活性污泥工艺的设计计算方法探讨.doc

活性污泥工艺的设计计算方法探讨摘要对活性污泥工艺的三种设计计算方法污泥负荷法泥龄法数学模型法的优缺点进行了评述建议现阶段推广采用泥龄法进行设计计算并对泥龄法基本参数的选用提出了意见关键词活性污泥工艺泥龄法污泥负荷法数学模型法设计计算活性污泥工艺是城市污水处理的主要工艺它的设计计算有三种方法污泥负荷法泥龄法和数学模型法三种方法在操作上难易程度不同计算结果的精确度不同直接关系到设计水平基建投资和处理可靠性正因为如此国内外专家都在进行大量细致的研究力求找出一种精确度更高而又便于操作的计算方法污泥负荷法这是目前国内外最流行的设计方法几十年来运用该法设计了成千上万座污水处理厂充分说明它的正确性和适用性但另一方面这种方法也存在一些问题甚至是比较严重的缺陷影响了设计的精确性和可操作性污泥负荷法的计算式为污泥负荷法是一种经验计算法它的最基本参数曝气池污泥负荷和曝气池容积负荷是根据曝气的类别按照以往的经验设定由于水质千差万别和处理要求不同这两个基本参数的设定只能给出一个较大的范围例如我国的规范对普通曝气推荐的数值为池容可以看出最大值比最小值大一倍以上幅度很宽如果其他条件不变选用最小值算出的曝气池容积比选用最大值时的容积大一倍或一倍以上基建投资也就相差很多在这个范围内取值完全凭经验对于经验较少的设计人来说很难操作这是污泥负荷法的一个主要缺陷污泥负荷法的另一个问题是单位容易混淆譬如我国设计规范中的单位是但设计手册中则是这两种单位相差很大是包括无机悬浮物在内的污泥浓度则只是有机悬浮固体的浓度对于生活污水一般如果单位用错算出的曝气池容积将差这种混淆并非不可能例如我国设计手册中推荐的普通曝气的为其数值和设计规范完全一样但单位却不同了设计中经常遇到不知究竟用哪个单位好的问题特别是设计经验不足时更是无所适从加上近年来污水脱氮提上了日程当污水要求硝化反硝化时取多少合适呢污泥负荷法最根本的问题是没有考虑到污水水质的差异对于生活污水来说和浓度大致有数与的比值也大致差不多但结合各地的实际情况来看城市污水一般包含甚至更多的工业废水因而污水水质差别很大有的值高达有的则低到不足有的污水值高达以上有的值比值还低污泥负荷是以为基础的其中有多大比例的有机物反映不出来对于相同规模相同工艺相同进水浓度的两个厂按污泥负荷法计算曝气池容积是相同的但当值差异很大时也相差很大实际的生物环境就大不相同处理效果也就明显不同了综上所述污泥负荷法有待改进因此国际水质污染与控制协会组织各国专家于年首次推出活性污泥一号模型简称年又推出了活性污泥二号模型简称数学模型法数学模型法在理论上是比较完美的但在具体应用上则存在不少问题这主要是由于污水和污水处理的复杂性和多样性即使是简化了的数学模式应用起来也相当困难从而阻碍了它的推广和应用到目前为止数学模型法在国外尚未成为普遍采用的设计方法而在我国还没有实际应用于工程仍停留在研究阶段数学模型法的主要问题是模型中有很多系数和常数中有个中有个它们都需要设计人员根据实际污水水质和处理工艺的要求确定具体数值其中多数要经过大量监测分析后才能得出而且不同的污水有不同的数值由于污水水质多变确定这些参数很困难如果这些参数有误就直接影响到计算结果的精确性和可靠性国外已经提出了这些参数的数值但我国的污水成分与国外有很大差别特别是污水中的有机物成分差别很大盲目套用国外的参数值肯定是不行的因此要将数学模型法应用于我国的污水处理设计必须组织力量监测分析各种污水水质确定有关参数才有可能把数学模型实用化然而从我国目前情况看数据分析和积累恰恰是最大的薄弱环节之一我国已运转的城市污水处理厂有上百座至今连一些最基本的数据都难以确定更不用说数学模型法所需的各种数据了显然要在我国应用数学模型法还需做大量的