活性污泥工藝的設(shè)計(jì)計(jì)算方法探討

活性污泥工藝的設(shè)計(jì)計(jì)算方法探討

摘要對(duì)活性污泥工藝的三種設(shè)計(jì)計(jì)算方法：污泥負(fù)荷法、泥齡法、數(shù)學(xué)模型法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)述，建議現(xiàn)階段推廣采用泥齡法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)泥齡法基本參數(shù)的選用提出了意見。

關(guān)鍵詞活性污泥工藝泥齡法污泥負(fù)荷法數(shù)學(xué)模型法設(shè)計(jì)計(jì)算

活性污泥工藝是城市污水處理的主要工藝，它的設(shè)計(jì)計(jì)算有三種方法：污泥負(fù)荷法、泥齡法和數(shù)學(xué)模型法。三種方法在操作上難易程度不同，計(jì)算結(jié)果的精確度不同，直接關(guān)系到設(shè)計(jì)水平、基建投資和處理可靠性。正因?yàn)槿绱?，?guó)內(nèi)外專家都在進(jìn)行大量細(xì)致的研究，力求找出一種精確度更高而又便于操作的計(jì)算方法。

1污泥負(fù)荷法

這是目前國(guó)內(nèi)外最流行的設(shè)計(jì)方法，幾十年來(lái)，運(yùn)用該法設(shè)計(jì)了成千上萬(wàn)座污水處理廠，充分說(shuō)明它的正確性和適用性。但另一方面，這種方法也存在一些問題，甚至是比較嚴(yán)重的缺陷，影響了設(shè)計(jì)的精確性和可操作性。

污泥負(fù)荷法的計(jì)算式為［1］

V=24LjQ／1000FwNw=24LjQ／1000Fr(1)

污泥負(fù)荷法是一種經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法，它的最基本參數(shù)Fw(曝氣池污泥負(fù)荷)和Fr(曝氣池容積負(fù)荷)是根據(jù)曝氣的類別按照以往的經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，由于水質(zhì)千差萬(wàn)別和處理要求不同，這兩個(gè)基本參數(shù)的設(shè)定只能給出一個(gè)較大的范圍，例如我國(guó)的規(guī)范對(duì)普通曝氣推薦的數(shù)值為

Fw=～kgBOD/(kgMLSS·d)

Fr=～kgBOD/(m3池容·d)

可以看出，最大值比最小值大一倍以上，幅度很寬，如果其他條件不變，選用最小值算出的曝氣池容積比選用最大值時(shí)的容積大一倍或一倍以上，基建投資也就相差很多，在這個(gè)范圍內(nèi)取值完全憑經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于經(jīng)驗(yàn)較少的設(shè)計(jì)人來(lái)說(shuō)很難操作，這是污泥負(fù)荷法的一個(gè)主要缺陷。

污泥負(fù)荷法的另一個(gè)問題是單位容易混淆，譬如我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范中Fw的單位是kgBOD/(kgMLSS·d)，但設(shè)計(jì)手冊(cè)中則是kgBOD/(kgMLVSS·d)，這兩種單位相差很大。MLSS是包括無(wú)機(jī)懸浮物在內(nèi)的污泥濃度，MLVSS則只是有機(jī)懸浮固體的濃度，對(duì)于生活污水，一般MLVSS=，如果單位用錯(cuò)，算出的曝氣池容積將差30%。這種混淆并非不可能，例如我國(guó)設(shè)計(jì)手冊(cè)中推薦的普通曝氣的Fw為～/(kgMLVSS·d)［2］，其數(shù)值和設(shè)計(jì)規(guī)范完全一樣，但單位卻不同了。設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到不知究竟用哪個(gè)單位好的問題，特別是設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足時(shí)更是無(wú)所適從，加上近年來(lái)污水脫氮提上了日程，當(dāng)污水要求硝化、反硝化時(shí)，F(xiàn)w、Fr取多少合適呢?

