取參數，難以準確預測不同進水負荷和污染物組分條件對出水產生的影響。利用污水處理模型軟件對污水處理廠設計文件進行模擬可以快速地驗算不同條件對處理效果的影響。利用BioWin模型對重慶市某鎮級污水處理廠設計方案進行模擬，結果表明：在設計進水水質及運行條件下，該廠各出水水質均能達到一級B標準，滿足設計要求；通過進水特征變化模擬，按照設計文件的變化系數增大進水水量后或降低進水COD濃度時，均會導致出水超標；通過運行特征變化模擬，降低內回流比，在原有設計基礎上可減少1臺曝氣機，既能節能降耗又能保證出水水質達標；對原有設計方案進行優化，在原方案基礎上優化方案為減少1臺曝氣機曝氣量，調整內回流比為50%，調整污泥回流比為75%。優化方案模擬結果表明，不論是在平均運行溫度還是在不利運行溫度下，該優化方案均能使出水各項指標達到一級A標準。

BioWin；污水處理；輔助設計；模擬

我國城市污水處理事業發展迅速，污水處理能力和效率逐漸提高。目前，城市污水處理廠設計主要根據設計手冊選取處理負荷，通過處理負荷計算構筑物尺寸和工藝參數，并乘以安全系數作為最終參數[1-2]。這種設計方法雖然簡單易用，但不同進水負荷及污染物組成條件下生化反應情況，以及降雨等沖擊負荷，使用傳統方法難以做出較準確的評價[3]。

污水處理數學模型輔助工藝設計是在初步設計完成后，通過數學模型來進行工藝模擬，驗算在不同進水特性、運行條件和動力學參數對處理效果的影響[4]。近年來，活性污泥工藝的數學模型及其軟件得到快速發展，并逐漸用于污水處理工藝設計，為解決上述問題提供了新的方法和途徑[5]。數學模型輔助污水處理廠工藝設計在國外已有較多應用[6-14]，國內在較發達地區也有數學模型輔助污水處理廠設計和改造的先例[15-17]，但在重慶地區尚未開展此類研究。

BioWin軟件采用ASDM綜合模型，能模擬污水處理過程中的50種組分以及80個物理、化學和生物反應過程，具有良好的工程應用實踐[18]。本研究采用BioWin軟件作為模型模擬平臺對重慶市某鎮級污水處理廠設計進行工藝模擬，對污水處理設計文件參數進行評價。分析三峽庫區特有污水負荷條件下污水處理條件，并基于該模型發現現有設計存在的問題，提出優化方案。

1 設計方案分析與建模

1.1設計方案介紹

重慶某鎮級生活污水處理廠主要收集該鎮生活污水和部分園區工業廢水，近期設計日處理5000 m3/d，總變化系數K=1.74。該污水處理廠設計使用A2/O氧化溝工藝，采用Carrousel氧化溝，圖 1為該污水廠處理工藝流程。

圖1 污水處理工藝流程Fig.1 Sewage treatment process

工藝設計進水水質如表1所示，排放標準為《城鎮污水處理廠污染物排放標準》[19](GB 18918—2002)的一級B標準。

表1 設計方案的進出水水質

1.2模型建立

根據設計方案，模型設置了兩組并聯的處理單元，并根據溶解氧水平，各組處理單元設置了1個厭氧區、1個缺氧區、1個好氧區(分為8段)和1個二沉池。概化模型如圖 2所示。

依據該污水處理廠《初步設計說明》，對生化處理單元的構筑物設計尺寸，可以確定模型中各單位的結構尺寸，該污水處理廠兩組并聯生化池設計完全一致，構筑物尺寸如表2所示。

圖2 污水處理廠A2O工藝模型Fig.2 A2O process model of wastewater treatment plant

1.3設計運行參數

根據該污水處理廠初設說明，對系統的運行參數進行匯總分析，按如下內容選取了參數值，確定工藝模擬的基準狀態。

1.3.1溶解氧設置

根據設計方案，每組處理單元設置機械曝氣機4臺，充氧量13.7 kg/h，功率7.5 kW，曝氣機標準氧傳遞速率使用BioWin模型默認值1.5 kg/(kW·h)。在實際運行中，由于每臺曝氣機近端耗氧速率高，遠端耗氧速率低，因此在每臺曝機近端溶解氧按曝氣機功率設置，遠端采用溶解氧嘗試反饋控制。

