一、前言
不同國家和地區的研究和應用實踐表明，數學模擬已經成為污水處理工藝優化設計和運行以及新工藝開發試驗研究中有效的工程工具。數學模擬技術即利用數學模型和模擬工具，對假設的系統或不便進行試驗測定的系統進行模擬預測。應用數學模擬技術，可以大大減少試驗工作量，不僅能提高工作效率，還可以節省大量人力、物力和財力。
數學模擬需要借助于特定的應用程序和軟件，在已經開發的諸多軟件中，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，有著更加廣泛的發展應用前景。
二、BioWin簡介及應用現狀
1、BioWin簡介
BioWin是由加拿大Envirosim環境咨詢公司推出的一款污水處理工藝數學模擬軟件。BioWin模型包含了國際水協推出的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學模型。它包含兩個模塊，一個是穩態分析器，假定進水流量和組分恒定；另一個是動態仿真器，使用的是時變輸入。
經過十多年的開發研究，BioWin數學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，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，預測厭氧消化系統中的pH值和沼氣（包括CO2、CH4和H2）的構成，使用技術上優越的單一模型矩陣，這種廣泛和綜合的解決方案使得模型校正要求大大減少，設計更加準確。
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展。BioWin模型的動力學參數和化學計量參數已經通過大量的研究和工程應用得到校正。因此，在工程應用時模型校正的工作量大大減少。
2、BioWin應用現狀
BioWin作為有用的模擬工具已經在污水處理的許多方面獲得了廣泛應用。如在污水處理工藝設計、評估和比較中利用BioWin進行模擬可以使工作量大為減少，起到事半功倍的效果；在工藝運行中，利用BioWin進行模擬可以診斷和優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。結果顯示BioWin模擬的預測值與后來實測值很接近。
在全污水處理廠工藝優化過程中，BioWin起了關鍵作用。2005年，為改造美國喬治亞州F.WayneHill水資源中心的污水處理設施，利用BioWin工藝模擬軟件，在水資源中心對以下運行情況評價的基礎上，開發了該中心污水廠的模擬模型——全污水處理廠模型的結構。
這些運行情況包括：采用或不采用初沉池、不同的運行結構和生物反應池的季節優化、金屬鹽的投加點和投加量的影響/優化、固體處置和回流影響、DO優化、暴雨流模擬和部分廠關閉的評價。這個應用實例顯示了如何建立一個全廠模型，以降低運行和維護成本并產生高質量的出水水質。
在北京市高碑店污水處理廠四系列改造過程中，北京排水集團甘一萍等采用數學模擬技術建立了高碑店污水處理廠四系列的工藝模型，對當時的運行情況進行了模擬分析，在此基礎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行了詳細的模擬分析，最終確定了改造方案的核心內容。改造后運行穩定時的脫氮效率明顯提高，與預期效果基本一致，證明了數學模擬技術的可靠性和實用性。該例主要說明了運用數學模擬技術可以對現有工藝進行分析和診斷，找出運行中存在問題的關鍵原因，并針對易于改善和改造的條件進行模擬分析，最終確定工藝優化和改造方案。
三、BioWin對脫氮除磷中試系統的模擬
1、模型建立
本文針對處理規模為144噸/日的污水脫氮除磷中試系統進行模擬，該系統為強化生物脫氮除磷工藝，采用預缺氧—厭氧—缺氧—好氧—缺氧—好氧的模式運行。進水方式為兩點式進水，其中85%直接進入厭氧池，15%進入預缺氧池，同時進入預缺氧池的還有回流比為100%的回流污泥。內回流比為300%，剩余污泥從好氧池末端排出。
按照中試實際工藝流程，采用BioWin3.0軟件建立的中試工藝，其中好氧池根據實際運行中各池不同的溶解氧濃度分為四部分。
2、參數確定及模型校準
系統參數主要包括三部分：模型參數、工藝參數和污水組成參數。模型參數是指生物反應器的動力學參數和化學計量參數，它們是表征模型固定特性的量。工藝參數是指代表實際污水處理運行工藝的模型工藝參數。污水組成參數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系組成可以衡量污水水質的指標。
（1）污水組成參數
①COD組分確定方法
COD是表征城市生活污水性質的常用指標，在用BioWin軟件進行數學模擬前，需先確定COD組分。ASM1根據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進一步細分，分為可溶極易生物降解組分（發酵產物）SA和可發酵的易生物降解組分SF，則COD進水＝SA+SF+SI+XI+XS。
進水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pH值滴定法測定VFA（揮發性脂肪酸），則SA=1.08×VFA；
3）測定生物反應池進水SCOD，則SF=SCOD進水-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%，且大量試驗結果表明BODU約占BCOD的88%.