污泥負(fù)荷法最根本的問題是沒有考慮到污水水質(zhì)的差異。對(duì)于生活污水來(lái)說(shuō)，SS和BOD濃度大致有數(shù)，MLSS與MLVSS的比值也大致差不多，但結(jié)合各地的實(shí)際情況來(lái)看，城市污水一般包含50%甚至更多的工業(yè)廢水，因而污水水質(zhì)差別很大，有的SS、BOD值高達(dá)300～400mg/L，有的則低到不足100mg/L，有的污水SS/BOD值高達(dá)2以上，有的SS值比BOD值還低。污泥負(fù)荷是以MLSS為基礎(chǔ)的，其中有多大比例的有機(jī)物反映不出來(lái)，對(duì)于相同規(guī)模、相同工藝、相同進(jìn)水BOD濃度的兩個(gè)廠，按污泥負(fù)荷法計(jì)算曝氣池容積是相同的，但當(dāng)SS/BOD值差異很大時(shí)，MLVSS也相差很大，實(shí)際的生物環(huán)境就大不相同，處理效果也就明顯不同了。

綜上所述，污泥負(fù)荷法有待改進(jìn)。因此，國(guó)際水質(zhì)污染與控制協(xié)會(huì)(IAWQ)組織各國(guó)專家，于1986年首次推出活性污泥一號(hào)模型(簡(jiǎn)稱ASM1)［3］，1995年又推出了活性污泥二號(hào)模型(簡(jiǎn)稱ASM2)［4、5］。

2數(shù)學(xué)模型法

數(shù)學(xué)模型法在理論上是比較完美的，但在具體應(yīng)用上則存在不少問題，這主要是由于污水和污水處理的復(fù)雜性和多樣性，即使是簡(jiǎn)化了的數(shù)學(xué)模式，應(yīng)用起來(lái)也相當(dāng)困難，從而阻礙了它的推廣和應(yīng)用。到目前為止，數(shù)學(xué)模型法在國(guó)外尚未成為普遍采用的設(shè)計(jì)方法，而在我國(guó)還沒有實(shí)際應(yīng)用于工程，仍停留在研究階段。

數(shù)學(xué)模型法的主要問題是模型中有很多系數(shù)和常數(shù)，ASM1中有13個(gè)，ASM2中有19個(gè)，它們都需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際污水水質(zhì)和處理工藝的要求確定具體數(shù)值，其中多數(shù)要經(jīng)過大量監(jiān)測(cè)分析后才能得出，而且不同的污水有不同的數(shù)值。由于污水水質(zhì)多變，確定這些參數(shù)很困難，如果這些參數(shù)有誤，就直接影響到計(jì)算結(jié)果的精確性和可靠性。國(guó)外已經(jīng)提出了這些參數(shù)的數(shù)值，但我國(guó)的污水成分與國(guó)外有很大差別，特別是污水中的有機(jī)物成分差別很大，盲目套用國(guó)外的參數(shù)值肯定是不行的。因此，要將數(shù)學(xué)模型法應(yīng)用于我國(guó)的污水處理設(shè)計(jì)，必須組織力量監(jiān)測(cè)分析各種污水水質(zhì)，確定有關(guān)參數(shù)，才有可能把數(shù)學(xué)模型實(shí)用化。然而，從我國(guó)目前情況看，數(shù)據(jù)分析和積累恰恰是最大的薄弱環(huán)節(jié)之一，我國(guó)已運(yùn)轉(zhuǎn)的城市污水處理廠有上百座，至今連一些最基本的數(shù)據(jù)都難以確定，更不用說(shuō)數(shù)學(xué)模型法所需的各種數(shù)據(jù)了，顯然，要在我國(guó)應(yīng)用數(shù)學(xué)模型法還需做大量的工作，還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

3泥齡法

泥齡法的計(jì)算式

設(shè)計(jì)規(guī)范中提出了按泥齡計(jì)算曝氣池容積的計(jì)算公式［1］

V=［24QθcY(Lj-Lch)／1000Nwv(1+Kdθc)(2)

設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)式中幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)提出了推薦值

Y=～(20℃，有初沉池)

Kd=～(20℃)