工作还需要相当长的时间泥龄法泥龄法的计算式设计规范中提出了按泥龄计算曝气池容积的计算公式设计规范对式中几个关键参数提出了推荐值有初沉池当水温变化时按下式修正式中温度系数高负荷取中负荷取低负荷取可以看出它们的取值范围都很宽值的变化幅度达值的变化幅度达值的变化幅度从到几倍实际计算时很难取值这也是泥龄法在我国难以推广的原因之一为了使泥龄计算法实用化笔者根据自己的设计体会建议采用德国目前使用的标准中的计算公式并对式中的关键参数取值结合我国具体情况适当修改实践证明按该公式计算概念清晰特别便于操作计算结果都能满足我国规范的要求不失为一种简单可信而又十分有效的设计计算方法其基本计算公式为式中污泥产率系数值是设计初始条件是反映原水水量水质和处理要求的在设计计算前已经确定泥龄是指污泥在曝气池中的平均停留时间其数值为式中剩余污泥量根据以上计算式采用泥龄法设计计算活性污泥工艺时只需确定泥龄剩余污泥量或污泥产率系数和曝气池混合液悬浮固体平均浓度即可求出曝气池容积与污泥负荷法相比它用泥龄取代或作为设计计算的最基本参数与数学模型法相比它只需测定一个污泥产率系数而不需测定或个参数数据泥龄的确定泥龄是根据理论同时又参照经验的累积确定的按照处理要求和处理厂规模的不同而采用不同的泥龄德国标准中单级活性污泥工艺污水处理厂的最小泥龄数值见表表德国标准中活性污泥工艺的最小泥龄处理目标处理厂规模无硝化有硝化设计温度有硝化反硝化有硝化反硝化污泥稳定不推荐注为反硝化池容与总池容之比表中对规模小的污水厂取大值是考虑到小厂的进水水质变化幅度大运行工况变化幅度大因而选用较大的安全系数泥龄反映了微生物在曝气池中的平均停留时间泥龄的长短与污水处理效果有两方面的关系一方面是泥龄越长微生物在曝气池中停留时间越长微生物降解有机污染物的时间越长对有机污染物降解越彻底处理效果越好另一方面是泥龄长短对微生物种群有选择性因为不同种群的微生物有不同的世代周期如果泥龄小于某种微生物的世代周期这种微生物还来不及繁殖就排出池外不可能在池中生存为了培养繁殖所需要的某种微生物选定的泥龄必须大于该种微生物的世代周期最明显的例子是硝化菌它是产生硝化作用的微生物它的世代周期较长并要求好氧环境所以在污水进行硝化时须有较长的好氧泥龄当污水反硝化时是反硝化菌在工作反硝化菌需要缺氧环境为了进行反硝化就必须有缺氧段区段或时段随着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龄要加长上述关系的量化已体现在表中无硝化污水处理厂的最小泥龄选择是针对生活污水的水质并使处理出水达到和确定的这是多年实践经验的积累就像污泥负荷的取值一样有硝化的污水处理厂泥龄必须大于硝化菌的世代周期设计通常采用一个安全系数以确保硝化作用的进行其计算式为式中满足硝化要求的设计泥龄安全系数取值范围通常取硝化菌世代周期硝化菌比生长速率式中设计污水温度北方地区通常取南方地区可取代入式得再代入式得计算所得数值与表中的数值相符表是德国标准但它的理论依据和经验积累具有普遍意义并不随水质变化而改变因此笔者认为可以在我国设计中应用在污泥负荷法中污泥负荷是最基本的设计参数泥龄是导出参数而在泥龄法中泥龄是最基本的设计参数污泥负荷是导出参数两者呈近似反比关系式中污泥产率系数是泥龄的函数污泥产率系数的确定采用泥龄法进行活性污泥工艺设计计算时准确确定污泥产率系数是十分重要的从式中看出曝气池容积与值成正比值直接影响曝气池容积的大小式给出了值和剩余污泥量的关系剩余污泥量是每天从生物处理系统中排出的污泥量它包括两部分一部分随出水排除一部分排至污泥处理系统其计算式为式中出水悬浮固体浓度排至污泥处理系统的剩余污泥量排至污泥处理系统的剩余污泥浓度剩余污泥量最好是实测求得从式可以看出