活性污泥工艺的设计计算方法比较

活性污泥工艺的设计计算方法比较

活性污泥工艺的设计计算方法比较周传庭(上海市城市建设设计研究院，上海 2 0 0 1 2 5)摘要：活性污泥工艺的设计计算方法有污泥负荷法、泥龄法和数学模型法 3种。对这 3种设计方法的优缺点进行了比较， 并重点介绍了用数学模型法进行设计的方法。 关键词：污水处理；活性污泥工艺；污泥负荷法；泥龄法；数学模型法；设计中图分类号：X 7 0 3 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 4— 4 6 5 5( 2 0 0 8) S 1 - 0 0 3 5— 0 4

活性污泥工艺于 1 9 1 3年在英国试验成功以来已有近百年的历史。它具有较好的处理效果且管理方便， 因而在城市污水处理中得到广泛应用。在我国大约有8 0%以上的城市污水厂采用活性污泥工艺，但就目前运行的情况来看，城市污水处理还存在很多问题， 还要进一步对污水处理厂的设计进行研究。

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一

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式中： 为曝气池容积，i n ;Q为曝气池的设计流量，I n / h;L;为进水 B O D浓度，mg/ L; 为曝气池混合

液悬浮物固体平均浓度 ( ML S S ),k s/ m ;

为曝气池

污泥负荷，k g B O D/ ( k g ML S S d ); 为曝气池容积负荷，k g B O D/ ( m d )。 和是污泥负荷法的最主要的设计参数。它们的数值随着曝气类别和进水水质的不同而不同，变化幅度很大，只能按以往的设计经验进行取值. 我国

活性污泥工艺的设计计算方法有三种：污泥负荷法、泥龄法和数学模型法。污泥负荷法和泥龄法是我

国设计生物反应器的主要计算方法，也可以称之为传统设计计算方法。数学模型法是以国际水污染研究与控制协会 ( I A WP R C,国际水协的前身 )提出的活性污泥数学模型为基础的，包括 A S M1、A S M 2、A S M2 d和 AS M3 t卜钔。

规范对普通曝气推荐的数值为=

0 . 2 - 0 . 4 k g B O D/ ( k g ML S S‘ d )

: 0 . 4~ 0 . 9 k g B O D/ ( m d )

众所周知，污水厂的设计水平直接影

响着基建投资、后期运行费用以及污水处理效果，而污水厂设计计算方法选取得恰当与否决定着设计水平的高低。经过几十年的实践验证，传统设计方法的设计结果可靠，

从上面的推荐值可以看出，下，

和的最大值比

最小值大一倍多，当计算公式中其他数值不变的情况或的取值对曝气池的容积影响很大，大小相差一倍多，而曝气池的容积往往决定着污水厂的基

基本能够满足要求，但同时也暴露出很多缺点，值得环境工作者关注。数学模型法与传统设计方法相比，有着完善的理论支持，但在实际应用中还存在很多困难[ 5】。本文将分别对这三种设计计算方法的优缺点进行分析比较，并详细地介绍数学模型法的设计计算方法。

建费用。通过上面的计算公式可以得出， 或取值时小数点后取值微小的变化，经济上付出代价的差异却是巨大的。这也是污泥负荷法最大的缺点。 随着环境意识的提高，我国增加了对污水厂出水中氮、磷的要求；而用污泥负荷法进行设计时，只是

考虑了污水中 B O D,无法体现脱氮除磷过程，出水水质往往无法达标。 对于设计经验少的人在用污泥负荷法进行设计时还需注意单位不要混淆【 7】。规范中的的单

1污泥负荷法

污泥负荷法是目前国内外最流行的设计方法，以有机物污泥负荷为主要设计参数，属于经验设计方法。 成千上万个正在运行的污水处理厂都是依据该方法设计的，足以说明了污泥负荷法的可行性。

位是 k g B O D/ ( k g M L S S d ),而在很多设计手册中则是 k g B O D, ( k g ML v s s d ) i s, 9] o这两种单位相差很大，ML S S是包括无机悬浮物在内的污泥浓度， ML V S S则只是有机悬浮固体浓度。对于生活污水，

《室外排水设计规范》中推荐污泥负荷法的计算公式如下 I 6 1:收稿日期：2 0 0 8 . 0 9— 1 8

ML V S S= f * ML S S,转化系数，的范围为 0 . 7— 0 . 8【 8’ 9 1,, 的取值恰当与否也直接影响着设计结果。

活性污泥工艺的设计计算方法比较

中两盛暑缎2泥龄法

周传庭：活性污泥工艺的设计计算方法比较.