當(dāng)水溫變化時(shí)，按下式修正：

Kdt=Kd20(θt)t-20(3)

式中θt——溫度系數(shù)，θt=～

θc——高負(fù)荷取～，中負(fù)荷取5～15，低負(fù)荷取20～30

可以看出，它們的取值范圍都很寬，Y值的變化幅度達(dá)100%，Kd值的變化幅度達(dá)%，θc值的變化幅度從50%到幾倍，實(shí)際計(jì)算時(shí)很難取值，這也是泥齡法在我國(guó)難以推廣的原因之一。

為了使泥齡計(jì)算法實(shí)用化，筆者根據(jù)自己的設(shè)計(jì)體會(huì)，建議采用德國(guó)目前使用的ATV標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式，并對(duì)式中的關(guān)鍵參數(shù)取值結(jié)合我國(guó)具體情況適當(dāng)修改。實(shí)踐證明，按該公式計(jì)算概念清晰，特別便于操作，計(jì)算結(jié)果都能滿足我國(guó)規(guī)范的要求，不失為一種簡(jiǎn)單、可信而又十分有效的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。其基本計(jì)算公式為

V=24QθcY(Lj-Lch)／1000Nw(4)

式中Y——污泥產(chǎn)率系數(shù)(kgSS/kgBOD)

Q、Lj、Lch值是設(shè)計(jì)初始條件，是反映原水水量、水質(zhì)和處理要求的，在設(shè)計(jì)計(jì)算前已經(jīng)確定。

泥齡θc是指污泥在曝氣池中的平均停留時(shí)間，其數(shù)值為

θc=VNw／W(5)

式中W——剩余污泥量，kgSS/d

W=24QY(Lj-Lch)／1000(6)

根據(jù)以上計(jì)算式，采用泥齡法設(shè)計(jì)計(jì)算活性污泥工藝時(shí)，只需確定泥齡θc、剩余污泥量W(或污泥產(chǎn)率系數(shù)Y)和曝氣池混合液懸浮固體平均濃度Nw(MLSS)即可求出曝氣池容積V。與污泥負(fù)荷法相比，它用泥齡θc取代Fw或Fr作為設(shè)計(jì)計(jì)算的最基本參數(shù)，與數(shù)學(xué)模型法相比，它只需測(cè)定一個(gè)污泥產(chǎn)率系數(shù)Y，而不需測(cè)定13或19個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)。

泥齡的確定

泥齡是根據(jù)理論同時(shí)又參照經(jīng)驗(yàn)的累積確定的，按照處理要求和處理廠規(guī)模的不同而采用不同的泥齡，德國(guó)ATV標(biāo)準(zhǔn)中單級(jí)活性污泥工藝污水處理廠的最小泥齡數(shù)值見表1。

表1德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中活性污泥工藝的最小泥齡d處理目標(biāo)處理廠規(guī)模≤5000m3/d≥25000m3/d無(wú)硝化54有硝化(設(shè)計(jì)溫度：10℃)108有硝化、反硝化(10℃)VD/V=

VD/V=

VD/V=

VD/V=

13

15

1810

11

13

16有硝化、反硝化、污泥穩(wěn)定25不推薦注VD/V為反硝化池容與總池容之比。

表中對(duì)規(guī)模小的污水廠取大值，是考慮到小廠的進(jìn)水水質(zhì)變化幅度大，運(yùn)行工況變化幅度大，因而選用較大的安全系數(shù)。

