推荐一种新及SBR工艺设计计算方法.doc

推荐一种新的SBR工艺设计计算方法推荐一种新的SBR工艺设计计算方法 周雹1,周丹2 (1 天津市市政工程设计研究院,天津 300051;2 中国市政工程华北设计研究院,天津 300074) 1 国内目前的设计计算方法及评价 SBR工艺正在我国城镇污水处理厂中迅速推广,目前在建和设计的遍布全国各地.由于SBR工艺是合建式,一个池子既要满足生化反应要求,又要实现沉淀分离功能,因此其计算比一般活性污泥工艺更为复杂.SBR工艺有多种类型,都是从国外引进的,是一些专业公司的专利,其设计计算方法也各不相同.目前国内在设计SBR工艺时,主要采用两种计算方法:一种是日本下水道事业团主编的序批式活性污泥法设计指南(以下简称指南方法),另一种是按照泥龄和反应时间比计算池容的方法(以下简称简化方法).下面分别论述两种方法的特点及评价. 1.1 指南方法的特点及评价 指南方法是以污泥负荷为基本设计参数,设计人员根据水量,原水水质,处理要求和环境条件,凭借自身经验,选定污泥负荷Fw,排出比1/m(每个周期排出水量与总池容之比),混合液污泥浓度MLSS,安全高度Hf(最低水位时活性污泥界面以上最小水深),反应池水深H及池数M,然后计算池容和其他参数.为了规范各项参数,指南推荐了参数的取值范围,如表1所示. 表1 选定参数取值范围 负荷分类 高负荷 低负荷 进水方式 间歇进水 间歇进水,连续出水 污泥负荷Fw(kgBOD/kgSSd) 0.1 0.4 0.03 0.1 排出比1/m 1/4 1/2 1/6 1/3 混合液浓度MLSS(g/L) 2(例) 4(例) 安全高度Hf(m) 0.5 0.5 池水深H(m) 4 6 4 6 周期数N 3 4 2 3 适用范围(m3/d) Q2000 Q2000 注:表中的周期数是指每天运行的周期次数,在指南中不是直接选定,而是经过计算后再选定,其他参都是直接选定. 为了计算沉淀时间,指南对活性污泥界面的沉降速度推荐了两个计算公式: Vmax=7.4104TNw-1.7(Nw3000 mg/L) (1) Vmax=4.6104Nw-1.26(Nw3000 mg/L) (2) 式中:T-设计水温,按设计最低水温计,; Nw-高水位时混合液污泥浓度MLSS,mg/L. 指南是1990年针对日本的情况制定的,当时日本采用SBR工艺的城镇污水处理厂规模都很小,最大的3500 m3/d,最小的才190 m3/d.指南采用的是污泥负荷法,以污泥负荷为基本设计参数,各项设计参数都比较保守,例题中的设计水力停留时间高负荷时达20 h(考虑流量变化后为24 h),低负荷时达32 h(考虑流量变化后为36 h),安全水深分别是1.67 m和1.11 m,比要求的0.5 m大得多,设计结果十分保守,只是池容和土建费用要大一些,但对于小型污水处理厂来说,增加的费用很有限,却省去了初沉池,二沉池,回流污泥泵房等一系列处理构筑物,流程大大简化,管理工作量大大减少,为无人值班全自动运行创造了条件,具有明显的经济效益.因此,指南适合当时日本的情况. 对我国来说,指南也具有很好的参考价值.指南对一些参数的推荐取值范围都是从实践中总结出来的,很多都可以借鉴.但如果照搬照套,完全按指南方法设计我国的SBR工艺城镇污水处理厂就不适宜了,这是因为时间,地点和处理要求都发生了变化. 首先是时间又过了十多年,在这十多年中,SBR工艺在实践和理论上都有了长足的进展,设计计算方法可以更有理论基础,更便于操作,结果更接近实际,在保证处理效果的前提下更经济. 