一、前言

不同國家和地區(qū)的研究和應(yīng)用實(shí)踐表明，數(shù)學(xué)模擬已經(jīng)成為污水處理工藝優(yōu)化設(shè)計和運(yùn)行以及新工藝開發(fā)試驗(yàn)研究中有效的工程工具。數(shù)學(xué)模擬技術(shù)即利用數(shù)學(xué)模型和模擬工具，對假設(shè)的系統(tǒng)或不便進(jìn)行試驗(yàn)測定的系統(tǒng)進(jìn)行模擬預(yù)測。應(yīng)用數(shù)學(xué)模擬技術(shù)，可以大大減少試驗(yàn)工作量，不僅能提高工作效率，還可以節(jié)省大量人力、物力和財力。

數(shù)學(xué)模擬需要借助于特定的應(yīng)用程序和軟件，在已經(jīng)開發(fā)的諸多軟件中，BioWin幾乎包括了其他各種軟件的大部分功能并形成了自己的特點(diǎn)，有著更加廣泛的發(fā)展應(yīng)用前景。

二、BioWin簡介及應(yīng)用現(xiàn)狀

1、BioWin簡介

BioWin是由加拿大Envirosim環(huán)境咨詢公司推出的一款污水處理工藝數(shù)學(xué)模擬軟件。BioWin模型包含了國際水協(xié)推出的ASM1號模型、ASM2d模型、ASM3號模型以及污泥消化模型等一系列活性污泥數(shù)學(xué)模型。它包含兩個模塊，一個是穩(wěn)態(tài)分析器，假定進(jìn)水流量和組分恒定；另一個是動態(tài)仿真器，使用的是時變輸入。

經(jīng)過十多年的開發(fā)研究，BioWin數(shù)學(xué)模擬軟件幾乎包括了其他各種軟件的大部分功能并形成了自己的特點(diǎn)，例如能夠模擬整個污水處理廠（包括污水、污泥以及污泥處理后的上清液的處理工藝）的pH變化，預(yù)測厭氧消化系統(tǒng)中的pH值和沼氣（包括CO2、CH4和H2）的構(gòu)成，使用技術(shù)上優(yōu)越的單一模型矩陣，這種廣泛和綜合的解決方案使得模型校正要求大大減少，設(shè)計更加準(zhǔn)確。

目前采用的最新的BioWin3.0是污水處理工藝模擬方面的一個重要進(jìn)展。BioWin模型的動力學(xué)參數(shù)和化學(xué)計量參數(shù)已經(jīng)通過大量的研究和工程應(yīng)用得到校正。因此，在工程應(yīng)用時模型校正的工作量大大減少。

2、BioWin應(yīng)用現(xiàn)狀

BioWin作為有用的模擬工具已經(jīng)在污水處理的許多方面獲得了廣泛應(yīng)用。如在污水處理工藝設(shè)計、評估和比較中利用BioWin進(jìn)行模擬可以使工作量大為減少，起到事半功倍的效果；在工藝運(yùn)行中，利用BioWin進(jìn)行模擬可以診斷和優(yōu)化污水處理廠各種因素的變化對處理效果的影響。

在紐約市生物脫氮除磷升級改造項(xiàng)目中，通過使用BioWin模擬確定生物脫氮除磷升級改造對四個污水處理廠脫氮能力的影響并估計出水總氮可能的最高值。結(jié)果顯示BioWin模擬的預(yù)測值與后來實(shí)測值很接近。

在全污水處理廠工藝優(yōu)化過程中，BioWin起了關(guān)鍵作用。2005年，為改造美國喬治亞州F.WayneHill水資源中心的污水處理設(shè)施，利用BioWin工藝模擬軟件，在水資源中心對以下運(yùn)行情況評價的基礎(chǔ)上，開發(fā)了該中心污水廠的模擬模型——全污水處理廠模型的結(jié)構(gòu)。
這些運(yùn)行情況包括：采用或不采用初沉池、不同的運(yùn)行結(jié)構(gòu)和生物反應(yīng)池的季節(jié)優(yōu)化、金屬鹽的投加點(diǎn)和投加量的影響/優(yōu)化、固體處置和回流影響、DO優(yōu)化、暴雨流模擬和部分廠關(guān)閉的評價。這個應(yīng)用實(shí)例顯示了如何建立一個全廠模型，以降低運(yùn)行和維護(hù)成本并產(chǎn)生高質(zhì)量的出水水質(zhì)。
在北京市高碑店污水處理廠四系列改造過程中，北京排水集團(tuán)甘一萍等采用數(shù)學(xué)模擬技術(shù)建立了高碑店污水處理廠四系列的工藝模型，對當(dāng)時的運(yùn)行情況進(jìn)行了模擬分析，在此基礎(chǔ)上提出了提高脫氮效果的改造方案。針對脫氮效率不高的問題，研究組對延長缺氧段并保證好氧段的硝化效果進(jìn)行了詳細(xì)的模擬分析，最終確定了改造方案的核心內(nèi)容。改造后運(yùn)行穩(wěn)定時的脫氮效率明顯提高，與預(yù)期效果基本一致，證明了數(shù)學(xué)模擬技術(shù)的可靠性和實(shí)用性。該例主要說明了運(yùn)用數(shù)學(xué)模擬技術(shù)可以對現(xiàn)有工藝進(jìn)行分析和診斷，找出運(yùn)行中存在問題的關(guān)鍵原因，并針對易于改善和改造的條件進(jìn)行模擬分析，最終確定工藝優(yōu)化和改造方案。

