基于BioWin模型的污水处理工艺评估及优化分析

孟飞琴，郭亚楠

上海市浦东新区排水管理所，上海 200127

BioWin模型应用广泛，HAAS D W等[1]在试验室的研究表明，早期的BioWin版本（大约1994—2000年在澳大利亚广泛应用）由于特定的关键参数默认设置不适当，影响了脱氮速度。旧版本的BioWin模型预测的脱氮速率大约是UCT实验室脱氮污泥系统小试研究测得速率的3倍多。设计中，为保证较高的脱氮速率、较小的缺氧区和较大的内循环比，最终会导致实际出水硝酸盐和总氮浓度比模型预测的高，这可能对污水处理厂的改进和运行产生严重影响。最新发布的BioWin版本已经修订了默认设置，脱氮速率更接近旧版本的UCT类模型。之后，HAAS D W等[1]对Victoria Point污水处理厂进行了现场模拟试验研究，对每日测得的进水、反应器和出水数据进行观察，发现实测数据和预测数据有很好的一致性。这也就证实了BioWin最新的设置默认值比较适合该类型的污水处理厂。如今，BioWin模拟包已经有了很大的扩展，除了活性污泥，还包括单元处理的成分（例如，除砂、初沉、固体分离和厌氧消化），提高了模型的应用范围，但也增加了其复杂性[2]。

1 某污水处理厂的工艺流程

某污水处理厂的日处理量为10万t/d，采用先进的UNITANK工艺，该工艺是一套一体化活性污泥和一套改进的一体化活性污泥相结合的处理工艺[3]。每套工艺都由4个恒等部分组成。一体化活性污泥工艺关键参数表如表1所示。

表1 一体化活性污泥工艺关键参数表

改进的一体化活性污泥处理工艺安装了扩散曝气设备，由7个240kW的离心鼓风机供气，每台输送气量为135m3/min，工作压力为8.6MPa。改进的一体化活性污泥工艺原理图如图1所示。

图1 某污水处理厂改进的一体化活性污泥工艺原理图

传统的一体化活性污泥池配有表曝机，每个中央池配有1个93.75kW的浮动立轴曝气机和4个15kW的旋风式浮动吸入曝气机；每个边池配有1个112.5kW的浮动吸入曝气机和4个15kW的旋风式浮动吸入曝气机。传统一体化活性污泥工艺原理图如图2所示。

图2 某污水处理厂传统的一体化活性污泥工艺原理图

2 污水处理厂目前的运行状况

2.1 改进的一体化活性污泥处理工艺运行情况

（1）原污水经过预处理后进入厌氧区，与缺氧区再生的混合液融合。混合液进入缺氧区，与硝酸盐接触反应；硝酸盐由正在曝气的邻近的边池再生循环。

（2）混合液从缺氧区进入一个持续曝气池后，再流入随意一个处于澄清阶段的边池。边池配有排水堰，交替进入曝气和沉淀阶段。边池曝气时，排水堰是关闭的。

（3）沉淀开始的一段时间内，打开排水堰，使净化的出水澄清。

（4）边池的整个周期为8h，即曝气3h、沉淀1h、澄清4h。污泥龄约为18d。

2.2 传统的一体化活性污泥处理工艺操作流程

（1）处理池的运行周期为12h。两个边池通过固定水平堰澄清。

（2）经过预处理的污水进入第一个不处于澄清模式的边池，共320min/12h一周期。期间，第一个边池停气75min，剩余时间曝气。

（3）320min后曝气结束，进污水分流进中央池，第一个边池进入40min沉淀模式后，反冲洗倾注堰30min。

（4）360min结束后，进污水从中央池进入第二个刚开始75min停气周期的边池，第一个边池开始沉淀。因此，在12h周期内，进污水进入其中一个边池，并通过中央池进入另一个正在澄清的边池[4-5]。

（5）除了一个12h周期，中央池持续曝气。

3 BioWin 模型

使用BioWin软件工具建立模型开展评估时，这个软件能够动态地模仿复杂的一体化活性污泥处理周期，稳定状态的手工计算则不能有效评估处理工艺的一些微妙变化。回收硝酸盐在初级缺氧区与流入污水处理厂的原污水接触，原污水含有易生物降解的COD需进行脱氮处理，能够通过调整、定位不同周期及其流程设定，优化处理工艺的效率。相反，传统的一体化活性污泥工艺没有配备高效的脱氮设备。原污水在曝气阶段进入处理设备，因此COD中易生物降解的物质被有氧消耗，无法反硝化。这使得整个工艺的反硝化脱氮损失8mg/L。考虑到在该污水处理厂实地考察的时间有限，而为复杂的处理工艺（例如一体化活性污泥）建立、运行模型需要大量时间，因此选择为传统的一体化活性污泥设备建模，演示处理流程改进后的除氮效果。

对处理流程进行以下改变：

（1）整个周期内，原污水被引入中央池。中央池曝气机设定为2h开、2h关，其目的是确保至少一半的易生物降解COD能够用于反硝化脱氮。边池的混合液接受曝气，循环回流至中央池使硝酸盐反硝化。在实际操作中，这种变化要求边池安装混合循环泵，中央池安装浅水搅拌器。传统的一体化活性污泥工艺BioWin模型示范图如图3所示。

图3 传统的一体化活性污泥工艺BioWin模型示范图

（2）动态BioWin模型模拟上述处理工艺在15℃和25℃条件下的运行状况。1d内出水的氨、硝酸盐、亚硝酸盐浓度图解如图4、图5所示。在15℃条件下，氨、硝酸盐、亚硝酸盐的浓度总和约为6.5mg/L，20℃条件下约为4.5mg/L。残留的有机氮浓度为1.5mg/L，而总氮浓度在15℃和20℃下分别约为8.5mg/L和6.5mg/L。

图4 BioWin模型在15℃条件下的产出

图5 BioWin模型在25℃条件下的产出

4 结论

对传统的一体化活性污泥工艺进行评估与优化，能显著降低出水总氮的浓度。数字显示总氮由14mg/L减少至6mg/L，而在实际操作中，效果可能更加明显。该污水处理厂目前出水总氮为14mg/L，这是改进的一体化活性污泥工艺总出水指标。改进的工艺比传统的工艺脱氮效果更好，传统的一体化活性污泥出水总氮浓度要高于14mg/L，而改进的一体化活性污泥工艺出水总氮要低。根据BioWin模型显示，对处理工艺进行一些改变，可显著降低一体化活性污泥工艺的出水总氮浓度。总之，良好的静态计算配合动态模型能够很快评估出改变污水处理设备工艺（例如该污水处理厂）的效果。动态模型能够使工程师评估一系列相关工艺后，选择最有效的工艺对现有处理厂运行的模型进行校正，在模拟新工艺时，可依赖模型的分析效果。