基于BioWin模型的污水處理工藝評估及優(yōu)化分析

孟飛琴，郭亞楠

上海市浦東新區(qū)排水管理所，上海 200127

BioWin模型應(yīng)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(yīng)用）由于特定的關(guān)鍵參數(shù)默認設(shè)置不適當，影響了脫氮速度。舊版本的BioWin模型預(yù)測的脫氮速率大約是UCT實驗室脫氮污泥系統(tǒng)小試研究測得速率的3倍多。設(shè)計中，為保證較高的脫氮速率、較小的缺氧區(qū)和較大的內(nèi)循環(huán)比，最終會導(dǎo)致實際出水硝酸鹽和總氮濃度比模型預(yù)測的高，這可能對污水處理廠的改進和運行產(chǎn)生嚴重影響。最新發(fā)布的BioWin版本已經(jīng)修訂了默認設(shè)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(xiàn)場模擬試驗研究，對每日測得的進水、反應(yīng)器和出水數(shù)據(jù)進行觀察，發(fā)現(xiàn)實測數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)有很好的一致性。這也就證實了BioWin最新的設(shè)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(jīng)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(yīng)用范圍，但也增加了其復(fù)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(jié)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(guān)鍵參數(shù)表如表1所示。

表1 一體化活性污泥工藝關(guān)鍵參數(shù)表

改進的一體化活性污泥處理工藝安裝了擴散曝氣設(shè)備，由7個240kW的離心鼓風(fēng)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(tǒng)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(fēng)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(fēng)式浮動吸入曝氣機。傳統(tǒng)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(tǒng)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(jīng)過預(yù)處理后進入?yún)捬鯀^(qū)，與缺氧區(qū)再生的混合液融合。混合液進入缺氧區(qū)，與硝酸鹽接觸反應(yīng)；硝酸鹽由正在曝氣的鄰近的邊池再生循環(huán)。

（2）混合液從缺氧區(qū)進入一個持續(xù)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(guān)閉的。

（3）沉淀開始的一段時間內(nèi)，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(tǒng)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(jīng)過預(yù)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(jié)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(jié)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(nèi)，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(xù)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(tài)地模仿復(fù)雜的一體化活性污泥處理周期，穩(wěn)定狀態(tài)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(qū)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(diào)整、定位不同周期及其流程設(shè)定，優(yōu)化處理工藝的效率。相反，傳統(tǒng)的一體化活性污泥工藝沒有配備高效的脫氮設(shè)備。原污水在曝氣階段進入處理設(shè)備，因此COD中易生物降解的物質(zhì)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(fù)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(tǒng)的一體化活性污泥設(shè)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(nèi)，原污水被引入中央池。中央池曝氣機設(shè)定為2h開、2h關(guān)，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(huán)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(huán)泵，中央池安裝淺水攪拌器。傳統(tǒng)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(tǒng)的一體化活性污泥工藝BioWin模型示范圖

（2）動態(tài)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(nèi)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(chǎn)出

圖5 BioWin模型在25℃條件下的產(chǎn)出

4 結(jié)論

對傳統(tǒng)的一體化活性污泥工藝進行評估與優(yōu)化，能顯著降低出水總氮的濃度。數(shù)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(tǒng)的工藝脫氮效果更好，傳統(tǒng)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(jù)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(tài)計算配合動態(tài)模型能夠很快評估出改變污水處理設(shè)備工藝（例如該污水處理廠）的效果。動態(tài)模型能夠使工程師評估一系列相關(guān)工藝后，選擇最有效的工藝對現(xiàn)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。