活性污泥法及其改良型工藝設(shè)計(jì)的探討

吳學(xué)深 陳平勝

摘 要：介紹了目前活性污泥法設(shè)計(jì)常用的幾種計(jì)算方法及優(yōu)缺點(diǎn)。重點(diǎn)闡述了利用COD指標(biāo)進(jìn)行活性污泥法脫氮設(shè)計(jì)的主要思想，給出了普通前置反硝化活性污泥法和改良型的多點(diǎn)多段式活性污泥法的設(shè)計(jì)實(shí)例，分析結(jié)果表明改良型多點(diǎn)多段式活性污泥法具有脫氮效率高、污泥產(chǎn)量少及運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，適用于城市污水處理的新建和改造項(xiàng)目。

關(guān)鍵詞：活性污泥法；COD；前置反硝化；多點(diǎn)多段

1 前言

活性污泥法是以活性污泥為主體的污水生物處理技術(shù)，自1914年在英國曼徹斯特建成試驗(yàn)廠開創(chuàng)以來，已有100余年的歷史，當(dāng)前仍然是生活污水及有機(jī)性工業(yè)廢水的主體處理技術(shù)。

2活性污泥法的計(jì)算方法和選擇

目前活性污泥的設(shè)計(jì)計(jì)算有三種方法：（1）污泥負(fù)荷法；（2）污泥齡法；（3）數(shù)學(xué)模型法。計(jì)算方法的選擇直接關(guān)系到污水實(shí)際處理效果，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)予以細(xì)致甄別。

2.1污泥負(fù)荷法

污泥負(fù)荷法是目前應(yīng)用最廣泛的計(jì)算方法，《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》和設(shè)計(jì)手冊(cè)給出了處理城鎮(zhèn)污水的生物反應(yīng)池的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)可參照規(guī)定取值，簡便實(shí)用。但在實(shí)際應(yīng)用過程中也存在不少問題，最主要的一點(diǎn)是規(guī)范給定的參數(shù)取值范圍過于寬泛，如A/O法規(guī)范推薦的污泥負(fù)荷為0.05～0.15kgBOD5/（kgMLSS.d），最小值和最大值相差2倍；混合液回流比推薦值為100%～400%，最小值和最大值相差3倍。盡管取值都滿足規(guī)范的要求，但不同的設(shè)計(jì)取值會(huì)造成池容相差很大，設(shè)備參數(shù)相去甚遠(yuǎn)的情況，不易操作。

2.2污泥齡法

污泥齡法是以污泥齡θc為基本參數(shù)的計(jì)算方法，作為另一種常用的計(jì)算方法，《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》和設(shè)計(jì)手冊(cè)也給出了主要設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范圍，相對(duì)于污泥負(fù)荷法，污泥齡法有充分的理論依據(jù)，直觀可靠，但也存在取值范圍太過籠統(tǒng)的不足，如缺氧/好氧法的污泥齡θc取值范圍為11～23d，脫氮速率Kde的取值范圍為0.03～0.06（kgNO3-N）/（kgMLSS.d），最大值和最小值相差一倍；另外在計(jì)算池容時(shí)，有使用MLVSS（規(guī)范6.6.11-2條），也有使用MLSS（規(guī)范6.6.18-1條），在使用過程中很容易混淆，以至于設(shè)計(jì)出現(xiàn)較大的偏差。

2.3數(shù)學(xué)模型法

活性污泥數(shù)學(xué)模型是國際水協(xié)采用矩陣的形式，通過描述活性污泥系統(tǒng)生物反應(yīng)的運(yùn)行過程和狀態(tài)而建立的模型，包括ASM1、ASM2和ASM3，模型全面考慮了影響生物反映的各種水質(zhì)組分，將各種生物反應(yīng)過程有機(jī)地組合在一起，較真實(shí)地反應(yīng)了活性污泥系統(tǒng)生物的反應(yīng)過程。由于數(shù)學(xué)模型法擺脫了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，嚴(yán)格遵循理論推導(dǎo)，使設(shè)計(jì)的精確性和可靠性顯著提高。但是數(shù)學(xué)模型建立的過程中需要確定水質(zhì)組成、動(dòng)力學(xué)和化學(xué)計(jì)量等大量參數(shù)，ASM系列模型的復(fù)雜性導(dǎo)致無法將完整的模型直接應(yīng)用于污水處理廠的設(shè)計(jì)、模擬和運(yùn)行控制。ASM模型的適當(dāng)修正和簡化一直是污水處理方面的熱點(diǎn)之一，但距離指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐還需要較長的時(shí)間。

