朱明權(quán)?
(Schueffl & Forsthuber Consulting)

　　摘要 闡述了利用COD指標(biāo)進(jìn)行活性污泥法系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要思想和過(guò)程，并建立一套用于硝化和反硝化的活性污泥法COD設(shè)計(jì)方法。大量實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，利用該法對(duì)系統(tǒng)剩余污泥量和耗氧量以及活性污泥的組成計(jì)算所得的結(jié)果要較傳統(tǒng)的BOD₅方法更為精確。
　　關(guān)鍵詞 COD 活性污泥法 設(shè)計(jì) 剩余污泥量 需氧量 硝化 反硝化。

　　活性污泥法是目前廢水生物處理的最主要方法，長(zhǎng)期以來(lái)活性污泥法均根據(jù)污水處理廠的進(jìn)、出水BOD₅指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于BOD₅指標(biāo)測(cè)定精度低、費(fèi)時(shí)耗力、其值也僅僅反映部分較易降解的有機(jī)物含量，故利用BOD₅指標(biāo)不能對(duì)整個(gè)處理系統(tǒng)建立物料平衡。隨著污水處理廠處理要求的不斷提高，活性污泥法系統(tǒng)的設(shè)計(jì)污泥齡將逐漸提高，故難降解和部分顆粒性有機(jī)物的水解程度也將有所提高，污水處理廠中實(shí)際所降解的有機(jī)物含量明顯高于進(jìn)水BOD₅所反映的含量。與之比，COD指標(biāo)測(cè)定簡(jiǎn)單、精度高且具可比性，能反映污水中所含的全部有機(jī)物，故利用COD指標(biāo)可以進(jìn)行物料衡算。
　　雖然COD指標(biāo)不能說(shuō)明污水中有機(jī)物的生物可降解性，但對(duì)污水廠出水或?qū)⑺畼雍突钚晕勰嘟?jīng)混合后進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間曝氣所得過(guò)濾液的COD以及對(duì)活性污泥增殖情況進(jìn)行分析，可以基本反饋入流污水COD中可降解和難降解物質(zhì)的含量比例，這就為利用COD指標(biāo)進(jìn)行污水廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了可能。據(jù)此，國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)(IAWQ)所建立的活性污泥1號(hào)和2號(hào)動(dòng)態(tài)模型也均采用COD指標(biāo)為基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代分析技術(shù)的飛速發(fā)展，快速COD測(cè)定方法以及在線COD測(cè)定儀(on-line)不斷應(yīng)用，對(duì)進(jìn)水COD 各個(gè)組分的分析技術(shù)及其在活性污泥法系統(tǒng)中動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化機(jī)理的認(rèn)識(shí)不斷提高，尤其是活性污泥法過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬方法不斷普及，可以認(rèn)為利用COD指標(biāo)進(jìn)行活性污泥法系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將呈不斷上升的趨勢(shì)。?

1 活性污泥法的COD設(shè)計(jì)方法

1.1 進(jìn)水水質(zhì)組成及其轉(zhuǎn)化過(guò)程
　　在利用COD指標(biāo)進(jìn)行活性污泥法系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，應(yīng)首先對(duì)進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行分析。主要包括測(cè)定水樣經(jīng)混合后的總COD濃度、水樣經(jīng)過(guò)濾后(濾紙孔隙直徑為0.45 μm)濾液的COD濃度(即水樣的溶解性COD濃度)、SS和VSS、進(jìn)水氮和磷濃度等。?
　　一般城市污水的水質(zhì)組成及其在活性污泥法系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化過(guò)程如圖1所示。
　　根據(jù)圖1，進(jìn)水總COD和各個(gè)組分之間的關(guān)系可用下式表示：
　　COD_t=COD_s+COD_p=COD_sb+COD_sub+COD_pb+COD_pub+X_Ho (1)?
　　式中　COD_t- -進(jìn)水有機(jī)物總量?
?　　　　CODs--進(jìn)水溶解性COD?
　　　　?COD--進(jìn)水顆粒性COD?
　　　　?COD_sb--可降解溶解性COD?
　　　　?COD_pb --可降解顆粒性COD?
　　　　?COD_sub --不可降解溶解性COD?
　　　　?COD_pub --不可降解顆粒性COD?
　　　　?X_Ho --異養(yǎng)微生物

