轉(zhuǎn)載自給水排水

　　摘要　介紹了污水處理廠全流程模擬軟件BioWIN的使用方法,并對北京市某城市污水處理廠的運(yùn)行進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬,結(jié)果顯示,BioWIN能夠正確反映實(shí)際污水處理工藝的運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上,對軟件在污水處理輔助設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化和科學(xué)研究方面的作用進(jìn)行了探討。

    由于污水處理廠進(jìn)水特性的地域差別大,進(jìn)水負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化快,運(yùn)行狀態(tài)與設(shè)計(jì)參數(shù)相差較遠(yuǎn)等原因,不少城市污水處理廠存在運(yùn)行不良、難以達(dá)標(biāo)的困難。這就要求對目前的污水處理工藝進(jìn)行改造和優(yōu)化,通過深入研究進(jìn)水條件、工藝控制參數(shù)和系統(tǒng)運(yùn)行效果三者之間的關(guān)系,調(diào)整工藝控制參數(shù),優(yōu)化工藝運(yùn)行,從而改善出水水質(zhì)。此外,城市污水處理是能耗較高的產(chǎn)業(yè)之一,污水處理工藝的優(yōu)化也可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的效果。污水處理工藝涉及的過程復(fù)雜,工藝調(diào)整一般依靠工程經(jīng)驗(yàn),調(diào)整周期長,成本高,存在一定風(fēng)險(xiǎn)。由于數(shù)值模擬方法可以快速預(yù)測不同處理工藝條件下的出水水質(zhì),因此在污水處理廠工藝的設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行方面得到了重視和發(fā)展。從20世紀(jì)70年代起,研究人員和機(jī)構(gòu)陸續(xù)開發(fā)了多種活性污泥系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[1~3],其中以水協(xié)會(huì)提出的活性污泥模型(ASM)和厭氧硝化模型(ADM)代表性。在此基礎(chǔ)上,研究人員開發(fā)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件模擬各種污水處理工藝[4~6]。商業(yè)水處理軟件的出和升級大大促進(jìn)了數(shù)學(xué)模擬在污水處理方面的展,常用的有GPS-X、WEST、BioWIN等。其中,BioWIN是典型的污水處理廠全流程模擬軟件,
在國外水處理工程中得到廣泛應(yīng)用。
    本文將介紹BioWIN軟件的使用方法,利用BioWIN軟件對北京市某城市污水處理廠的運(yùn)行進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對軟件的應(yīng)用和推廣進(jìn)探討。

1　BioWIN軟件基本概況
    BioWIN模擬軟件于20世紀(jì)90年代由加拿Envirosim聯(lián)合公司研制。經(jīng)過十幾年的不斷完開發(fā),在北美和澳大利亞等地得到了廣泛的應(yīng)用,為當(dāng)?shù)匚鬯幚磉\(yùn)行和設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)工程工具[7]。新的BioWIN版本軟件不僅能可靠模擬污水處理生物脫氮除磷活性污泥工藝和厭氧硝化系統(tǒng),而還可以模擬固定生物膜反應(yīng)器和生物移動(dòng)床反器。目前BioWIN在國內(nèi)的應(yīng)用還很少。BioWIN模擬軟件的核心是ASDM綜合模型,描述了污水處理過程中的50種組分(普通異養(yǎng)菌、氨氧化菌、亞硝酸鹽氧化菌等)以及作用于這些組分的80個(gè)物理、化學(xué)和生物反應(yīng)過程。該模型整合了水協(xié)會(huì)的三套活性污泥生物反應(yīng)模型(ASM1~3),并集成了厭氧硝化模型ADM)、pH平衡、氣體轉(zhuǎn)移和化學(xué)沉淀等模型。由于ASDM模型采用單一矩陣的整體結(jié)構(gòu)[8],BioWIN能模擬整座污水處理廠的全部流程,能追蹤任意模型組分或狀態(tài)變量在不同單元工藝中的變化。同時(shí),BioWIN通過
總結(jié)研究成果和實(shí)際污水處理廠測試,提供了比較符合實(shí)際的模型參數(shù)缺省值。
    BioWIN可運(yùn)行于多種操作系統(tǒng),軟件界面十分友好。由于軟件在ASDM模型的基礎(chǔ)上建立了各種進(jìn)水、反應(yīng)器、沉淀池、污泥處理等共計(jì)30個(gè)工藝單元模塊,所以用戶可以通過簡單地組合這些模塊來快速建立目標(biāo)污水處理廠的工藝概化模型。

