基于BioWin软件的某农村污水处理站AO+MBR工艺模拟

时间：2024-05-18

赵佳恒，李冰，田宇心，邱勇

(1.北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083；2.清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家联合重点实验室，北京 100084)

1 引言

随着我国农村社会经济的发展，农村生活污水处理设施的兴建已成为改善农村人居环境的重要内容[1]。由于农村污水水质水量变化大，为了解在不同工况条件下农村污水处理设施对污水的处理效果，进行基于活性污泥模型的工艺模拟对其运行进行指导十分必要[2]。

目前，污水处理工艺模拟软件BioWin在国内应用较为广泛，它可指导新建污水厂的方案设计，现行污水厂的工艺优化以及提标改造等。李云等[3]采用BioWin软件对北京某CASS污水厂进行诊断与模拟优化分析；杭晨等[4]基于BioWin模拟苏州某城市污水厂的回流比、溶解氧以及排泥量等参数对出水水质的影响。本文将利用BioWin软件对江苏某农村污水处理站的AO+MBR工艺进行模拟，通过调整不同进水指标，优化外回流比与除磷药剂投加量等参数，为该农村污水处理工艺的运行以及参数优化提供指导。

2 模型的建立

2.1 目标农村污水处理设施概况

该农村污水处理站设计人口为1000人，设计污水处理量为100 m3/d。为保障出水水质及运行稳定，该农村污水处理设施采用AO+MBR工艺，处理后出水水质要求达到 GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级 B 标准。基于BioWin建立的概化模型如图1所示。

2.2 主体工艺设计参数

该工艺流程中的主要构筑物容积和有效水深如表1所示。模拟温度设计为20 ℃，好氧池和MBR池溶解氧预设均为2 mg/L。

图1 AO+MBR概化模型

表1 主要构筑物设计参数

3 不同进水条件运行模拟

通过调研该地区农村污水水质情况，得到该地区农村污水COD范围为200～300 mg/L，氨氮(NH3-N)范围为20～30 mg/L，总氮(TN)范围为25～35 mg/L，总磷(TP)范围为5～7mg/L。基于以上调研数据，拟定了三组模拟污水进水的水质，将构筑物参数、相关的运行参数和各组模拟污水进水水质输入BioWin中，外回流比为50%，其余参数选择软件默认值，进行运行模拟，探究不同工况下污染物的去除情况，具体模拟出水水质如表2所示。

表2 不同进水条件下工艺出水模拟结果 mg/L

工艺模拟结果表明， AO/MBR工艺对COD、NH3-N和SS的去除效果较好，在3种不同进水条件下对COD的去除效率均达到91%以上，对于NH3-N去除率可达到99%以上，对固体悬浮物(SS)可达到100%去除。但当进水总氮超过35 mg/L时，出水TN有超标风险。而在3种模拟进水条件下，出水TP均无法达标。

4 不同回流比模拟优化

调整外回流比是现场工艺优化最直接的操作入口[5]。在模拟进水3的情况下，探究不同外回流比(R)对出水水质的影响。由表3可知，出水COD和氨氮(NH3-N)受回流比影响较小；出水总氮(TN)随回流比增大而减小，回流比从100%增大到300%时，出水TN从19.36 mg/L降低至17.00 mg/L，这是因为通过回流将硝酸盐带入至厌氧段进行反硝化反应，从而降低出水中TN的含量[6]；为保证出水TN稳定达到一级 B 排放标准，可根据进水波动变化进行调整回流比，当进水TN浓度高于35 mg/L时，较适宜采用膜池至厌氧池150%的外回流配比。而总磷(TP)随回流比的增大而增大，回流比从100%增大到300%时，出水TP从4.95 mg/L至5.28 mg/L，由于脱氮对碳源的竞争导致除磷效果变差，需要通过添加化学药剂的方式来强化总磷的去除。

表3 不同外回流比条件下运行模拟情况 mg/L

5 化学除磷模拟优化

在模拟污水3、回流比150%情况下模拟除磷药剂的投加量与出水TP的含量之间的关系。选用常用的除磷药剂PAC和三氯化铁FeCl3进行不同投加量条件下的模拟，模拟出水结果如图2所示。结果表明出水TP与除磷药剂投加量呈线性关系，相同投加量的情况下PAC对TP去除效果更好。为使出水TP符合一级 B 排放标准(<1 mg/L)，PAC投加量至少为1250 g/d。

图2 不同除磷药剂投加量的模拟出水TP情况