活性污泥工藝的設計計算方法探討

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摘要： 對活性污泥工藝的三種設計計算方法：污泥負荷法、泥齡法、數學模型法的優缺點進行瞭評述，建議現階段推廣采用泥齡法進行設計計算，並對泥齡法基本參數的選用提出瞭意見。 關鍵詞： 活性污泥工藝 泥齡法 污泥負荷法 數學模型法 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，國內外專傢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於操作的計算方法。 1　污泥負荷法　　污泥負荷法的計算式為［1］：　　污泥負荷法是一種經驗計算法，它的最基本參數Fw(曝氣池污泥負荷)和Fr(曝氣池容積負荷)是根據曝氣的類別按照以往的經驗設定，由於水質千差萬別和處理要求不同，這兩個基本參數的設定隻能給出一個較大的范圍，例如我國的規范對普通曝氣推薦的數值為： 　　　　Fw=0.2～0.4 kgBOD/(kgMLSSd) 　　　　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驗，對於經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。　　數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，這主要是由於污水和污水處理的復雜性和多樣性，即使是簡化瞭的數學模式，應用起來也相當困難，從而阻礙瞭它的推廣和應用。到目前為止，數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於工程，仍停留在研究階段。3　泥齡法　　設計規范中提出瞭按泥齡計算曝氣池容積的計算公式［1］：　　設計規范對式中幾個關鍵參數提出瞭推薦值：　　當水溫變化時，按下式修正：　　　　Kdt=Kd20(θt)t-20　　　　　　　　　　　　　　(3) 　　式中　　θt——溫度系數，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　　為瞭使泥齡計算法實用化，筆者根據自己的設計體會，建議采用德國目前使用的ATV標準中的計算公式，並對式中的關鍵參數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，特別便於操作，計算結果都能滿足我國規范的要求，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——污泥產率系數(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，在設計計算前已經確定。　　泥齡θc是指污泥在曝氣池中的平均停留時間，其數值為：　　式中　W——剩餘污泥量，kgSS/d　　　　W=24QY(Lj-Lch)／1000　　　　　　　　　　　　　(6) 　　根據以上計算式，采用泥齡法設計計算活性污泥工藝時，隻需確定泥齡θc、剩餘污泥量W(或污泥產率系數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，與數學模型法相比，它隻需測定一個污泥產率系數Y，而不需測定13或19個參數數據。 3.2泥齡的確定 　　泥齡是根據理論同時又參照經驗的累積確定的，按照處理要求和處理廠規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值見表1。 表1　　德國標準中活性污泥工藝的最小泥齡VD/V=0.415111316 有硝化、反硝化、污泥穩定 25 不推薦 註　VD/V為反硝化池容與總池容之比。　　式中θ　c——滿足硝化要求的設計泥齡，d　　　　　　F——安全系數，取值范圍2.0～3.0，通常取2.3 　　　　　　1/μo——硝化菌世代周期，d 　　　　　　μo——硝化菌比生長速率，d-1　　式中　T——設計污水溫度，北方地區通常取10 ℃，南方地區可取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　　計算所得數值與表1中的數值相符。　　表1是德國標準，但它的理論依據和經驗積累具有普遍意義，並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。　　式中污泥產率系數Y是泥齡θc的函數。 3.3污泥產率系數的確定 　　采用泥齡法進行活性污泥工藝設計計算時，準確確定污泥產率系數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)給出瞭Y值和剩餘污泥量W的關系，剩餘污泥量是每天從生物處理系統中排出的污泥量，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，其計算式為： 　　　　W=24QNch／1000+QsNs　　　　　　　　　　　　　　　(10) 　　式中　　Nch——出水懸浮固體濃度，mg/L 　　　　　　Qs——排至污泥處理系統的剩餘污泥量，m3/d　　　　　　Ns——排至污泥處理系統的剩餘污泥濃度，kg/m3　　剩餘污泥量最好是實測求得。從式(10)可以看出，對於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。問題在於設計時還沒有污水處理廠，隻有參照其他類似污水處理廠的數值。由於污水水質不同，處理程度及環境條件不同，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於資金短缺等原因，運行往往不正常，剩餘污泥量W的數值也測不準確，這勢必影響設計的精確性和可靠性。