孫力平 王 蕾
天津城市建設學院市政與環境工程系

　　在活性污泥系統中充分利用了固液分離技術。目前人們已經把二沉池與生物反應器以及污泥回流系統視為一個處理單元。
　　設計任何固液分離系統都有以下一些基本因素需要考慮：
　　需要固液分離的原因，要求達到的分離程度以及分離后液、固體去向；
　　經濟方面，包括基建費用和效益；
　　工藝、運行和設備的可靠性；
　　運行方式和處理效果。
　　二沉池是以沉淀、去除生物處理過程中產生的污泥獲得澄清的處理水為其主要目的。二沉池有別于其它沉淀池，其作用一是泥水分離（沉淀）、二是污泥濃縮，并因水量、水質的時常變化還要暫時貯存活性污泥。
　　通常處理系統的建設費用是和系統處理構筑物的容積大小成正比的，所以二沉池的設計計算是否合理，直接影響到整個生物處理系統的運行處理效果和建設費用的大小。
　　一般二沉池有輻流式、平流式、豎流式三種形式，池型有圓形、方形。在過去多年中，對沉淀池的研究較為欠缺，不同的國家，不同的設計單位（水處理公司）都有自己的標準或方法，這些技術并不總是有明確的理論論證，常常也會發生矛盾。
　　目前世界范圍內都要求在經濟負荷下，提高出水質量標準，由此對沉淀池的作用進行了重新研究，并對過去已經承認了的參數產生了疑問。

1　影響二沉池運行設計的幾個主要因素

　　二沉池運行過程中的影響因素很多，其中有些因素甚至是相互矛盾的。在沉淀過程中的影響因素有：（1）污水：流量、水溫；（2）沉淀池：表面積和出流量、池高度、溢流堰長度地點和負荷、進水形式、池型、污泥收集系統、水力條件、水波和自然風影響；（3）污泥：負荷、區域沉淀速度、污泥體積指數、硝化程度；（4）生物處理情況：活性污泥模式、BOD負荷；
　　在濃縮過程中的影響因素有：（1）污水：混合液流量；（2）池體：池表面積、池高、污泥收集系統；（3）污泥：沉速（ZSV）、SVI、混合液濃度和負荷、回流比、污泥槽高度。
　　欲獲得滿意的二沉池運行效果，就必須適當的滿足二沉池運行的諸多的條件，就目前研究的情況，設計中主要考慮因素有如下幾點：
1.1　活性污泥的沉降性能
　　在生物處理系統中，活性污泥的特性，特別是污泥的沉降性能，直接影響著二沉池的工藝設計與運行。
　　衡量活性污泥沉降性能的參數有二個：一是污泥指數SVI（mL/g）；二是污泥沉降比：SV%。
　　SVI的物理意義是：曝氣池出口混合液經30min靜沉后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占的容積（mL）。
　　SV%又稱30分鐘沉降比，混合液在量筒內靜置30 分鐘后所形成的沉淀污泥的容積占原混合液容積的百分率。
　　SVI、SV%與混合液污泥濃度MLSS（g/L）之間有下列關系：
　　SVI=SV / MLSS （mL/g）　　　　 （1-1）
　　或　SV=SVI×MLSS （mL/L）
　　SVI值能反應出活性污泥的凝聚、沉淀性能，過低說明泥粒細小，無機物含量高，污泥缺乏活性；過高則說明污泥沉降性能不好，并具有產生膨脹現象的可能。其沉降性能一般區別如下：
　　SVI< 100 沉降性能好；
　　100 < SVI< 200 沉降性能一般；
　　SVI > 200 沉降性能不好。
　　從式（1-1）可看出：要想獲得適當的SVI值，則需在設計時選用適當的污泥濃度（MLSS）值，當進入生物反應器中的有機物量一定時，污泥濃度愈高，則污泥負荷（F/M）愈小，所以在設計時必須正確選擇污泥負荷(F/M)。
　　污泥濃度（MLSS）、污泥負荷（F/M）與曝氣池體積（V）之間有下列關系：
　　F/M= Q·S₀/V·MLSS
　　式中: Q — 污水流量(m³/h)；
　　　　　S₀— BOD₅濃度(kg/m³)；
　　　　　V — 曝氣池體積m³。其它同前。
　　在設計中一般根據污泥負荷（F/M）選擇確定污泥指數（SVI），此數據一般采用運行值或試驗值，可根據表1選取，混合液污泥濃度可根據處理工藝從表2中選取。

表1 污泥指數值 數據污水種類 SVI ml/g F/M > 0.05 kg/(kg·d) F/M < 0.05kg/(kg·d) 混有少量有機工業廢水的生活污水 100-150 75-100 混有大量有機工業廢水的生活污水 150-180 100-150

表2 曝氣池混合液污泥濃度值 處理工藝 MLSS(kg/m³) 帶初沉池 無初沉池 無硝化有硝化（和反硝化）除 磷 2.5-3.53.0-3.52.7-3.0 3.5-4.53.5-4.5/

