活性污泥工藝的設計計算方法探討

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簡介： 對活性污泥工藝的三種設計計算方法：污泥負荷法、泥齡法、數(shù)學模型法的優(yōu)缺點進行了評述，建議現(xiàn)階段推廣采用泥齡法進行設計計算，并對泥齡法基本參數(shù)的選用提出了意見。
關鍵字：活性污泥工藝 泥齡法 污泥負荷法 數(shù)學模型法 設計計算

　　活性污泥工藝是城市污水處理的主要工藝，它的設計計算有三種方法：污泥負荷法、泥齡法和數(shù)學模型法。三種方法在操作上難易程度不同，計算結果的精確度不同，直接關系到設計水平、基建投資和處理可靠性。正因為如此，國內外專家都在進行大量細致的研究，力求找出一種精確度更高而又便于操作的計算方法。

1　污泥負荷法

　　這是目前國內外最流行的設計方法，幾十年來，運用該法設計了成千上萬座污水處理廠，充分說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，甚至是比較嚴重的缺陷，影響了設計的精確性和可操作性。
　　污泥負荷法的計算式為^［1］：

　　　　V=24LjQ／1000F_wN_w=24LjQ／1000Fr　　　　(1)

　　污泥負荷法是一種經(jīng)驗計算法，它的最基本參數(shù)Fw(曝氣池污泥負荷)和Fr(曝氣池容積負荷)是根據(jù)曝氣的類別按照以往的經(jīng)驗設定，由于水質千差萬別和處理要求不同，這兩個基本參數(shù)的設定只能給出一個較大的范圍，例如我國的規(guī)范對普通曝氣推薦的數(shù)值為：

　　　　Fw=0.2～0.4 kgBOD/(kgMLSS·d)
　　　　Fr=0.4～0.9 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的容積大一倍或一倍以上，基建投資也就相差很多，在這個范圍內取值完全憑經(jīng)驗，對于經(jīng)驗較少的設計人來說很難操作，這是污泥負荷法的一個主要缺陷。
　　污泥負荷法的另一個問題是單位容易混淆，譬如我國設計規(guī)范中Fw的單位是kgBOD/(kgMLSS·d)，但設計手冊中則是kgBOD/(kgMLVSS·d)，這兩種單位相差很大。MLSS是包括無機懸浮物在內的污泥濃度，MLVSS則只是有機懸浮固體的濃度，對于生活污水，一般MLVSS=0.7MLSS，如果單位用錯，算出的曝氣池容積將差30%。這種混淆并非不可能，例如我國設計手冊中推薦的普通曝氣的Fw為0.2～0.4kgBOD/(kgMLVSS·d)^［2］，其數(shù)值和設計規(guī)范完全一樣，但單位卻不同了。設計中經(jīng)常遇到不知究竟用哪個單位好的問題，特別是設計經(jīng)驗不足時更是無所適從，加上近年來污水脫氮提上了日程，當污水要求硝化、反硝化時，F(xiàn)w、Fr取多少合適呢?
　　污泥負荷法最根本的問題是沒有考慮到污水水質的差異。對于生活污水來說，SS和BOD濃度大致有數(shù)，MLSS與MLVSS的比值也大致差不多，但結合各地的實際情況來看，城市污水一般包含50%甚至更多的工業(yè)廢水，因而污水水質差別很大，有的SS、BOD值高達300～400 mg/L，有的則低到不足100 mg/L，有的污水SS/BOD值高達2以上，有的SS值比BOD值還低。污泥負荷是以MLSS為基礎的，其中有多大比例的有機物反映不出來，對于相同規(guī)模、相同工藝、相同進水BOD濃度的兩個廠，按污泥負荷法計算曝氣池容積是相同的，但當SS/BOD值差異很大時，MLVSS也相差很大，實際的生物環(huán)境就大不相同，處理效果也就明顯不同了。
　　綜上所述，污泥負荷法有待改進。因此，國際水質污染與控制協(xié)會(IAWQ)組織各國專家，于1986年首次推出活性污泥一號模型(簡稱ASM1)^［3］，1995年又推出了活性污泥二號模型(簡稱ASM2)^［4、5］。

