劉明偉，李帥帥，劉雷斌，顧升波

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京 100082)

BioWin軟件在A2/O污水處理廠升級改造中的應(yīng)用

劉明偉1，李帥帥1，劉雷斌2，顧升波2

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京 100082)

借助BioWin軟件對昆明市某A2/O污水處理廠進(jìn)行建模，通過修改模型污水組分及參數(shù)對模型進(jìn)行修正，驗(yàn)證結(jié)果顯示模型模擬出水與污水處理廠實(shí)際運(yùn)行狀況擬合度高。針對污水處理廠擬實(shí)施的改造方案，利用模型對其可行性進(jìn)行定量優(yōu)化分析，模擬結(jié)果表明：改造優(yōu)化后的污水處理廠，能達(dá)到顯著節(jié)能減排的預(yù)期目標(biāo)。

BioWin軟件；A2/O工藝；升級改造；優(yōu)化運(yùn)行

我國水環(huán)境狀況使得污水排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，國內(nèi)相當(dāng)一部分污水處理廠面臨升級改造的困境。與傳統(tǒng)僅依靠經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)的方法來升級污水處理廠的做法不同，BioWin數(shù)學(xué)模擬軟件憑借其耦合的系列活性污泥數(shù)學(xué)模型、厭氧消化模型(ADM)和化學(xué)沉淀等模型[1]，能可靠地預(yù)測污水處理廠的出水水質(zhì)，具有使用簡便可靠、工作效率高、節(jié)約資金支出的優(yōu)勢[2，3]。BioWin軟件經(jīng)過十幾年的不斷完善，其在模擬污水處理廠運(yùn)行狀況上表現(xiàn)良好，并在北美、歐洲和澳大利亞等地得到了廣泛的應(yīng)用[4-6]。

目前國內(nèi)污水處理廠應(yīng)用BioWin軟件的案例較少，但憑借其優(yōu)越性已開始逐漸得到重視。盧歡亮等[7]以中山大涌污水處理廠為研究對象，借助模型優(yōu)化曝氣控制，達(dá)到節(jié)能降耗的目的；胡堅等[8]對鎮(zhèn)江某污水處理廠脫氮除磷工藝進(jìn)行模擬優(yōu)化，針對污水處理廠可能出現(xiàn)的不利情景，提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。

在“十二五”規(guī)劃中，全國約有87%的城市有建設(shè)污水處理廠的計劃，這就意味著期間將有約1500座處理能力小于20 000 m3/d的污水處理廠建成，倘若這些新建污水廠都采用傳統(tǒng)“小試-中試-應(yīng)用”的設(shè)計建設(shè)模式，勢必會產(chǎn)生巨大的資源浪費(fèi)和資金支出。同時，國家環(huán)保部門對污水處理廠的出水水質(zhì)要求日趨嚴(yán)格，國內(nèi)就不可避免地會出現(xiàn)大批面臨升級改造的老舊污水廠，單憑經(jīng)驗(yàn)或簡易試驗(yàn)去設(shè)計、優(yōu)化和升級改造污水處理廠的做法已捉襟見肘，此時數(shù)學(xué)模擬技術(shù)的重要性就更加的不言而喻。本文借助BioWin軟件對目標(biāo)污水處理廠進(jìn)行建模，通過參數(shù)(化學(xué)計量系數(shù)和動力學(xué)參數(shù))修正校準(zhǔn)模型，利用校準(zhǔn)的模型對污水處理廠的運(yùn)行工藝進(jìn)行優(yōu)化，綜合考慮出水水質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效能，尋求最佳的運(yùn)行工況。

1 模型介紹及研究對象

1.1 BioWin軟件簡介

BioWin是由加拿大EnviroSim環(huán)境咨詢公司開發(fā)的一款污水處理工藝數(shù)學(xué)模型，模型的核心是活性污泥/厭氧消化(ASDM)，它能描述污水處理過程中的50種組分(普通異養(yǎng)菌、氨氧化菌、聚磷菌等)以及作用于這些組分的80個物理、化學(xué)和生物反應(yīng)過程[9]。BioWin軟件以Windows操作系統(tǒng)為模擬平臺，分穩(wěn)態(tài)分析器和動態(tài)仿真器兩種模擬方式[10]，為用戶提供了包括生物反應(yīng)器、厭氧消化單元、金屬鹽添加在內(nèi)的30個工藝單元模塊，用戶可自由簡便地組合目標(biāo)污水處理廠。借助軟件構(gòu)建的污水處理廠工藝概化模型，既可以簡單快捷地評價其運(yùn)行現(xiàn)狀，又能為污水處理工藝提供真實(shí)準(zhǔn)確的模擬和預(yù)測。

1.2 研究對象

本研究以昆明市某污水處理廠為模擬對象，其位于滇池旅游度假區(qū)，分兩期進(jìn)行修建，第一期設(shè)計處理水量20萬m3/d，第二期設(shè)計處理水量10萬m3/d，兩期皆于2009年12月完工通水。目標(biāo)污水廠總服務(wù)面積為72.06平方公里，服務(wù)人口66.87萬，其工藝流程見圖1。