　　進(jìn)水中包含有溶解性和顆粒性有機(jī)物質(zhì)。在COD_s中，COD_sb一般可以為異養(yǎng)微生物直接利用而使微生物得到增殖；COD_sub在整個(gè)處理過(guò)程中保持不變而將隨出水流出系統(tǒng)。

　　對(duì)于運(yùn)行效果良好的低負(fù)荷污水廠(如硝化污水廠)，污水中可降解的有機(jī)物已經(jīng)得到較為完全的去除，出水中殘余的溶解性有機(jī)物可以認(rèn)為基本上是由進(jìn)水中的溶解性不可降解有機(jī)物所引起，故從運(yùn)行良好的污水廠的出水溶解性COD值(扣除出水中顆粒性懸浮固體所引起的COD)基本上可以估計(jì)進(jìn)水中不可溶解性COD含量。對(duì)于新建污水廠，可以將原污水和活性污泥(取自于類似水質(zhì)的污水廠)混合后經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間曝氣，當(dāng)泥水混合液的過(guò)濾液COD濃度不再變化時(shí)測(cè)定其過(guò)濾液的COD濃度，藉此估計(jì)進(jìn)水中的溶解性不可降解有機(jī)物含量。
　　根據(jù)大量研究，一般以生活污水為主的城市污水中COD_sub含量為30～50 mgCOD/L左右。為方便計(jì)，進(jìn)水COD_sub濃度可用其所占進(jìn)水總COD的比例f_us求得：
　　COD_sub=f_us·COD_t 　　　(2)
　　一般城市污水的f_us值為5％～10％左右。根據(jù)所求得的COD_s濃度值和進(jìn)水COD_sub即可求得進(jìn)水COD_sb濃度：
　　COD_sb =COD_s-COD_sub 　　(3)?
　　在實(shí)踐上如缺乏COD_s數(shù)據(jù)，也可根據(jù)進(jìn)水中的SS和VSS濃度估計(jì)原污水的COD_p，然后根據(jù)COD_t濃度值求得COD_s。對(duì)于一般城市污水，VSS濃度所占比例f_vs=VSS/SS在0.7～0.8左右，VSS所產(chǎn)生的COD_p可由下式求得：
　　COD_p=f_cv·VSS 　　　　　(4)
　　一般城市污水的 f_cv值在1.48 mgCOD/mgVSS左右。
　　進(jìn)水中的顆粒性物質(zhì)分為有機(jī)和無(wú)機(jī)顆粒物，顆粒性有機(jī)物可再分為可降解、不可降解和微生物三個(gè)部分。COD_pub可根據(jù)其占進(jìn)水總COD的比例f_up求得：
　　COD_pub=f_up·COD_t 　　　　(5)
　　對(duì)于一般城市污水，f_up約在7％～20％左右。
　　進(jìn)水中所含異養(yǎng)微生物在進(jìn)入活性污泥法系統(tǒng)后將直接作為活性污泥參與生物過(guò)程。進(jìn)水異養(yǎng)微生物占COD_t濃度的比例f_H一般在10％～20％左右，據(jù)此可求得進(jìn)水中異養(yǎng)微生物的濃度為：
　　X_Ho=f_H·COD_t 　　　(6)
　　根據(jù)式(5)、(6)即可求得COD_pb的濃度：
　　COD_pb=COD_t-COD_s-COD_pub-X_Ho 　(7)
　　在上述整個(gè)水質(zhì)分析過(guò)程中，正確確定污水中所含有的可降解和不可降解有機(jī)物的比例對(duì)整個(gè)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有決定性的作用。實(shí)踐表明，當(dāng)污泥齡較大時(shí)，由于絕大部分顆粒性可降解有機(jī)物將得到較為徹底的水解而轉(zhuǎn)化為溶解性有機(jī)物，在此情況下，只要可降解有機(jī)物總量相同，可降解溶解性和顆粒性有機(jī)物的濃度劃分對(duì)利用COD指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)所得的結(jié)果相差不大；另外，研究表明把異養(yǎng)微生物所引起的COD濃度歸類為可降解顆粒性有機(jī)物時(shí)，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果也不會(huì)產(chǎn)生較大的影響。故水質(zhì)分析最為重要的是確定進(jìn)水中可降解和不可降解有機(jī)物的比例。根據(jù)大量研究，一般城市污水的污水組成可歸納總結(jié)于表1

