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2016年 10月  

BioWin  5.1的新进展  本文将主要介绍新版本在稳态模拟和动态模拟速度上做出的改进，尤其是对于 a) 包含很多工艺单元的复杂工艺流程; b) 包含生物膜系统反应器的工艺流程 （例如 MBBR和 IFAS工艺反应器、浸没式曝气滤池和滴滤池等等）。BioWin 5.1中文版会在近期推出！  

模拟速率的改进 – 稳态模拟  稳态模拟的基本数学模型并没有改变，也就是说 BioWin仍利用包含 Decoupled  Linear  Search  (DLS)  方法以及  Modified  Newton-­‐Raphson  (MNR)  方法的综合方法求解。求解程序通常会先使用 DLS方法进行若干次迭代，然后转为MNR方法直至求解成功。MNR方法在求解过程中效率更高，但是需要进行大量计算。例如在先前的版本中，对于大型复杂的工艺

流程，MNR方法每次迭代会耗时若干分钟。通常情况下，稳态模拟需要迭代 10次左右找到稳态解，这样整个求解过程长达 20-­‐30分钟。    BioWin   5.1 版本对 MNR 方法的后台数学模型进行了改进。对于同样的大型复杂工艺流程，每次迭代只需 4秒左右，而老版本每次迭代则需要 200秒左右，新版本相比原来速度提高了大约 50倍。    模拟速率的改进 – 动态模拟    BioWin  5.1采用全新的动态集成法，叫做 Backwards  Differentiation  Formula,  简称 BDF法。该方法  进行动态模拟的速度要远远快于原来老版本中的方法。EnviroSim内部 BioWin  5.1测试结果表明：    

• 对于不包括生物膜反应器的大型复杂工艺流程，动态模拟速度提高 3-­‐6倍。  • 对于包括生物膜反应器的系统，动态模拟速度提高 10-­‐50倍。  

 用户打开数学模型参数界面(Project  >  Current  Project  Options  >  Numerical  parameters),    如下所示，BDF方法是默认的动态模拟采用的数学方法，即使在 5.1版本中打开老版本创建的文件，  这一设置也不会改变。由于新的 BDF法还无法用于 SBR系统的模拟，新版本中也保留了老版本中的求解方法 BW  Heun。    

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模型改进  –  生物膜中胶体物质的扩散过程    BioWin中的生物膜模型包括胶体物质扩散进入生物膜的扩散速率，该参数可以在  Project  >  Parameters  >  Biofilm  >  Effective  diffusivities  界面下查看或者修改，如下图所示:    

 

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在老版本 BioWin中，该参数默认值为  5.0  x  10-­‐12,  大于颗粒态物质的扩算速率  (例如  颗粒态可降解 COD扩散速率为  5.0  x  10-­‐14),  低于溶解态物质的扩算速率(溶解态可降解 COD扩散速率为 6.9  x  10-­‐10)。该参数直接影响胶体物质在生物膜系统中的分布。以下图所示四个依次排列  MBBR反应器系统为例：    

 若使用默认的扩散参数，溶解态 COD和 BOD浓度在系统中分布如下图所示：    

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 需要注意的是溶解态 BOD直到第三个MBBR反应器才有显著降低。通过观察溶解态 COD分布图可以看出，尽管快速降解 COD  (rbCOD)  经过前两个MBBR反应器后就已经基本完全降解，但是胶体态物质由于扩散速度的限制，还没有被完全降解，所以大量 BOD仍存在于第二个反应器出水中。    EnviroSim研究表明类似上述示例中的实际系统中，溶解态 BOD的去除要高于模拟值。因此在  BioWin  5.1中胶体物质的扩散速率提高至  5.0  x  10-­‐10,  该值已经接近溶解态物质的扩散速率  (溶解态可降解 COD扩散速率为  6.9  x  10-­‐10)。这样在经过前两段MBBR之后，胶体态物质去除率提高，溶解态 BOD浓度如下图所示：    

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模型改进  –  聚磷菌(PAO)的溶解氧半饱和系数    在老版本中聚磷菌的溶解氧半饱和系数与普通异养菌一致，符合传统观点认为的在低溶解

氧条件下聚磷菌吸收磷的效率不高。但是在最新的研究成果  (Jimenez  et  al.,  2014)  表明聚磷菌在低溶解氧条件下依然可以有效地吸收磷。根据这一成果，BioWin  5.1为聚磷菌单独设立了溶解氧半饱和系数，提高了在低溶解氧条件或同步硝化反硝化运行条件下，模拟生

物除磷模的准确性。该参数可以在  Project  >  Parameters  >  Kinetic  >  Switches  tab  界面中查看：    

   模型改进  –  固体颗粒的压缩沉降    BioWin中用户可以定义一个固体颗粒浓度代表模型沉淀池单元中压缩固体浓度的最大程度  (例如底流中 TSS浓度的限制)。在早期版本中，当模型沉淀池中某一层中的固体颗粒浓度达到最大压缩值，该层中的固体可以就会重新悬浮进入上一层中，这样来保持某一层中

