活性、剩余污泥量的计算方法.doc

活性污泥法剩余污泥量的计算随着氮磷去除要求的不断提高，污泥泥龄已成为活性污泥法设计和运行的关键参数，而如何计算剩余污泥量是计算污泥泥龄的关键。国内的计算方法，无论是动力学法还是经验法，都只考虑由降解有机物BOD5所产生的污泥增殖，没有考虑进水中惰性固体对剩余污泥量的影响，计算所得剩余污泥量往往偏小。本文介绍德国废水工程学会(ATV)和美国Eckenfelder等人提出的剩余污泥量计算方法。 1 国外剩余污泥量计算方法1.1 德国排水工程学会的剩余污泥计算模式德国排水工程学会颁布的活性污泥法设计规范(1991)将剩余污泥分为： 由降解有机物而引起的异养性微生物的污泥增殖量(不计自养性微生物的增殖)； 活性污泥代谢过程惰性残余物(约占污泥代谢量的10%左右)； 曝气池进水中不能水解/降解的惰性悬浮固体，其量约占悬浮固体浓度的60%左右。因此，剩余污泥量可表达为：式中X=(YHQBOD5,i-bHXMLSSVfT,H)/SP (2)由于 SP=MLSSV/c(3)联立式(1)、(2)、(3)即可求得剩余污泥量：SP=YHQBOD5,i+0.6QSS-0.9bHYHQBOD5fT,H/1/c+bHfT,H(4)折算到每去除1kgBOD5的污泥产量SPt为：SPt=YH-0.9bHYHfT,H/1/c+bHfT,H+0.6SSi/BOD5(5)式中Q进水流量，m3/dX异养性微生物在活性污泥中所占的比例V曝气池容积，m3c污泥泥龄，dYH异养性微生物的增殖率，kgDS/kgBOD5,YH=0.6bH异养性微生物的内源呼吸速率（自身氧化率），bH=0.08L/dfT,H异养性微生物生长温度修正系数，fT,H=1.072(T-15）（T为温度，）SSi瀑气池进水悬浮SS浓度，kg/m3BOD5，i进水BOD5浓度，kg/m3MLSS污泥浓度，kg/m3通常YH=0.6、hH=0.08L/d，公式可写成：从式(6)可以看出，剩余污泥产率(每去除1kgBOD5产生的剩余污泥量)取决于曝气池进水SS/BOD5值、水温、污泥泥龄等因素。1.2 美国Eckenfelder剩余污泥计算模式该模式由Eckenfelder和Goronszy等人提出(1991)，主要出发点是将剩余污泥划分为有机部分和无机惰性物质两个部分，然后分别计算。1.2.1 剩余污泥中的有机部分剩余污泥中的有机物质主要来自微生物的增殖以及进水中的部分未降解有机固体颗粒物质。剩余污泥量包括的各项可用公式分别求得： 异养性微生物的增殖dVHQ(fso1BODi-BODe-2.9ND)YH (好氧条件下) (7)+2.9NDQYDN (缺氧条件下) (8)+QYHVSSifdefdb(进水可降解有机物中，已降解的部分污泥增殖) (9)这里，在可降解颗粒物质中，已经降解的部分fde1-e-kh,TC (10)式中 kh,T温度为T时可降解VSS的水解速率常数， kh,T0.151.072(T-15)因此，异养性微生物增长总方程式为：dVHQYH(fso1BODi-BODe-2.9ND+VSSifdbfde)+QYDN(29ND)(11)式中BODi、BODe曝气池进、出水BOD5浓度，kg/m3VSSi曝气池进水VSS浓度,kg/m3YDN异养性微生物在缺氧条件下的增殖率，kgDS/kgBOD5，YDN略低于YH，计算时一般YDNYHND反硝化氮量fso1溶解性BOD5所占比例fdb在进水挥发性悬浮固体VSS中可降解物质所占的比例，一般为0.75左右。fde已经降解的部分在可降解有机颗粒物质中所占比例 自养性微生物的增殖dVAQYATKNn (12)式中 TKNn可以硝化的总凯氏氮，kg/m3 YA自养性微生物的增殖率，kgDS/kgN由于自养性微生物的增长速率较异养性微生物要小得多，计算时一般可忽略不计。 