基于BioWin3.1软件的扩建项目水解酸化－A2O工艺模拟研究

王贝灵，薛 罡，刘振鸿，宋新山

（东华大学 环境学院，上海 201620）

1 引言

随着污水处理工艺的快速发展、污水处理工程的大批兴建，以及污水处理厂排放标准的日趋严格，规范、快速、可靠的污水处理厂设计方法就成为重要的研究方向。由于传统的程式化的设计方法已经逐渐无法满足目前的各种水质和工艺要求，因此在设计过程中引入基于国际通行的污水处理模型的模拟方法就成为一个可施性较高的替代方案。商业水处理软件的推出和升级大大促进了数学模拟在污水处理方面的发展，常用的有GPS－X、WEST、BioWin等［1］。目前国内已经有研究人员运用此类软件进行污水处理工程前期的设计和正常运行的优化，但是在工程调试阶段对其优化模拟的先例还未见报道。

2 BioWin3.1模型简介

BioWin3.1模型是加拿大环境咨询公司Envirosim开发的设计、分析全污水处理厂的单一矩阵模型。Bio－Win3.1可以模拟特定工艺单元的行为和单元中依赖于环境条件的主要反应，追踪物理、化学和生物工艺的组分变化和反应情况［2］。Biowin3.1数学模型还可以对动态进水情况作出良好的响应，这就大大提高了对实际工程的分析处理能力，拥有较高的真现性。BioWin3.1模型包含了国际水协推出的ASM1号模型、ASm2d模型、ASm3号模型，以及污泥消化模型等一系列活性污泥数学模型［3］。此外，其特有的区分静态进水与动态进水方案能够对实际情况进行有效还原，提高了软件的实用性。BioWin自开发以来，各个版本在全球，特别是欧美地区有了极大的应用［4～6］。

3 BioWin3.1模型项目研究应用

3.1 研究对象简介

江西省某地毯生产厂印染60m3／d废水目前采用水解酸化－A／O工艺进行处理。但经过简单处理，污水处理站存在出水氨氮、COD、色度等指标含量均严重不达标的情况。同时，由于企业扩大生产规模，在生产过程中所产生的印染污水量也随之增加，实际日均进水量已经超过130m3／d。

3.2 工程水质及水量分析

本污水处理站进水水量每天在180～230m3／d。由于印染方式的差异，染料和助剂的用法、用量的变化造成了进水氨氮波动在140～480mg／L之间，COD在360～1540mg／L之间。进水水质的巨大波动对改扩建后的污水处理能力提出了严峻的考验，考虑到厂区有一定的闲置土地，因此设计方在水解酸化－A2O生物处理后增设人工湿地单元进行进一步的处理。本项目主要对人工湿地前的生物处理部分进行模拟，确定最佳运行条件。

对厂区持续监测后，模拟中拟采用典型数据的平均值:进水量 200m3／d，COD 820mg／L，氨氮 200mg／L，TSS350mg／L，处理后考察 COD、氨氮、TSS分别低于200mg／L、110mg／L、50mg／L。

3.3 模型的建立

本工程根据原有构筑物结构单元进行改扩建，从而能够降低土建成本，节约资源。根据工艺设计目标，拟采用A2O工艺对污水进行脱氮处理。扩建后拟进水量达到200m3／d，前处理设置集水井、调节池等稳定进水流量。生物处理运用多级错层推流的方式在布有填料的生化池运行，在各级生化池中同时还设有曝气管线，此法不但能够有效地提高生物处理能力，同时也能够自由改变各部分的曝气状态，为改变调试方案提供了更广泛的可能性。工艺中对污泥的处理，大部分进行回流，其余污泥根据实际产量进入好氧消化池实现污泥减量，最后污泥压滤脱水、外运。根据上述的拟建工程，在BioWin3.1软件上设计如图1的工艺流程。其中好氧池后的回流比为200%，沉淀池后的回流比为50%。缺氧填料生物反应器DO维持在0.5mg／L，好氧填料生物反应器DO维持在3.0mg／L，以此作为稳定的基态条件进行多组分变量模拟。