　　對大多數廢水, F/M在下述范圍內: 0.3<F/M<0.6。
1.2回流污泥、回流比、回流污泥濃度、濃縮時間
　　在生物處理系統中必須保持足夠且恒定的生物群體，因此在二沉池中所沉淀的生物固體（污泥）一部分必須返回到曝氣池，另一部分從二沉池中排放掉。返回到曝氣池的生物量，是用來維持系統所要求的污泥濃度，降解進入系統中的有機物質。有機物越多，需要的生物量越大，要想維持系統所要求的污泥濃度，就必須保證回流污泥的量。
　　在生物系統物料平衡中有如下關系式存在：
　　X= X_r·R/(1+R)
　　式中：R ---污泥回流比%；
　　　　　X_r---回流污泥濃度kg/m³；
　　　　　X ---混合液污泥濃度MLSS kg/m³
　　由此式可看出:（1）想要得到預期的X（MLSS）值,就必須保證有一定的回流污泥濃度和回流污泥量；（2）X<Xr。回流污泥量，一般用回流比控制。對于平流式和輻流式二沉池一般采用R≤1.5;豎流式沉淀池R≤2.0，因為較大的回流比會加大二沉池分離區紊動程度，而影響沉淀過程。
　　回流污泥濃度在很大程度上與活性污泥的性質和二沉池內污泥濃縮條件有關，活性污泥的濃縮性能不僅取決于SVI，還受到濃縮區高度、停留時間的影響。濃縮區的高度和停留時間與下列因素有關：固體負荷；二沉池進、配水方式；刮泥機種類與性能；污泥回流量及二沉池的池型等。
　　在我國一般認為，混合液在量筒中沉淀30min后形成的污泥濃度基本上可代表混合液在二沉池所形成的污泥濃度，也即為回流污泥濃度。回流污泥濃度（X_r）與SVI之間有下列關系：
　　X_r=r·10⁶/SVI　　（mg/l）
　　式中的r是考慮污泥在二沉池中的停留時間、池深、污泥層厚度等因素有關的系數，一般取1.2左右。
　　德國在二沉池豎向設計中研究較多，并提出了二沉池底流污泥濃度（X_B）與濃縮時間（t_E）之間的關系式：
　　X_B=(10³/SVI)·(t_E)^1/3 　（kg/m³）
　　式中：SVI—污泥指數（L/kg）；
　　　　　t_E—污泥濃縮時間（h）。
　　由此式看：污泥濃縮時間越長，底流污泥濃度則越高，回流污泥濃度越高，回流比R則可越小；另一方面活性污泥在二沉池濃縮區和刮泥區的停留時間應盡可能短，以免二沉池內污泥中的磷再次釋放以及因脫氮而造成的污泥上浮現象。但是要精確的確定最佳濃縮時間和影響系數，還要做大量的研究工作。
　　濃縮時間的確定對二沉池的計算特別重要，設計可根據表3經驗數據選取:

表3 濃縮時間取值表 處理工藝 濃縮時間（h） 傳統活性污泥法 1.5-2.0 生物脫氮活性污泥法 1.0-2.0 生物除磷活性污泥法 1.0-1.5

　　回流污泥濃度因受刮泥系統的影響,其濃度一般低于底流濃度,其減少值與所采用的刮泥系統有關。
　　采用刮泥時：X_r≌0.7X_B
　　采用吸泥時：X_r≌0.5-0.7X_B
　　以上二式適用于機械刮吸泥式二沉池。
1.3　污泥體積負荷和表面負荷
　　污泥體積負荷（q_v）和表面負荷q′是設計計算二沉池表面積的參數。二者有如下關系：
　　q′=q_v/(MLSS×SVI)
　　在處理水量一定時，沉淀池表面面積與表面負荷成反比,A=Q/q′，為了保持較低的出水SS值和BOD值,我國《室外排水設計規范》GBJ14-87(1997)中規定活性污泥法二沉池表面水力負荷1.0-2.5m³/(m².h)，德國對水平流態的二沉池（平流、輻流二沉池）規定：q′≯1.6 m³/(m².h)；q_v≦0.45m³/(m²·h)，對豎流式沉淀池，因存在著污泥層的過濾作用和活性污泥的絮凝作用，污泥體積負荷較大q′≯2.0m³/(m².h)、q_v≦0.6m³/(m²·h)。