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，這導致剩餘污泥量的減少。至於水溫，是影響生化過程的重要因素，水溫增高，生化過程加快，將使剩餘污泥量減少。對於各種因素的影響，可根據理論分析通過實驗建立數學方程式，其計算結果如經受住實踐的檢驗，就可用於實際工程。德國已經提出瞭這樣的方程式，按這個方程式計算出的Y值已正式寫進ATV標準中。　　式中　Nj ——進水懸浮固體濃度，mg/L　　可以看出，Nj/Lj值反映瞭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，剩餘污泥量自然要增加，Y值也就增大瞭。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。溫度的影響體現在FT值上，水溫增高，FT值增大，Y值減小，也就是剩餘污泥量減少。　　這個方程式對我國具有參考價值。由於我國的生活習慣與西方國傢差異很大，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，因而產泥量也不會完全相同。根據國內已公佈的數據和筆者的經驗，我國活性污泥工藝污水處理廠的剩餘污泥產量比西方國傢要少，因此，式(11)中須乘上一個修正系數K：　　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。 　　在設計規范和手冊中，對MLSS值推薦瞭一個選用范圍，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。為瞭選定合適的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：　　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。對於一般城市污水，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。 　　②污水的性質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於污泥膨脹，污泥指數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。　　②有初沉池時選較低值，無初沉池時選較高值。 　　③SVI值低時選較高值，高時選較低值。　　④污水濃度高時選較高值，低時選較低值。 　　⑤合建反應池(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，如不滿足時要進行適當調整。　　德國ATV標準對MLSS值規定瞭選用范圍，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，不利於生化處理，故將無硝化時的MLSS值降低0.5kg/m3，推薦的MLSS值列於表2。 表2　推薦曝氣池MLSS取值范圍 kg/m3 處理目標 MLSS 有初沉池 無初沉池 無硝化 2.0～3.0 3.0～4.0 有硝化(和反硝化) 2.5～3.5 3.5～4.5 污泥穩定 4.5 3.5泥齡法的優缺點 　　①泥齡法是經驗和理論相結合的設計計算方法，泥齡θc和污泥產率系數Y值的確定都有充分的理論依據，又有經驗的積累，因而更加準確可靠。　　④泥齡法中最基本的參數——泥齡θc和污泥產率系數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。 　　⑤泥齡法不像數學模型法那樣需要確定很多參數，使操作大大簡化。 　　⑥計算污泥產率系數Y值的方程式是根據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。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，最終過渡到數學模型法。在數學模型法實用化之前，泥齡法將發揮重要作用。 　　②按泥齡法計算用式(4)，該式與設計規范中的計算式相比，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。 　　③德國ATV標準中推薦的泥齡選用數據(見表1)是根據有機物降解和微生物生長規律結合實 際經驗產生的，不涉及污水的具體水質變化，在我國有實用價值。 　　④污泥產率系數Y值的計算式(11)有充分的理論依據，但它是用德國污水實驗得出的，為瞭適用於我國，須乘以修正系數，修正後的計算式(13)可用於實際設計計算。　　⑤MLSS的取值在設計規范中有規定，但范圍較大，不太好操作，建議參照表2中的數據選用，相互對比檢驗。 　　⑥建議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紮實可靠。 參考文獻：　　［1］GBJ 14—87，室外排水設計規范［S］. 　　［2］給排水設計手冊［M］.北京：中國建築工業出版社，1986.　　［4］汪慧貞，吳俊奇.活性污泥數學模型的發展和使用［J］.中國給水排水，1999，15(5)：20-21. 　　［5］楊青，甘樹應，陳季華，等.活性污泥3號模型(ASM3)簡介［J］. Tags:禮品,souvenir,贈品,文具,紀念品,環保,環保袋批發,禮品訂造,筆,餐具,帆布袋,canvas bag,獎座,毛巾,水樽,袋,recycle bag,環保袋,tote bag,shopping bag,bag,傘,gift,gifts,premium,cup,stationery,folder,pen,USB,禮品,souvenir,贈品,文具,紀念品,環保,環保袋批發,禮品訂造,筆,餐具,帆布袋,canvas bag,獎座,毛巾,水樽,,網頁設計,seo,,Web Design