2　BioWIN軟件應(yīng)用案例
2.1　研究對象
    北京市A污水處理廠采用A2/O(厭氧—缺氧—好氧)生物處理工藝,設(shè)計(jì)處理水量為60萬m3/d,工藝流程如圖1所示。生物處理單元平行分為16組運(yùn)行,每組含厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)和1個(gè)二沉池,其中好氧區(qū)采用了“溶解氧—閥門開度”的PID閉環(huán)反饋系統(tǒng),分四段控制反應(yīng)池內(nèi)溶解氧濃度。各區(qū)容積和水力停留時(shí)間如表1所示。由于污水處理工藝的進(jìn)出水都是*混合水流,因此模擬1組處理系統(tǒng)可以代表全廠的運(yùn)行狀況。
   根據(jù)污水處理廠的實(shí)際工藝,建立如圖2所示的工藝概化模型。模型中使用了多個(gè)CSTR反應(yīng)器的串聯(lián)形式來表征實(shí)際反應(yīng)器內(nèi)的推流特性。在基礎(chǔ)上,選擇ASDM模型、pH平衡模型和氣體傳輸模型作為生物反應(yīng)單元的數(shù)學(xué)模型,選用Vesilind修正模型作為二沉池的數(shù)學(xué)模型。

2.3　數(shù)據(jù)調(diào)研處理
2.3.1　基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
構(gòu)筑物尺寸;厭氧池、缺氧池內(nèi)推進(jìn)器功率;曝氣池內(nèi)曝氣頭數(shù)量、面積、高度、曝氣能力等。
2.3.2　工藝運(yùn)行條件
根據(jù)A污水處理廠實(shí)際運(yùn)行狀況,設(shè)定內(nèi)回流量Qr為75 000 m3/d,外回流量QR定為37 500m3/d,排泥量Qw為400 m3/d,均不隨時(shí)間變化;好氧區(qū)4段中前兩段固定曝氣量分別為3 000 m3/h和2 800 m3/h,后兩段將溶解氧設(shè)定為2.5 mg/L和2 mg/L進(jìn)行反饋控制,水溫為20℃。
2.3.3　進(jìn)水水質(zhì)組分
根據(jù)A污水處理廠的常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù),進(jìn)水中氨氮占總凱氏氮的比例為0.81,溶解性磷酸鹽占總磷的比例為0.75。根據(jù)相關(guān)研究成果[9],進(jìn)水COD組分Fus確定為0.09。其他組分參數(shù)均采用軟件缺省值,如表2所示。
由于城市污水處理廠進(jìn)水特性的地域差別很大,軟件中進(jìn)水組分的缺省值往往難以精確反映進(jìn)水的實(shí)際情況,因此在進(jìn)行污水處理工藝模擬時(shí),應(yīng)地通過試驗(yàn)分析確定進(jìn)水組分的實(shí)際值,保證模擬的效果。
2.4　模型校準(zhǔn)
為了提高模擬結(jié)果的可信度,必須對所使用的模型參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。模型校準(zhǔn)通常有兩種途徑:一是基于靈敏度分析的系統(tǒng)工程方法;二是基于經(jīng)驗(yàn)的工藝工程法。由于活性污泥法生物反應(yīng)系統(tǒng)中大部分的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和化學(xué)計(jì)量參數(shù)較為穩(wěn)定,并且BioWIN使用的ASDM模型的參數(shù)缺省值來源于的科學(xué)研究結(jié)果和大量實(shí)際污水處理廠工藝系統(tǒng)的校正參數(shù),因此在實(shí)際模擬過程中需要校正的很少,可以重點(diǎn)關(guān)注變化較明顯的異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌大比增長速率。通過現(xiàn)場的活性污泥呼吸速率試驗(yàn)[10],修改異養(yǎng)菌產(chǎn)率系數(shù)和大比增長速率為實(shí)測值0.64和1.5 d-1(缺省值為0.67和3.2)。自養(yǎng)菌的大比增長速率從0.9調(diào)整為0.46。其他動(dòng)力學(xué)參數(shù)及化學(xué)計(jì)量學(xué)參數(shù)均采用軟件缺
省值。
2.5　模型驗(yàn)證
通過14 d的現(xiàn)場試驗(yàn),連續(xù)監(jiān)測獲得了生化單元進(jìn)出水水質(zhì)的每小時(shí)變化數(shù)據(jù),并通過中控室獲取了進(jìn)水水量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。為了排除離散數(shù)據(jù)的干擾,運(yùn)用時(shí)間序列季節(jié)變動(dòng)分析法[11]對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到了A廠生化單元進(jìn)水的日內(nèi)時(shí)變化情況,見表3。
為了驗(yàn)證工藝概化模型的有效性,輸入A污水處理廠生物單元的進(jìn)水水量和水質(zhì)數(shù)據(jù),將動(dòng)態(tài)模擬得到的出水水質(zhì)情況與實(shí)際監(jiān)測值進(jìn)行比較。出水水質(zhì)日內(nèi)時(shí)變化規(guī)律以及模擬得到的出水水質(zhì)情況如圖3、圖4所示。從圖中可以看出,生化單元出水的COD、NH3—N、正磷的模擬濃度值與實(shí)測濃度值基本相符,模型能夠反映實(shí)際污水處理工藝的
運(yùn)行。
3　BioWIN的應(yīng)用討論
作為優(yōu)秀的污水處理行業(yè)商業(yè)軟件,BioWIN不僅能夠準(zhǔn)確模擬污水處理廠工藝運(yùn)行,還可憑借其*的模型和豐富的模塊應(yīng)用于輔助設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化和科學(xué)研究。