2　目前國內二沉池常用計算方法

2.1　二沉池表面積計算方法
　　計算二沉池沉淀部分水面常用方法有表面負荷法和固體通量法，固體通量法在理論上與污泥濃縮過程更為貼切，更是用于濃縮池的計算。
　　在許多沉淀池的設計計算中，依據試驗測得的污泥沉降曲線給人以精確和復雜的印象，但對于大多數的設計來說，并沒有條件對處理工藝所生成的污泥進行沉降試驗，因此二沉池的設計一般都采用經驗值。
　　一般設計中沉淀池的面積確定在我國簡化為A =Q/q′，《室外排水設計規范》中不僅規定了表面水力負荷值，而且規定了二沉池的徑深比。
　　英國WRC出版的TR11和TR144(STOM用戶手冊)對于面積計算都很簡單，且為工藝核查提供了圖表，使沉淀池面積計算大為簡化，同時，此表格還是一種比較沉淀池運行情況的方法，通過表格也可清楚的看到沉淀池微小變化影響著MLSS和SVI。
2.2　二沉池的高度設計
　　我國目前《室外排水設計規范》規定，沉淀池的有效水深宜采用2-4米，設計手冊和教科書對二沉池高度設計，只作了二沉池有效水深和二沉池污泥區容積計算二項描述。
　　有效水深按沉淀時間計算，一般沉淀時間取1-1.5h。而污泥區容積按2h貯泥量計算。
　　事實上這一規定是無法進行二沉池高度的詳細計算的，例如：污泥區與池邊高度的關系。
　　國內某些設計研究院對輻流式二沉池總高度計算采用：超高、有效水深、緩沖層高度、刮泥板高度、沉淀池底錐體部分高度之和。其中有效水深計算沉淀時間一般采用3小時，水力表面負荷采用我國設計規范所規定的1-1.5m³/m².h。緩沖層高度取0.5米。（除去池底錐體部分高度，其它均為池邊深度）在生產運行中取得良好效果。
　　英國WRC設計最大的缺陷同樣是缺少沉淀池的高度數據，但在歐洲一般采用德國ATV（污水處理協會）高度分區方法加以補充。
　　德國ATV制定的設計規范（A131）規定的二沉池深度計算，把二沉池深度方向按其作用分為4個區：清水區、分離區、儲存區、濃縮及刮泥區。
　　（1）清水區（h₁）
　　為安全保證區，減輕風、密度差、溢流堰對污泥絮體的抽吸作用和不均勻界面沉降等不可避免的影響因素。h₁ = 0.5m
　　（2）分離區（h₂）
　　混合液在分離區泥水分離，該區存在絮凝和沉淀二個過程，分離區的沉淀過程會受進水的紊流影響。
　　分離區計算停留時間0.5h。
　　計算公式：h₂ = 0.5·Q_max(1+R)/[1-(SVI×MLSS)]　　(m)
　　式中：SVI——污泥指數（m³/kg）；
　　　　　MLSS—混合液懸浮固體濃度（kg/m³）
　　　　　R———回流比（%）；
　　　　　Q_max——污水設計流量（m³/h）
　　 （3）儲存區（h₃）
　　作用是在雨季儲存污泥，以免曝氣池中污泥濃度大幅度下降，造成處理效果下降，儲存區與分離區是連續一體的。儲泥區所儲存的污泥可保證雨季曝氣池中污泥濃度不低于旱季污泥濃度的70%，其差值ΔMLSS=0.3MLSS。儲存區的大小，應滿足雨季時在1.5h內能接納從曝氣池內多流出的污泥量,污泥體積濃度按500L/m³計（經驗數據），在此期間，污泥在儲存區進行濃縮，并分布于整個二沉池面積上，二沉池污泥量的增加量為：
　　ΔN=ΔMLSS·SVI·Q_max·(1+R)·1.5 　(L)
　　ΔN的體積V₃ = ΔN／500 　　(m³)
　　h₃ = 0.45·q_v·(1+R)/500　　(m)
　　式中：500L/m³ — 污泥體積濃度。
　　　　 ΔMLSS—污泥濃度變化值 = 0.3MLSS(kg/m³)
　　　　　SVI——污泥指數（L³/kg）；
　　　　　 q_v——污泥體積負荷(L/m²·h)；
　　q_v =q′·MLSS·SVI。
（4）濃縮及刮泥區（h₄）
　　濃縮區是保證污泥底流濃度的區域。
　　h₄ = q_v·(1+R)t_E/C　　(m)
　　式中：t_E—濃縮時間h,一般0.5-2.0h；
　　　　 C—濃縮區污泥濃度值(L/m³)；
　　　　 C = 300·t_E+500
　　濃縮區內污泥可視為由一層層的等濃度層疊加在一起的，該濃度為單層濃度的平均值，單層濃度為C_n =(10³/SVI)·(t_E)^1/3。
　　二沉池總深度 h = h₁+ h₂+h₃+ h₄(m)對輻流式二沉池計算總池深為其水平流程2/3處的池深,如圖1所示。同時還應滿足池邊深度h_min≥2.5m,計算總池深h≥3.0m，中心斗邊深度h_max≥4.0m。

3　結論

　　1．二沉池是目前活性污泥系統中使用最廣泛的構筑物，但其設計計算在我國乃至世界范圍內，都存在著不同程度的理論和實際上的不完善，還需進一步的研究探討。
　　2．輻流式二沉池豎向設計計算方法建議采用一下二種方法：
　　（1）德國分區計算法計算，我國規范數據校核；
　　（2）用上述某設計院計算方法計算，按我國設計規范規定深度與德國深度規定相結的方法進行校核。
　　3．據國外報道，已有集漂浮和沉淀與一體的構筑物也開始使用，漂浮物作為回流活性污泥被回流，節省了常規回流污泥泵的揚程，并有污泥濃度比較高，池子直徑比較小的優點。
　　膜技術和微濾法也可作為常規沉淀池的替代，現在此技術正在發展中，他們的優點是占地面積小。