BioWin软件在A2/O污水处理厂升级改造中的应用

刘明伟，李帅帅，刘雷斌，顾升波

(1.东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012；2.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

BioWin软件在A2/O污水处理厂升级改造中的应用

刘明伟1，李帅帅1，刘雷斌2，顾升波2

(1.东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012；2.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

借助BioWin软件对昆明市某A2/O污水处理厂进行建模，通过修改模型污水组分及参数对模型进行修正，验证结果显示模型模拟出水与污水处理厂实际运行状况拟合度高。针对污水处理厂拟实施的改造方案，利用模型对其可行性进行定量优化分析，模拟结果表明：改造优化后的污水处理厂，能达到显著节能减排的预期目标。

BioWin软件；A2/O工艺；升级改造；优化运行

我国水环境状况使得污水排放标准日趋严格，国内相当一部分污水处理厂面临升级改造的困境。与传统仅依靠经验或试验的方法来升级污水处理厂的做法不同，BioWin数学模拟软件凭借其耦合的系列活性污泥数学模型、厌氧消化模型(ADM)和化学沉淀等模型[1]，能可靠地预测污水处理厂的出水水质，具有使用简便可靠、工作效率高、节约资金支出的优势[2，3]。BioWin软件经过十几年的不断完善，其在模拟污水处理厂运行状况上表现良好，并在北美、欧洲和澳大利亚等地得到了广泛的应用[4-6]。

目前国内污水处理厂应用BioWin软件的案例较少，但凭借其优越性已开始逐渐得到重视。卢欢亮等[7]以中山大涌污水处理厂为研究对象，借助模型优化曝气控制，达到节能降耗的目的；胡坚等[8]对镇江某污水处理厂脱氮除磷工艺进行模拟优化，针对污水处理厂可能出现的不利情景，提出相应的改进建议。

在“十二五”规划中，全国约有87%的城市有建设污水处理厂的计划，这就意味着期间将有约1500座处理能力小于20 000 m3/d的污水处理厂建成，倘若这些新建污水厂都采用传统“小试-中试-应用”的设计建设模式，势必会产生巨大的资源浪费和资金支出。同时，国家环保部门对污水处理厂的出水水质要求日趋严格，国内就不可避免地会出现大批面临升级改造的老旧污水厂，单凭经验或简易试验去设计、优化和升级改造污水处理厂的做法已捉襟见肘，此时数学模拟技术的重要性就更加的不言而喻。本文借助BioWin软件对目标污水处理厂进行建模，通过参数(化学计量系数和动力学参数)修正校准模型，利用校准的模型对污水处理厂的运行工艺进行优化，综合考虑出水水质和经济效能，寻求最佳的运行工况。

1 模型介绍及研究对象

1.1 BioWin软件简介

BioWin是由加拿大EnviroSim环境咨询公司开发的一款污水处理工艺数学模型，模型的核心是活性污泥/厌氧消化(ASDM)，它能描述污水处理过程中的50种组分(普通异养菌、氨氧化菌、聚磷菌等)以及作用于这些组分的80个物理、化学和生物反应过程[9]。BioWin软件以Windows操作系统为模拟平台，分稳态分析器和动态仿真器两种模拟方式[10]，为用户提供了包括生物反应器、厌氧消化单元、金属盐添加在内的30个工艺单元模块，用户可自由简便地组合目标污水处理厂。借助软件构建的污水处理厂工艺概化模型，既可以简单快捷地评价其运行现状，又能为污水处理工艺提供真实准确的模拟和预测。

1.2 研究对象

本研究以昆明市某污水处理厂为模拟对象，其位于滇池旅游度假区，分两期进行修建，第一期设计处理水量20万m3/d，第二期设计处理水量10万m3/d，两期皆于2009年12月完工通水。目标污水厂总服务面积为72.06平方公里，服务人口66.87万，其工艺流程见图1。

图1 污水处理厂工艺流程图

表1 构筑物及工艺运行参数

1.3 主体构筑物及工艺参数

目标污水厂采用A2/O处理工艺，设计处理污水量30万m3/d，水量变化系数K=1.30，分6组平行处理单元，主体构筑物主要由A2/O生物反应池和二沉池组成，每组构筑物容积和水力停留时间以及系统工艺运行参数如表1所示。根据设计要求，污水处理厂执行《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》中的一级A排放标准。

2 模型的建立及校正

2.1 建立模型

目标污水厂的污染物削减核心是A2/O生化池，模型出水采用的是实际二沉池出水，故在建立模型时可合理省略某些次要构筑物。系统采用PAC除磷，添加的PAC浓度为3.49 mg/L，添加量约为11 m3/d，这与污水厂实际添加状况完全相同。模型以一组处理单元为模拟目标，根据A2/O工艺流程及其构筑物的尺寸，利用BioWin软件建立其工艺概化模型(见图2)。

