摘(zhai)要：本文對(dui)(dui)BioWin數學(xue)模(mo)(mo)擬工(gong)具(ju)及其在(zai)污水(shui)(shui)處理(li)中(zhong)(zhong)的應(ying)用現(xian)狀進行(xing)了(le)介(jie)紹，利用BioWin 3.0對(dui)(dui)生物脫氮(dan)除(chu)磷中(zhong)(zhong)試系統進行(xing)了(le)模(mo)(mo)擬，并對(dui)(dui)所建立的模(mo)(mo)型進行(xing)了(le)校準和驗(yan)證(zheng)，結果表(biao)明，利用BioWin建立的模(mo)(mo)型能夠較好地反(fan)應(ying)污水(shui)(shui)處理(li)實際運行(xing)狀況。

關(guan)鍵(jian)詞：BioWin　模(mo)擬　脫氮(dan)除磷(lin)

一、前言

不(bu)同國家(jia)和(he)地(di)區的(de)研究和(he)應用實(shi)踐表明(ming)，數學(xue)模(mo)擬(ni)已經成為污水處理工(gong)藝優化(hua)設計和(he)運(yun)行(xing)以(yi)(yi)及新工(gong)藝開發試驗研究中有效(xiao)的(de)工(gong)程工(gong)具。數學(xue)模(mo)擬(ni)技(ji)術即利(li)用數學(xue)模(mo)型(xing)和(he)模(mo)擬(ni)工(gong)具，對假設的(de)系統或不(bu)便進(jin)行(xing)試驗測(ce)定的(de)系統進(jin)行(xing)模(mo)擬(ni)預測(ce)。應用數學(xue)模(mo)擬(ni)技(ji)術，可以(yi)(yi)大大減少試驗工(gong)作量，不(bu)僅能提高工(gong)作效(xiao)率，還可以(yi)(yi)節省大量人力、物(wu)力和(he)財力[1] [2]。

數學模擬(ni)需(xu)要借助于特定的(de)應用(yong)程序(xu)和軟件(jian)，在已經開發的(de)諸(zhu)多軟件(jian)中(zhong)，BioWin幾乎包(bao)括了其他(ta)各(ge)種(zhong)軟件(jian)的(de)大部分功能并形成了自己的(de)特點，有著更加廣(guang)泛的(de)發展應用(yong)前景。

二、BioWin 簡介及應用現狀(zhuang)

1、BioWin 簡介

BioWin是(shi)由加(jia)拿大Envirosim環(huan)境(jing)咨詢公司推出的(de)一(yi)款污水(shui)(shui)(shui)處理工藝數學模(mo)(mo)(mo)擬軟(ruan)件。BioWin模(mo)(mo)(mo)型(xing)包(bao)含了國際水(shui)(shui)(shui)協推出的(de)ASM1號模(mo)(mo)(mo)型(xing)、ASM2d模(mo)(mo)(mo)型(xing)、ASM3號模(mo)(mo)(mo)型(xing)以(yi)及(ji)污泥消化模(mo)(mo)(mo)型(xing)等(deng)一(yi)系列活性污泥數學模(mo)(mo)(mo)型(xing)。它包(bao)含兩(liang)個(ge)模(mo)(mo)(mo)塊，一(yi)個(ge)是(shi)穩態(tai)分析器，假定(ding)進水(shui)(shui)(shui)流(liu)量和組分恒定(ding)；另一(yi)個(ge)是(shi)動態(tai)仿真器，使用(yong)的(de)是(shi)時(shi)變輸入(ru)。

經過(guo)十多年的開發研究，BioWin數(shu)學模(mo)(mo)擬軟件幾乎包括(kuo)了(le)其(qi)他(ta)各種(zhong)軟件的大部分(fen)功能(neng)并形成了(le)自己(ji)的特點，例(li)如能(neng)夠(gou)模(mo)(mo)擬整個污(wu)水(shui)處(chu)理廠（包括(kuo)污(wu)水(shui)、污(wu)泥(ni)(ni)以及污(wu)泥(ni)(ni)處(chu)理后(hou)的上清液(ye)的處(chu)理工藝）的pH變化，預測厭(yan)氧(yang)消化系統中的pH值和(he)沼(zhao)氣（包括(kuo)CO2、CH4和(he)H2）的構成，使用技術上優越的單一模(mo)(mo)型(xing)(xing)矩(ju)陣，這種(zhong)廣泛和(he)綜(zong)合(he)的解決方案使得模(mo)(mo)型(xing)(xing)校(xiao)正(zheng)要求(qiu)大大減少，設計(ji)更加(jia)準(zhun)確。