表2 BioWin模型中的構筑物尺寸

1.3.2內外回流

按設計方案對系統的內外回流進行了理論計算。

內回流泵。設計內回流污泥泵參數Q=200 m3/h，內回流比為200%。

外回流：外回流污泥設計流量為：Q=0.058 m3/s，潛污泵功率為Q=104 m3/h，揚程H=6.5 m，功率因數COSΦ=0.8。污泥回流比為100%。

1.3.3排泥量設置

剩余污泥量設計值為932 kg/d，含水率99.2%，折合每天排放剩余污泥116.5 m3，根據剩余污泥量計算SRT為21 d。此外，初設文件中設計SRT為19 d，設計混合液濃度4000 mg/L，有效池容5000 m3計算，則剩余污泥量為1052.6 kg/d。因此，設計文件中根據泥齡計算的剩余污泥量和根據剩余污泥量計算的泥齡略有差別，差值約11.4%，本研究利用設計剩余污泥量模擬泥齡。

1.3.4設計水溫

初設說明選取最不利水溫10℃作為設計值。但由于污水處理廠日常運行溫度范圍在10～30℃，選擇20℃作為模擬條件，再計算在10～30℃時對處理效果的影響。

1.4模型參數

1.4.1進水水質組分

根據初設數據和模型要求設置進水參數。對于模型要求但初設方案中缺少的數據，利用模型默認值、相關監測數據或參考相關文獻獲得。具體參數設置如表3所示。

表3 模型進水組分設置

注：①根據長期監測數據，該鎮生活污水中NH3-N和TKN比例，TKN由NH3-N設計濃度計算得出。

1.4.2模型動力學參數

在運用模型進行污水處理工藝設計時，由于污泥活性難以估計，因此模型模擬的動力學參數和化學計量參數選擇模型默認值，具體如表4所示。

表4 模型主要動力學參數

2 設計方案的模擬

2.1設計工藝模擬結果

2.1.1基準狀態模擬

根據以上設計參數為基準，模擬污水處理廠出水水質情況。目的一方面在于檢驗在以上設計條件下，污水處理廠運行和出水是否滿足設計要求，另一方面將該狀態作為其他工藝參數或水質參數調整的比較基準，分析在調整參數后污水處理廠的出水水質變化情況。

按照以上設計條件利用BioWin對該污水處理廠進行模擬，模擬結果如表5所示。

表5 污水處理廠運行情況模擬值

表6 污水處理廠出水模擬結果

從上述結果可以看出，按此設計參數，模擬的污水處理廠在實際運行過程中生化反應單位MLSS濃度為2623 mg/L，MLVSS濃度為1638 mg/L，基本處于活性污泥處理要求水平,但略低于設計文件中的4000 mg/L。厭氧池、缺氧池和好氧池的DO濃度分別為0、0.01 mg/L和2623 mg/L。

根據進水水質模擬的出水水質如表6所示。由表6可以看出，所有出水的污染物指標模擬值均低于設計出水水質，即均能滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002 )一級B標準。處理效率也均高于設計處理效率。該污水處理廠按目前設計參數運行處理能力大于目前進水水質所需處理能力，因此設計方案具有節能降耗、提升出水水質的優化改造空間。

2.1.2進水特征模擬

(1)進水水量增加

污水處理廠處理量變化系數為1.74，因此可能出現8700 m3/d的進水流量。計算在設計條件下，僅修改進水水量為持續高流量進水條件，保持其他工藝運行條件不變，模擬結果如表7所示。

從模擬結果可以看出，按照設計文件變化系數增大進水流量后，出水NH3-N濃度大幅增大為9.8 mg/L，超過一級B標準，NH3-N處理效率迅速降低。與此同時，出水TP濃度有較大減少，為0.47 mg/L，為基準模擬濃度的58%。

在現有曝氣機功率提供的曝氣量一定的情況下，生化池DO濃度下降為原來的47%。氧化溝中較低的溶解氧影響硝化作用，從而影響NH3-N的去除[20]。但同時，較低DO濃度有利于TP的去除。

