基于BioWin模型的污水處理工藝評估及優化分析

孟飛琴，郭亞楠

上海市浦東新區排水管理所，上海 200127

BioWin模型應用廣泛，HAAS D W等[1]在試驗室的研究表明，早期的BioWin版本（大約1994—2000年在澳大利亞廣泛應用）由于特定的關鍵參數默認設置不適當，影響了脫氮速度。舊版本的BioWin模型預測的脫氮速率大約是UCT實驗室脫氮污泥系統小試研究測得速率的3倍多。設計中，為保證較高的脫氮速率、較小的缺氧區和較大的內循環比，最終會導致實際出水硝酸鹽和總氮濃度比模型預測的高，這可能對污水處理廠的改進和運行產生嚴重影響。最新發布的BioWin版本已經修訂了默認設置，脫氮速率更接近舊版本的UCT類模型。之后，HAAS D W等[1]對Victoria Point污水處理廠進行了現場模擬試驗研究，對每日測得的進水、反應器和出水數據進行觀察，發現實測數據和預測數據有很好的一致性。這也就證實了BioWin最新的設置默認值比較適合該類型的污水處理廠。如今，BioWin模擬包已經有了很大的擴展，除了活性污泥，還包括單元處理的成分（例如，除砂、初沉、固體分離和厭氧消化），提高了模型的應用范圍，但也增加了其復雜性[2]。

1 某污水處理廠的工藝流程

某污水處理廠的日處理量為10萬t/d，采用先進的UNITANK工藝，該工藝是一套一體化活性污泥和一套改進的一體化活性污泥相結合的處理工藝[3]。每套工藝都由4個恒等部分組成。一體化活性污泥工藝關鍵參數表如表1所示。

表1 一體化活性污泥工藝關鍵參數表

改進的一體化活性污泥處理工藝安裝了擴散曝氣設備，由7個240kW的離心鼓風機供氣，每臺輸送氣量為135m3/min，工作壓力為8.6MPa。改進的一體化活性污泥工藝原理圖如圖1所示。

圖1 某污水處理廠改進的一體化活性污泥工藝原理圖

傳統的一體化活性污泥池配有表曝機，每個中央池配有1個93.75kW的浮動立軸曝氣機和4個15kW的旋風式浮動吸入曝氣機；每個邊池配有1個112.5kW的浮動吸入曝氣機和4個15kW的旋風式浮動吸入曝氣機。傳統一體化活性污泥工藝原理圖如圖2所示。

圖2 某污水處理廠傳統的一體化活性污泥工藝原理圖

2 污水處理廠目前的運行狀況

2.1 改進的一體化活性污泥處理工藝運行情況

（1）原污水經過預處理后進入厭氧區，與缺氧區再生的混合液融合。混合液進入缺氧區，與硝酸鹽接觸反應；硝酸鹽由正在曝氣的鄰近的邊池再生循環。

（2）混合液從缺氧區進入一個持續曝氣池后，再流入隨意一個處于澄清階段的邊池。邊池配有排水堰，交替進入曝氣和沉淀階段。邊池曝氣時，排水堰是關閉的。

（3）沉淀開始的一段時間內，打開排水堰，使凈化的出水澄清。

（4）邊池的整個周期為8h，即曝氣3h、沉淀1h、澄清4h。污泥齡約為18d。

2.2 傳統的一體化活性污泥處理工藝操作流程

（1）處理池的運行周期為12h。兩個邊池通過固定水平堰澄清。

（2）經過預處理的污水進入第一個不處于澄清模式的邊池，共320min/12h一周期。期間，第一個邊池停氣75min，剩余時間曝氣。

（3）320min后曝氣結束，進污水分流進中央池，第一個邊池進入40min沉淀模式后，反沖洗傾注堰30min。

（4）360min結束后，進污水從中央池進入第二個剛開始75min停氣周期的邊池，第一個邊池開始沉淀。因此，在12h周期內，進污水進入其中一個邊池，并通過中央池進入另一個正在澄清的邊池[4-5]。

（5）除了一個12h周期，中央池持續曝氣。

3 BioWin 模型

使用BioWin軟件工具建立模型開展評估時，這個軟件能夠動態地模仿復雜的一體化活性污泥處理周期，穩定狀態的手工計算則不能有效評估處理工藝的一些微妙變化。回收硝酸鹽在初級缺氧區與流入污水處理廠的原污水接觸，原污水含有易生物降解的COD需進行脫氮處理，能夠通過調整、定位不同周期及其流程設定，優化處理工藝的效率。相反，傳統的一體化活性污泥工藝沒有配備高效的脫氮設備。原污水在曝氣階段進入處理設備，因此COD中易生物降解的物質被有氧消耗，無法反硝化。這使得整個工藝的反硝化脫氮損失8mg/L。考慮到在該污水處理廠實地考察的時間有限，而為復雜的處理工藝（例如一體化活性污泥）建立、運行模型需要大量時間，因此選擇為傳統的一體化活性污泥設備建模，演示處理流程改進后的除氮效果。

對處理流程進行以下改變：

（1）整個周期內，原污水被引入中央池。中央池曝氣機設定為2h開、2h關，其目的是確保至少一半的易生物降解COD能夠用于反硝化脫氮。邊池的混合液接受曝氣，循環回流至中央池使硝酸鹽反硝化。在實際操作中，這種變化要求邊池安裝混合循環泵，中央池安裝淺水攪拌器。傳統的一體化活性污泥工藝BioWin模型示范圖如圖3所示。

圖3 傳統的一體化活性污泥工藝BioWin模型示范圖

（2）動態BioWin模型模擬上述處理工藝在15℃和25℃條件下的運行狀況。1d內出水的氨、硝酸鹽、亞硝酸鹽濃度圖解如圖4、圖5所示。在15℃條件下，氨、硝酸鹽、亞硝酸鹽的濃度總和約為6.5mg/L，20℃條件下約為4.5mg/L。殘留的有機氮濃度為1.5mg/L，而總氮濃度在15℃和20℃下分別約為8.5mg/L和6.5mg/L。

圖4 BioWin模型在15℃條件下的產出

圖5 BioWin模型在25℃條件下的產出

4 結論

對傳統的一體化活性污泥工藝進行評估與優化，能顯著降低出水總氮的濃度。數字顯示總氮由14mg/L減少至6mg/L，而在實際操作中，效果可能更加明顯。該污水處理廠目前出水總氮為14mg/L，這是改進的一體化活性污泥工藝總出水指標。改進的工藝比傳統的工藝脫氮效果更好，傳統的一體化活性污泥出水總氮濃度要高于14mg/L，而改進的一體化活性污泥工藝出水總氮要低。根據BioWin模型顯示，對處理工藝進行一些改變，可顯著降低一體化活性污泥工藝的出水總氮濃度。總之，良好的靜態計算配合動態模型能夠很快評估出改變污水處理設備工藝（例如該污水處理廠）的效果。動態模型能夠使工程師評估一系列相關工藝后，選擇最有效的工藝對現有處理廠運行的模型進行校正，在模擬新工藝時，可依賴模型的分析效果。