其次是地点变了,中国不同于日本,现在中国正处于大规模建设时期,要设计和建设的污水处理厂数量远远高于上世纪九十年代的日本,污水处理厂的规模也要大得多,就以SBR工艺来说,我国一般应用于规模几万立方米/日的城镇污水处理厂,小的也在几千立方米/日,比日本当时的规模大十倍以上.另一方面,日本早已经历过大规模建设污水处理厂的时期,技术力量较强,经验较丰富,即使采用比较粗旷的设计计算方法,也能有把握地进行设计,而我国刚进入大规模建设污水处理厂的时期,技术力量缺乏,各方面的经验都比较少,遇到的新问题多,当设计参数可供选择的范围较大时,准确掌握设计技巧就很困难,其结果将造成设计的明显误差. 再次,处理要求也发生了变化.十多年前生物脱氮要求还不是十分严格,现在要求越来越严,越来越具体了,不同的要求池容大小也不同,采用污泥负荷法就很难确定在什么条件下应该选取什么样的负荷值,旧的设计计算方法已不能满足工程的需要,开发新的更科学,更便于操作的设计计算方法势在必行. 由于上述三方面的变化,我国当前应用指南方法计算SBR工艺存在以下几个问题: 操作困难.指南方法中推荐的污泥负荷取值范围高低相差3 4倍,排出比相差一倍,混合液浓度没推荐取值范围,只是在例题中给出了数值,高负荷时取2 g/L,低负荷时取4 g/L,在设计计算时这几个参数不知该取多少为好,很难把握. 不确定性.上述几个基本参数的选定具有很大的任意性,并且因人而异,对同一个工程,不同的人设计计算结果会有很大出入,没有一个确定的标准. 结果影响大.我国的SBR工艺污水处理厂规模通常是几万立方米/日,建设费用几千万元,如果池容计算偏大,运转可靠性提高了,但造价增加较多,影响经济优势,如果池容计算偏小,费用是降低了,但有可能影响出水达标,对一般的设计人来说,按指南方法计算要得出既经济又可靠的结果相当困难,往往处于两难境地. 公式有缺陷.指南方法中计算活性污泥界面沉降速度的两个公式分别适用于高,低MLSS的情况,但当MLSS处于两个公式交界处就出现无所适从的情况.当MLSS为3000 mg/L,T=10时,两个公式计算结果分别为0.908 m/h和1.912 m/h,相差一倍以上,令人对公式的可靠性产生怀疑.另一方面,两个公式中都没有污泥指数SVI,而SVI对污泥的沉降速度影响巨大,对于这一点或许可以解释为中日情况的不同:日本对工业废水排放控制较好,污水处理厂基本处理生活污水,其SVI值比较固定,而我国对工业废水排放控制较差,城镇污水中一般都含有一半的工业废水甚至更多,有的成份还相当复杂,对SVI值影响很大,SVI的变化较大,在计算污泥沉降速度时不能不考虑SVI的影响. 综上所述,笔者认为当前国内设计计算SBR工艺不宜采用指南方法,对指南中推荐的参数取值范围则可以参考. 1.2 简化方法的特点及评价 简化方法是指国内目前常采用的一种比较简单的SBR工艺设计计算方法,它的计算步骤是: 按分建式活性污泥法计算确定反应泥龄; 计算污泥产率系数; 根据经验选定混合液浓度MLSS; 算出反应池容; 选定反应周期时间安排; 按下式计算反应池总池容: FCFTTTVV = (3) 式中:VT-总池容,m3; VF-反应池容,m3; TC-周期时间长,h; TF-一个周期内反应时间长,h. 这个方法的特点和问题是: 以泥龄为基本设计参数,有坚实的理论基础,根据水质,水温和处理要求,可算出确切的泥龄,不需人为选择,便于操作,结果可靠.如果污泥产率系数也准确,设计出的反应池就能达到预期的生化反应效果. 设计计算方法简单.按照分建式活性污泥法算出反应池容后,再根据选定的周期安排(TC,TF)马上就可以算出总池容,总泥龄,对习惯于设计分建式活性污泥法的设计人员来说轻车熟路. 