城建院论文增刊

的遗憾 u 。

泥龄法是以 L a w r e n c e— Mc C a r t y模式叫为基础的，

3 )传统设计方法没有反映出活性污泥工艺中生物.

属于理论与经验相结合的设计方法。与污泥负荷法相比，有一定的理论基础。

反应机理，缺少理论支持。存设计过程中只考虑了 B O D等简单的几个水质参数，而事实上污水中含有的污染物质是复杂多样的，如可分为易降解和难降解、

规范中推荐泥龄法的计算公式如下 f 6】:v一

2 4 Q CY ( L i— L h Jl O 0 0 N w￣【 l+ d )

,一

可溶性和不可溶性等[ 1 4 1 0污水中不同的水质组分比例对生物处理反应影响很大。许劲[ 以昆明市第二污】水处理厂为例说明，用污泥负荷法计算污水处理厂的排泥量时，由于没有考虑 S S的影响，导致设计排泥

式中：y为污泥产率系数 ( k g V S S/ k g B O D ),在 2 O c c, 有机物以 B O D 计时，其常数为 0 . 4~ 0 . 8。如处理系

统无初次沉淀池，J,值必须通过试验确定；三为曝气池出水 B O D浓度 ( mg/ L );Nw 为曝气池混合液挥发

量比实际排泥量小 1倍，而用 A S M2模型进行计算时，

计算值与实际值很接近。4 1传统设计方法只能对只有一个曝气池的传统活性污泥法进行计算设计，而目前为了使城市污水处理厂出水中的氮磷达到排放标准，新建的城市污水处理

性悬浮固体平均浓度 ( g V S S/ L );Kd为衰减系数 ( d ); 2 0￣ ( 2的常数值为 0 . 0 4一， 0 . 0 7 5;0 为污泥泥龄 ( d ),高负荷时为 0 . 2— 2 . 5,中负荷时为 5~ 1 5,低负荷时.为2 0-3 0。

厂大多采用几个反应器串连的改良活性污泥法 (例如 A / O),这时传统设计方法就无能为力了[ 1 6] o

泥龄法的重要之处在于，不仅可以计算反应池体积等必要的设计参数，而且强调了泥龄在污水厂设计运行中的重要作用。这样，通过调节泥龄就可以改变污水厂的出水水质，为污水厂的运行提供了一种便捷的手段。泥龄法以泥龄为主要设计

参数，但从上面可以看出，泥龄的取值范围很大，高负荷时的最大

5 )经过传统设计方法设计计算后，需要经过一系列的小试、中试试验，从设计到实际投产运行的周期长。耗费大量的人力、物力和财力。在国外，不少工程技术公司开始应用数学模型法研发新工艺，变“小试一中试一应用”传统研发模式为“小试一模拟一应用”这一现代研发模式 H”。 6 )传统设计方法是稳态设计，缺乏对系统动态过程的认识，一般只能采用增大安全系数的办法克服动态变化造成的影响。显而易见，这种方法设计的工艺

值比最小值大 l 2 . 5倍多。同时，y值的变化幅度达1 0 0%, 取值的。值的变化幅度达 8 7 . 5%,实际计算是很难. .