3基于微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和物料平衡的污泥齡法

3.1以COD為指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)

長期以來活性污泥法都是根據(jù)污水處理廠的進(jìn)、出水BOD5為指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，由于BOD5僅能反應(yīng)部分較易降解的有機(jī)物含量，隨著污水處理廠處理要求的不斷提高，污泥齡也逐漸提高，部分顆粒性有機(jī)物和難降解有機(jī)物的水解程度有所提高，生化反應(yīng)過程中實(shí)際降解的有機(jī)物含量明顯高于BOD5的濃度。 而COD指標(biāo)測(cè)定簡單，精度高且具有可比性，以可生物降解的COD為指標(biāo)建立物料平衡更能清晰地反映有機(jī)物在降解過程中的轉(zhuǎn)化情況。

進(jìn)水COD、BOD5、溶解性COD（SCOD）、溶解性BOD5（SBOD5）、TSS、VSS、NH4-N、TN是可以通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定的。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，典型生活污水中最終生化需氧量（UBOD）與BOD5之比約為1.5，考慮到實(shí)驗(yàn)過程中部分有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物體，并不是全部被氧化，最終確定可降解的COD（bCOD）與BOD5之比約為1.6～1.7。

對(duì)于運(yùn)行良好的生化系統(tǒng)，不可生物降解的溶解性COD（nbsCOD）近似等于二沉池出水的溶解性COD，一般約為20～30g/m3。

3.2 普通活性污泥法計(jì)算過程

設(shè)計(jì)過程中所采用的動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要參考IAWPRC ASM I 模式中推薦的免誤數(shù)值。

（1）計(jì)算好氧污泥齡

由于硝化菌的生長比去除有機(jī)碳的異養(yǎng)菌慢得多，硝化速率將作為設(shè)計(jì)主要控制參數(shù)。根據(jù)硝化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)公式：

根據(jù)硝化比生長速率的定義，考慮一定的安全系數(shù)，好氧污泥齡為：

（2）計(jì)算每日活性污泥產(chǎn)量

（3）根據(jù)污泥齡的定義，求解好氧池池容：

（4）由生化池污泥平衡，計(jì)算污泥回流比：

（5）在好氧區(qū)產(chǎn)生的硝酸鹽等于出水中的硝酸鹽、內(nèi)回流中的硝酸鹽及回流活性污泥中的硝酸鹽三者之和。根據(jù)硝酸鹽物料平衡，計(jì)算混合液回流比：

（6）假定缺氧區(qū)水力停留時(shí)間，計(jì)算缺氧區(qū)進(jìn)水食微比：

對(duì)照比反硝化速率曲線圖，可得出對(duì)應(yīng)的比反硝化速率，進(jìn)一步可計(jì)算出缺氧區(qū)硝酸鹽的去除量：

將上述計(jì)算結(jié)果與返回缺氧區(qū)的硝酸鹽總量比較，

即認(rèn)為反硝化區(qū)池容量滿足設(shè)計(jì)要求，為安全起見，應(yīng)考慮15%的安全余量。若缺氧區(qū)硝酸鹽去除量小于回流硝酸鹽量，則需要重新假定缺氧區(qū)水力停留時(shí)間，試算至滿足要求為止。

4改良型多點(diǎn)多段活性污泥法的工藝設(shè)計(jì)

4.1活性污泥法的發(fā)展

隨著我國對(duì)水環(huán)境治理的日益重視，相應(yīng)的污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)也隨之提高。國標(biāo)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)對(duì)COD、BOD、NH4-N和TN的限值為50mg/L、10 mg/L、5 mg/L和15 mg/L；國內(nèi)某些發(fā)達(dá)地區(qū)如北京市出臺(tái)了地方標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB11/890-2012），其中規(guī)定出水排入Ⅳ、Ⅴ類水體的新（改、擴(kuò)）建城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行B標(biāo)準(zhǔn)，COD、BOD、NH4-N和TN的限值為30mg/L、6 mg/L、1.5 mg/L和15 mg/L，對(duì)比可知出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提升的幅度很大。為適應(yīng)不斷提高的排放標(biāo)準(zhǔn)，活性污泥法工藝也在不斷的完善和發(fā)展，在傳統(tǒng)活性污泥工藝的基礎(chǔ)上衍生出多種改良型工藝，多點(diǎn)多段式活性污泥法也是衍生工藝之一，通過對(duì)池型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用多點(diǎn)進(jìn)水技術(shù)將污水分配到各段生物池中，使其形成交替的多段缺氧/好氧環(huán)境，強(qiáng)化了生物脫氮的效果。處理工藝如下圖所示：