目前采用(yong)的最新(xin)的BioWin 3.0 是污水(shui)處理工(gong)藝模(mo)擬方面(mian)的一個重(zhong)要(yao)進展。BioWin 模(mo)型的動力(li)學參數(shu)和化學計量(liang)參數(shu)已經通過大量(liang)的研究和工(gong)程應用(yong)得(de)到校正。因(yin)此(ci)，在工(gong)程應用(yong)時模(mo)型校正的工(gong)作量(liang)大大減(jian)少。

2、BioWin 應用現狀(zhuang)

BioWin作為有用的(de)模(mo)擬(ni)工(gong)(gong)具已(yi)經在污(wu)水(shui)處(chu)理的(de)許多方面獲得了(le)廣泛應(ying)用[3]。如(ru)在污(wu)水(shui)處(chu)理工(gong)(gong)藝(yi)設計、評估和(he)比較(jiao)中利用BioWin進(jin)(jin)行(xing)模(mo)擬(ni)可(ke)以使工(gong)(gong)作量大為減少，起到事半功倍的(de)效果；在工(gong)(gong)藝(yi)運行(xing)中，利用BioWin進(jin)(jin)行(xing)模(mo)擬(ni)可(ke)以診斷和(he)優化污(wu)水(shui)處(chu)理廠(chang)各種因素的(de)變化對處(chu)理效果的(de)影響。

在紐(niu)約市生物脫(tuo)氮除(chu)磷(lin)升(sheng)(sheng)級改(gai)造項目中，通過(guo)使用BioWin模(mo)擬確定生物脫(tuo)氮除(chu)磷(lin)升(sheng)(sheng)級改(gai)造對(dui)四個污水處理廠脫(tuo)氮能力的(de)影響并估計出水總(zong)氮可能的(de)最高值。結果(guo)顯示BioWin模(mo)擬的(de)預測值與后(hou)來實測值很接近。

在全(quan)污水(shui)(shui)處(chu)理(li)廠(chang)(chang)工藝優化過程中(zhong)，BioWin起了關(guan)鍵作用(yong)(yong)。2005年，為改(gai)造美國喬治(zhi)亞州F.Wayne Hill水(shui)(shui)資源(yuan)中(zhong)心的(de)(de)污水(shui)(shui)處(chu)理(li)設(she)施(shi)，利(li)用(yong)(yong)BioWin工藝模(mo)擬(ni)軟件，在水(shui)(shui)資源(yuan)中(zhong)心對以(yi)下運(yun)行(xing)情況(kuang)評價的(de)(de)基礎上，開發了該(gai)中(zhong)心污水(shui)(shui)廠(chang)(chang)的(de)(de)模(mo)擬(ni)模(mo)型——全(quan)污水(shui)(shui)處(chu)理(li)廠(chang)(chang)模(mo)型的(de)(de)結構(gou)。這些(xie)運(yun)行(xing)情況(kuang)包括：采(cai)用(yong)(yong)或不(bu)采(cai)用(yong)(yong)初沉池(chi)、不(bu)同的(de)(de)運(yun)行(xing)結構(gou)和(he)生(sheng)物(wu)反(fan)應池(chi)的(de)(de)季(ji)節優化、金屬鹽的(de)(de)投(tou)加點(dian)和(he)投(tou)加量的(de)(de)影(ying)響/優化、固體處(chu)置和(he)回流影(ying)響、DO優化、暴(bao)雨(yu)流模(mo)擬(ni)和(he)部分廠(chang)(chang)關(guan)閉的(de)(de)評價。這個應用(yong)(yong)實例顯示了如(ru)何建立一個全(quan)廠(chang)(chang)模(mo)型，以(yi)降低(di)運(yun)行(xing)和(he)維(wei)護成本并產(chan)生(sheng)高質(zhi)量的(de)(de)出水(shui)(shui)水(shui)(shui)質(zhi)。