3传统设计方法存在的问题

已建成的污水处理厂运行实践证明，上述两种设计方法计算简单，成果可靠，可以保证污水处理厂出

流程不一定是最佳的，对系统控制问题的考虑也不够充分{。王闯[ 1 9 1在用 A S M模型设计污水厂时，对设计的工艺进行模拟，模拟结果表明稳态模拟出水 T N 浓度低于 1 5 m g/ L,而动态模拟出水 T N浓度却高于2 0 mg/ L。

水达到排放要求。但就目前运行的情况来看，城市污水处理厂的设计还存在很多问题：

1 )传统设计方法偏于安全、保守，增大了污水厂的基建费用以及后期的运行成本。例如成都市三瓦窑污水处理厂 B O D 为 2 0 0 m g/ L,而 1 9 9 3年 l~ 7月份

4数学模型法

本文数学模型法以 A S M1为例，介绍用活性污泥

的实际值为 1 4 4 . 2 9 mg/ L,实际值比设计值低，造成曝气池容积偏大 n“。蒋克彬[ 1 2 1等人指出一座设计处理规模为 4 0 0 0 0 m / d的污水处理厂，在实际运行中处理量只有 7 0 0 0 r l l / d,同时，进水水质浓度低。设计的两组 A , O系统和 4台鼓风机在实际运行中只用到 1组系统和 1台鼓风机，而且在曝气池中段取水样监测，就已经达到排放标准。

数学模型设计污水处理厂的方法。4 . 1 A SM1简介

A S M1主要特点是以 C OD物料平衡

为计算基础， 用矩阵形式描述浓度、反应速率、动力学参数和化学计量学系数之间的关系；描述了污水中好氧、缺氧条件下所发生的水解、有机物降解、微生物生长、衰减

等 8种反应，共有 5个化学计量系数和 l 4个动力学

2 )传统设计方法以经验为主，我国的设计规范中推荐的设计参数取值范围大，而这些参数的设定完全依靠经验，对设计经验少的人来说，参数的取值是一个很大的困难。如果说保守的设计只是带来无谓的投资的话。那经验不足的设计便会导致完工后无法补救

参数；共包括 1 3种水质组分，并把它们分为溶解性组分 (以 s表示 )和颗粒性组分 (以 x表示 )两大类。 在活性污泥系统里，每个组分的生物反应速度等于该组分在各个生物反应过程中的速度之和，用数学方程可表示：

活性污泥工艺的设计计算方法比较

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周传庭：活性污泥工艺的设计计算方法比较( 3 )

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此外，还假设颗粒性组分经过二沉池时占总悬浮固体的比例不变，则有：

l

式中：r 为A S M1矩阵中的第 i个组分在活性污泥系统中的生物反应速度； v ,为A S M1矩阵中的第 i个组

鲁 x:誓t

XI

、

( 9 )

分在第 .,个过程中的化学计量系数； ,为A S M1矩阵中的第，个生物反应过程基本速率的数学表达式。4 . 2设计方法

根据式 ( 7 )、( 8 )和( 9 )得出回流到反应器中颗粒

性i组分的含量为：

活性污泥系统的反应器物料平衡模式可用图 1表

Q o r’ j ( + ) Q o X f I l一赢“料平衡方程：

( 0 )

示。p表示污水流量；V表示曝气池的体积；c表示水质组分 (包括溶解性组分和颗粒性组分 );

把式 ( 1 O )代人式 ( 4 )中，可得到颗粒性组分的物

表示回流比；下标 0表示进水项；下标 f表示曝气池出水项；下标 e表示二沉池出水项；下标 W表示剩余污泥排出项；下标 r表示回流项；下标 i表示水质组分在 A S M1矩阵中的序号。

等- 9 g。 0 ‰ .厂一+ V r i程的方程组：

( 1¨ 1 )

对于稳态的活性污泥系统，物料平

衡方程等号左面的累积项为 0。由式 ( 5 )、( 6 )和( 1 1 )可得含 l 3个方

f o: ( S 0 . j— S f I ) Q 0+ V r ( 1, 2, 9, 1 0, 1 1, 1 3 ) { 0=【 Q o S 0, 8+ L a s w— J— Q o ￡ 8]+ 8 ( 1 2 ) lQ。 o’ j一面 . L f, i+ ( 3, 4, 5, 6, 7, )通过解上述方程组，可以进行污水处理厂的设计。图1曝气池物料平衡示惹图.