图2 A2/O工艺模型

2.2 模型数据输入

模型建立后，还需要输入三部分的数据：进水水质、污水组分及工艺运行参数。

本研究采用的进水水质为污水厂实测数据，是从2015年7月份中随机选取8天进行水质化验所得的数据，其平均值见表2。

表2 污水厂进水数据

研究根据BioWin软件自带的水质组分计算器所需的数据，分别对进水的流量、CODtot、TKN、TP、pH、Alk(以CaCO3计)、SCOD、VFA、NH3-N、BOD5、SBOD5、TSS、VSS及出水的SCOD等数据进行检测，计算出模型所需的污水组分数据后输入模型，其数据见表3。

表3 BioWin模型污水组分

模型的工艺运行参数与污水厂实际相同，系统混合液回流比为200%，污泥回流比为104%，运行温度22.13 ℃，五条廊道式好氧池平均溶解氧浓度依次为0.336 mg/L、0.473 mg/L、0.745 mg/L、1.255 mg/L、2.218 mg/L，二沉池沉降模型的去除百分比为99.85%。

2.3 模型的校正

将上述数据输入模型后进行初步模拟，结果显示：出水COD、BOD、TP和SS的模拟值与实测值拟合良好，TN尤其是NH3-N模拟值低于实测值(见表4)，针对模拟结果，采用参数敏感性分析法进行模型修正。

氨氧化菌(AOB)又称亚硝化细菌，在整个脱氮系统中负责将氨氮氧化成亚硝酸盐，实现亚硝化作用，氨氧化菌最大单位生长速率μAUT过高，导致出水氨氮偏低，两者呈负相关性。结合模拟结果及南方水质条件，研究把μAUT由缺省值0.9调整为0.502(见表5)。普通异养菌(OHO)在整个脱氮系统中承担着反硝化作用，其对出水总氮产生显著影响。研究发现：在好养条件下，OHO产率系数与出水TN呈正相关性，在缺氧条件下，两者呈负相关性。因为OHO好氧产率系数的变化还对出水NH3-N和TP产生不同程度的影响，综合考虑，研究把模型OHO好氧产率系数调整为0.572，OHO缺氧产率系数调整为0.683(见表5)。

表4 模型校正前后出水值 mg/L

表5 模型参数修正

3 污水厂工艺优化

该污水厂的最终出水虽优于GB18918-2002一级A排放标准，但从污水厂的实际运行状况来看，其存在一定的优化空间。由于该污水厂好氧HRT过长，而反硝化脱氮作用主要发生在生化池缺氧段，缺氧段过短的HRT限制了污水厂脱氮效率的提高。为解决这一问题，污水厂拟将第一条廊道式好氧池改造为缺氧池，期望达到提高出水水质和降低能耗的双重效果。本研究利用模型对改造完成后的系统运行状况进行优化，评价改造方案的实际工程效益。

在模型中进行工程的模拟改造后，出水TN和TP的浓度明显降低，但出水COD和NH3-N浓度却略有升高。为使改造工程收到更佳的成效，需对现行的工艺运行参数进行优化，以期达到更好的污染物去除效果。杨世东等[12]认为，对废水脱氮影响最大的因素依次是pH值、曝气量和温度。此外，剩余污泥中含有大量的重金属、有机物及有毒物质，需进行妥善的处理处置，使其达到减量化[13]。故研究从好氧池溶解氧浓度、混合液回流比、排泥量这三方面进行优化，三者的模拟设定取值如表6所示。

表6 优化工艺参数取值

3.1 好氧池溶解氧调整

出于简化模拟过程及减少工程改造量的考虑，本研究仅对好氧池2的DO进行优化模拟，其余的构筑物尺寸、工艺和模型参数等均保持不变，模拟结果如图3显示：增加好氧区DO浓度，对降低出水NH3-N的浓度产生显著影响，但会少量升高出水TN的浓度，对出水COD和TP浓度产生的影响可忽略不计。综合考虑处理效果和能耗水平，研究认为好氧池2的DO维持在1.5 mg/L为宜。

图3 DO对出水水质的影响

3.2 混合液回流比调整

把好氧池2的溶解氧浓度设置为1.5 mg/L，按计划改变系统混合液回流比，其余的构筑物尺寸、工艺和模型参数等均保持不变，模拟结果如图4所示。

图4 混合液回流比对出水水质的影响

随着混合液回流比的增大，出水COD浓度先降低后升高，并在回流比为100%时达到最低点；TN浓度则呈现持续下降的趋势，在回流比为150%以后基本趋于平稳；TP浓度维持在0.81 mg/L左右，其变化量可忽略不计；NH3-N的浓度则呈现出持续上升的趋势。综合考虑处理效果和能耗水平，研究认为混合液回流比调整为100%为宜。

3.3 排泥量调整

把好氧池2的DO维持在1.5 mg/L，混合液回流比调整为100%，按计划改变系统排泥量，其余的构筑物尺寸、工艺和模型参数等均保持不变，模拟结果如图5所示。

图5 排泥量对出水水质的影响

污水厂增加排泥量，出水COD和TP的浓度呈现持续下降的趋势，出水TN浓度先下降后升高，并在90%现有排泥量状况下达到最低值，出水NH3-N浓度则呈现出持续上升的趋势。综合考虑工程改造的初衷，研究认为将排泥量维持在70%现有排泥量为宜。