3.1　輔助設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)認(rèn)為有機(jī)底物降解遵循一級反應(yīng),但大多數(shù)污水中的有機(jī)物的降解實(shí)際上處在零級到一級反應(yīng)之間。采用BioWIN進(jìn)行輔助設(shè)計(jì),可按照污水處理中的真實(shí)反應(yīng)由微分計(jì)算有機(jī)物的降解速率,從而降低傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的偏差。
此外,BioWIN豐富的處理單元模塊可以良好地模擬常見的活性污泥處理系統(tǒng)和污泥處置工藝,其全面的數(shù)據(jù)輸出能力不僅能夠反映出水水質(zhì)情況,而且能表征運(yùn)行能耗狀況,因此可以實(shí)現(xiàn)對不同設(shè)計(jì)工藝的全面評估和比較。
3.2　工藝優(yōu)化
污水處理廠進(jìn)水的水量水質(zhì)和生物反應(yīng)單元中污泥的活性時(shí)常變化,這就要求在運(yùn)行中適時(shí)調(diào)整回流、曝氣排泥等工藝參數(shù)。BioWIN在對準(zhǔn)確模擬污水處理廠工藝運(yùn)行的前提下,可以對不同的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行模擬,并對化學(xué)除磷金屬鹽的不同投加點(diǎn)和量、污泥的處置和回流、關(guān)閉部分處理單元等情況產(chǎn)生的影響進(jìn)行評價(jià),快捷地找出運(yùn)行中存在的關(guān)鍵問題,針對易于調(diào)整的條件進(jìn)行模擬分析,從而省時(shí)省力地確定工藝優(yōu)化方案。
3.3　科學(xué)研究
污水處理工藝中遇到的問題一般和進(jìn)水特性、活性污泥中的微生物及其產(chǎn)物相關(guān)。傳統(tǒng)的研究在解決這些微觀問題時(shí),往往面臨影響因素繁多、數(shù)據(jù)難以獲取等困難。采用BioWIN進(jìn)行數(shù)值模擬,則可以在很短的時(shí)間內(nèi)從眾多影響因子中辨認(rèn)出關(guān)鍵因子,從而縮小研究范圍。另一方面,BioWIN可以提供化學(xué)除磷單元鳥糞石的產(chǎn)生量、厭氧硝化中生物產(chǎn)氣量等許多試驗(yàn)研究難以獲取的數(shù)據(jù)描述,有助于科學(xué)研究更加細(xì)致、全面
和深入。

4　結(jié)語
本文介紹了BioWIN軟件的使用方法和實(shí)例。模擬結(jié)果表明,BioWIN可以成功模擬城市污水處理廠的A2/O工藝脫氮除磷的效果。在準(zhǔn)確模擬的基礎(chǔ)上,對于BioWIN的在輔助設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化和科學(xué)研究方面的應(yīng)用進(jìn)行了展望。