可以求得曝气池的体积，反应器内氧传输系数污泥龄 S RT,以及剩余污泥排出量△。

根据数学模型的建模原则 (即单位时间单位体积系统内组分的变化量，等于进入该系统的组分总量，减去离开该系统的组分总量，加上该组分的反应总量 ),则以反应器为边界的物料平衡方程：dC— =

A X= Q ∑:

3, 4, 5, 6, 7, 1 2 )

( 1 3 )

由上述可知，数学模型描述活性污泥系统生物反( 4 )

[《 c o,,+ R Q o C r, 一 ( 1+ R ) Q o C 0】+

应的运行过程和状态，全面考虑影响生物反应的各种水质组份，将各种生物反应过程有机地组合在一起。

Ul

对于完全混合反应器内中的溶解性组分，若假设 S L J= ￡ I,则式 ( 4 )变为— z=( S o,,一Sf d ) Q o+V rI l l

比传统的设计计算方法有了更好的理论基础。它解决了传统的设计计算方法只能对一个反应器进行分析计算的难题，可以多个反应器进行设计，只需多每个反应器进行物料平衡，求解含 1 3 * n ( n为反应器的个数 1 个方程的方程组。

d S

( 5 )

对于溶解氧，物料平衡应考虑人工曝气因素：dS—

=

Ul

s o 8+,

L a【 ( w一 8 J— O o S￣, 8】+ V r 8 ( 6 )

,

、

但是用数学模型进行设计，在国内还存在着困难。首先，A S M1包括 5个化学计量参数。1 4个动力学计量参数。虽然国外已给出了这些参数的参考值，

式中： L a为反应器内氧传输系数；C s w为反应器内混合液溶解氧饱和度。对于颗粒性组分，丘，的值应根据污泥

龄 ( S R T) 确定。为了简化计算，在这里做一系列假设。 对于二沉池，假设不发生生化反应，在稳态条件

但是由于这些参数有着地域性，随着污水水质的不同而不同，盲目套用国外的参数值肯定是不行的。其次，A S M1中 1 3种组分是无法从我国目前的常规检测数

下为了简化，又假设进人二沉池的所有颗粒性组分都得到了沉降，所以二沉池中的污泥由所有的颗粒性组分构成，同样可根据物料平衡，认为进入二沉池中颗粒性 i组分存在下面的关系：( 1+ )Q o Xf,￣=( R Qo+ )置f 污泥龄 . 可表示： ( 7 )

据中得到，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。 最后，数学模型计算复杂，尤其当对多个反应器进行设计时方程组中的方程个数巨大。5结语

S RT:

Q xI

.一

f 8 1

随着社会经济的发展，污水的排放量越来越大。同时，随着环境意识的提高，污水处理厂出水的标准

一

活性污泥工艺的设计计算方法比较

中国千放暑农

周传庭：活性污泥工艺的设计计算方法比较北京：中国建筑工业出版社。2 0 0 1: 9 6 .

城建院论文增刊

也在不断的提高，这就要求对污水处理厂设计进行大

【 8]于尔捷，张杰 .给水排水工程快速设计手册 (第 2册排水 f程 )【 M] .

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。由传统设计方法过渡到数学模型法是

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必然的趋势，但数学模型法在应用上存在很多困难， 环境工作者还需要做大量的研究工作，使其能够应用到生产实践中。

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窜蟹窜露辱晦审审国国睁睁岛窜每窜睁窜睁自窜国窜啦固嗡窜睁静窜每辞辞窜每印静窜睁窜窜睁窜画每国窜窜静睁每露每窜海窜静窜每蟹睁窜奇窜窜国窜每睁奇辞每窜辱国蟹奄每静窜

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关于发布国家标准《地下工程防水技术规范》的公告中华人民共和国住房和城乡建设部公告第 1 7 2号中华人民共和国住房和城乡建设部’

现批准《地下工程防水技术规范》为国家标准，编号为 G B 5 0 1 0 8— 2 0 0 8,自 2 0 0 9年 4月 1日起实施。其中，

第3 . 1 . 4、3 . 2 . 1、3 . 2 . 2、4 . 1 . 2 2、4 . 1 . 2 6 ( 1、2 )、5 . 1 . 3条 (款)为强制性条文，必须严格执行。原《地下 T程防水技术规范》G B 5 0 1 0 8— 2 0 0 1同时废止。本规范由我部标准定额研究所组织中国计划出版社出版发行。 中华人民共和国住房和城乡建设部二 o o八年十一月二十七日

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