三、BioWin對脫氮除磷中試系統(tǒng)的模擬

1、模型建立

本文針對處理規(guī)模為144噸/日的污水脫氮除磷中試系統(tǒng)進(jìn)行模擬，該系統(tǒng)為強(qiáng)化生物脫氮除磷工藝，采用預(yù)缺氧—厭氧—缺氧—好氧—缺氧—好氧的模式運(yùn)行。進(jìn)水方式為兩點(diǎn)式進(jìn)水，其中85%直接進(jìn)入?yún)捬醭兀?5%進(jìn)入預(yù)缺氧池，同時進(jìn)入預(yù)缺氧池的還有回流比為100%的回流污泥。內(nèi)回流比為300%，剩余污泥從好氧池末端排出。

按照中試實(shí)際工藝流程，采用BioWin3.0軟件建立的中試工藝，其中好氧池根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中各池不同的溶解氧濃度分為四部分。

2、參數(shù)確定及模型校準(zhǔn)

系統(tǒng)參數(shù)主要包括三部分：模型參數(shù)、工藝參數(shù)和污水組成參數(shù)。模型參數(shù)是指生物反應(yīng)器的動力學(xué)參數(shù)和化學(xué)計量參數(shù)，它們是表征模型固定特性的量。工藝參數(shù)是指代表實(shí)際污水處理運(yùn)行工藝的模型工藝參數(shù)。污水組成參數(shù)是指將污水劃分成一定的組分，這些組分是有同樣的計量單位并按一定的比例關(guān)系組成可以衡量污水水質(zhì)的指標(biāo)。

（1）污水組成參數(shù)

①COD組分確定方法

COD是表征城市生活污水性質(zhì)的常用指標(biāo)，在用BioWin軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬前，需先確定COD組分。ASM1根據(jù)可生物降解性和溶解性將COD劃分為四個組分：易生物降解組分SS、慢速可生物降解組分XS、顆粒性不可生物降解組分XI和溶解性不可生物降解組分SI。ASM2又將易生物降解組分SS進(jìn)一步細(xì)分，分為可溶極易生物降解組分（發(fā)酵產(chǎn)物）SA和可發(fā)酵的易生物降解組分SF，則COD進(jìn)水＝SA+SF+SI+XI+XS。

進(jìn)水COD組分測定及計算方法如下：

1）取二沉池出水，測定SCOD（溶解性COD），則SI=0.9×SCOD出水；

2）用五點(diǎn)pH值滴定法測定VFA（揮發(fā)性脂肪酸），則SA=1.08×VFA；

3）測定生物反應(yīng)池進(jìn)水SCOD，則SF=SCOD進(jìn)水-SI-SA；

4）XS=BCOD-SA-SF。

BCOD（可生物降解COD）可由如下方法估算：測定BOD5，因城市污水中BOD5約占極限生化需氧量（BODU）的70%，且大量試驗(yàn)結(jié)果表明BODU約占BCOD的88%.
5）XI=COD進(jìn)水-SI-SA-SF-XS。

②模型中污水組成參數(shù)的確定

模型的建立及校準(zhǔn)過程采用污水脫氮除磷中試系統(tǒng)2007年12月12日~21日運(yùn)行數(shù)據(jù)的平均值

污水組成參數(shù)的具體確定過程如下：

經(jīng)試驗(yàn)測定SCOD出水=33.73mg/L，則SI=0.9×SCOD出水=30.36mg/L；

SA=1.08×VFA=30.816mg/L；

SF=SCOD進(jìn)水-SI-SA=94.824mg/L；

XS=BCOD-SA-SF=210.08mg/L；

XI=COD進(jìn)水-SI-SA-SF-XS=39.52mg/L；

Fxsp=（由于膠體性慢速可生物降解COD部分XSC不易測定，故Fxsp取BioWin軟件的默認(rèn)值0.75）。

式中，F(xiàn)bs—進(jìn)水中易生物降解COD占總COD的比例；

Fus—進(jìn)水中溶解性不可生物降解COD占總COD的比例；

Fup—進(jìn)水中顆粒性不可生物降解COD占總COD的比例；

Fac—進(jìn)水中VFA占易生物降解COD的比例；

Fxsp—進(jìn)水中顆粒性慢速可生物降解COD占慢速可生物降解COD的比例。

（2）工藝參數(shù)