(2)進水COD濃度降低

根據設計方案提供的歷史檢測數據，以及相關文獻[21]調查結果，重慶地區生活污水處理廠典型進水COD濃度約為260 mg/L。在基準模擬狀態下，將進水COD濃度降低為260 mg/L，其他條件不變，模擬出水水質情況結果如表8所示。

表7 最高進水流量下的模擬結果

表8 低進水COD濃度下模擬結果

根據結果可以看出，進水COD濃度降低時，TP的去除受到明顯影響，出水TP已遠超過排放標準。這是由于碳源過低，厭氧段釋磷不足，從而造成TP去除受到影響。但進水COD的降低對出水NH3-N影響不大，這是由于進水碳源等有機物在生化反應時會優先完成反硝化過程，因此氮的去除受影響程度比磷要小。與此同時，進口COD濃度的降低，需氧量也有所降低，好氧池中可相應減少曝氣機開啟數量。

2.1.3工藝運行條件模擬

(1)內回流模擬

對于內回流比的模擬范圍可以根據回流泵的最大回流量來確定內回流比的最大值，而最小值則可設定為不進行內回流，一般來說內回流比的模擬范圍在0～300%[22]。根據設計文件中內回流泵功率，設計內回流比為最大約200%。調整不同內回流比進行模擬，分析對出水水質的影響。模擬結果如表9所示。

表9 不同內回流比模擬結果

模擬結果顯示，降低內回流比對出水NH3-N幾乎沒有影響，可以使得出水TP有所降低。可能是由于內回流量占生化池總流量比例有限，因此內回流比變化導致的出水濃度變化較小。

(2)污泥回流比模擬

該污水處理廠外回流污泥設計流量為：Q=0.058 m3/s，潛污泵功率為Q=104 m3/h，共2臺。該廠最大污泥回流比為100%。對不同污泥回流條件進行模擬，以尋找最優回流比。模擬結果如表10所示。

在排泥量不變條件下，隨著回流污泥比降低，氧化溝中MLSS濃度降低。同時出水的COD和TP濃度降低，而NH3-N和TN濃度增加。減少污泥回流，可減少帶入厭氧池中的硝酸鹽和溶解氧，有利于TP去除。此外，還有學者研究指出，降低污泥回流比，可增加厭氧池實際水力停留時間，增加聚磷菌在厭氧池可有效利用的碳源，使聚磷菌在厭氧池充分釋P，從而提高除P效率[23]。

(3)曝氣量模擬

根據基準模擬結果，好氧區溶解氧濃度約為1.86 mg/L，此時出水水質均能達標，其中NH3-N濃度遠低于標準限值。因此，可在此基礎上適當減少曝氣量，即曝氣機開啟臺數，可降低部分能耗。不同溶解氧模擬結果如表11所示。

表10 不同污泥回流比模擬結果

表11 不同溶解氧模擬結果

根據模擬結果，適當減少1臺曝氣機時，出水NH3-N濃度有一定增加，但依然低于標準限值。與此同時，TP濃度降低。當每組氧化溝減少2臺曝氣機時，好氧池中的溶解氧濃度已經不能滿足NH3-N處理的需求，NH3-N濃度超標。因此，在設計參數的基礎上，減少1臺曝氣機曝氣量，在保證NH3-N處理能力的同時，不僅能降低運行能耗，還能有利于TP和TN的去除。

(4)運行溫度模擬

不同運行溫度模擬結果如表12所示。

表12 不同運行溫度模擬結果

根據模擬結果，當水溫逐漸上升時，氧化溝中的污泥濃度并沒有明顯變化，氧化溝中DO隨溫度增加而降低。出水NH3-N隨水溫增大有明顯下降。有關研究[24]表明，溫度對NH3-N去除率的影響主要表現在對硝化反應過程的影響，當溫度低于20℃時，硝化菌的活動受到抑制，硝化反應減弱。但在本系統中仍然能達標排放。

3 設計方案優化

根據以上分析，在目前設計條件下，該污水處理廠各項出水指標均低于排放標準限值，其中NH3-N處理效率最高，而TP相對其他指標處理效率較低，出水TP濃度已接近《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準。因此，可以通過BioWin模擬，調整部分設計運行條件，使得污水處理廠在達標排放的同時可節約泵和曝氣機的能耗。優化方案為減少1臺曝氣機曝氣量，調整內回流比為50%，調整污泥回流比為75%。