2　數(shù)學模型法

　　數(shù)學模型法在理論上是比較完美的，但在具體應用上則存在不少問題，這主要是由于污水和污水處理的復雜性和多樣性，即使是簡化了的數(shù)學模式，應用起來也相當困難，從而阻礙了它的推廣和應用。到目前為止，數(shù)學模型法在國外尚未成為普遍采用的設計方法，而在我國還沒有實際應用于工程，仍停留在研究階段。
　　數(shù)學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，ASM2中有19個，它們都需要設計人員根據(jù)實際污水水質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，就直接影響到計算結果的精確性和可靠性。國外已經(jīng)提出了這些參數(shù)的數(shù)值，但我國的污水成分與國外有很大差別，特別是污水中的有機物成分差別很大，盲目套用國外的參數(shù)值肯定是不行的。因此，要將數(shù)學模型法應用于我國的污水處理設計，必須組織力量監(jiān)測分析各種污水水質，確定有關參數(shù)，才有可能把數(shù)學模型實用化。然而，從我國目前情況看，數(shù)據(jù)分析和積累恰恰是最大的薄弱環(huán)節(jié)之一，我國已運轉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，更不用說數(shù)學模型法所需的各種數(shù)據(jù)了，顯然，要在我國應用數(shù)學模型法還需做大量的工作，還需要相當長的時間。

3　泥齡法

3.1泥齡法的計算式
　　設計規(guī)范中提出了按泥齡計算曝氣池容積的計算公式^［1］：

　　　　V=［24QθcY(Lj-Lch)／1 000Nwv(1+Kdθc)　　　　(2)

　　設計規(guī)范對式中幾個關鍵參數(shù)提出了推薦值：

　　　　Y=0.4～0.8(20℃，有初沉池)
　　　　Kd=0.04～0.075(20℃)
　　當水溫變化時，按下式修正：
　　　　Kdt=K_d20(θt)^t-20　　　　　　　　　　　　　　(3)
　　式中　　θt——溫度系數(shù)，θt=1.02～1.06
　　　　　　θc——高負荷取0.2～2.5，中負荷取5～15，低負荷取20～30
　　可以看出，它們的取值范圍都很寬，Y值的變化幅度達100%，Kd值的變化幅度達87.5%，θc值的變化幅度從50%到幾倍，實際計算時很難取值，這也是泥齡法在我國難以推廣的原因之一。
　　為了使泥齡計算法實用化，筆者根據(jù)自己的設計體會，建議采用德國目前使用的ATV標準中的計算公式，并對式中的關鍵參數(shù)取值結合我國具體情況適當修改。實踐證明，按該公式計算概念清晰，特別便于操作，計算結果都能滿足我國規(guī)范的要求，不失為一種簡單、可信而又十分有效的設計計算方法。其基本計算公式為：

　　　　V=24QθcY(Lj-Lch)／1000Nw　　　　　　　　　　(4)

　　式中　Y——污泥產(chǎn)率系數(shù)(kgSS/kgBOD)
　　Q、Lj、Lch值是設計初始條件，是反映原水水量、水質和處理要求的，在設計計算前已經(jīng)確定。
　　泥齡θc是指污泥在曝氣池中的平均停留時間，其數(shù)值為：

　　　　θc=VN_w／W　　　　　　　　　　　　　　　　　　(5)

　　式中　W——剩余污泥量，kgSS/d

　　　　W=24QY(Lj-Lch)／1000　　　　　　　　　　　　　(6)

　　根據(jù)以上計算式，采用泥齡法設計計算活性污泥工藝時，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。與污泥負荷法相比，它用泥齡θc取代Fw或Fr作為設計計算的最基本參數(shù)，與數(shù)學模型法相比，它只需測定一個污泥產(chǎn)率系數(shù)Y，而不需測定13或19個參數(shù)數(shù)據(jù)。
3.2泥齡的確定
　　泥齡是根據(jù)理論同時又參照經(jīng)驗的累積確定的，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ATV標準中單級活性污泥工藝污水處理廠的最小泥齡數(shù)值見表1。

表1　　德國標準中活性污泥工藝的最小泥齡

d

　　表中對規(guī)模小的污水廠取大值，是考慮到小廠的進水水質變化幅度大，運行工況變化幅度大，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間，泥齡的長短與污水處理效果有兩方面的關系：一方面是泥齡越長，微生物在曝氣池中停留時間越長，微生物降解有機污染物的時間越長，對有機污染物降解越徹底，處理效果越好；另一方面是泥齡長短對微生物種群有選擇性，因為不同種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，并要求好氧環(huán)境，所以在污水進行硝化時須有較長的好氧泥齡。當污水反硝化時，是反硝化菌在工作，反硝化菌需要缺氧環(huán)境，為了進行反硝化，就必須有缺氧段(區(qū)段或時段)，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。上述關系的量化已體現(xiàn)在表1中。
　　無硝化污水處理廠的最小泥齡選擇4～5 d，是針對生活污水的水質并使處理出水達到BOD=30 mg/L和SS=30 mg/L確定的，這是多年實踐經(jīng)驗的積累，就像污泥負荷的取值一樣。
　　有硝化的污水處理廠，泥齡必須大于硝化菌的世代周期，設計通常采用一個安全系數(shù)，以確保硝化作用的進行，其計算式為：

