转载自：水工业市场杂志

李鑫玮, 牛庆利, 周军, 甘一萍 吕鑑, 来 源：水工业市场杂志 时间：2009-12-3

摘要：文章对BioWin 数学模拟工具及其在污水处理中的应用现状进行了介绍，利用BioWin3.0 对生物脱氮除磷中试系统进行了模拟，并对所建立的模型进行了校准和验证，结果表明，利用BioWin 建立的模型能够较好地反应污水处理实际运行状况。

关键词：BioWin 模拟 脱氮除磷

一、前言

不同国家和地区的研究和应用实践表明，数学模拟已经成为污水处理工艺优化设计和运行以及新工艺开发试验研究中有效的工程工具。数学模拟技术即利用数学模型和模拟工具，对假设的系统或不便进行试验测定的系统进行模拟预测。应用数学模拟技术，可以大大减少试验工作量，不仅能提高工作效率，还可以节省大量人力、物力和财力[1][2]。数学模拟需要借助于特定的应用程序和软件，在已经开发的诸多软件中，BioWin 几乎包括了其他各种软件的大部分功能并形成了自己的特点，有着更加广泛的发展应用前景。

二、BioWin 简介及应用现状

1、BioWin 简介

BioWin 是由加拿大Envirosim环境咨询公司推出的一款污水处理工艺数学模拟软件。BioWin 模型包含了国际水协推出的ASM1 号模型、ASM2d 模型、ASM3 号模型以及污泥消化模型等一系列活性污泥数学模型。它包含两个模块，一个是稳态分析器，假定进水流量和组分恒定；另一个是动态仿真器，使用的是时变输入。经过十多年的开发研究，BioWin 数学模拟软件几乎包括了其他各种软件的大部分功能并形成了自己的特点，例如能够模拟整个污水处理厂（包括污水、污泥以及污泥处理后的上清液的处理工艺）的pH 变化，预测厌氧消化系统中的pH 值和沼气（包括CO2、CH4 和H2）的构成，使用技术上优越的单一模型矩阵，这种广泛和综合的解决方案使得模型校正要求大大减少，设计更加准确。

目前采用的新的BioWin3.0 是污水处理工艺模拟方面的一个重要进展。BioWin 模型的动力学参数和化学计量参数已经通过大量的研究和工程应用得到校正。因此，在工程应用时模型校正的工作量大大减少。

2、BioWin 应用现状

BioWin 作为有用的模拟工具已经在污水处理的许多方面获得了广泛应用[3]。如在污水处理工艺设计、评估和比较中利用BioWin 进行模拟可以使工作量大为减少，起到事半功倍的效果；在工艺运行中，利用BioWin 进行模拟可以诊断和优化污水处理厂各种因素的变化对处理效果的影响。在纽约市生物脱氮除磷升级改造项目中，通过使用BioWin 模拟确定生物脱氮除磷升级改造对四个污水处理厂脱氮能力的影响并估计出水总氮可能的最高值。结果显示BioWin模拟的预测值与后来实测值很接近。在全污水处理厂工艺优化过程中，BioWin 起了关键作用。2005 年，为改造美国乔治亚州F.WayneHill 水资源中心的污水处理设施，利用BioWin 工艺模拟软件，在水资源中心对以下运行情况评价的基础上，开发了该中心污水厂的模拟模型——全污水处理厂模型的结构。这些运行情况包括：采用或不采用初沉池、不同的运行结构和生物反应池的季节优化、金属盐的投加点和投加量的影响/优化、固体处置和回流影响、DO 优化、暴雨流模拟和

部分厂关闭的评价。这个应用实例显示了如何建立一个全厂模型，以降低运行和维护成本并产生高质量的出水水质。

在北京市高碑店污水处理厂四系列改造过程中，北京排水集团甘一萍等采用数学模拟技术建立了高碑店污水处理厂四系列的工艺模型，对当时的运行情况进行了模拟分析，在此基础上提出了提高脱氮效果的改造方案。针对脱氮效率不高的问题，研究组对延长缺氧段并保证好氧段的硝化效果进行了详细的模拟分析，最终确定了改造方案的核心内容。改造后运行稳定时的脱氮效率明显提高，与预期效果基本一致，证明了数学模拟技术的可靠性和实用性。该例主要说明了运用数学模拟技术可以对现有工艺进行分析和诊断，找出运行中存在问题的关键原因，并针对易于改善和改造的条件进行模拟分析，最终确定工艺优化和改造方案。