进水中未降解有机颗粒物质产生的污泥dVud(1-fde)fdbVSSiQ (13) 进水有机颗粒物质中不可降解部分所产生的剩余污泥dVnd=(1-fdb)VSSiQ (14) 内源呼吸引起的污泥自身氧化衰减量dVr=-kbfbFdbMLVSSV(15)式中kd活性污泥内源呼吸速率常数，一般kb=0.08L/dfb曝气池微生物量在MLVSS中所占比例Fdb曝气池活性污泥中可降解的生物有机固体所占比例MLVSS曝气池活性污泥浓度，kg/m3曝气池微生物量在MLVSS中所占的比例fb定义为存活的异养性和自养性微生物占曝气池活性污泥浓度MLVSS的比例： fb=(dVH+dVA-dVr)/(dVH+dVA-dVud.dVnd-dVr) (16)曝气池活性污泥中可降角的生物有机固体所占比例Fdb取决于污泥泥龄的大小，泥龄越大污泥老化程度越高，可降解物质的比例就越低：Fdb=fp/(1+kb(1-fp)c) (17)式中 fb所产生的生物有机颗粒中可降解的比例，fp=0.8左右1.2.2 剩余污泥中的无机部分在Eckenfelder模式中，忽略微生物代谢过程中产生的惰性残余物质，认为活性污泥中的惰性物质主要与进水中含有的无机惰性物质有关。剩余污泥中的无机惰性物质dVi=Q(TSSi-VSSi)=Q.TSSi.Fi (18)式中 Fi进水悬浮固体中无机部分所占的比例，Fi=0.2左右因此，总的剩余污泥量可表示为：SPT=dVH+dVA+dVud+dVnd-dVr+dVi (19)折算到每去除1kgBOD5污泥产量SPt为：SPt=SPT/BODi 2 计算结果比较活性污泥法剩余污泥量与污水处理厂进水水质有密切的关系，我国典型城市污水水质可见表1。在上述进水水质和不同水温及污泥泥龄的条件下，根据德国废水工程协会剩余污泥计算方法所求得的污泥产率见图1。表1 典型城市污水水质项目原污水经初沉池处理后（BOD5=25%）有机物BOD5（mg/L)其中：溶解性BOD5固体性BOD5溶解性BOD所占比例（%）200100100501501005067悬浮固体SS（mg/L）其中：挥发性固体VSS非挥发性固体NVSS挥发性SS所占固体NVSS挥发性SS所占比例（%）2201685575100752575总氮浓度（mg/L）4036 在同样水质条件下，按Eckenfelder剩余污泥计算模式所得的剩余污泥产率见图2。上述两种模式分别在两个较为极端的温度及设与不设初沉池的条件下进行剩余污泥产率计算结果的比较，见图3。上述计算结果比较表明，模式所得结果在很大的温度和泥龄范围内基本相等，在温度较低时差别5%；当温度较高时，所得结果差别也10%。3 结论 目前国内活性污泥法污水处理厂仍停留在利用污泥负荷进行设计的阶段，随着污水处理要求的提高，尤其在要求深度去除氮磷等营养盐类物质时，利用污泥泥龄进行工艺设计已成为必然。而采用泥龄进行设计的关键是正确地估计和计算工艺过程中的剩余污泥量，国内计算方法一般仅考虑进入曝气池的BOD物质所引起的污泥增殖而没有考虑进水中悬浮固体对剩余污泥的影响，因此已经不能满足日益精确的工艺设计要求。大量的实践表明，进入曝气池的悬浮颗粒物质除部分有机物质发生水解而液化外，仍有40%60%将以剩余污泥的形式排出系统。对一般城市污水而言，由这部分物质所引起的剩余污泥量在排出的总剩余污泥量中占相当的比例，是不能忽略的。德国废水工程学会(ATV)以及美国Eckenfelder等人所建议的活性污泥法剩余污泥计算模式，基本符合污水处理厂的实际运转结果，这些模式是否完全适用于中国的情况尚有待验证。但上述两种计算模式对活性污泥法剩余污泥的组成分析应引起国内同行的重视。关于活性污泥工艺中剩余污泥量计算的讨论我国大部分城市(镇)污水处理厂采用的是传统活性污泥法或其变型工艺,其生物系统产生的剩余污泥量往往存在着设计值与实际值相差较为悬殊的现象,这在不设初沉池系统的活性污泥工艺,如/法、2/法、法、氧化沟、中更为普遍。究其根源,或是污泥产率系数的设计取值与实际运行有差距,或是没有考虑进水中不可降解及惰性悬浮固体对剩余污泥量的影响。本文就上述两个问题进行讨论。1剩余污泥量计算方法在活性污泥工艺中,为维持生物系统的稳定,每天需不断有剩余污泥排出。它们主要由两部分构成,一是由降解有机物所产生的污泥增殖,二是进水中不可降解及惰性悬浮固体的沉积。因此,剩余干污泥量可以用式(1)计算:=(1+)(-)+(-)(1)式中系统每日产生的剩余污泥量,/;污泥增殖率,即微生物每代谢1所合成的数;污泥自身氧化率,-1;污泥龄(生物固体平均停留时间),;1+污泥净产率系数,又称表观产率();污水流量,3/;,进、出水中有机物浓度,/3;不可生物降解和惰性部分占的百分数;,进、出水中悬浮固体浓度,/3。德国排水技术协会()制订的城市污水设计规范中给出了剩余污泥量的计算表达式1。