这个方法的主要问题是没有考虑SBR反应池发挥沉淀滗水功能时污泥的沉降特性对池容和其他参数的影响,对沉淀滗水阶段污泥究竟沉降多少心中无数,是否会由于沉降距离过小而导致污泥流入出水中,或者是沉降距离过大使安全高度大大超过所需深度,浪费了池容.出现这种情况的根本原因在于混合液浓度MLSS是人为选定而不是计算确定,也没有考虑SVI对污泥沉降性能的影响.在分建式活性污泥法反应池设计中,MLSS受回流污泥浓度和回流比的限制,选定MLSS时要复核回流污泥浓度和回流比是否允许,设计二沉池时又必须考虑MLSS和SVI,在SBR反应池中,像分建式二沉池一样,MLSS及SVI都与污泥沉降性能呈反比关系,MLSS和SVI高,污泥沉降性差,沉降距离短,当沉降距离短到满足不了滗水深度加上安全水深的要求时,污泥就可能进入出水中,影响出水达标;反之,MLSS和SVI低,污泥沉降性好,沉降距离长,有可能大大超过滗水深度加上安全水深,造成池容浪费,增加基建投资.污水处理厂规模越大,经济上的浪费越多,从而降低SBR工艺的竞争力.所以在计算出总池容后必须再核算沉降距离是否满足要求,如果计算出的沉降距离过小,应降低MLSS,加大池容,如果沉降距离过大,则应提高MLSS,减小池容,这个步骤往往要经过多次试算才能完成,这样一来,简化方法就不简化了. 综上所述,笔者认为简化方法也不宜采用. 2 推荐一种新的设计计算方法 推荐的设计计算方法(以下简称推荐方法)计算步骤是: 选定运行周期时间安排,池水深,安全高度及池数; 按分建式活性污泥法计算确定反应泥龄; 计算SBR反应池总泥龄; 计算污泥产率系数; 计算反应池活性污泥总量; 计算总池容; 计算其他参数. 新的设计计算方法有以下特点: 以泥龄为基本设计参数,按照基本理论和处理要求可以确切算出所需泥龄,不存在人为误差,便于操作,结果可靠. 由设计人员选定的参数少,并且都是比较容易确定,且计算结果不会造成明显误差的. 基本计算公式主要参照德国AT V标准131E单段活性污泥污水处理厂的设计,其中个别参数结合我国具体情况建议加入修正系数.德国AT V标准是在大量实践和理论基础上总结出来的,近期又进行了修改,是指导德国城镇污水处理厂设计的规范性文件,对我们有很好的参考价值. 计算总池容的公式是推荐方法特有的,是根据已知参数经过数学运算推导出来的,是推荐方法的关键步骤.从计算公式中可以看出,影响池容有8个参数(次级影响参数更多),而且都不是简单的直线关系.这是因为SBR反应池既是反应池又是沉淀池,在分建式活性污泥法中影响反应池和沉淀池的所有参数对SBR反应池池容都产生影响,按照这个公式计算出的池容既能满足反应池的要求,又能满足沉淀池的要求. 3 推荐方法的参数选择和计算公式推导 SBR工艺的设计计算涉及几十个参数,这些参数可分为三类: 外部条件参数,包括水量,水质等,是设计计算的先决条件; 选定参数,包括运行周期参数等,需由设计人事先选定; 计算参数,需通过计算才能得出,其中最关键的是反应池总泥量和反应池总容积.反应池总泥量是确保生化处理效果的参数,它由反应池总泥龄和污泥产率系数等参数计算得出,并影响总容积的大小.反应池总容积是确保处理出水达标的参数,根据已知的8个参数计算得出,它决定计算结果的可靠性和经济性.得出以上参数以后,其他运行参数如混合液污泥浓度和滗水深度等都能一一算出. 下面分别对选定参数如何选定和计算参数有关计算公式的推导具体说明. 