1.2 剩余污泥的計(jì)算
　　在活性污泥法過(guò)程中，增殖的活性污泥和進(jìn)水中所含有的惰性固體有機(jī)物將以剩余污泥的形式排出系統(tǒng)，同時(shí)活性污泥在降解和增殖過(guò)程中不斷消耗氧氣。進(jìn)水中部分不可降解的或者尚未得到降解的COD將隨出水帶出系統(tǒng)。上述物料變化過(guò)程可用圖2表示：

　　利用COD指標(biāo)進(jìn)行活性污泥法工藝設(shè)計(jì)總的指導(dǎo)思想是對(duì)系統(tǒng)的COD建立下列物料平衡：

　　　　進(jìn)水COD(kg/d)=出水COD(kg/d)+剩余污泥COD(kg/d)+耗氧量(kgO₂/d) 　　　(8)

　　在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)鍵是先要正確求得系統(tǒng)所產(chǎn)生的剩余污泥量。如圖1所示，系統(tǒng)所產(chǎn)生的剩余污泥主要由以下幾部分組成。
　　① 生物降解、利用污水中的有機(jī)物所增殖的異養(yǎng)微生物X_Ho；對(duì)一般城市污水，硝化過(guò)程中利用無(wú)機(jī)碳源而合成的自養(yǎng)微生物X_A約占總污泥量的2％左右，對(duì)剩余污泥量的計(jì)算影響不大，為簡(jiǎn)單計(jì)，在本文中將不予考慮。?
　　② 絮凝吸附在活性污泥絮體表面和內(nèi)部而尚未得到水解的進(jìn)水中可降解顆粒性有機(jī)物X_P。?
　　③ 絮凝吸附在活性污泥絮體表面和內(nèi)部的進(jìn)水中不可降解顆粒性有機(jī)物以及活性污泥內(nèi)源呼吸所產(chǎn)生的惰性殘余物質(zhì)X_I。?
　　④ 絮凝吸附在活性污泥絮體表面和內(nèi)部的進(jìn)水中顆粒性無(wú)機(jī)物質(zhì)。?
　　根據(jù)圖1，當(dāng)曝氣池活性污泥濃度處于平衡狀態(tài)時(shí)，根據(jù)物料平衡可得下列各式：?
　　曝氣池活性污泥中的微生物濃度：

　　

　　式中　Q_d--日進(jìn)水流量，m³/d
　　　　　Y_H--污泥產(chǎn)率，mgCOD/mgCOD
　　　　　V--曝氣池容積，m³
　　　　　K_h,20--20 ℃時(shí)水解速率常數(shù)，d^-1?
　　　　　K_b,20--20 ℃時(shí)污泥衰亡速率常數(shù)，d^-1?
　　　　　f(T)--溫度修正系數(shù)，f(T)=e^{(T-20)×0.069}?
　　　　　d_X--設(shè)計(jì)污泥齡Θ_S，T的倒數(shù)，可理解為剩余污泥的排出率，d^-1

　　曝氣池活性污泥中可降解顆粒性有機(jī)物的濃度：

　　
　　式中　f_p--污泥內(nèi)源呼吸衰亡的微生物轉(zhuǎn)化為可降解有機(jī)物的部分

　　曝氣池活性污泥中不可降解顆粒性有機(jī)物的濃度：

　　X_I=(Q_d·NVSS₀+Q_d(2.5F_e+4.0A_l))/d_x·V　　　　　　　　(11)
　　式中　f_I--污泥內(nèi)源呼吸而衰亡的微生物轉(zhuǎn)化為不可降解有機(jī)物的部分

　　由上述三式即可求得曝氣池中活性污泥揮發(fā)性組分的濃度：
　　X_t=X_H+X_p+X_I 　　　　　　　　　(12)
　　習(xí)慣上，污泥濃度一般表示為懸浮固體濃度。在活性污泥法污水廠中的大量理論和實(shí)踐研究表明，1mgVSS的活性污泥相當(dāng)于1.48 mgCOD。故式(12)可表示為：
　　MLVSS=(X_H+X_P+X_I)/f_cv 　　　　(13)?
　　這里，fcv值為1.48mgCOD/mgVSS左右。?
　　曝氣池活性污泥中的非揮發(fā)性物質(zhì)NVSS的濃度：