　　　　θc=F（1／μ^o）　　　　　　　　　　　　　　　　　　(7)
　　式中θ　c——滿足硝化要求的設計泥齡，d
　　　　　　F——安全系數(shù)，取值范圍2.0～3.0，通常取2.3
　　　　　　1/μo——硝化菌世代周期，d
　　　　　　μ^o——硝化菌比生長速率，d-1
　　　　μo=0.47×1.103^(T-15)　　　　　　　　　　　　　　　(8)
　　式中　T——設計污水溫度，北方地區(qū)通常取10 ℃，南方地區(qū)可取11～12 ℃
　　代入式(8)得：
　　μo=0.47×1.103^(10-15)=0.288/d
　　再代入式(7)得：
　　θc=2.3×1／0.288=7.99 d
　　計算所得數(shù)值與表1中的數(shù)值相符。
　　表1是德國標準，但它的理論依據(jù)和經(jīng)驗積累具有普遍意義，并不隨水質變化而改變，因此筆者認為可以在我國設計中應用。
　　在污泥負荷法中，污泥負荷是最基本的設計參數(shù)，泥齡是導出參數(shù)。而在泥齡法中，泥齡是最基本的設計參數(shù)，污泥負荷是導出參數(shù)，兩者呈近似反比關系：
　　θcFw=L_j／Y(L_j-Lch)　　　　　　　　　　　　　　　　　　(9)
　　式中污泥產(chǎn)率系數(shù)Y是泥齡θc的函數(shù)。
3.3污泥產(chǎn)率系數(shù)的確定
　　采用泥齡法進行活性污泥工藝設計計算時，準確確定污泥產(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)，其計算式為：

　　　　W=24QN_ch／1000+Q_sN_s　　　　　　　　　　　　　　　(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測求得。從式(10)可以看出，對于正常運行的污水處理廠，Q、Nch、Qs及Ns值都不難測定，這樣就能求出W和Y值。問題在于設計時還沒有污水處理廠，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，運行往往不正常，剩余污泥量W的數(shù)值也測不準確，這勢必影響設計的精確性和可靠性。
　　從理論上分析，污泥產(chǎn)率系數(shù)與原水水質、處理程度和污水溫度等因素有關。首先，污泥產(chǎn)率系數(shù)本來的含義是一定量BOD降解后產(chǎn)生的SS。由于是有機物降解產(chǎn)物，這里的SS應該是VSS，即揮發(fā)性懸浮固體，但污水中還有相當數(shù)量的無機懸浮固體和難降解有機懸浮固體，它們并未被微生物降解，而是原封不動地沉積到污泥中，結果產(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，必須考慮原水中
無機懸浮固體和難降解有機懸浮固體的含量。其次，隨著處理程度的提高，污泥泥齡的增長，有機物降解越徹底，微生物的衰減也越多，這導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。對于各種因素的影響，可根據(jù)理論分析通過實驗建立數(shù)學方程式，其計算結果如經(jīng)受住實踐的檢驗，就可用于實際工程。德國已經(jīng)提出了這樣的方程式，按這個方程式計算出的Y值已正式寫進ATV標準中。

　　　　Y=0.6(Nj／Lj+1)-0.072×0.6θc×F_T／1+0.08θc×FT　　　　　(11)

　　　　F=1.072^(T-15)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(12)

　　式中　Nj ——進水懸浮固體濃度，mg/L
　　　　　FT——溫度修正系數(shù)
　　　　　T——設計水溫，與前面的計算取相同數(shù)值

　　可以看出，Nj/Lj值反映了污水中無機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，污泥衰減得多，Y值相應減少。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。
　　這個方程式對我國具有參考價值。由于我國的生活習慣與西方國家差異很大，污水中有機物比重低，有機物中脂肪比例低，碳水化合物比例高，因而產(chǎn)泥量也不會完全相同。根據(jù)國內已公布的數(shù)據(jù)和筆者的經(jīng)驗，我國活性污泥工藝污水處理廠的剩余污泥產(chǎn)量比西方國家要少，因此，式(11)中須乘上一個修正系數(shù)K：

