活性污泥法及其改良型工艺设计的探讨

吴学深 陈平胜

摘 要：介绍了目前活性污泥法设计常用的几种计算方法及优缺点。重点阐述了利用COD指标进行活性污泥法脱氮设计的主要思想，给出了普通前置反硝化活性污泥法和改良型的多点多段式活性污泥法的设计实例，分析结果表明改良型多点多段式活性污泥法具有脱氮效率高、污泥产量少及运行费用低等优点，适用于城市污水处理的新建和改造项目。

关键词：活性污泥法；COD；前置反硝化；多点多段

1 前言

活性污泥法是以活性污泥为主体的污水生物处理技术，自1914年在英国曼彻斯特建成试验厂开创以来，已有100余年的历史，当前仍然是生活污水及有机性工业废水的主体处理技术。

2活性污泥法的计算方法和选择

目前活性污泥的设计计算有三种方法：（1）污泥负荷法；（2）污泥龄法；（3）数学模型法。计算方法的选择直接关系到污水实际处理效果，在设计过程中应予以细致甄别。

2.1污泥负荷法

污泥负荷法是目前应用最广泛的计算方法，《室外排水设计规范》和设计手册给出了处理城镇污水的生物反应池的主要设计参数，设计时可参照规定取值，简便实用。但在实际应用过程中也存在不少问题，最主要的一点是规范给定的参数取值范围过于宽泛，如A/O法规范推荐的污泥负荷为0.05～0.15kgBOD5/（kgMLSS.d），最小值和最大值相差2倍；混合液回流比推荐值为100%～400%，最小值和最大值相差3倍。尽管取值都满足规范的要求，但不同的设计取值会造成池容相差很大，设备参数相去甚远的情况，不易操作。

2.2污泥龄法

污泥龄法是以污泥龄θc为基本参数的计算方法，作为另一种常用的计算方法，《室外排水设计规范》和设计手册也给出了主要设计参数的取值范围，相对于污泥负荷法，污泥龄法有充分的理论依据，直观可靠，但也存在取值范围太过笼统的不足，如缺氧/好氧法的污泥龄θc取值范围为11～23d，脱氮速率Kde的取值范围为0.03～0.06（kgNO3-N）/（kgMLSS.d），最大值和最小值相差一倍；另外在计算池容时，有使用MLVSS（规范6.6.11-2条），也有使用MLSS（规范6.6.18-1条），在使用过程中很容易混淆，以至于设计出现较大的偏差。

2.3数学模型法

活性污泥数学模型是国际水协采用矩阵的形式，通过描述活性污泥系统生物反应的运行过程和状态而建立的模型，包括ASM1、ASM2和ASM3，模型全面考虑了影响生物反映的各种水质组分，将各种生物反应过程有机地组合在一起，较真实地反应了活性污泥系统生物的反应过程。由于数学模型法摆脱了经验设计，严格遵循理论推导，使设计的精确性和可靠性显著提高。但是数学模型建立的过程中需要确定水质组成、动力学和化学计量等大量参数，ASM系列模型的复杂性导致无法将完整的模型直接应用于污水处理厂的设计、模拟和运行控制。ASM模型的适当修正和简化一直是污水处理方面的热点之一，但距离指导工程设计和实践还需要较长的时间。

3基于微生物反应动力学和物料平衡的污泥龄法

3.1以COD为指标进行设计

长期以来活性污泥法都是根据污水处理厂的进、出水BOD5为指标进行设计的，由于BOD5仅能反应部分较易降解的有机物含量，随着污水处理厂处理要求的不断提高，污泥龄也逐渐提高，部分颗粒性有机物和难降解有机物的水解程度有所提高，生化反应过程中实际降解的有机物含量明显高于BOD5的浓度。 而COD指标测定简单，精度高且具有可比性，以可生物降解的COD为指标建立物料平衡更能清晰地反映有机物在降解过程中的转化情况。

进水COD、BOD5、溶解性COD（SCOD）、溶解性BOD5（SBOD5）、TSS、VSS、NH4-N、TN是可以通过常规实验方法测定的。根据相关文献，典型生活污水中最终生化需氧量（UBOD）与BOD5之比约为1.5，考虑到实验过程中部分有机质转化为生物体，并不是全部被氧化，最终确定可降解的COD（bCOD）与BOD5之比约为1.6～1.7。