3.1 正确选定几个参数 3.1.1 运行周期参数 运行周期参数包括周期长(TC),周期数(N),一个周期中的反应时间(TF),沉淀时间(TS)和滗水时间(Tch). 国内外已建成的SBR反应池一天之内的周期数都采用整数,最常用的周期数是4,5,6/d,对应的周期长为6,4.8,4 h,其中用的最多的是一天6个周期和4个周期,对应的周期长是4h和6h.在选定周期参数时主要看设计泥龄长短,当长泥龄时宜选用较长周期,即一天4个周期,一个周期6小时,当短泥龄时宜选用较短周期,即一天6个周期,一个周期4小时.泥龄的长短决定于处理要求,如果只要求去除含碳有机物时泥龄很短,要求脱氮时泥龄较长,要求污泥同步稳定时泥龄最长.有了这个标准,不难选定周期长和周期数. 在一个周期中有反应时间,沉淀时间和滗水时间.一般情况下,沉淀时间和滗水时间都选取1小时足以达到污泥沉降和出水达标的要求,其余时间就是反应时间.只有当情况特殊时才改变滗水时间:如果SVI和MLSS都很低,污泥沉降性能特好,可将滗水时间改为0.5小时,相应增加反应时间;如果SVI和MLSS都很高,污泥沉降性能特不好,则应延长滗水时间至1.5 2.0小时,相应减小反应时间,或选用较长的周期. 在沉淀时间和滗水时间已定的情况下(如都是1小时),周期长的反应时间长,反应时间比大,周期短的反应时间短,反应时间比小.当选用较长周期时,反应时间比大,与短周期相比,总泥龄较小,池容可以小些,但另一方面,由于周期较长,一天的周期数较少,要处理相同的水量又需要增大池容.一正一反的影响使不同周期长计算出的总池容相差不超过5%.因此,在通常范围内不论选用什么样的运行周期参数,计算结果都不会出现明显误差. 3.1.2 池水深 与分建式活性污泥工艺的反应池不同,SBR反应池的水深将影响池容的大小,这是因为SBR反应池还要满足二沉池的功能所致. 日本指南规定水深H取值范围4 6 m,这与我国一般反应池的水深基本相同,一般可取中值5 m左右. 3.1.3 安全高度 安全高度Hf是SBR反应池特有的参数,它相当于分建式活性污泥工艺二沉池的清水层深度,其作用是将污泥层和出水溢流堰分隔开,以免污泥被带入出水中,影响出水水质.日本指南规定Hf最小不小于0.5 m,但在例题中计算结果都大于1 m.参考德国的资料和国内情况,建议选用0.6 0.9 m. 安全高度Hf对池容的影响很有限,选定时不必过于为难.比如Hf增大0.1 m,意味着安全水深多占0.1 m,与池总深相比只占几十分之一,对工程投资影响不大. 3.1.4 池数 间歇进水的SBR工艺污水处理厂至少需两池才能处理连续进入的污水,规模越大池数越多.在选定池数时,建议考虑下列因素: 对于间歇进水的SBR反应池,池数和周期长最好是整倍数,便于将连续进水分配到每个池,简化配水设施. 如果可能,池数和每个周期排水时间的乘积最好是周期长的整倍数,将每个池的间歇排水组合成全厂的连续排水,减小排水管管径. 池数与每个周期的曝气时间乘积最好是周期长的整倍数,使鼓风机连续运行,减少鼓风机数. 3.2 计算污泥量 3.2.1 确定设计水量 SBR工艺泥龄通常较长,有很强的抗冲击负荷能力,因此在计算污泥量时可按高日流量,而不是高日高时流量计算.当采用延时曝气时,泥龄更长,缓冲能力更好,可按平均日流量设计计算. 3.2.2 计算确定泥龄 好氧泥龄 只要求去除含碳有机物时,最小泥龄可按表2取值. 表2 只去除含碳有机物时最小泥龄表 污水厂规模(kg/d) BODT6000 BODT6000 泥龄C(d) 5 4 当要求硝化时,泥龄按下式计算: CN =F3.41.103(15-T) (4) 式中:CN-满足硝化要求的设计泥龄,d; F-安全系数,当BODT6000 kg/d时,F=1.45;当BODT6000 kg/d时,F=1.8. T-设计水温,按最低周平均水温计,. 