陈建，周谐，李萍，黄伟，龚玲

(重庆市生态环境监测中心，重庆 401147)

BioWin数学模型在污水处理厂辅助工艺设计中的应用

陈建，周谐，李萍，黄伟，龚玲

(重庆市生态环境监测中心，重庆 401147)

目前，城市污水处理厂设计方式还是依据设计手册选取参数，难以准确预测不同进水负荷和污染物组分条件对出水产生的影响。利用污水处理模型软件对污水处理厂设计文件进行模拟可以快速地验算不同条件对处理效果的影响。利用BioWin模型对重庆市某镇级污水处理厂设计方案进行模拟，结果表明：在设计进水水质及运行条件下，该厂各出水水质均能达到一级B标准，满足设计要求；通过进水特征变化模拟，按照设计文件的变化系数增大进水水量后或降低进水COD浓度时，均会导致出水超标；通过运行特征变化模拟，降低内回流比，在原有设计基础上可减少1台曝气机，既能节能降耗又能保证出水水质达标；对原有设计方案进行优化，在原方案基础上优化方案为减少1台曝气机曝气量，调整内回流比为50%，调整污泥回流比为75%。优化方案模拟结果表明，不论是在平均运行温度还是在不利运行温度下，该优化方案均能使出水各项指标达到一级A标准。

BioWin；污水处理；辅助设计；模拟

我国城市污水处理事业发展迅速，污水处理能力和效率逐渐提高。目前，城市污水处理厂设计主要根据设计手册选取处理负荷，通过处理负荷计算构筑物尺寸和工艺参数，并乘以安全系数作为最终参数[1-2]。这种设计方法虽然简单易用，但不同进水负荷及污染物组成条件下生化反应情况，以及降雨等冲击负荷，使用传统方法难以做出较准确的评价[3]。

污水处理数学模型辅助工艺设计是在初步设计完成后，通过数学模型来进行工艺模拟，验算在不同进水特性、运行条件和动力学参数对处理效果的影响[4]。近年来，活性污泥工艺的数学模型及其软件得到快速发展，并逐渐用于污水处理工艺设计，为解决上述问题提供了新的方法和途径[5]。数学模型辅助污水处理厂工艺设计在国外已有较多应用[6-14]，国内在较发达地区也有数学模型辅助污水处理厂设计和改造的先例[15-17]，但在重庆地区尚未开展此类研究。

BioWin软件采用ASDM综合模型，能模拟污水处理过程中的50种组分以及80个物理、化学和生物反应过程，具有良好的工程应用实践[18]。本研究采用BioWin软件作为模型模拟平台对重庆市某镇级污水处理厂设计进行工艺模拟，对污水处理设计文件参数进行评价。分析三峡库区特有污水负荷条件下污水处理条件，并基于该模型发现现有设计存在的问题，提出优化方案。

1 设计方案分析与建模

1.1设计方案介绍

重庆某镇级生活污水处理厂主要收集该镇生活污水和部分园区工业废水，近期设计日处理5000 m3/d，总变化系数K=1.74。该污水处理厂设计使用A2/O氧化沟工艺，采用Carrousel氧化沟，图 1为该污水厂处理工艺流程。

图1 污水处理工艺流程Fig.1 Sewage treatment process

工艺设计进水水质如表1所示，排放标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》[19](GB 18918—2002)的一级B标准。

表1 设计方案的进出水水质

1.2模型建立

根据设计方案，模型设置了两组并联的处理单元，并根据溶解氧水平，各组处理单元设置了1个厌氧区、1个缺氧区、1个好氧区(分为8段)和1个二沉池。概化模型如图 2所示。

依据该污水处理厂《初步设计说明》，对生化处理单元的构筑物设计尺寸，可以确定模型中各单位的结构尺寸，该污水处理厂两组并联生化池设计完全一致，构筑物尺寸如表2所示。

图2 污水处理厂A2O工艺模型Fig.2 A2O process model of wastewater treatment plant

1.3设计运行参数

根据该污水处理厂初设说明，对系统的运行参数进行汇总分析，按如下内容选取了参数值，确定工艺模拟的基准状态。

1.3.1溶解氧设置

根据设计方案，每组处理单元设置机械曝气机4台，充氧量13.7 kg/h，功率7.5 kW，曝气机标准氧传递速率使用BioWin模型默认值1.5 kg/(kW·h)。在实际运行中，由于每台曝气机近端耗氧速率高，远端耗氧速率低，因此在每台曝机近端溶解氧按曝气机功率设置，远端采用溶解氧尝试反馈控制。