4.2 多點(diǎn)多段式活性污泥法計(jì)算過程

4.2.1確定各段池容積進(jìn)水流量分配

反應(yīng)池分段的數(shù)量和容積對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、脫氮效率有著非常重要的作用。反應(yīng)池分段越多，脫氮效率越高，系統(tǒng)越穩(wěn)定，但是工藝設(shè)計(jì)與運(yùn)行也隨之變得復(fù)雜，故根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)和出水要求，設(shè)計(jì)多采用2～4段。反應(yīng)區(qū)總?cè)莘e可與普通活性污泥法反應(yīng)區(qū)容積相同，均分為4段。同時(shí)參照德國ATV-DVWK規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)中反硝化缺氧池容積比例的推薦值，每段缺氧和好氧容積比例為3：7。

進(jìn)水流量的分配一般有三種方式：①等負(fù)荷流量分配；②最優(yōu)流量分配法；③末端集中進(jìn)水法。其中最優(yōu)流量分配法可以優(yōu)化對(duì)進(jìn)水碳源的利用，尤其適用于高C/N的污水。如4段式反應(yīng)池進(jìn)水比例分配宜為1：4：3：2。

4.2.2確定回流污泥濃度及每段通道內(nèi)MLSS濃度

4.2.3根據(jù)物料平衡，計(jì)算好氧SRT

聯(lián)立上述方程，采取連續(xù)迭代法解出SRT，并進(jìn)一步求出每條通道內(nèi)的生物體和硝化菌濃度。

4.2.4計(jì)算每段通道內(nèi)的被氧化的NH4-N的數(shù)量和每段出水NH4-N濃度

根據(jù)每段通道內(nèi)的NH4-N的平衡可知，對(duì)四條通道列方程：

聯(lián)立上述方程，采取連續(xù)迭代法解出N1～N4，并進(jìn)一步判斷每段通道的硝化能力能否滿足出水NH4-N的排放要求。

4.2.5求每段通道缺氧池中硝酸鹽的去除量NOx去除

計(jì)算每段通道內(nèi)的食微比F/Mb，并對(duì)照比反硝化速率曲線，求出每段通道內(nèi)的比反硝化速率SDNR，從而求出每段通道內(nèi)硝酸鹽的去除量NOx去除。

4.2.6根據(jù)硝酸鹽平衡計(jì)算出水硝酸鹽濃度

進(jìn)入每段通道內(nèi)的硝酸鹽的總量，等于前一段通道硝化生成硝酸鹽的數(shù)量加上回流或前一段缺氧池未被去除的硝酸鹽數(shù)量。硝酸鹽總量減去每段通道缺氧池反硝化去除的硝酸鹽的數(shù)量即為每段通道出水硝酸鹽數(shù)量。

5結(jié)論

（1）本文針對(duì)目前常用的活性污泥設(shè)計(jì)方法的不足，主要討論了基于微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和物料平衡的污泥齡計(jì)算法，以COD為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，分析各污染物組分在活性污泥法系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換過程。主要?jiǎng)恿W(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)參照IAWPRC ASM I 模式中推薦的免誤數(shù)值，人為主觀因素較少，克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要參數(shù)取值范圍過大的不足，不僅可以較為精確地計(jì)算出所需池容、剩余污泥排放量、需氧量，還能分析活性污泥的組成，對(duì)活性污泥法的設(shè)計(jì)及污泥生化系統(tǒng)的運(yùn)行都有一定的幫助。

（2）相對(duì)于普通前置反硝化活性污泥法，改進(jìn)型多點(diǎn)多段活性污泥法在相同池容和污泥回流比的條件下，具有排泥量少、脫氮效率高、無需硝化液回流，運(yùn)行費(fèi)用低、運(yùn)行方式靈活，承受沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，適用于城市污水處理廠的新建和改造工程。

參考文獻(xiàn)

[1]王洪臣.百年活性污泥法的革新方向[J].給水排水.2014（10）：1-3.