　　NVSSX_I=(Q_d·NVSS₀+Q_d(2.5F_e+4.0A_l))/d_x·V　　　　　　　　(14)
　　式中 Fe、Al--同時(shí)除磷外加的鐵鹽或鋁鹽的濃度，mgFe³⁺/L或Al³⁺/L

　　2.5、4.0--污泥轉(zhuǎn)化系數(shù)
　　曝氣池中的活性污泥總濃度可由式(13)、(14)求得：?
　　MLSS=MLVSS+NVSS (15)?
　　由式(9)至(15)可求得一定曝氣池容積和污泥齡下的活性污泥總濃度以及活性污泥各個(gè)組分的濃度。計(jì)算時(shí)，可先設(shè)定一曝氣池容積V，然后求得曝氣池中活性污泥各個(gè)組分的濃度及其總的污泥濃度MLSS。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)處理工藝、污泥沉降性能、二沉池的分離能力等因素確定曝氣池中允許的污泥濃度MLSS。如根據(jù)所設(shè)定的曝氣池容積而求得的污泥濃度等于設(shè)計(jì)者所規(guī)定的值，則此曝氣池容積即為設(shè)計(jì)容積，否則重新設(shè)定曝氣池容積，重復(fù)上述過(guò)程。
　　根據(jù)曝氣池污泥濃度、曝氣池池容、污泥齡即可求得系統(tǒng)所排出的剩余污泥量：?
　　所排出的總污泥量
　　SP_t=MLSS·V/1000Θ_S,T　　　　　(16)
　　其中揮發(fā)性污泥量
　　SP_VSS=MLSS·V/1000Θ_S,T　　　　　(17)
　　折算到單位進(jìn)水COD的產(chǎn)泥量為：
　　SP_SS,COD=MLSS·V/(Q_d·COD_t·Θ_c)　　(18)
　　SP_VSS,COD=MLSS·V/(Q_d·COD_t·Θ_c)=1/(N_s·Θ_c)　　(19)
　　式中　N_S——COD污泥負(fù)荷
　　　　　N_S＝Q_d·COD_t/(MLVSS·V)[kgCOD/(kgMLVSS·d)]　　(20)
　　若剩余污泥量以COD計(jì)，則：
　　SP_COD=f_cv·SP_VSS
　　或　SP_COD=f_cv/N_S·Θ_c　　　　(21)

1.3 系統(tǒng)需氧量的計(jì)算?
　　根據(jù)圖2和式(8)的COD物料平衡，可以非常方便地求得活性污泥法系統(tǒng)活性污泥在代謝過(guò)程中所需的氧量：

　　耗氧量(kgO₂/d)=進(jìn)水COD-出水COD-剩余污泥COD =Q_d (COD_t-COD_eff)-SP_COD =Q_d(COD_t-COD_sub)-SP_COD(22)

　　式(22)中，出水COD濃度等于進(jìn)水溶解性不可降解COD濃度。如折算到單位進(jìn)水COD所需的氧量OC，則式(22)可轉(zhuǎn)化為：

　　OC_COD=[Q_d·(COD_t-COD_sub)-SP_COD]/(Q_d·COD_t)=(1-COD_sub/COD_t)-(SP_COD/Q_d·COD_t)=(1-f_us)-f_cv/(NS·Θ_c)　　(23)

　　在計(jì)算設(shè)計(jì)供氧量時(shí)，必須注意應(yīng)使所設(shè)計(jì)的供氧系統(tǒng)即使在水溫較高時(shí)也能滿足工藝要求。
　　如系統(tǒng)尚需進(jìn)行硝化和反硝化，則除氮所需氧量可由下式求得：?
　　OC_N=(4.6·N_e+1.7·N_D)/COD_t (24)?
　　式中?N_e--出水硝酸鹽氮濃度，mgNO₃-N/L
　　　　　N_D--系統(tǒng)中反硝化所去除的硝酸鹽氮濃度，mgNO₃-N/L?
　　系統(tǒng)總的需氧量：?
　　OC_t=OC_COD+OC_N (25)?
1.4 反硝化能力和反硝化區(qū)容積的確定?
　　參與反硝化的細(xì)菌是異養(yǎng)微生物。這類細(xì)菌在溶解氧存在時(shí)，將優(yōu)先利用溶解氧作為最終電子受體；在缺氧條件下(只有硝態(tài)氮存在而無(wú)自由溶解氧存在)，則將利用硝態(tài)氮中的氧作為最終電子受體。一般認(rèn)為約有75％的異養(yǎng)微生物有能力利用硝態(tài)氮中的氧進(jìn)行呼吸。為安全計(jì)，一般假定活性污泥在缺氧階段的呼吸速率將有所下降，其值約為好氧呼吸的80％左右，據(jù)此可求得活性污泥利用硝態(tài)氮中氧的能力(即反硝化能力)：