的最大压缩程度。该方法的不足之处有   (a)  在某种特定条件下会导致不稳定的沉淀池性能，  (b)  该方法无法反映固体颗粒从沉淀受阻区域转移至压缩层的实际情况。    BioWin  5.1改进了模拟高颗粒浓度下沉淀池性能的方法以及对最大压缩程度的利用。以下部分讨论了在高固体浓度条件下的沉淀模型以及以往用于低固体浓度的沉淀模型。    污泥沉淀速率通过 Vesilind模型进行模拟。某一层中的沉淀速率由以下公式  (1)  表达：    

𝑉!,! = 𝑉!  𝑒!!!! (1)    公式中  𝑉!  =  最大沉降速率  (m/d),  𝐾  =  受阻沉淀系数  (m3/kg  TSS),  以及  𝑋!  =  第 i层中总悬浮颗粒  (TSS)  浓度。  

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 公式  (1)  的不足之处在于在低浓度固体颗粒浓度下，预测的沉淀速率偏大。另外，标准Vesilind沉淀模型无法模拟压缩层的沉淀行为。BioWin利用开关功能在低颗粒浓度条件下关闭模型中沉降部分，同样当某一层的颗粒浓度达到最大固体压缩程度时，也会关闭下一

层的沉降模型。  当某一层颗粒体浓度达到用户定义的一个值时，该层的沉降速度降为 0，固体颗粒会随着溢流进入到上一层，甚至随出水排出。当底部颗粒浓度达到用户定义的最

大压缩浓度时，沉降速度将会很快降为 0。    BioWin中使用的沉淀模型如公式  (2)  所示：  

𝑉!,! = 𝑉!  𝑒!!!! ⋅𝑋!

𝐾! + 𝑋!⋅

11+ 𝑒!!"#$%&''(")  !"##$%&'  !"#$%&'&($  !"#$%&⋅(!!"#!!!)

(2)  

 公式中 KS  为上层中沉降速率开关系数，XMAX  为最大压缩浓度，其他参数与公式  (1)  相同。    下图展示了开关功能对于沉降模型预测沉降速率的影响：    

用户可以通过提高 KS  参数值，来升高沉降速率开始降低所对应的悬浮颗粒浓度。调整 KS  参数值也可以用来调节出水中悬浮颗粒浓度的模拟值。                      

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 2 4 6

SE

TT

LIN

G V

EL

OC

ITY

(m/h

)

SOLIDS CONCENTRATION (kg/m3)

Traditional Vesilind

Modified Vesilind

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当沉淀池底部的颗粒物浓度较高时，开关功能对于沉降速率的影响如下图所示。降低可以

用来模拟压性能较差的污泥。      

   其他用户操作界面的改进      BioWin  5.1中对软件界面的操作性做了如下改进：    

• 用户可以设置在打开 BioWin文件时，是否同时打开注释窗口。具体方法为在 Tools  >  Customize  >  General  界面中取消对  Automatically  show  notes  after  loading  file  选项的勾选    

 

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

8 10 12 14 16

SE

TT

LIN

G V

EL

OC

ITY

(m/h

)

SOLIDS CONCENTRATION (kg/m3)

Traditional Vesilind

Modified Vesilind

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• 用户曾反映当 BioWin图表库中存在包含大量数据的表格时，BioWin的运行速度会减慢。如下图所示只要取消对  Steady  state  simulation  table  updates  以及  Dynamic  simulation  table  updates  的勾选，当进行模拟时，新版本表格中的数据就不会持续更新。      

 

• 当工艺流程图中所有工艺单元都是从 BioWin内置接种污泥为初始值开始模拟时，模拟控制窗口中新增的进度条会显示出来，尤其对于大型复杂工艺流程图进度条持

续的时长会很明显。      

• 改进了为具有多层生物膜的工艺单元（例如浸没式曝气滤池）作图时，数据系列命名的方法。  

 • 新增展示浸没式曝气滤池单元  (SAF)  内各过程速率的窗口。  

 • 分流管中某一出流口流量设置为 0时，出于数值模拟的需要，后台模拟中该出流口的实际流量设置为 0.0001，新版本中修正了这一问题。  

 • 厌氧消化单元和变体积单元可以设置为恒定体积模式。  

 • 图表库中的生物膜细节表格  (Details)可以复制到后台粘贴板中，然后输出至 Excel文档中。  

 • BioWin所用的作图模块  (TeeChart)  更新至最新版本。功能较早期版本基本一致，但是改进了操作界面。  

 

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参考文献  Mainstream  Nitrite-­‐Shunt  with  Biological  Phosphorus  Removal  at  the  City  of  St.  Petersburg  Southwest  WRF.  Jimenez,  J.,  Wise,  G.,  Burger,  G.,  Du,  W.  and  Dold,  P.  Proceedings  of  the  Water  Environment  Federation  86th  Annual  Technical  Exhibition  &  Conference,  New  Orleans,  Louisiana,  USA,  September  27  to  October  1,  2014.