表2 BioWin模型中的构筑物尺寸

1.3.2内外回流

按设计方案对系统的内外回流进行了理论计算。

内回流泵。设计内回流污泥泵参数Q=200 m3/h，内回流比为200%。

外回流：外回流污泥设计流量为：Q=0.058 m3/s，潜污泵功率为Q=104 m3/h，扬程H=6.5 m，功率因数COSΦ=0.8。污泥回流比为100%。

1.3.3排泥量设置

剩余污泥量设计值为932 kg/d，含水率99.2%，折合每天排放剩余污泥116.5 m3，根据剩余污泥量计算SRT为21 d。此外，初设文件中设计SRT为19 d，设计混合液浓度4000 mg/L，有效池容5000 m3计算，则剩余污泥量为1052.6 kg/d。因此，设计文件中根据泥龄计算的剩余污泥量和根据剩余污泥量计算的泥龄略有差别，差值约11.4%，本研究利用设计剩余污泥量模拟泥龄。

1.3.4设计水温

初设说明选取最不利水温10℃作为设计值。但由于污水处理厂日常运行温度范围在10～30℃，选择20℃作为模拟条件，再计算在10～30℃时对处理效果的影响。

1.4模型参数

1.4.1进水水质组分

根据初设数据和模型要求设置进水参数。对于模型要求但初设方案中缺少的数据，利用模型默认值、相关监测数据或参考相关文献获得。具体参数设置如表3所示。

表3 模型进水组分设置

注：①根据长期监测数据，该镇生活污水中NH3-N和TKN比例，TKN由NH3-N设计浓度计算得出。

1.4.2模型动力学参数

在运用模型进行污水处理工艺设计时，由于污泥活性难以估计，因此模型模拟的动力学参数和化学计量参数选择模型默认值，具体如表4所示。

表4 模型主要动力学参数

2 设计方案的模拟

2.1设计工艺模拟结果

2.1.1基准状态模拟

根据以上设计参数为基准，模拟污水处理厂出水水质情况。目的一方面在于检验在以上设计条件下，污水处理厂运行和出水是否满足设计要求，另一方面将该状态作为其他工艺参数或水质参数调整的比较基准，分析在调整参数后污水处理厂的出水水质变化情况。

按照以上设计条件利用BioWin对该污水处理厂进行模拟，模拟结果如表5所示。

表5 污水处理厂运行情况模拟值

表6 污水处理厂出水模拟结果

从上述结果可以看出，按此设计参数，模拟的污水处理厂在实际运行过程中生化反应单位MLSS浓度为2623 mg/L，MLVSS浓度为1638 mg/L，基本处于活性污泥处理要求水平,但略低于设计文件中的4000 mg/L。厌氧池、缺氧池和好氧池的DO浓度分别为0、0.01 mg/L和2623 mg/L。

根据进水水质模拟的出水水质如表6所示。由表6可以看出，所有出水的污染物指标模拟值均低于设计出水水质，即均能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002 )一级B标准。处理效率也均高于设计处理效率。该污水处理厂按目前设计参数运行处理能力大于目前进水水质所需处理能力，因此设计方案具有节能降耗、提升出水水质的优化改造空间。

2.1.2进水特征模拟

(1)进水水量增加

污水处理厂处理量变化系数为1.74，因此可能出现8700 m3/d的进水流量。计算在设计条件下，仅修改进水水量为持续高流量进水条件，保持其他工艺运行条件不变，模拟结果如表7所示。

从模拟结果可以看出，按照设计文件变化系数增大进水流量后，出水NH3-N浓度大幅增大为9.8 mg/L，超过一级B标准，NH3-N处理效率迅速降低。与此同时，出水TP浓度有较大减少，为0.47 mg/L，为基准模拟浓度的58%。