圖1 污水處理廠工藝流程圖

表1 構(gòu)筑物及工藝運(yùn)行參數(shù)

1.3 主體構(gòu)筑物及工藝參數(shù)

目標(biāo)污水廠采用A2/O處理工藝，設(shè)計處理污水量30萬m3/d，水量變化系數(shù)K=1.30，分6組平行處理單元，主體構(gòu)筑物主要由A2/O生物反應(yīng)池和二沉池組成，每組構(gòu)筑物容積和水力停留時間以及系統(tǒng)工藝運(yùn)行參數(shù)如表1所示。根據(jù)設(shè)計要求，污水處理廠執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)》中的一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。

2 模型的建立及校正

2.1 建立模型

目標(biāo)污水廠的污染物削減核心是A2/O生化池，模型出水采用的是實(shí)際二沉池出水，故在建立模型時可合理省略某些次要構(gòu)筑物。系統(tǒng)采用PAC除磷，添加的PAC濃度為3.49 mg/L，添加量約為11 m3/d，這與污水廠實(shí)際添加狀況完全相同。模型以一組處理單元為模擬目標(biāo)，根據(jù)A2/O工藝流程及其構(gòu)筑物的尺寸，利用BioWin軟件建立其工藝概化模型(見圖2)。

圖2 A2/O工藝模型

2.2 模型數(shù)據(jù)輸入

模型建立后，還需要輸入三部分的數(shù)據(jù)：進(jìn)水水質(zhì)、污水組分及工藝運(yùn)行參數(shù)。

本研究采用的進(jìn)水水質(zhì)為污水廠實(shí)測數(shù)據(jù)，是從2015年7月份中隨機(jī)選取8天進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，其平均值見表2。

表2 污水廠進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)

研究根據(jù)BioWin軟件自帶的水質(zhì)組分計算器所需的數(shù)據(jù)，分別對進(jìn)水的流量、CODtot、TKN、TP、pH、Alk(以CaCO3計)、SCOD、VFA、NH3-N、BOD5、SBOD5、TSS、VSS及出水的SCOD等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，計算出模型所需的污水組分?jǐn)?shù)據(jù)后輸入模型，其數(shù)據(jù)見表3。

表3 BioWin模型污水組分

模型的工藝運(yùn)行參數(shù)與污水廠實(shí)際相同，系統(tǒng)混合液回流比為200%，污泥回流比為104%，運(yùn)行溫度22.13 ℃，五條廊道式好氧池平均溶解氧濃度依次為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為99.85%。

2.3 模型的校正

將上述數(shù)據(jù)輸入模型后進(jìn)行初步模擬，結(jié)果顯示：出水COD、BOD、TP和SS的模擬值與實(shí)測值擬合良好，TN尤其是NH3-N模擬值低于實(shí)測值(見表4)，針對模擬結(jié)果，采用參數(shù)敏感性分析法進(jìn)行模型修正。

氨氧化菌(AOB)又稱亞硝化細(xì)菌，在整個脫氮系統(tǒng)中負(fù)責(zé)將氨氮氧化成亞硝酸鹽，實(shí)現(xiàn)亞硝化作用，氨氧化菌最大單位生長速率μAUT過高，導(dǎo)致出水氨氮偏低，兩者呈負(fù)相關(guān)性。結(jié)合模擬結(jié)果及南方水質(zhì)條件，研究把μAUT由缺省值0.9調(diào)整為0.502(見表5)。普通異養(yǎng)菌(OHO)在整個脫氮系統(tǒng)中承擔(dān)著反硝化作用，其對出水總氮產(chǎn)生顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)：在好養(yǎng)條件下，OHO產(chǎn)率系數(shù)與出水TN呈正相關(guān)性，在缺氧條件下，兩者呈負(fù)相關(guān)性。因?yàn)镺HO好氧產(chǎn)率系數(shù)的變化還對出水NH3-N和TP產(chǎn)生不同程度的影響，綜合考慮，研究把模型OHO好氧產(chǎn)率系數(shù)調(diào)整為0.572，OHO缺氧產(chǎn)率系數(shù)調(diào)整為0.683(見表5)。

表4 模型校正前后出水值 mg/L

表5 模型參數(shù)修正

3 污水廠工藝優(yōu)化

該污水廠的最終出水雖優(yōu)于GB18918-2002一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，但從污水廠的實(shí)際運(yùn)行狀況來看，其存在一定的優(yōu)化空間。由于該污水廠好氧HRT過長，而反硝化脫氮作用主要發(fā)生在生化池缺氧段，缺氧段過短的HRT限制了污水廠脫氮效率的提高。為解決這一問題，污水廠擬將第一條廊道式好氧池改造為缺氧池，期望達(dá)到提高出水水質(zhì)和降低能耗的雙重效果。本研究利用模型對改造完成后的系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行優(yōu)化，評價改造方案的實(shí)際工程效益。