图1 改建后污水处理厂模拟布置

4 软件模拟调试优化参数

根据模型内核的数据控制，调整关键影响因素，找到合适的运行、调试方案，并为特例情况的出现做预案，方便了调试控制和正常运行的顺利进行。

4.1 DO浓度调整

生物池中DO的浓度是对氨氮去除的重要影响因素，DO的升高能够有效地促进氨氮降解，但是DO值过高对TN的去除有制约作用。本模型在维持内回流比200%、外回流比50%的情况下，调整了DO分别为2mg／L、3mg／L、4mg／L 3种状态（表1）。模拟结果表明DO的改变对COD、TSS无实质影响，DO降低到2mg／L，氨氮值升高到105.90mg／L，而 DO 升 高 到 4mg／L，氨 氮 值 变 为103.52mg／L。考虑到提高DO值对充氧设备所增加的要求和稳定操控的复杂性，建议调试期间将DO设定为3.0mg／L。

表1 DO浓度调整对处理效果的影响 mg／L

4.2 内回流比调整

内回流比的不同对氨氮的硝化作用将产生明显影响，提高内回流比能够有效稀释氨氮，但是同时也会由于水流的混合作用对厌氧部分产生可见干扰。模拟运行中将内回流比调整为100%、200%、300%和400%进行模拟（表2），模拟实验结果显示调整内回流比对COD、TSS无实质影响。考虑到提高后的效能比过低，为了维持合理的内回流能力，稳定出水水质，建议将内回流比调整为200%。

表2 内回流比调整对处理效果的影响 mg／L

4.3 污泥回流比调整

在本项目中，污泥回流的可以从一定程度上补充好氧池流出带走的活性污泥，使各个池内的悬浮固体浓度MLSS保持相对稳定，悬浮污泥和填料附着污泥的存在可以最大化地对污水进行有效处理。模拟中将污泥回流比按照每25%增加一级的方式进行，最大达到150%（表3）。结果显示，回流量的加大对氨氮的去除差异性不大，但是COD和TSS的出水模拟结果从179.4mg／L和26.7mg／L迅速提升到210.3mg／L和106.3mg／L，这就不能严格保证水解酸化A20工艺的出水水质和后续人工湿地系统的进水水质。因此，出于项目的综合运行考虑，建议将外回流比调整到50%为适。

表3 污泥回流比调整对处理效果的影响 mg／L

5 结语

通过对高氨氮废水水解酸化－A2O－人工湿地系统生化处理设计工艺的模拟，得出该设计能够有效满足设计要求，为后续生态处理提供稳定的碳氮基。根据不同的模拟方式，得出前期生化处理的最佳运行参数为好氧池DO3.0mg／L、内回流比200%、污泥回流比50%。软件模拟后，出水COD、TSS、氨氮结果分别为185.5mg／L、47.5mg／L、105.8mg／L。

［1］沈童刚，邱 勇，应启锋，等.污水处理厂模拟软件BioWIN的应用［J］.给水排水，2009（S1）:459～462.

［2］孙 逊，梁 恒，张克峰，等.百乐克工艺BioWin3数学模型的应用［J］.水处理技术，2010（8）:53～55.

［3］李鑫玮，牛庆利，周 军，等.BioWin在污水脱氮除磷系统中的应用研究［J］.中国建设信息:水工业市场，2009（11）:38～41.

［4］Eldyasti A，Andalib M，Hafez H，et al.Comparative modeling of biological nutrient removal from landfill leachate using a circulating fluidized bed bioreactor（CFBBR）［J］.Journal of Hazardous Materials，2011，187（1～3）:140～149.

［5］Hafez H，Elbeshbishy E，Nakhla G，et al.Simulating the impact of suppression of methanogenesis in continuous flow biohydrogen reactors［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2011，36（10）:5885 ～5894 .

［6］Sweeney M W，Kabouris J C.Modeling，instrumentation，automation，and optimization of wastewater treatment facilities［J］.Water Environment Research，2010，82（10）:1348 ～1366 .