泥齡反映了微生物在曝氣池中的平均停留時(shí)間，泥齡的長(zhǎng)短與污水處理效果有兩方面的關(guān)系：一方面是泥齡越長(zhǎng)，微生物在曝氣池中停留時(shí)間越長(zhǎng)，微生物降解有機(jī)污染物的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)有機(jī)污染物降解越徹底，處理效果越好；另一方面是泥齡長(zhǎng)短對(duì)微生物種群有選擇性，因?yàn)椴煌N群的微生物有不同的世代周期，如果泥齡小于某種微生物的世代周期，這種微生物還來(lái)不及繁殖就排出池外，不可能在池中生存，為了培養(yǎng)繁殖所需要的某種微生物，選定的泥齡必須大于該種微生物的世代周期。最明顯的例子是硝化菌，它是產(chǎn)生硝化作用的微生物，它的世代周期較長(zhǎng)，并要求好氧環(huán)境，所以在污水進(jìn)行硝化時(shí)須有較長(zhǎng)的好氧泥齡。當(dāng)污水反硝化時(shí)，是反硝化菌在工作，反硝化菌需要缺氧環(huán)境，為了進(jìn)行反硝化，就必須有缺氧段(區(qū)段或時(shí)段)，隨著反硝化氮量的增大，需要的反硝化菌越多，也就是缺氧段和缺氧泥齡要加長(zhǎng)。上述關(guān)系的量化已體現(xiàn)在表1中。

無(wú)硝化污水處理廠的最小泥齡選擇4～5d，是針對(duì)生活污水的水質(zhì)并使處理出水達(dá)到BOD=30mg/L和SS=30mg/L確定的，這是多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，就像污泥負(fù)荷的取值一樣。

有硝化的污水處理廠，泥齡必須大于硝化菌的世代周期，設(shè)計(jì)通常采用一個(gè)安全系數(shù)，以確保硝化作用的進(jìn)行，其計(jì)算式為

θc=F(7)

式中θc——滿足硝化要求的設(shè)計(jì)泥齡，d

F——安全系數(shù)，取值范圍～，通常取

1/μo——硝化菌世代周期，d

μo——硝化菌比生長(zhǎng)速率，d-1

μo=×(T-15)(8)

式中T——設(shè)計(jì)污水溫度，北方地區(qū)通常取10℃，南方地區(qū)可取11～12℃

代入式(8)得：

μo=×(10-15)=/d

再代入式(7)得：

θc=×1／=d

計(jì)算所得數(shù)值與表1中的數(shù)值相符。

表1是德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，但它的理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)積累具有普遍意義，并不隨水質(zhì)變化而改變，因此筆者認(rèn)為可以在我國(guó)設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

在污泥負(fù)荷法中，污泥負(fù)荷是最基本的設(shè)計(jì)參數(shù)，泥齡是導(dǎo)出參數(shù)。而在泥齡法中，泥齡是最基本的設(shè)計(jì)參數(shù)，污泥負(fù)荷是導(dǎo)出參數(shù)，兩者呈近似反比關(guān)系：

θcFw=Lj／Y(Lj-Lch)(9)

式中污泥產(chǎn)率系數(shù)Y是泥齡θc的函數(shù)。

污泥產(chǎn)率系數(shù)的確定

采用泥齡法進(jìn)行活性污泥工藝設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，準(zhǔn)確確定污泥產(chǎn)率系數(shù)Y是十分重要的，從式(4)中看出，曝氣池容積與Y值成正比，Y值直接影響曝氣池容積的大小。

式(6)給出了Y值和剩余污泥量W的關(guān)系，剩余污泥量是每天從生物處理系統(tǒng)中排出的污泥量，它包括兩部分：一部分隨出水排除，一部分排至污泥處理系統(tǒng)，其計(jì)算式為：

W=24QNch／1000+QsNs(10)

式中Nch——出水懸浮固體濃度，mg/L

Qs——排至污泥處理系統(tǒng)的剩余污泥量，m3/d

Ns——排至污泥處理系統(tǒng)的剩余污泥濃度，kg/m3

剩余污泥量最好是實(shí)測(cè)求得。從式(10)可以看出，對(duì)于正常運(yùn)行的污水處理廠，Q、Nch、Qs及Ns值都不難測(cè)定，這樣就能求出W和Y值。問題在于設(shè)計(jì)時(shí)還沒有污水處理廠，只有參照其他類似污水處理廠的數(shù)值。由于污水水質(zhì)不同，處理程度及環(huán)境條件不同，各地得出的Y值不可能一樣，特別是很多城市污水處理廠由于資金短缺等原因，運(yùn)行往往不正常，剩余污泥量W的數(shù)值也測(cè)不準(zhǔn)確，這勢(shì)必影響設(shè)計(jì)的精確性和可靠性。