5）XI=COD進水-SI-SA-SF-XS。
②模型中污水組成參數的確定
模型的建立及校準過程采用污水脫氮除磷中試系統2007年12月12日~21日運行數據的平均值
污水組成參數的具體確定過程如下：
經試驗測定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進水-SI-SA=94.824mg/L；
XS=BCOD-SA-SF=210.08mg/L；
XI=COD進水-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軟件的默認值0.75）。
式中，Fbs—進水中易生物降解COD占總COD的比例；
Fus—進水中溶解性不可生物降解COD占總COD的比例；
Fup—進水中顆粒性不可生物降解COD占總COD的比例；
Fac—進水中VFA占易生物降解COD的比例；
Fxsp—進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
根據工藝實際運行情況，創建并運行模型。
（3）模型參數
將上述污水組成參數和工藝參數輸入BioWin軟件，準備進行模型的校準。在利用BioWin進行模型校準前，還需初步確定模型參數。動力學參數AOB（氨氧化菌）最大比增長速率μA取軟件默認值0.9d-1，二沉池去除率設為99.8%，剩余污泥排泥量實測為7~8m3/d左右，在進行模型調試前初步定為7m3/d。
根據2007年12月12日~21日運行數據的平均值對模型進行調試，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，輸入進水水質及各組分比例，運行模擬；
（2）運行第1次模擬后，出水SS、TP、NO3－－N的模擬值與實測值相比略高，因此將排泥量增至7.5m3/d以期降低上述3個指標，運行第2次模擬；
（3）第2次模擬后出水水質指標中SS、TP、NO3－－N均有所降低，說明增大排泥量的措施有效，繼續增大排泥量至7.8m3/d；
而NH4+-N模擬值與實測值相比偏小，分析原因可能是μA取值較高，考慮到冬季水溫較低，硝化反應受低溫影響，反應速率相對較低，因此μA減為0.85d-1，運行第3次模擬；
（4）第3次模擬后，各出水水質指標模擬值與實測值均擬合較好。
從表中模擬結果看出，第3次模擬的各水質指標模擬值與實測值擬合較好，因此，采用第3次模擬后確定的模型參數是可行的。
3、模型驗證
在用12月12日~21日運行數據平均值進行模型校準后，污水組成參數、工藝參數、模型參數均已確定，模型已成功建立。用該模型對12月24日和26日兩天的運行情況進行模擬，并將出水水質模擬值與實測值比較，以檢驗模型的可靠性和預測能力。
從表4中看出，出水TP、TN、SS、NO3--N、NH4+-N等指標的預測值與實測值擬合較好。COD預測值與實測值偏差相對稍大，原因可能是在后來的兩天里進水水質發生了變化，與模型中的進水水質組分相差較大，例如24日和26日實際進水COD分別為540mg/L和495mg/L，遠高于12日至21日的進水COD平均值405.6mg/L，因此相應的污水組成參數也可能發生了變化，這時用前幾天的組分參數所得的模擬結果就會與實測值有一定偏差。
四、結論與建議
從以上對模型的校準和驗證過程可以得出以下幾點結論和建議：
（1）上述模型是利用BioWin3.0軟件基于脫氮除磷中試系統一周的實測數據建立的，可以較好地反應污水處理實際工藝運行狀況。但是如果實際進水水質與建模所用平均值相差較大，可能會導致部分模擬結果與實際值有較大出入，不能完全準確地反應實際運行，因此模型的建立需要大量準確的運行數據，才能增強模型的可靠性和代表性。
（2）任何的數學模型都有一定的適用范圍。隨著時間的變化，進水水質、反應池中污泥的性狀和運行狀況（如好氧池中溶解氧濃度）也會有一定的變化，因此，在不同季節或月份應該有各自的模型，從而使模型可以更好地指導污水處理廠的運行。