　　N_D/COD_t=0.8·(0.75·OC_COD/2.9)·(V_D/V)·a　　　　(26)
　　式中　　N_D/COD_t——反硝化能力，即利用單位進(jìn)水COD所能反硝化的氮量
　　　　　　V_D、V--反硝化區(qū)容積和曝氣池的總?cè)莘e，m³
　　　　　　a--修正系數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)采用前置反硝化工藝時(shí)，由于反硝化區(qū)內(nèi)基質(zhì)濃度提高，故活性污泥耗氧能力提高，需修正，其值為a=(V_D/V)^-0.235?。當(dāng)采用同時(shí)硝化/反硝化工藝時(shí)，a=1.0?
　　根據(jù)系統(tǒng)的進(jìn)水總氮濃度以及所要求達(dá)到的出水總氮濃度，可求得系統(tǒng)需硝化和反硝化的氮量，利用式(26)即可求得反硝化區(qū)所占曝氣池的容積比例V_D/V₀系統(tǒng)所需總的污泥齡Θ_S,T為：

　　Θ_S,T=Θ_S,T/(1-V_D/V) 　　　　(27)
　　式中　Θ_S,A——好氧污泥齡

　　滿足硝化所需的最低好氧污泥齡為

　　ΘS,A=(1/μ)·1.103^(15-T)·SF　　　　(28)
　　式中　μ——硝化菌比生長(zhǎng)速率，當(dāng)T=15 ℃時(shí)，?μ=0.47/d
　　　　　SF——安全系數(shù)，其值取決于污水廠規(guī)模。一般為保證出水氨氮濃度<5mg/L，SF值應(yīng)取2.3～3.0左右
　　　?　T--污水溫度， ℃?

2 設(shè)計(jì)舉例

　　一典型城市污水廠采用前置反硝化活性污泥法工藝，需達(dá)到深度脫氮要求，其日處理量為50000m³/d,設(shè)計(jì)小時(shí)最大流量為2 700m³/h，設(shè)計(jì)硝化反硝化水溫為12 ℃，供氧水溫為20 ℃。進(jìn)、出水水質(zhì)見(jiàn)表2。?
　　污水水質(zhì)各組分的COD濃度見(jiàn)表3。

　　設(shè)計(jì)時(shí)所采用的動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要參考國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)(IAWQ)提出的活性污泥法數(shù)學(xué)模型中所采用的參數(shù)值，再根據(jù)具體情況稍作修正，一般動(dòng)力學(xué)參數(shù)值見(jiàn)表4。

　　設(shè)計(jì)者可根據(jù)污泥沉降特性和二沉池的設(shè)計(jì)，確定曝氣池允許的活性污泥濃度，本例中曝氣池污泥濃度為3.3 gMLSS/L。
根據(jù)上述公式和進(jìn)、出水水質(zhì)要求以及有關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，即可用COD指標(biāo)進(jìn)行活性污泥法系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)編制一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)程序迅速地完成整個(gè)計(jì)算過(guò)程，其主要計(jì)算結(jié)果歸納于表5中。?

3 結(jié)論?

　　本文主要討論了以COD為指標(biāo)的設(shè)計(jì)基本原則，分析了各個(gè)有機(jī)組分在活性污泥法系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換過(guò)程和機(jī)理，在此基礎(chǔ)上建立了一套利用COD指標(biāo)進(jìn)行活性污泥法硝化反硝化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。利用此設(shè)計(jì)方法可以較為精確地計(jì)算所需曝氣池容積，系統(tǒng)中剩余污泥的產(chǎn)量，工藝所需耗氧量以及活性污泥的組成，對(duì)活性污泥法過(guò)程及其機(jī)理的理解也有一定的幫助。??

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　　作者簡(jiǎn)介：朱明權(quán) 男 35歲 碩士?
　　通訊處：C/O SFC Julius-Welser-str.15，A-5020 Salzburg Austria/Europe?
　　(收稿日期1998-12-21)