根據(jù)工藝實(shí)際運(yùn)行情況，創(chuàng)建并運(yùn)行模型。

（3）模型參數(shù)

將上述污水組成參數(shù)和工藝參數(shù)輸入BioWin軟件，準(zhǔn)備進(jìn)行模型的校準(zhǔn)。在利用BioWin進(jìn)行模型校準(zhǔn)前，還需初步確定模型參數(shù)。動力學(xué)參數(shù)AOB（氨氧化菌）最大比增長速率μA取軟件默認(rèn)值0.9d-1，二沉池去除率設(shè)為99.8%，剩余污泥排泥量實(shí)測為7~8m3/d左右，在進(jìn)行模型調(diào)試前初步定為7m3/d。

根據(jù)2007年12月12日~21日運(yùn)行數(shù)據(jù)的平均值對模型進(jìn)行調(diào)試，過程如下：

（1）μA取0.9d-1，水溫16.2℃，二沉池去除率99.8%，排泥7m3/d，輸入進(jìn)水水質(zhì)及各組分比例，運(yùn)行模擬；

（2）運(yùn)行第1次模擬后，出水SS、TP、NO3－－N的模擬值與實(shí)測值相比略高，因此將排泥量增至7.5m3/d以期降低上述3個指標(biāo)，運(yùn)行第2次模擬；

（3）第2次模擬后出水水質(zhì)指標(biāo)中SS、TP、NO3－－N均有所降低，說明增大排泥量的措施有效，繼續(xù)增大排泥量至7.8m3/d；

而NH4+-N模擬值與實(shí)測值相比偏小，分析原因可能是μA取值較高，考慮到冬季水溫較低，硝化反應(yīng)受低溫影響，反應(yīng)速率相對較低，因此μA減為0.85d-1，運(yùn)行第3次模擬；

（4）第3次模擬后，各出水水質(zhì)指標(biāo)模擬值與實(shí)測值均擬合較好。

從表中模擬結(jié)果看出，第3次模擬的各水質(zhì)指標(biāo)模擬值與實(shí)測值擬合較好，因此，采用第3次模擬后確定的模型參數(shù)是可行的。

3、模型驗(yàn)證

在用12月12日~21日運(yùn)行數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行模型校準(zhǔn)后，污水組成參數(shù)、工藝參數(shù)、模型參數(shù)均已確定，模型已成功建立。用該模型對12月24日和26日兩天的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬，并將出水水質(zhì)模擬值與實(shí)測值比較，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃院皖A(yù)測能力。

從表4中看出，出水TP、TN、SS、NO3--N、NH4+-N等指標(biāo)的預(yù)測值與實(shí)測值擬合較好。COD預(yù)測值與實(shí)測值偏差相對稍大，原因可能是在后來的兩天里進(jìn)水水質(zhì)發(fā)生了變化，與模型中的進(jìn)水水質(zhì)組分相差較大，例如24日和26日實(shí)際進(jìn)水COD分別為540mg/L和495mg/L，遠(yuǎn)高于12日至21日的進(jìn)水COD平均值405.6mg/L，因此相應(yīng)的污水組成參數(shù)也可能發(fā)生了變化，這時用前幾天的組分參數(shù)所得的模擬結(jié)果就會與實(shí)測值有一定偏差。

四、結(jié)論與建議

從以上對模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證過程可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論和建議：

（1）上述模型是利用BioWin3.0軟件基于脫氮除磷中試系統(tǒng)一周的實(shí)測數(shù)據(jù)建立的，可以較好地反應(yīng)污水處理實(shí)際工藝運(yùn)行狀況。但是如果實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)與建模所用平均值相差較大，可能會導(dǎo)致部分模擬結(jié)果與實(shí)際值有較大出入，不能完全準(zhǔn)確地反應(yīng)實(shí)際運(yùn)行，因此模型的建立需要大量準(zhǔn)確的運(yùn)行數(shù)據(jù)，才能增強(qiáng)模型的可靠性和代表性。

（2）任何的數(shù)學(xué)模型都有一定的適用范圍。隨著時間的變化，進(jìn)水水質(zhì)、反應(yīng)池中污泥的性狀和運(yùn)行狀況（如好氧池中溶解氧濃度）也會有一定的變化，因此，在不同季節(jié)或月份應(yīng)該有各自的模型，從而使模型可以更好地指導(dǎo)污水處理廠的運(yùn)行。

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