從理論上分析，污泥產(chǎn)率系數(shù)與原水水質(zhì)、處理程度和污水溫度等因素有關(guān)。首先，污泥產(chǎn)率系數(shù)本來(lái)的含義是一定量BOD降解后產(chǎn)生的SS。由于是有機(jī)物降解產(chǎn)物，這里的SS應(yīng)該是VSS，即揮發(fā)性懸浮固體，但污水中還有相當(dāng)數(shù)量的無(wú)機(jī)懸浮固體和難降解有機(jī)懸浮固體，它們并未被微生物降解，而是原封不動(dòng)地沉積到污泥中，結(jié)果產(chǎn)生的SS將大于真正由BOD降解產(chǎn)生的VSS，因此在確定污泥產(chǎn)率系數(shù)時(shí)，必須考慮原水中

無(wú)機(jī)懸浮固體和難降解有機(jī)懸浮固體的含量。其次，隨著處理程度的提高，污泥泥齡的增長(zhǎng)，有機(jī)物降解越徹底，微生物的衰減也越多，這導(dǎo)致剩余污泥量的減少。至于水溫，是影響生化過程的重要因素，水溫增高，生化過程加快，將使剩余污泥量減少。對(duì)于各種因素的影響，可根據(jù)理論分析通過實(shí)驗(yàn)建立數(shù)學(xué)方程式，其計(jì)算結(jié)果如經(jīng)受住實(shí)踐的檢驗(yàn)，就可用于實(shí)際工程。德國(guó)已經(jīng)提出了這樣的方程式，按這個(gè)方程式計(jì)算出的Y值已正式寫進(jìn)ATV標(biāo)準(zhǔn)中。

Y=(Nj／Lj+1)-×θc×FT／1+θc×FT(11)

F=(T-15)(12)

式中Nj——進(jìn)水懸浮固體濃度，mg/L

FT——溫度修正系數(shù)

T——設(shè)計(jì)水溫，與前面的計(jì)算取相同數(shù)值

可以看出，Nj/Lj值反映了污水中無(wú)機(jī)懸浮固體和難降解懸浮固體所占比重的大小，如果它們占的比重增大，剩余污泥量自然要增加，Y值也就增大了。θc值影響污泥的衰減，θc值增長(zhǎng)，污泥衰減得多，Y值相應(yīng)減少。溫度的影響體現(xiàn)在FT值上，水溫增高，F(xiàn)T值增大，Y值減小，也就是剩余污泥量減少。

這個(gè)方程式對(duì)我國(guó)具有參考價(jià)值。由于我國(guó)的生活習(xí)慣與西方國(guó)家差異很大，污水中有機(jī)物比重低，有機(jī)物中脂肪比例低，碳水化合物比例高，因而產(chǎn)泥量也不會(huì)完全相同。根據(jù)國(guó)內(nèi)已公布的數(shù)據(jù)和筆者的經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)活性污泥工藝污水處理廠的剩余污泥產(chǎn)量比西方國(guó)家要少，因此，式(11)中須乘上一個(gè)修正系數(shù)K

Y=K×(NjLj+1)-［／(13)

一般取K＝～。

在目前缺乏我國(guó)自己的Y值計(jì)算式的情況下，筆者認(rèn)為采用式(13)計(jì)算Y值是可行的。

MLSS的確定

不管采用哪種設(shè)計(jì)計(jì)算方法，都需要合理確定MLSS。在其他條件不變的情況下，MLSS增大一倍，曝氣池容就減小一倍；MLSS減小一倍，曝氣池容就增大一倍。它直接影響基建投資，因此需要慎重確定。

在設(shè)計(jì)規(guī)范和手冊(cè)中，對(duì)MLSS值推薦了一個(gè)選用范圍，如普通曝氣是～kg/m3，延時(shí)曝氣是～kg/m3，變化幅度都比較大，設(shè)計(jì)時(shí)不好操作。為了選定合適的MLSS值，有必要弄清影響它的因素。