计算结果列于表3: 表3 要求硝化时最小泥龄表 污水厂规模(kg/d) BODT6000 BODT0.15时,表明原污水中的碳源不能满足反硝化要求,需采用其他措施,如减小初沉池或不设初沉池,以增加碳源或设计外加碳源; (d) 根据CN和CD/CF,按下式可算出CF: CFCDCNCF1= (9) 3.2.3 计算总泥龄 SBR反应池是合建式,池容中包含反应池容和沉淀池容(从空间上分不开,但从时间上可以分开),泥龄中也包含反应泥龄和在沉淀排水时段不起生化反应作用的泥龄,SBR反应池的总泥龄按下式计算: FCCFCTT= (10) 式中:C-SBR反应池总泥龄,d. 3.2.4 计算污泥产率系数 )072.117.01072.175.017.0)2.01(LS6.075.0(KY)15T(C)15T(Cjj+ += (11) 式中:Y-污泥产率系数,kgSS/kgBOD; K-结合我国情况的修正系数,0.9 0.95; Sj-进水悬浮固体浓度,mg/L. 3.2.5 计算污泥量 ST=QdC Y(Lj-Lch)/1000 (12) 式中:ST-SBR反应池污泥总量,kg; Qd-计算污泥量时采用的设计流量,m3/d. 3.3 计算池容公式推导 3.3.1 理论依据 SBR反应池是集生化反应和沉淀分离为一体的构筑物,它既要满足生化反应的要求,又要满足沉淀分离的需要.从生化反应的要求看,反应池容能容纳足够的污泥量,要有足够的反应泥龄和时间,因而与污泥量等参数有关.从沉淀分离的需要看,反应池在沉淀滗水阶段应像二沉池那样有一层清水层,使滗水器能排出合格的澄清水,因而与污泥的沉降性能,沉淀时间,污泥指数等参数有关,这一点是与分建式反应池完全不同的.所以,计算SBR反应池容积的公式要从污泥沉降性能入手.下面首先对SBR反应池沉淀排水过程中水位和泥位变化进行分析. 常规SBR反应池的沉淀是静态沉淀,简化认为污泥泥面等速下沉,污泥沉降速度可按下式计算: SVIN650VWTS = (13) 式中:VS-污泥沉速,m/h; NWT-设计高水位时的污泥浓度,g/L; SVI-污泥指数,mL/g.现场监测或参照德国AT V标准中推荐值选取,AT V标准的推荐值见表6. 表6 SVI设计值 SVI(mL/g) 处理目标 工业废水比率小 工业废水比率大 无硝化 100 150 120 180 硝化(及反硝化) 100 150 120 180 污泥稳定 75 120 120 150 在沉淀过程初期,反应结束后的残余混合能量仍然存在,池液处于紊流状态,一般需经10分钟左右,池液才趋于平静开始沉淀.进入排水时段,池液仍处于平静,污泥继续下沉,直到排水结束转入反应时段.显然,实际沉淀时间是沉淀时间加上排水时间再减去最初的10分钟,如图1所示. Hf H 反应时段TF排水时段Tch沉淀时段TST H泥面线水位线10分钟Hd实际沉淀时间TS 图1 SBR反应池沉淀排水过程示意图 TS=TS+Tch-1/6(h) (14) 式中:TS-一个周期内实际沉淀时间,h. 总的污泥沉降距离按下式计算: Hd=TSVS (15) 式中:Hd-污泥沉降距离,m. 由于排水时水流的搅动,泥面线以上的清水层不可能全部排出,必须有一个保证污泥不被带入出水中的安全高度,这在图1中以Hf表示.