在现有曝气机功率提供的曝气量一定的情况下，生化池DO浓度下降为原来的47%。氧化沟中较低的溶解氧影响硝化作用，从而影响NH3-N的去除[20]。但同时，较低DO浓度有利于TP的去除。

(2)进水COD浓度降低

根据设计方案提供的历史检测数据，以及相关文献[21]调查结果，重庆地区生活污水处理厂典型进水COD浓度约为260 mg/L。在基准模拟状态下，将进水COD浓度降低为260 mg/L，其他条件不变，模拟出水水质情况结果如表8所示。

表7 最高进水流量下的模拟结果

表8 低进水COD浓度下模拟结果

根据结果可以看出，进水COD浓度降低时，TP的去除受到明显影响，出水TP已远超过排放标准。这是由于碳源过低，厌氧段释磷不足，从而造成TP去除受到影响。但进水COD的降低对出水NH3-N影响不大，这是由于进水碳源等有机物在生化反应时会优先完成反硝化过程，因此氮的去除受影响程度比磷要小。与此同时，进口COD浓度的降低，需氧量也有所降低，好氧池中可相应减少曝气机开启数量。

2.1.3工艺运行条件模拟

(1)内回流模拟

对于内回流比的模拟范围可以根据回流泵的最大回流量来确定内回流比的最大值，而最小值则可设定为不进行内回流，一般来说内回流比的模拟范围在0～300%[22]。根据设计文件中内回流泵功率，设计内回流比为最大约200%。调整不同内回流比进行模拟，分析对出水水质的影响。模拟结果如表9所示。

表9 不同内回流比模拟结果

模拟结果显示，降低内回流比对出水NH3-N几乎没有影响，可以使得出水TP有所降低。可能是由于内回流量占生化池总流量比例有限，因此内回流比变化导致的出水浓度变化较小。

(2)污泥回流比模拟

该污水处理厂外回流污泥设计流量为：Q=0.058 m3/s，潜污泵功率为Q=104 m3/h，共2台。该厂最大污泥回流比为100%。对不同污泥回流条件进行模拟，以寻找最优回流比。模拟结果如表10所示。

在排泥量不变条件下，随着回流污泥比降低，氧化沟中MLSS浓度降低。同时出水的COD和TP浓度降低，而NH3-N和TN浓度增加。减少污泥回流，可减少带入厌氧池中的硝酸盐和溶解氧，有利于TP去除。此外，还有学者研究指出，降低污泥回流比，可增加厌氧池实际水力停留时间，增加聚磷菌在厌氧池可有效利用的碳源，使聚磷菌在厌氧池充分释P，从而提高除P效率[23]。

(3)曝气量模拟

根据基准模拟结果，好氧区溶解氧浓度约为1.86 mg/L，此时出水水质均能达标，其中NH3-N浓度远低于标准限值。因此，可在此基础上适当减少曝气量，即曝气机开启台数，可降低部分能耗。不同溶解氧模拟结果如表11所示。

表10 不同污泥回流比模拟结果

表11 不同溶解氧模拟结果

根据模拟结果，适当减少1台曝气机时，出水NH3-N浓度有一定增加，但依然低于标准限值。与此同时，TP浓度降低。当每组氧化沟减少2台曝气机时，好氧池中的溶解氧浓度已经不能满足NH3-N处理的需求，NH3-N浓度超标。因此，在设计参数的基础上，减少1台曝气机曝气量，在保证NH3-N处理能力的同时，不仅能降低运行能耗，还能有利于TP和TN的去除。

(4)运行温度模拟

不同运行温度模拟结果如表12所示。

表12 不同运行温度模拟结果

根据模拟结果，当水温逐渐上升时，氧化沟中的污泥浓度并没有明显变化，氧化沟中DO随温度增加而降低。出水NH3-N随水温增大有明显下降。有关研究[24]表明，温度对NH3-N去除率的影响主要表现在对硝化反应过程的影响，当温度低于20℃时，硝化菌的活动受到抑制，硝化反应减弱。但在本系统中仍然能达标排放。

3 设计方案优化

根据以上分析，在目前设计条件下，该污水处理厂各项出水指标均低于排放标准限值，其中NH3-N处理效率最高，而TP相对其他指标处理效率较低，出水TP浓度已接近《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准。因此，可以通过BioWin模拟，调整部分设计运行条件，使得污水处理厂在达标排放的同时可节约泵和曝气机的能耗。优化方案为减少1台曝气机曝气量，调整内回流比为50%，调整污泥回流比为75%。