此式与式(1)本质相同,只是更加细致,考虑了活性污泥代谢过程中的惰性残余物(约占污泥代谢量的10%左右)及温度修正。综合污泥产率系数(以计,包含不可降解及惰性沉积项)写作:=0 6(1+)-(1-)0 60 081+0 08(2)=1 702(-15)(3)式中微生物内源呼吸形成的不可降解部分,取值0 1;温度修正系数。比较(1),(2)两式,可知在标准中动力学参数,分别取值06和008-1,进水中不可降解及惰性悬浮固体(部分)占总进水的60%。由于剩余污泥中挥发性部分所占比例与曝气池中与的比值大体相当,因此剩余干污泥量也可以表示成下式:=(-)(4)式中=;其他符号意义同前。式(4)与式(1)是一致的,均需确定。2的确定表观产率=1+具有明确的物理含义,我国室外排水设计规范(14-87)第6 62条明确规定“在20,有机物以计时,污泥产率系数其常数为0 408。如处理系统无初次沉淀池,值必须通过试验确定。”同款还规定了20的常数值0040 075-1。从中可以看出,值变化幅度达100%,的变化幅度达87 5%。对于不设初沉池的活性污泥系统,常常将已有类似污水处理厂的运行经验,作为设计上的参考。表1是几种典型活性污泥工艺(或,)取值情况。对于运行中的污水处理厂,可通过长期运行工况参数,如,(污泥负荷,/()求得实际值,或回归出适用于该厂的,值。用,表示为:=1(5)据实际运行参数并利用式(5)计算得出的北京市方庄污水处理厂(传统活性污泥工艺)和酒仙桥污水处理厂(氧化沟工艺)的污泥净产率系数,见表2。从表2可见,对于传统活性污泥工艺,文献推荐值与实际测定值非常接近;但对于氧化沟,二者有明显差距,其它不设初沉池的活性污泥工艺亦存在着类似的问题。事实上,由于各个污水处理厂的运行条件千差万别,必然会造成(或,)不完全相同,有时差别还很大。3和的取值由式(1)可知,为正确估计和计算活性污泥工艺中的剩余污泥量,合理确定不可降解及惰性部分占总进水的比例是关键。大量的实践表明,进入曝气池的悬浮颗粒物质除部分有机物质发生水解而液化外,仍有40%60%将以剩余污泥的形式排出系统8。对一般城市污水而言,由这部分物质所引起的剩余污泥量在排出的总剩余污泥量中占相当的比例,是不能忽略的。进水中不可降解及惰性(无机)部分所占的比例,在德国标准中取06。根据我国污水处理厂的经验,此值略高,因此我国大部分设计中取值0 5。根据酒仙桥厂运行参数计算得的值为0 42(见表3)。若系统存在初沉池,经过初次沉淀后的出水,值会有所降低,通常为0 3左右(见表4)。曝气池的混合液中,挥发性悬浮固体()与总悬浮固体()的比值,受系统运行条件的影响明显。对有初沉池的系统,此值通常保持在0 70 8之间;若不设初沉池,值降低,变化的范围也更大,一般为050 8,有时甚至低至04。一般说来,氧化沟可保持较高的值,如酒仙桥厂的值为063。则通常稳定在05左右10。4存在较大差异的原因从本质上讲,在一个保持动态稳定的活性污泥系统中,污泥龄(通过排泥控制)决定了可能存在的优势菌群;而有机物的多寡,营养的平衡(在一定时,受进水水质影响)则决定了微生物总体的生长水平。值作为表征活性污泥系统实际运行状态的参数,既与,密切关联,又受到进水水质的影响,可以用来解释的变化。由于前述式(1)与式(4)是等同的,忽略,(符号意义同前),则有:+=,从而可建立起与,以及之间的关联:=1-(6)式(6)中,与体现了进水水质差异对污泥产率的影响,有无初沉池是关键因素,则与运行工况紧密联系。根据表4所列城市污水的代表性和值,通过式(6)绘制的关系曲线,见图1。从图1可以看出,对无初沉池的活性污泥系统,的微小变化,会带来的较大改变,特别是当0 6时。排泥是污水处理厂的关键操作,因对污泥排放量的控制不同,加之进水水质的变化,使得值可能在0 40 7甚至更大的范围内变动,相应的污泥产率系数可能低至0 3,也可能超过1 0,可见排泥过程对污泥产率的影响极大。对同一污水处理厂,其运行条件是复杂多变的,而设计只是满足了某种特定状况,必然造成实际污泥产率与设计存在较大差距;对不同污水处理厂,即使它们的工艺设计完全相同,由于实际运行控制参数及来水水质不同,因此也会有不同。就一般城市污水而言,进水与浓度大致相同,若不设初沉池,通常要求值控制在0 6以下(0 6以后变化显著,不利系统运行),此时介于0 30 6之间,这也是大多数污水处理厂污泥产