BioWin原理及其在污水处理中的应用研究
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。
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。
目前采用的最新的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。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，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：
1）取二沉池出水，测定SCOD（溶解性COD），则SI=0.9×SCOD出水；
2）用五点pH值滴定法测定VFA（挥发性脂肪酸），则SA=1.08×VFA；
3）测定生物反应池进水SCOD，则SF=SCOD进水-SI-SA；
4）XS=BCOD-SA-SF。
BCOD（可生物降解COD）可由如下方法估算：测定BOD5，因城市污水中BOD5约占极限生化需氧量（BODU）的70%，且大量试验结果表明BODU约占BCOD的88%.
5）XI=COD进水-SI-SA-SF-XS。
②模型中污水组成参数的确定
模型的建立及校准过程采用污水脱氮除磷中试系统2007年12月12日~21日运行数据的平均值
污水组成参数的具体确定过程如下：
经试验测定SCOD出水=33.73mg/L，则SI=0.9×SCOD出水=30.36mg/L；
SA=1.08×VFA=30.816mg/L；
SF=SCOD进水-SI-SA=94.824mg/L；
XS=BCOD-SA-SF=210.08mg/L；
XI=COD进水-SI-SA-SF-XS=39.52mg/L；
Fxsp=（由于胶体性慢速可生物降解COD部分XSC不易测定，故Fxsp取BioWin软件的默认值0.75）。
式中，Fbs—进水中易生物降解COD占总COD的比例；
Fus—进水中溶解性不可生物降解COD占总COD的比例；
Fup—进水中颗粒性不可生物降解COD占总COD的比例；
Fac—进水中VFA占易生物降解COD的比例；
Fxsp—进水中颗粒性慢速可生物降解COD占慢速可生物降解COD的比例。
（2）工艺参数
根据工艺实际运行情况，创建并运行模型。
（3）模型参数
将上述污水组成参数和工艺参数输入BioWin软件，准备进行模型的校准。在利用BioWin进行模型校准前，还需初步确定模型参数。动力学参数AOB（氨氧化菌）最大比增长速率μA取软件默认值0.9d-1，二沉池去除率设为99.8%，剩余污泥排泥量实测为7~8m3/d左右，在进行模型调试前初步定为7m3/d。
根据2007年12月12日~21日运行数据的平均值对模型进行调试，过程如下：
（1）μA取0.9d-1，水温16.2℃，二沉池去除率99.8%，排泥7m3/d，输入进水水质及各组分比例，运行模拟；
（2）运行第1次模拟后，出水SS、TP、NO3－－N的模拟值与实测值相比略高，因此将排泥量增至7.5m3/d以期降低上述3个指标，运行第2次模拟；
（3）第2次模拟后出水水质指标中SS、TP、NO3－－N均有所降低，说明增大排泥量的措施有效，继续增大排泥量至7.8m3/d；
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。
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。
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。
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