通过模拟结果可以看出，在平均温度20℃时，设计进水水质情况下，优化后的设计方案出水水质NH3-N浓度相比原方案有一定的增加，但出水TP浓度相比原方案下降39.5%，且优化后所有模拟出水指标均能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，高于原方案设计标准。

考虑在不利温度条件下，优化方案能否使出水达标，设置水温为10℃进行模拟，结果如表13。在低温条件下，出水NH3-N浓度升高，其他指标与20℃时相差不大。此时所有指标也均能达到A标准。因此在设计进水条件下，此优化后设计方案是可行的。

表13 设计方案优化模拟结果

4 结论

(1)利用BioWin模型对重庆市某镇级污水处理厂设计方案进行模拟。模拟结果表明，在设计进水水质及运行条件下，该厂各出水水质均能达到一级B标准，满足设计要求，这说明该厂的设计方案是可行的。

(2)通过进水特征变化模拟，结果表明，该污水处理厂按照设计文件的变化系数增大进水量后，由于曝气机功率限值，会导致好氧池溶解氧浓度迅速降低，出水NH3-N超标；进水COD浓度低于设计值时，导致碳源不足，出水TP超标。

(3)通过运行特征变化模拟，结果表明，模拟结果显示，降低内回流比能适当降低出水TP浓度，但对其他出水指标没有明显影响；降低污泥回流比能有效降低出水TP浓度；在原有设计基础上可减少1台曝气机，出水水质仍然能达标；重庆某镇级污水处理厂在不同运行温度下出水水质均能达标，但低温会影响NH3-N处理效率。

(4)为提水出水水质和节能降耗，对原有设计方案进行优化。在原方案基础上优化方案为减少1台曝气机曝气量，调整内回流比为50%，调整污泥回流比为75%。优化方案模拟结果表明，不论是在平均运行温度还是在不利运行温度下，该优化方案均能使出水水质达到一级A标准。

[1] MOGENS HENZE. 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.

[2] 王卿卿. 城市污水处理厂设计进水水质确定方法的试验研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2008.

[3] 李娟. 城市污水处理厂工艺设计研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2008.

[4] 付国楷, 喻晓琴, 张春玲, 等. 三峡库区城市污水处理厂工艺特征分析[J]. 环境工程学报, 2014, 8(10): 4141- 4146.

[5] 施汉昌, 邱勇. 污水生物处理的数学模型与应用[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2014.

[6] H.M. van Veldhuizen., LOOSDRECHT M C M V, HEIJNEN J J. Modelling biological phosphorus and nitrogen removal in a full scale activated sludge process [J]. Water Research, 1999, 33(16): 3459- 3468.

[7] Damir Brdjanovic, LOOSDRECHT M C M V, VERSTEEG P, et al. Modeling COD, N and P removal in a full-scale wwtp Haarlem Waarderpolder [J]. Water Research, 2000, 34(3): 846- 858.

[8] S C Meijer, M C Van Loosdrecht, J J Heijnen. Metabolic modelling of full-scale biological nitrogen and phosphorus removing wwtp' s.[ J] . Water Research, 2001 , 35(11): 2711- 2723

[9] Hao X, Van Loosdrecht M C, Meijer S C, et al. Model-based evaluation of two BNR processes-UCT and A2N[J] . Water research,2001 , 35(12): 2851- 2860.

[10] WICHERN M, OBENAUS F, WULF P, et al. Modelling of full-scale wastewater treatment plants with different treatment processes using the Activated Sludge Model no. 3 [J]. Water Science amp; Technology A Journal of the International Association on Water Pollution Research, 2001, 44(1): 49.

[11] LARREA L, IRIZAR I, HIDALGO M E. Improving the predictions of ASM2d through modelling in practice [J]. Water Science amp; Technology A Journal of the International Association on Water Pollution Research, 2002, 45(6): 199.

[12] CARRETTE R, BIXIO D, THOEYE C, et al. Full-scale application of the IAWQ ASM No. 2d model [J]. Water Science amp; Technology A Journal of the International Association on Water Pollution Research, 2001, 44(2-3): 17.