　　　　Y=K×0.6(NjLj+1)-［（0.072×0.6θc×FT）／（1+0.08θc×FT）　　(13)
　　一般取K＝0.8～0.9。
　　在目前缺乏我國自己的Y值計算式的情況下，筆者認為采用式(13)計算Y值是可行的。
3.4　MLSS的確定
　　不管采用哪種設計計算方法，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。
　　在設計規(guī)范和手冊中，對MLSS值推薦了一個選用范圍，如普通曝氣是1.5～2.5 kg/m³，延時曝氣是2.5～5.0 kg/m3，變化幅度都比較大，設計時不好操作。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，主要有三個原因：
　?、費LSS過低，曝氣池容積V就要相應增大，在經(jīng)濟上不利。
　?、贛LSS過低，曝氣池中容易產(chǎn)生泡沫，為了防止泡沫，一般需保持2 kg/m3以上的污泥濃度。
　?、郛斘勰酀舛群艿蜁r，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混合的要求，勢必額外增加攪拌設備。MLSS也不能選得過高，主要是因為：
　　①要提高MLSS，必須相應增加污泥回流比，降低二沉池表面負荷，加長二沉池停留時間，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整體來考慮，為使造價和運行費用總價最低，污泥回流比通常限制在150%以內。對于一般城市污水，二沉池的回流污泥濃度通常為4～8 kg/m³，若按最高值約8 kg/m³計，回流比為150%時的曝氣池內MLSS為4.8kg/m³，實際設計中MLSS最高一般不超過4.5kg/m³。
　?、谖鬯男再|和曝氣池運行工況對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＞180 mL/g)，回流污泥濃度就會大大降低，MLSS就必須選擇低值。
　　根據(jù)以上分析，在選定MLSS時要照顧到各個方面：
　?、倌帻g長、污泥負荷低，選較高值；泥齡短、污泥負荷高，選較低值；同步污泥好氧穩(wěn)定時，選高值。
　　②有初沉池時選較低值，無初沉池時選較高值。
　?、跾VI值低時選較高值，高時選較低值。
　?、芪鬯疂舛雀邥r選較高值，低時選較低值。
　?、莺辖ǚ磻?如SBR)不存在污泥回流問題，選較高值或高值。
　?、藓怂銛嚢韫β适欠駶M足要求，如不滿足時要進行適當調整。
　　德國ATV標準對MLSS值規(guī)定了選用范圍，有硝化和無硝化時其MLSS值是一樣的，這不完全符合我國具體情況。我國城市污水污染物濃度通常較低，在無硝化(泥齡短)時如果MLSS值過高，有可能停留時間過短，不利于生化處理，故將無硝化時的MLSS值降低0.5kg/m³，推薦的MLSS值列于表2。

kg/m³

3.5泥齡法的優(yōu)缺點
　?、倌帻g法是經(jīng)驗和理論相結合的設計計算方法，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)驗的積累，因而更加準確可靠。
　　②泥齡法很直觀，根據(jù)泥齡大小對所選工藝能否實現(xiàn)硝化、反硝化和污泥穩(wěn)定一目了然。
　?、勰帻g法的計算中只使用MLSS值，不使用MLVSS值，污泥中無機物所占比重的不同在參數(shù)Y值中體現(xiàn)，因而不會引起兩者的混淆。
　?、苣帻g法中最基本的參數(shù)——泥齡θc和污泥產(chǎn)率系數(shù)Y都有變化幅度很小的推薦值和計算值，操作起來比選定污泥負荷值更方便容易。
　?、菽帻g法不像數(shù)學模型法那樣需要確定很多參數(shù)，使操作大大簡化。
　　⑥計算污泥產(chǎn)率系數(shù)Y值的方程式是根據(jù)德國的污水水質和實驗得出的，結合我國情況在應用時需乘以一個修正系數(shù)。

4　結論

　　①活性污泥工藝的設計計算方法有必要從污泥負荷法逐步向泥齡法過渡，最終過渡到數(shù)學模型法。在數(shù)學模型法實用化之前，泥齡法將發(fā)揮重要作用。
　　②按泥齡法計算用式(4)，該式與設計規(guī)范中的計算式相比，Nw與Nwv的轉換和污泥衰減的影響在Y值的計算中考慮，這樣理論意義更加清晰，使用起來更加方便。
　?、鄣聡鳤TV標準中推薦的泥齡選用數(shù)據(jù)(見表1)是根據(jù)有機物降解和微生物生長規(guī)律結合實
際經(jīng)驗產(chǎn)生的，不涉及污水的具體水質變化，在我國有實用價值。
　?、芪勰喈a(chǎn)率系數(shù)Y值的計算式(11)有充分的理論依據(jù)，但它是用德國污水實驗得出的，為了適用于我國，須乘以修正系數(shù)，修正后的計算式(13)可用于實際設計計算。
　?、軲LSS的取值在設計規(guī)范中有規(guī)定，但范圍較大，不太好操作，建議參照表2中的數(shù)據(jù)選用，相互對比檢驗。
　?、藿ㄗh對我國有一定代表性的城市污水進行實驗研究，推出自己的Y值計算方程式，使泥齡法的實用基礎更加扎實可靠。

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