通過模擬結果可以看出，在平均溫度20℃時，設計進水水質情況下，優化后的設計方案出水水質NH3-N濃度相比原方案有一定的增加，但出水TP濃度相比原方案下降39.5%，且優化后所有模擬出水指標均能滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，高于原方案設計標準。

考慮在不利溫度條件下，優化方案能否使出水達標，設置水溫為10℃進行模擬，結果如表13。在低溫條件下，出水NH3-N濃度升高，其他指標與20℃時相差不大。此時所有指標也均能達到A標準。因此在設計進水條件下，此優化后設計方案是可行的。

表13 設計方案優化模擬結果

4 結論

(1)利用BioWin模型對重慶市某鎮級污水處理廠設計方案進行模擬。模擬結果表明，在設計進水水質及運行條件下，該廠各出水水質均能達到一級B標準，滿足設計要求，這說明該廠的設計方案是可行的。

(2)通過進水特征變化模擬，結果表明，該污水處理廠按照設計文件的變化系數增大進水量后，由于曝氣機功率限值，會導致好氧池溶解氧濃度迅速降低，出水NH3-N超標；進水COD濃度低于設計值時，導致碳源不足，出水TP超標。

(3)通過運行特征變化模擬，結果表明，模擬結果顯示，降低內回流比能適當降低出水TP濃度，但對其他出水指標沒有明顯影響；降低污泥回流比能有效降低出水TP濃度；在原有設計基礎上可減少1臺曝氣機，出水水質仍然能達標；重慶某鎮級污水處理廠在不同運行溫度下出水水質均能達標，但低溫會影響NH3-N處理效率。

(4)為提水出水水質和節能降耗，對原有設計方案進行優化。在原方案基礎上優化方案為減少1臺曝氣機曝氣量，調整內回流比為50%，調整污泥回流比為75%。優化方案模擬結果表明，不論是在平均運行溫度還是在不利運行溫度下，該優化方案均能使出水水質達到一級A標準。

[1] MOGENS HENZE. 污水生物處理——原理、設計與模擬[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2011.

[2] 王卿卿. 城市污水處理廠設計進水水質確定方法的試驗研究[D]. 西安: 西安建筑科技大學, 2008.

[3] 李娟. 城市污水處理廠工藝設計研究[D]. 西安: 西安建筑科技大學, 2008.

[4] 付國楷, 喻曉琴, 張春玲, 等. 三峽庫區城市污水處理廠工藝特征分析[J]. 環境工程學報, 2014, 8(10): 4141- 4146.

[5] 施漢昌, 邱勇. 污水生物處理的數學模型與應用[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2014.

[6] H.M. van Veldhuizen., LOOSDRECHT M C M V, HEIJNEN J J. Modelling biological phosphorus and nitrogen removal in a full scale activated sludge process [J]. Water Research, 1999, 33(16): 3459- 3468.

[7] Damir Brdjanovic, LOOSDRECHT M C M V, VERSTEEG P, et al. Modeling COD, N and P removal in a full-scale wwtp Haarlem Waarderpolder [J]. Water Research, 2000, 34(3): 846- 858.

[8] S C Meijer, M C Van Loosdrecht, J J Heijnen. Metabolic modelling of full-scale biological nitrogen and phosphorus removing wwtp' s.[ J] . Water Research, 2001 , 35(11): 2711- 2723

[9] Hao X, Van Loosdrecht M C, Meijer S C, et al. Model-based evaluation of two BNR processes-UCT and A2N[J] . Water research,2001 , 35(12): 2851- 2860.

[10] WICHERN M, OBENAUS F, WULF P, et al. Modelling of full-scale wastewater treatment plants with different treatment processes using the Activated Sludge Model no. 3 [J]. Water Science amp; Technology A Journal of the International Association on Water Pollution Research, 2001, 44(1): 49.

[11] LARREA L, IRIZAR I, HIDALGO M E. Improving the predictions of ASM2d through modelling in practice [J]. Water Science amp; Technology A Journal of the International Association on Water Pollution Research, 2002, 45(6): 199.

[12] CARRETTE R, BIXIO D, THOEYE C, et al. Full-scale application of the IAWQ ASM No. 2d model [J]. Water Science amp; Technology A Journal of the International Association on Water Pollution Research, 2001, 44(2-3): 17.