在北(bei)京(jing)(jing)市高碑(bei)店污水(shui)處理(li)廠四(si)系列改(gai)造過程中，北(bei)京(jing)(jing)排水(shui)集團甘一(yi)萍等采(cai)用數(shu)學模擬(ni)(ni)技(ji)術(shu)建立了高碑(bei)店污水(shui)處理(li)廠四(si)系列的(de)(de)(de)工(gong)藝模型，對(dui)(dui)當時(shi)的(de)(de)(de)運行(xing)(xing)情況進(jin)行(xing)(xing)了模擬(ni)(ni)分(fen)(fen)析(xi)，在此基礎上提(ti)出(chu)(chu)了提(ti)高脫(tuo)氮(dan)(dan)效(xiao)(xiao)果(guo)的(de)(de)(de)改(gai)造方(fang)案(an)(an)。針對(dui)(dui)脫(tuo)氮(dan)(dan)效(xiao)(xiao)率(lv)不高的(de)(de)(de)問(wen)(wen)題，研究組對(dui)(dui)延(yan)長缺(que)氧(yang)段(duan)并保證好(hao)氧(yang)段(duan)的(de)(de)(de)硝化效(xiao)(xiao)果(guo)進(jin)行(xing)(xing)了詳(xiang)細的(de)(de)(de)模擬(ni)(ni)分(fen)(fen)析(xi)，最終(zhong)確定(ding)了改(gai)造方(fang)案(an)(an)的(de)(de)(de)核心內容。改(gai)造后運行(xing)(xing)穩定(ding)時(shi)的(de)(de)(de)脫(tuo)氮(dan)(dan)效(xiao)(xiao)率(lv)明顯提(ti)高，與預(yu)期效(xiao)(xiao)果(guo)基本(ben)一(yi)致，證明了數(shu)學模擬(ni)(ni)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)可靠(kao)性和(he)實用性。該例主(zhu)要(yao)說明了運用數(shu)學模擬(ni)(ni)技(ji)術(shu)可以對(dui)(dui)現有工(gong)藝進(jin)行(xing)(xing)分(fen)(fen)析(xi)和(he)診斷，找出(chu)(chu)運行(xing)(xing)中存在問(wen)(wen)題的(de)(de)(de)關鍵原因，并針對(dui)(dui)易(yi)于改(gai)善和(he)改(gai)造的(de)(de)(de)條件(jian)進(jin)行(xing)(xing)模擬(ni)(ni)分(fen)(fen)析(xi)，最終(zhong)確定(ding)工(gong)藝優化和(he)改(gai)造方(fang)案(an)(an)。

三、BioWin對脫氮(dan)除(chu)磷中試系統的模擬

1、模型建立

本文針對處理規模(mo)為(wei)144噸/日(ri)的污水(shui)(shui)脫(tuo)氮除磷(lin)中試系統(tong)進行模(mo)擬，該系統(tong)為(wei)強化生(sheng)物脫(tuo)氮除磷(lin)工藝，采用(yong)預(yu)缺(que)(que)氧(yang)(yang)(yang)—厭氧(yang)(yang)(yang)—缺(que)(que)氧(yang)(yang)(yang)—好氧(yang)(yang)(yang)—缺(que)(que)氧(yang)(yang)(yang)—好氧(yang)(yang)(yang)的模(mo)式(shi)運行。進水(shui)(shui)方式(shi)為(wei)兩(liang)點(dian)式(shi)進水(shui)(shui)，其中85%直接(jie)進入(ru)(ru)厭氧(yang)(yang)(yang)池(chi)，15%進入(ru)(ru)預(yu)缺(que)(que)氧(yang)(yang)(yang)池(chi)，同(tong)時進入(ru)(ru)預(yu)缺(que)(que)氧(yang)(yang)(yang)池(chi)的還有回(hui)流比為(wei)100%的回(hui)流污泥(ni)(ni)。內回(hui)流比為(wei)300%，剩(sheng)余污泥(ni)(ni)從好氧(yang)(yang)(yang)池(chi)末端(duan)排出(chu)。

按照中(zhong)試實際工(gong)藝(yi)流程，采用BioWin 3.0軟件建立的中(zhong)試工(gong)藝(yi)流程如圖1所(suo)示，其中(zhong)好氧池根據實際運行(xing)中(zhong)各池不同的溶(rong)解氧濃(nong)度分為四部分。

2、參數確定及模型校準

系(xi)統參(can)(can)(can)數(shu)(shu)主要包括三部分：模型(xing)參(can)(can)(can)數(shu)(shu)、工藝(yi)(yi)參(can)(can)(can)數(shu)(shu)和污(wu)水(shui)組(zu)成(cheng)(cheng)參(can)(can)(can)數(shu)(shu)。模型(xing)參(can)(can)(can)數(shu)(shu)是(shi)指生(sheng)物反(fan)應器的(de)(de)動力(li)學參(can)(can)(can)數(shu)(shu)和化學計量參(can)(can)(can)數(shu)(shu)，它們是(shi)表(biao)征模型(xing)固定特性的(de)(de)量。工藝(yi)(yi)參(can)(can)(can)數(shu)(shu)是(shi)指代表(biao)實際污(wu)水(shui)處理運行工藝(yi)(yi)的(de)(de)模型(xing)工藝(yi)(yi)參(can)(can)(can)數(shu)(shu)。污(wu)水(shui)組(zu)成(cheng)(cheng)參(can)(can)(can)數(shu)(shu)是(shi)指將污(wu)水(shui)劃分成(cheng)(cheng)一定的(de)(de)組(zu)分，這(zhe)些組(zu)分是(shi)有同樣的(de)(de)計量單(dan)位并(bing)按一定的(de)(de)比例關系(xi)組(zu)成(cheng)(cheng)可(ke)以衡量污(wu)水(shui)水(shui)質的(de)(de)指標。