4 改造优化方案评价

根据模型模拟，改造后的目标污水厂想要达到最佳的处理效果，需要采取以下优化方案：系统第二条好氧廊道DO浓度由0.473 mg/L提高到1.5 mg/L，混合液回流比由200%降低到100%，排泥量由671 m3/d减少到496.7 m3/d，为使出水TP浓度最低，还要在原加药基础上增加20%的PAC投加量。工程改造前后的主要出水水质变化如表7所示。

表7 改造前后出水水质变化 mg/L

工程改造优化后，二沉池出水TN浓度降低16.71%，NH3-N浓度降低13.04%，TP浓度降低21.69%，同时降低了混合液回流比，并减少了剩余污泥处理量，但需要额外添加PAC。

经测算，目标污水厂改造前后所需曝气量近似，但因为降低了混合液回流比，每年可节省电耗约181.1万kW·h，按当地电价0.65元/kW·h计，可节约电费117.7万元/a，同时降低处置污泥加药量支出约22.69万元/a，额外支出PAC添加费用约56.94万元/a。经过粗略估计，改造优化后的污水处理厂可节省支出约83.45万元/a。

5 结 论

借助BioWin模拟软件，对昆明市某污水处理厂拟采用的升级改造方案进行评价。研究认为：工程改造优化后，可使污水厂的处理效果得到进一步的改善，同时能够降低运行费用约83.45万元/a，具有良好的节能减排效能；但是由于降低了排泥量，厂方需密切监测污泥生长状况，避免出现污泥老化从而影响污水处理效果，同时，项目改造后，二沉池出水COD浓度的少量增加，也会对金家河水质造成一定程度的影响。

[1] 马昭，刘玉玲，杨侃.基于BioWin 软件对A2/O工艺的模拟与优化[J].环境工程学报，2015，9(10)：4803-4810.

[2] 郝晓地，甘一萍，周军，等.数学模拟技术在污水处理工艺设计、优化、研发中的应用(上) [J].给水排水，2004，30(5)：33-36.

[3] 郝晓地，甘一萍，周军，等.数学模拟技术在污水处理工艺设计、优化、研发中的应用(下) [J].给水排水，2004，30(6)：16-18.

[4] 胡志荣，周军，甘一萍，等.基于BioWin的污水处理工艺数学模拟与工程应用[J].中国给水排水，2008，24(4)：19-23.

[5] E.Liwarska Bizukojc，R.Biernacki，D.Gendaszewska，et al.Improving the operation of the full scale wastewater treatment plant with use of a complex activated sludge model[J].Environment Protection Engineering，2013，39(1)：183-195.

[6] M.W.Sweeney，J.C.Kabouris.Modeling，instrumentation，automation and optimization of wast resource recovery facilities[J].Water Environment Research，2015，86(10)：1314-1331.

[7] 卢欢亮，胡志荣，叶向东，等.城市污水处理CASS工艺模拟与优化[J].给水排水，2015，41(6)：112-116.

[8] 胡坚，陈恒宝，王燕，等.镇江某污水处理厂脱氮除磷工艺模拟与优化[J].给水排水，2016，42(3)：122-124.

[9] 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，2009，35(增)：459-462.

[10] 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].水工业市场，2009，11：38-41.

[11] 施汉昌，胡志荣，周军，等.污水生物处理—— 原理、设计与模拟[M].北京：中国建筑工业出版社，2011：39.

[12] 杨世东，廖路花.煤气化废水氨氮吹脱去除因素的影响探究[J].东北电力大学学报，2015，35(2)：5-9.

[13] 施云芬，张群，奚海军.市政污泥预处理技术的研究进展[J].东北电力大学学报，2014，34(6)：25-29.

Abstract：This paper built model into a Kunming A2/O sewage treatment plant with the help of BioWin software，by modifying the sewage components and model parameters，the fit degree of steady simulation results and actual operating conditions of sewage treatment plant is good.The reform program which sewage treatment plant will be implemented，for the feasibility of this program，we used model to make a quantitative and optimized analysis.The simulation results showed that the water quality of effluent will better than before and the energy consumption will more economic.

Keywords：BioWin software；A2/O process；Upgrade and reform；Optimal operation

TheApplicationofSewageTreatmentPlantViaBioWinSoftware

LiuMingwei1，LiShuaishuai1，LiuLeibin2，GuShengbo2

(1.School of Civil Engineering and Architecture，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.Beijing General Municipal Engineering Design&Research Institute Co.，ltd.,Beijing 100082)

TP29

A

2017-05-12

东北电力大学博士科研启动基金(bsjjxm-201329)

刘明伟(1982-)，男，博士，副教授，主要研究方向：污水污泥资源化利用.

电子邮箱：981574102@qq.com(李帅帅)；liulb88@126.com(刘雷斌)；214641697@qq.com(顾升波)

1005-2992(2017)05-0068-06