对于正常运行的污水处理厂及值都不难测定这样就能求出和值问题在于设计时还没有污水处理厂只有参照其他类似污水处理厂的数值由于污水水质不同处理程度及环境条件不同各地得出的值不可能一样特别是很多城市污水处理厂由于资金短缺等原因运行往往不正常剩余污泥量的数值也测不准确这势必影响设计的精确性和可靠性从理论上分析污泥产率系数与原水水质处理程度和污水温度等因素有关首先污泥产率系数本来的含义是一定量降解后产生的由于是有机物降解产物这里的应该是即挥发性悬浮固体但污水中还有相当数量的无机悬浮固体和难降解有机悬浮固体它们并未被微生物降解而是原封不动地沉积到污泥中结果产生的将大于真正由降解产生的因此在确定污泥产率系数时必须考虑原水中无机悬浮固体和难降解有机悬浮固体的含量其次随着处理程度的提高污泥泥龄的增长有机物降解越彻底微生物的衰减也越多这导致剩余污泥量的减少至于水温是影响生化过程的重要因素水温增高生化过程加快将使剩余污泥量减少对于各种因素的影响可根据理论分析通过实验建立数学方程式其计算结果如经受住实践的检验就可用于实际工程德国已经提出了这样的方程式按这个方程式计算出的值已正式写进标准中式中进水悬浮固体浓度温度修正系数设计水温与前面的计算取相同数值可以看出值反映了污水中无机悬浮固体和难降解悬浮固体所占比重的大小如果它们占的比重增大剩余污泥量自然要增加值也就增大了值影响污泥的衰减值增长污泥衰减得多值相应减少温度的影响体现在值上水温增高值增大值减小也就是剩余污泥量减少这个方程式对我国具有参考价值由于我国的生活习惯与西方国家差异很大污水中有机物比重低有机物中脂肪比例低碳水化合物比例高因而产泥量也不会完全相同根据国内已公布的数据和笔者的经验我国活性污泥工艺污水处理厂的剩余污泥产量比西方国家要少因此式中须乘上一个修正系数一般取在目前缺乏我国自己的值计算式的情况下笔者认为采用式计算值是可行的的确定不管采用哪种设计计算方法都需要合理确定在其他条件不变的情况下增大一倍曝气池容就减小一倍减小一倍曝气池容就增大一倍它直接影响基建投资因此需要慎重确定在设计规范和手册中对值推荐了一个选用范围如普通曝气是延时曝气是变化幅度都比较大设计时不好操作为了选定合适的值有必要弄清影响它的因素不能选得过低主要有三个原因过低曝气池容积就要相应增大在经济上不利过低曝气池中容易产生泡沫为了防止泡沫一般需保持以上的污泥浓度当污泥浓度很低时所需氧量较少如过低池容增大单位池容的供气量就很小有可能满足不了池内混合的要求势必额外增加搅拌设备也不能选得过高主要是因为要提高必须相应增加污泥回流比降低二沉池表面负荷加长二沉池停留时间这就要求增大二沉池体积和回流污泥能耗把曝气池二沉池和回流污泥泵房作为一个整体来考虑为使造价和运行费用总价最低污泥回流比通常限制在以内对于一般城市污水二沉池的回流污泥浓度通常为若按最高值约计回流比为时的曝气池内为实际设计中最高一般不超过污水的性质和曝气池运行工况对有巨大影响如果污水中的成分或曝气池的工况有利于污泥膨胀污泥指数值居高不下如回流污泥浓度就会大大降低就必须选择低值根据以上分析在选定时要照顾到各个方面泥龄长污泥负荷低选较高值泥龄短污泥负荷高选较低值同步污泥好氧稳定时选高值有初沉池时选较低值无初沉池时选较高值值低时选较高值高时选较低值污水浓度高时选较高值低时选较低值合建反应池如不存在污泥回流问题选较高值或高值核算搅拌功率是否满足要求如不满足时要进行适当调整德国标准对值规定了选用范围有硝化和无硝化时其值是一样的这不完全符合我国具体情况我国城市污水污染物浓度通常较低在无硝化泥龄短时如果值过高有可能停留时间过短不利于生化处理故将无硝化时的值降低推荐的值列于表表推荐曝气池取值范围处理目标有初沉池无初沉池无硝化有硝化和反硝化污泥稳定