（1） 污(wu)水(shui)組成參數

① COD組分確(que)定方法

COD是表征城市生活污水性質的常用指標，在用BioWin軟件進行數學模擬前，需先確定COD組分。ASM1根據可生物降解性和溶解性將COD劃分為四個組分：易生物降解組分SS、慢速可生物降解組分XS、顆粒性不可生物降解組分XI和溶解性不可生物降解組分SI。ASM2又將易生物降解組分SS進一步細分，分為可溶極易生物降解組分（發酵產物）SA和可發酵的易生物降解組分SF，則COD進水＝SA+SF+SI+XI+XS。
進水COD組分測定及計算方法如下[4]：
1）取二沉池出水，測定SCOD（溶解性COD），則SI=0.9×SCOD出水；
2）用五點pH值滴定法測定VFA（揮發性脂肪酸），則SA=1.08×VFA；
3）測定生物反應池進水SCOD，則SF=SCOD進水-SI-SA；
4）XS=BCOD-SA-SF。BCOD（可生物降解COD）可由如下方法估算：測定BOD5，因城市污水中BOD5約占極限生化需氧量（BODU）的70%，且大量試驗結果表明BODU約占BCOD的88%.
5）XI=COD進水(shui)-SI-SA-SF-XS。

② 模(mo)型中(zhong)污水組成參數的(de)確定

模型的建立及校準過程采用污水脫氮除磷中試系統2007年12月12日~21日運行數據的平均值，如表1所示。
污水組成參數的具體確定過程如下：
經試驗測定SCOD出水=33.73 mg/L，則SI=0.9×SCOD出水=30.36 mg/L；
SA=1.08×VFA=30.816 mg/L；
SF= SCOD進水-SI-SA=94.824 mg/L；
XS=BCOD-SA-SF=210.08 mg/L；
XI=COD進(jin)水-SI-SA-SF-XS=39.52 mg/L；

Fxsp= （由于膠體性慢速可生物降解COD部分XSC不易測定，故Fxsp取BioWin軟件的默認值0.75）。
式中，Fbs—進水中易生物降解COD占總COD的比例；
Fus—進水中溶解性不可生物降解COD占總COD的比例；
Fup—進水中顆粒性不可生物降解COD占總COD的比例；
Fac—進水中VFA占易生物降解COD的比例；
Fxsp—進水中顆(ke)粒性慢(man)速(su)可生(sheng)物降解COD占慢(man)速(su)可生(sheng)物降解COD的比(bi)例。

（2）工藝參數
根(gen)據工(gong)藝實際運(yun)行情況，模(mo)型建立過(guo)程所需(xu)各項工(gong)藝參數列于(yu)表2。

（3）模型參數
將上(shang)述污(wu)水組成參(can)數和工(gong)藝參(can)數輸入BioWin軟件，準備進行模(mo)型(xing)的校(xiao)準。在利用(yong)BioWin進行模(mo)型(xing)校(xiao)準前，還(huan)需初步確(que)定模(mo)型(xing)參(can)數。動力學參(can)數AOB（氨氧化菌）最(zui)大比增長速率μA取軟件默認值(zhi)0.9d-1，二沉池去除(chu)率設為99.8%，剩余污(wu)泥排泥量實(shi)測為7~8m3/d左右，在進行模(mo)型(xing)調試前初步定為7 m3/d。

根據2007年12月12日(ri)~21日(ri)運(yun)行數據的平均值(zhi)對模型(xing)進行調試，過程如下：

（1）μA取0.9d-1，水(shui)(shui)溫16.2℃，二沉池去除率99.8%，排(pai)泥7m3/d，輸入進水(shui)(shui)水(shui)(shui)質及各組分比例，運行模擬；

（2）運(yun)行(xing)第1次模擬(ni)后，出水SS、TP、NO3－－N的模擬(ni)值與實測值相比略高，因此將排泥量增至7.5m3/d以期降低(di)上述(shu)3個指標(biao)，運(yun)行(xing)第2次模擬(ni)；