三、BioWin 对脱氮除磷中试系统的模拟

1、模型建立

本文针对处理规模为144 吨/日的污水脱氮除磷中试系统进行模拟，该系统为强化生物脱氮除磷工艺，采用预缺氧—厌氧—缺氧—好氧—缺氧—好氧的模式运行。进水方式为两点式进水，其中85%直接进入厌氧池，15%进入预缺氧池，同时进入预缺氧池的还有回流比为100%的回流污泥。内回流比为300%，剩余污泥从好氧池末端排出。按照中试实际工艺流程，采用BioWin3.0 软件建立的中试工艺流程如图1 所示，其中好氧池根据实际运行中各池不同的溶解氧浓度分为四部分。

2、参数确定及模型校准

系统参数主要包括三部分：模型参数、工艺参数和污水组成参数。模型参数是指生物反应器的动力学参数和化学计量参数，它们是表征模型固定特性的量。工艺参数是指代表实际污水处理运行工艺的模型工艺参数。污水组成参数是指将污水划分成一定的组分，这些组分是有同样的计量单位并按一定的比例关系组成可以衡量污水水质的指标。

（1）污水组成参数

①COD 组分确定方法

COD 是表征城市生活污水性质的常用指标，在用BioWin 软件进行数学模拟前，需先确定COD 组分。ASM1 根据可生物降解性和溶解性将COD 划分为四个组分：易生物降解组分SS、慢速可生物降解组分XS、颗粒性不可生物降解组分XI 和溶解性不可生物降解组分SI。ASM2 又将易生物降解组分SS 进一步细分，分为可溶极易生物降解组分（发酵产物）SA和可发酵的易生物降解组分SF，则COD 进水＝SA+SF+SI+XI+XS。

进水COD 组分测定及计算方法如下[4]：

1）取二沉池出水，测定SCOD（溶解性COD），则SI=0.9譙COD 出水；

2）用五点pH 值滴定法测定VFA（挥发性脂肪酸），则SA=1.08譜FA；

3）测定生物反应池进水SCOD，则SF=SCOD 进水-SI-SA；

4）XS=BCOD-SA-SF。

而NH₄⁺-N 模拟值与实测值相比偏小，分析原因可能是μA取值较高，考虑到冬季水温较低，硝化反应受低温影响，反应速率相对较低，因此μA减为0.85d-1，运行第3 次模拟；

（4）第3 次模拟后，各出水水质指标模拟值与实测值均拟合较好，各次模拟结果如表3 所示。

从表中模拟结果看出，第3 次模拟的各水质指标模拟值与实测值拟合较好，因此，采用第3 次模拟后确定的模型参数是可行的。

3、模型验证

在用12 月12 日~21 日运行数据平均值进行模型校准后，污水组成参数、工艺参数、模型参数均已确定，模型已成功建立。用该模型对12 月24 日和26 日两天的运行情况进行模拟，并将出水水质模拟值与实测值比较，以检验模型的可靠性和预测能力。预测结果列于表4。从表4 中看出，出水TP、TN、SS、NO3--N、NH4+-N 等指标的预测值与实测值拟合较好。COD 预测值与实测值偏差相对稍大，原因可能是在后来的两天里进水水质发生了变化，与模型中的进水水质组分相差较大，例如24 日和26 日实际进水COD 分别为540mg/L 和495mg/L，远高于12 日至21 日的进水COD 平均值405.6mg/L，因此相应的污水组成参数也可能发生了变化，这时用前几天的组分参数所得的模拟结果就会与实测值有一定偏差。

四、结论与建议

从以上对模型的校准和验证过程可以得出以下几点结论和建议：

（1）上述模型是利用BioWin3.0 软件基于脱氮除磷中试系统一周的实测数据建立的，可以较好地反应污水处理实际工艺运行状况。但是如果实际进水水质与建模所用平均值相差较大，可能会导致部分模拟结果与实际值有较大出入，不能完全准确地反应实际运行，因此模型的建立需要大量准确的运行数据，才能增强模型的可靠性和代表性。

（2）任何的数学模型都有一定的适用范围。随着时间的变化，进水水质、反应池中污泥的性状和运行状况（如好氧池中溶解氧浓度）也会有一定的变化，因此，在不同季节或月份应该有各自的模型，从而使模型可以更好地指导污水处理厂的运行。