[13] WU W, TIMPANY P, DAWSON B. Simulation and applications of a novel modified SBR system for biological nutrient removal [J]. Water Science amp; Technology A Journal of the International Association on Water Pollution Research, 2001, 43(3): 215.

[14] BRENNER A. Modelling of N and P transformations in an SBR treating municipal wastewater [J]. Water Science amp; Technology, 2000.

[15] 施汉昌, 刁惠芳, 刘恒, 等. 污水处理厂运行模拟、预测软件的应用[J]. 中国给水排水, 2001, 17(10): 61- 63.

[16] 郝晓地, 宋虹苇, 胡沅胜, 等. 数学模拟技术用于污水处理工艺的运行诊断与优化[J]. 中国给水排水, 2007, 23(14): 94- 99.

[17] 郝晓地, 仇付国, 张璐平, 等. 应用数学模拟技术升级改造二级污水处理工艺[J]. 中国给水排水, 2007, 23(16): 25- 29.

[18] 高红伟. Biowin软件对污水处理厂运行的模拟优化研究[D]. 北京: 北京建筑大学, 2013.

[19] 国家环境保护总局科技标准司. 城镇污水处理厂污染物排放标准 GB 18918—2002[S]. 北京: 中国环境出版社，2002.

[20] 张羽, 孙力平, 钟远. 天津市某污水处理厂脱氮效率的评价[J]. 环境工程学报, 2016, 10(4): 1681- 1687.

[21] 王晓丹, 龙腾锐, 丁文川, 等. 重庆市典型小城镇污水处理厂进水水质特征分析[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2012, 34(1): 117- 121.

[22] 郭俊元, 杨春平, 曾龙云, 等. 回流比水力负荷对前置反硝化生物滤池工艺处理污水的影响研究[J]. 环境科学学报, 2010, 30(8): 1615- 1621.

[23] 马菲菲, 吴志超, 周振, 等. 污泥回流比对厌氧/好氧工艺除磷效果影响的研究[J]. 环境污染与防治, 2009, 31(1): 59- 61, 77.

[24] 吴成强, 杨金翠, 杨敏, 等. 运行温度对活性污泥特性的影响[J]. 中国给水排水, 2003, 19(9): 5- 7.

ApplicationofBioWinMathematicalModelinAuxiliaryProcessDesignofWastewaterTreatmentPlant

CHEN Jian, ZHOU Xie, LI Ping, HUANG Wei, GONG Ling

(Ecological and Environmental Monitoring Center of Chongqing, Chongqing 401147, China)

The design method of municipal wastewater treatment plant is based on the design manual at present, but it is difficult to predict the impact of different influent load and pollutant composition condition on the effluent. Using sewage treatment model software to simulate sewage treatment plant design documents can quickly check the impact of different conditions on the treatment effect. This study provided process simulation and design optimization for a sewage treatment plant in Chongqing based on the BioWin software. The result showed that in the design of influent water quality and operating conditions, the water quality of the plant could reach Class I-B standard to meet the design requirements. Through the simulation of water inlet characteristics change, according to the variation coefficient of design documents, increasing the influent water or reducing the influent COD concentration would lead to effluent exceeding the standard. By simulating the operation characteristics and reducing the internal reflux ratio, one set of aerator could be reduced on the basis of the original design, which not only saved energy but also ensured the effluent quality. Based on the original plan, the optimized plan reduced the aeration rate of one set of aerator and adjusted the ratio of internal reflux to 50%. The sludge reflux ratio was adjusted to 75%. The simulation results showed that the optimized plan could reach Class I-A standard whether at average operation temperature or unfavorable operating temperature.

BioWin; wastewater treatment; aided design; simulation

2017-10-11

科技部港澳台科技合作专项项目(2014DFH90030)；重庆市社会民生科技创新专项(cstc2015shmszx20013)

陈建(1977—)，男，高级工程师，硕士，主要研究方向为水处理控制技术，E-mail：289031899@qq.com

周谐(1962—)，女，重庆人，教授高级工程师，主要研究方向为环境监测，E-mail：9577586@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.06.019

X703

A

2095-6444(2017)06-0079-08