（3）第2次(ci)(ci)模擬后出水(shui)水(shui)質(zhi)指標中SS、TP、NO3－－N均有(you)所降低(di)，說明增大(da)排(pai)泥量(liang)的措施有(you)效(xiao)，繼續(xu)增大(da)排(pai)泥量(liang)至7.8m3/d；而NH4+-N模擬值與實測(ce)值相(xiang)比偏小，分析原(yuan)因可能是μA取值較高，考慮到冬季水(shui)溫(wen)較低(di)，硝(xiao)化反應受低(di)溫(wen)影響，反應速(su)率相(xiang)對(dui)較低(di)，因此μA減為0.85d-1，運行第3次(ci)(ci)模擬；

（4）第3次模(mo)擬(ni)后，各出水(shui)水(shui)質指(zhi)標模(mo)擬(ni)值與(yu)實(shi)測值均擬(ni)合較好，各次模(mo)擬(ni)結(jie)果(guo)如(ru)表3所示。

從表中模(mo)擬(ni)(ni)結(jie)果看(kan)出，第3次模(mo)擬(ni)(ni)的(de)各水(shui)質指標模(mo)擬(ni)(ni)值與實測(ce)值擬(ni)(ni)合較好，因此，采用第3次模(mo)擬(ni)(ni)后確(que)定的(de)模(mo)型參數是可行的(de)。

3、模型驗證

在用12月(yue)12日~21日運行數(shu)據平均值(zhi)進行模(mo)型校(xiao)準后(hou)，污水(shui)組成參數(shu)、工藝參數(shu)、模(mo)型參數(shu)均已確定(ding)，模(mo)型已成功建立。用該模(mo)型對(dui)12月(yue)24日和26日兩天的運行情況進行模(mo)擬，并將出(chu)水(shui)水(shui)質模(mo)擬值(zhi)與實測(ce)值(zhi)比較(jiao)，以檢驗模(mo)型的可靠性和預(yu)測(ce)能(neng)力(li)。預(yu)測(ce)結果列(lie)于(yu)表4。

從表4中看出(chu)，出(chu)水TP、TN、SS、NO3--N、NH4+-N等指標的預測(ce)值(zhi)與(yu)實(shi)(shi)測(ce)值(zhi)擬合較好。COD預測(ce)值(zhi)與(yu)實(shi)(shi)測(ce)值(zhi)偏(pian)差相(xiang)對(dui)稍大，原(yuan)因可能是(shi)在后來的兩(liang)天里進(jin)水水質發生(sheng)了變化，與(yu)模(mo)型中的進(jin)水水質組(zu)分(fen)相(xiang)差較大，例如24日(ri)(ri)和26日(ri)(ri)實(shi)(shi)際進(jin)水COD分(fen)別為(wei)540mg/L和495mg/L，遠高于12日(ri)(ri)至21日(ri)(ri)的進(jin)水COD平均值(zhi)405.6mg/L，因此相(xiang)應的污(wu)水組(zu)成(cheng)參數也可能發生(sheng)了變化，這(zhe)時用前幾天的組(zu)分(fen)參數所得的模(mo)擬結果就會與(yu)實(shi)(shi)測(ce)值(zhi)有一定偏(pian)差。

四、結論與建議

從以上對模型(xing)的校(xiao)準和(he)驗證過程可以得出以下幾(ji)點(dian)結論和(he)建議：

（1）上述(shu)模(mo)型(xing)是(shi)利用BioWin3.0軟件基(ji)于脫氮除(chu)磷中試系統(tong)一周的(de)(de)實(shi)測數(shu)據建立(li)的(de)(de)，可以較(jiao)好(hao)地反應污水處理實(shi)際(ji)工藝運行(xing)狀況。但(dan)是(shi)如(ru)果實(shi)際(ji)進水水質(zhi)與(yu)建模(mo)所用平(ping)均值相差較(jiao)大(da)，可能會導致部分模(mo)擬結果與(yu)實(shi)際(ji)值有較(jiao)大(da)出(chu)入，不能完全準(zhun)確地反應實(shi)際(ji)運行(xing)，因此模(mo)型(xing)的(de)(de)建立(li)需要大(da)量準(zhun)確的(de)(de)運行(xing)數(shu)據，才(cai)能增(zeng)強模(mo)型(xing)的(de)(de)可靠(kao)性和代表性。

（2）任何的數學模型都有一定的適用范圍。隨著時間的變化，進水水質、反應池中污泥的性狀和運行狀況（如好氧池中溶解氧濃度）也會有一定的變化，因此，在不同季節或月份應該有各自的模型，從而使模型可以更好地指導污水處理廠的運行。
 

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”

相關文章