图中的H是排水深度,可以看出,H必须满足下式: HHd-Hf (16) 式中:H-排水深度,m. 3.3.2 计算池容公式推导 将式(13),(14),(15)代入式(16)可得: fWTchSHSVIN650)61YT(H + (17) 由于SBR反应池的贮水容积(即每个周期处理水量)可表示为: NQ24HHVHFVh= = = (18) 式中:V-贮水容积,m3; F-SBR反应池面积,m2; V-SBR反应池容积,m3; H-SBR反应池水深,m; Qh-高日高时流量,m3/h; N-周期数,1/d. 可得出: VNHQ24Hh= (19) NWT可按下式计算: VSNTWT= (20) 将式(19),(20)代入式(17)得: fTchShHSVISV650)61TT(VNHQ24+(21) 式中除V外均为已知,由此可计算出V.由于上式两端均有V,需经试算才能求得,为方便计算,将上式按等式整理成二项式,用求根公式计算V.上式可整理为: 0SVIS650)61TT()V1(H)V1(NHQ24TchSf2h=+ +0c)V1(b)V1(a2=+ fhHbNHQ24a= SVIS650)61TT(CTchS + = NHQ48SVIS650)61TT(NHQ96HHa2ac4bbV1hTchSh2ff2+ = =上式得出正负两个值,负值无意义,取正值.经整理可得: fTchSh2fhHSVIS650)61TT(NHQ96HNHQ48V+=(22) 在式(22)中,影响池容V有8个参数,其中N,TS,Tch,H,Hf,SVI均已选定,ST已按式(12)求得,需要说明的是Qh与计算ST时用的设计流量Qd不同,Qd是高日流量或平均日流量,而Qh是高日高时流量,这是因为计算池容必须考虑到最大流量时反应池能够装得下而不会溢出,同时SBR反应池按沉淀池设计也应按高日高时流量计算,正如常规沉淀池一样. 式(22)是按照间歇进水的SBR反应池推导的,对于连续进水的SBR反应池(如ICEAS工艺),式(22)完全适用,但式(19)则不适用,连续进水时贮水容积小于间歇进水的情况,其贮水容积按下式计算: CchChTTTVNQ24H= (23) 3.4 计算其他参数 当要求反硝化时,反应时间中包括好氧时段和缺氧时段,其数值按下式计算: TO+TD=TF (24) TO /TD=CN /CD (25) 式中:TO-一个周期中的好氧反应时段,h; TD-一个周期中的缺氧反应时段,h. 其他参数还包括单座SBR反应池的容积Vi,面积Fi,贮水容积Vi及最低水位HL,最低泥位HS等,这些参数都不难计算. 与一般反应池只有一个污泥浓度不同,SBR反应池有两个污泥浓度:一个是高水位时的污泥浓度NWT,一个是低水位时的污泥浓度NWL,NWL按下式计算: WTLWLNHHN= (26) 污泥负荷FW是导出参数,按下式计算: FCchjCjWTT)LL(YLF = (27) 水力停留时间按下式计算: )h(QV24td= (28) 4 推荐方法计算程序 开 始输入外部条件 设计规模Q(m3/d) 总变化系数KT 日变化系数Kd 进水BOD(Lj)(mg/L) COD(CODj)(mg/L) TKN(Nj)(mg/L) 出水BOD(Lch)(mg/L) SS(Sch)(mg/L) TN(Nch)(mg/L) 设计水温T(最低水温)()计算污泥量 确定设计水量Qd(m3/d)(按第三节之2) 计算确定好氧泥龄CN(d)(表2,表3) 计算确定反应泥龄CF,缺氧泥龄CD(d)(式7,表5,式6) 计算总泥龄C(式10) 计算污泥产率系数Y(kgSS/kgBOD)(式11) 计算反应池污泥总量ST(kg)(式12) 选定参数(