在模型中進(jìn)行工程的模擬改造后，出水TN和TP的濃度明顯降低，但出水COD和NH3-N濃度卻略有升高。為使改造工程收到更佳的成效，需對現(xiàn)行的工藝運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期達(dá)到更好的污染物去除效果。楊世東等[12]認(rèn)為，對廢水脫氮影響最大的因素依次是pH值、曝氣量和溫度。此外，剩余污泥中含有大量的重金屬、有機(jī)物及有毒物質(zhì)，需進(jìn)行妥善的處理處置，使其達(dá)到減量化[13]。故研究從好氧池溶解氧濃度、混合液回流比、排泥量這三方面進(jìn)行優(yōu)化，三者的模擬設(shè)定取值如表6所示。

表6 優(yōu)化工藝參數(shù)取值

3.1 好氧池溶解氧調(diào)整

出于簡化模擬過程及減少工程改造量的考慮，本研究僅對好氧池2的DO進(jìn)行優(yōu)化模擬，其余的構(gòu)筑物尺寸、工藝和模型參數(shù)等均保持不變，模擬結(jié)果如圖3顯示：增加好氧區(qū)DO濃度，對降低出水NH3-N的濃度產(chǎn)生顯著影響，但會少量升高出水TN的濃度，對出水COD和TP濃度產(chǎn)生的影響可忽略不計。綜合考慮處理效果和能耗水平，研究認(rèn)為好氧池2的DO維持在1.5 mg/L為宜。

圖3 DO對出水水質(zhì)的影響

3.2 混合液回流比調(diào)整

把好氧池2的溶解氧濃度設(shè)置為1.5 mg/L，按計劃改變系統(tǒng)混合液回流比，其余的構(gòu)筑物尺寸、工藝和模型參數(shù)等均保持不變，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 混合液回流比對出水水質(zhì)的影響

隨著混合液回流比的增大，出水COD濃度先降低后升高，并在回流比為100%時達(dá)到最低點(diǎn)；TN濃度則呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，在回流比為150%以后基本趨于平穩(wěn)；TP濃度維持在0.81 mg/L左右，其變化量可忽略不計；NH3-N的濃度則呈現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢。綜合考慮處理效果和能耗水平，研究認(rèn)為混合液回流比調(diào)整為100%為宜。

3.3 排泥量調(diào)整

把好氧池2的DO維持在1.5 mg/L，混合液回流比調(diào)整為100%，按計劃改變系統(tǒng)排泥量，其余的構(gòu)筑物尺寸、工藝和模型參數(shù)等均保持不變，模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 排泥量對出水水質(zhì)的影響

污水廠增加排泥量，出水COD和TP的濃度呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，出水TN濃度先下降后升高，并在90%現(xiàn)有排泥量狀況下達(dá)到最低值，出水NH3-N濃度則呈現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢。綜合考慮工程改造的初衷，研究認(rèn)為將排泥量維持在70%現(xiàn)有排泥量為宜。

4 改造優(yōu)化方案評價

根據(jù)模型模擬，改造后的目標(biāo)污水廠想要達(dá)到最佳的處理效果，需要采取以下優(yōu)化方案：系統(tǒng)第二條好氧廊道DO濃度由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減少到496.7 m3/d，為使出水TP濃度最低，還要在原加藥基礎(chǔ)上增加20%的PAC投加量。工程改造前后的主要出水水質(zhì)變化如表7所示。

表7 改造前后出水水質(zhì)變化 mg/L

工程改造優(yōu)化后，二沉池出水TN濃度降低16.71%，NH3-N濃度降低13.04%，TP濃度降低21.69%，同時降低了混合液回流比，并減少了剩余污泥處理量，但需要額外添加PAC。

經(jīng)測算，目標(biāo)污水廠改造前后所需曝氣量近似，但因?yàn)榻档土嘶旌弦夯亓鞅?，每年可?jié)省電耗約181.1萬kW·h，按當(dāng)?shù)仉妰r0.65元/kW·h計，可節(jié)約電費(fèi)117.7萬元/a，同時降低處置污泥加藥量支出約22.69萬元/a，額外支出PAC添加費(fèi)用約56.94萬元/a。經(jīng)過粗略估計，改造優(yōu)化后的污水處理廠可節(jié)省支出約83.45萬元/a。

5 結(jié) 論

借助BioWin模擬軟件，對昆明市某污水處理廠擬采用的升級改造方案進(jìn)行評價。研究認(rèn)為：工程改造優(yōu)化后，可使污水廠的處理效果得到進(jìn)一步的改善，同時能夠降低運(yùn)行費(fèi)用約83.45萬元/a，具有良好的節(jié)能減排效能；但是由于降低了排泥量，廠方需密切監(jiān)測污泥生長狀況，避免出現(xiàn)污泥老化從而影響污水處理效果，同時，項目改造后，二沉池出水COD濃度的少量增加，也會對金家河水質(zhì)造成一定程度的影響。

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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

東北電力大學(xué)博士科研啟動基金(bsjjxm-201329)

劉明偉(1982-)，男，博士，副教授，主要研究方向：污水污泥資源化利用.

電子郵箱：981574102@qq.com(李帥帥)；liulb88@126.com(劉雷斌)；214641697@qq.com(顧升波)

1005-2992(2017)05-0068-06