[13] WU W, TIMPANY P, DAWSON B. Simulation and applications of a novel modified SBR system for biological nutrient removal [J]. Water Science amp; Technology A Journal of the International Association on Water Pollution Research, 2001, 43(3): 215.

[14] BRENNER A. Modelling of N and P transformations in an SBR treating municipal wastewater [J]. Water Science amp; Technology, 2000.

[15] 施漢昌, 刁惠芳, 劉恒, 等. 污水處理廠運行模擬、預測軟件的應用[J]. 中國給水排水, 2001, 17(10): 61- 63.

[16] 郝曉地, 宋虹葦, 胡沅勝, 等. 數學模擬技術用于污水處理工藝的運行診斷與優化[J]. 中國給水排水, 2007, 23(14): 94- 99.

[17] 郝曉地, 仇付國, 張璐平, 等. 應用數學模擬技術升級改造二級污水處理工藝[J]. 中國給水排水, 2007, 23(16): 25- 29.

[18] 高紅偉. Biowin軟件對污水處理廠運行的模擬優化研究[D]. 北京: 北京建筑大學, 2013.

[19] 國家環境保護總局科技標準司. 城鎮污水處理廠污染物排放標準 GB 18918—2002[S]. 北京: 中國環境出版社，2002.

[20] 張羽, 孫力平, 鐘遠. 天津市某污水處理廠脫氮效率的評價[J]. 環境工程學報, 2016, 10(4): 1681- 1687.

[21] 王曉丹, 龍騰銳, 丁文川, 等. 重慶市典型小城鎮污水處理廠進水水質特征分析[J]. 西南大學學報(自然科學版), 2012, 34(1): 117- 121.

[22] 郭俊元, 楊春平, 曾龍云, 等. 回流比水力負荷對前置反硝化生物濾池工藝處理污水的影響研究[J]. 環境科學學報, 2010, 30(8): 1615- 1621.

[23] 馬菲菲, 吳志超, 周振, 等. 污泥回流比對厭氧/好氧工藝除磷效果影響的研究[J]. 環境污染與防治, 2009, 31(1): 59- 61, 77.

[24] 吳成強, 楊金翠, 楊敏, 等. 運行溫度對活性污泥特性的影響[J]. 中國給水排水, 2003, 19(9): 5- 7.

ApplicationofBioWinMathematicalModelinAuxiliaryProcessDesignofWastewaterTreatmentPlant

CHEN Jian, ZHOU Xie, LI Ping, HUANG Wei, GONG Ling

(Ecological and Environmental Monitoring Center of Chongqing, Chongqing 401147, China)

The design method of municipal wastewater treatment plant is based on the design manual at present, but it is difficult to predict the impact of different influent load and pollutant composition condition on the effluent. Using sewage treatment model software to simulate sewage treatment plant design documents can quickly check the impact of different conditions on the treatment effect. This study provided process simulation and design optimization for a sewage treatment plant in Chongqing based on the BioWin software. The result showed that in the design of influent water quality and operating conditions, the water quality of the plant could reach Class I-B standard to meet the design requirements. Through the simulation of water inlet characteristics change, according to the variation coefficient of design documents, increasing the influent water or reducing the influent COD concentration would lead to effluent exceeding the standard. By simulating the operation characteristics and reducing the internal reflux ratio, one set of aerator could be reduced on the basis of the original design, which not only saved energy but also ensured the effluent quality. Based on the original plan, the optimized plan reduced the aeration rate of one set of aerator and adjusted the ratio of internal reflux to 50%. The sludge reflux ratio was adjusted to 75%. The simulation results showed that the optimized plan could reach Class I-A standard whether at average operation temperature or unfavorable operating temperature.

BioWin; wastewater treatment; aided design; simulation

2017-10-11

科技部港澳臺科技合作專項項目(2014DFH90030)；重慶市社會民生科技創新專項(cstc2015shmszx20013)

陳建(1977—)，男，高級工程師，碩士，主要研究方向為水處理控制技術，E-mail：289031899@qq.com

周諧(1962—)，女，重慶人，教授高級工程師，主要研究方向為環境監測，E-mail：9577586@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.06.019

X703

A

2095-6444(2017)06-0079-08