MLSS不能選得過低，主要有三個(gè)原因：

①M(fèi)LSS過低，曝氣池容積V就要相應(yīng)增大，在經(jīng)濟(jì)上不利。

②MLSS過低，曝氣池中容易產(chǎn)生泡沫，為了防止泡沫，一般需保持2kg/m3以上的污泥濃度。

③當(dāng)污泥濃度很低時(shí)，所需氧量較少，如MLSS過低，池容增大，單位池容的供氣量就很小，有可能滿足不了池內(nèi)混合的要求，勢(shì)必額外增加攪拌設(shè)備。MLSS也不能選得過高，主要是因?yàn)椋?/p>

①要提高M(jìn)LSS，必須相應(yīng)增加污泥回流比，降低二沉池表面負(fù)荷，加長(zhǎng)二沉池停留時(shí)間，這就要求增大二沉池體積和回流污泥能耗。把曝氣池、二沉池和回流污泥泵房作為一個(gè)整體來(lái)考慮，為使造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用總價(jià)最低，污泥回流比通常限制在150%以內(nèi)。對(duì)于一般城市污水，二沉池的回流污泥濃度通常為4～8kg/m3，若按最高值約8kg/m3計(jì)，回流比為150%時(shí)的曝氣池內(nèi)MLSS為/m3，實(shí)際設(shè)計(jì)中MLSS最高一般不超過/m3。

②污水的性質(zhì)和曝氣池運(yùn)行工況對(duì)MLSS有巨大影響，如果污水中的成分或曝氣池的工況有利于污泥膨脹，污泥指數(shù)SVI值居高不下(如SVI＞180mL/g)，回流污泥濃度就會(huì)大大降低，MLSS就必須選擇低值。

根據(jù)以上分析，在選定MLSS時(shí)要照顧到各個(gè)方面：

①泥齡長(zhǎng)、污泥負(fù)荷低，選較高值；泥齡短、污泥負(fù)荷高，選較低值；同步污泥好氧穩(wěn)定時(shí)，選高值。

②有初沉池時(shí)選較低值，無(wú)初沉池時(shí)選較高值。

③SVI值低時(shí)選較高值，高時(shí)選較低值。

④污水濃度高時(shí)選較高值，低時(shí)選較低值。

⑤合建反應(yīng)池(如SBR)不存在污泥回流問題，選較高值或高值。

⑥核算攪拌功率是否滿足要求，如不滿足時(shí)要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

德國(guó)ATV標(biāo)準(zhǔn)對(duì)MLSS值規(guī)定了選用范圍，有硝化和無(wú)硝化時(shí)其MLSS值是一樣的，這不完全符合我國(guó)具體情況。我國(guó)城市污水污染物濃度通常較低，在無(wú)硝化(泥齡短)時(shí)如果MLSS值過高，有可能停留時(shí)間過短，不利于生化處理，故將無(wú)硝化時(shí)的MLSS值降低/m3，推薦的MLSS值列于表2。表2推薦曝氣池MLSS取值范圍kg/m3處理目標(biāo)MLSS有初沉池?zé)o初沉池?zé)o硝化～～有硝化(和反硝化)～～污泥穩(wěn)定

泥齡法的優(yōu)缺點(diǎn)

①泥齡法是經(jīng)驗(yàn)和理論相結(jié)合的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，泥齡θc和污泥產(chǎn)率系數(shù)Y值的確定都有充分的理論依據(jù)，又有經(jīng)驗(yàn)的積累，因而更加準(zhǔn)確可靠。

②泥齡法很直觀，根據(jù)泥齡大小對(duì)所選工藝能否實(shí)現(xiàn)硝化、反硝化和污泥穩(wěn)定一目了然。

③泥齡法的計(jì)算中只使用MLSS值，不使用MLVSS值，污泥中無(wú)機(jī)物所占比重的不同在參數(shù)Y值中體現(xiàn)，因而不會(huì)引起兩者的混淆。

④泥齡法中最基本的參數(shù)——泥齡θc和污泥產(chǎn)率系數(shù)Y都有變化幅度很