對于运行良好的生化系统，不可生物降解的溶解性COD（nbsCOD）近似等于二沉池出水的溶解性COD，一般约为20～30g/m3。

3.2 普通活性污泥法计算过程

设计过程中所采用的动力学参数主要参考IAWPRC ASM I 模式中推荐的免误数值。

（1）计算好氧污泥龄

由于硝化菌的生长比去除有机碳的异养菌慢得多，硝化速率将作为设计主要控制参数。根据硝化反应的动力学公式：

根据硝化比生长速率的定义，考虑一定的安全系数，好氧污泥龄为：

（2）计算每日活性污泥产量

（3）根据污泥龄的定义，求解好氧池池容：

（4）由生化池污泥平衡，计算污泥回流比：

（5）在好氧区产生的硝酸盐等于出水中的硝酸盐、内回流中的硝酸盐及回流活性污泥中的硝酸盐三者之和。根据硝酸盐物料平衡，计算混合液回流比：

（6）假定缺氧区水力停留时间，计算缺氧区进水食微比：

对照比反硝化速率曲线图，可得出对应的比反硝化速率，进一步可计算出缺氧区硝酸盐的去除量：

将上述计算结果与返回缺氧区的硝酸盐总量比较，

即认为反硝化区池容量满足设计要求，为安全起见，应考虑15%的安全余量。若缺氧区硝酸盐去除量小于回流硝酸盐量，则需要重新假定缺氧区水力停留时间，试算至满足要求为止。

4改良型多点多段活性污泥法的工艺设计

4.1活性污泥法的发展

随着我国对水环境治理的日益重视，相应的污水处理排放标准也随之提高。国标《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准对COD、BOD、NH4-N和TN的限值为50mg/L、10 mg/L、5 mg/L和15 mg/L；国内某些发达地区如北京市出台了地方标准《城镇污水处理厂污染物排放标准》（DB11/890-2012），其中规定出水排入Ⅳ、Ⅴ类水体的新（改、扩）建城镇污水处理厂执行B标准，COD、BOD、NH4-N和TN的限值为30mg/L、6 mg/L、1.5 mg/L和15 mg/L，对比可知出水水质标准提升的幅度很大。为适应不断提高的排放标准，活性污泥法工艺也在不断的完善和发展，在传统活性污泥工艺的基础上衍生出多种改良型工艺，多点多段式活性污泥法也是衍生工艺之一，通过对池型的优化设计，采用多点进水技术将污水分配到各段生物池中，使其形成交替的多段缺氧/好氧环境，强化了生物脱氮的效果。处理工艺如下图所示：

4.2 多点多段式活性污泥法计算过程

4.2.1确定各段池容积进水流量分配

反应池分段的数量和容积对系统运行的稳定性、脱氮效率有着非常重要的作用。反应池分段越多，脱氮效率越高，系统越稳定，但是工艺设计与运行也随之变得复杂，故根据进水水质和出水要求，设计多采用2～4段。反应区总容积可与普通活性污泥法反应区容积相同，均分为4段。同时参照德国ATV-DVWK规范及标准中反硝化缺氧池容积比例的推荐值，每段缺氧和好氧容积比例为3：7。

进水流量的分配一般有三种方式：①等负荷流量分配；②最优流量分配法；③末端集中进水法。其中最优流量分配法可以优化对进水碳源的利用，尤其适用于高C/N的污水。如4段式反应池进水比例分配宜为1：4：3：2。

4.2.2确定回流污泥浓度及每段通道内MLSS浓度

4.2.3根据物料平衡，计算好氧SRT

联立上述方程，采取连续迭代法解出SRT，并进一步求出每条通道内的生物体和硝化菌浓度。

4.2.4计算每段通道内的被氧化的NH4-N的数量和每段出水NH4-N浓度

根据每段通道内的NH4-N的平衡可知，对四条通道列方程：

联立上述方程，采取连续迭代法解出N1～N4，并進一步判断每段通道的硝化能力能否满足出水NH4-N的排放要求。

4.2.5求每段通道缺氧池中硝酸盐的去除量NOx去除

计算每段通道内的食微比F/Mb，并对照比反硝化速率曲线，求出每段通道内的比反硝化速率SDNR，从而求出每段通道内硝酸盐的去除量NOx去除。

4.2.6根据硝酸盐平衡计算出水硝酸盐浓度

进入每段通道内的硝酸盐的总量，等于前一段通道硝化生成硝酸盐的数量加上回流或前一段缺氧池未被去除的硝酸盐数量。硝酸盐总量减去每段通道缺氧池反硝化去除的硝酸盐的数量即为每段通道出水硝酸盐数量。

5结论

（1）本文针对目前常用的活性污泥设计方法的不足，主要讨论了基于微生物反应动力学和物料平衡的污泥龄计算法，以COD为主要设计指标，分析各污染物组分在活性污泥法系统中的转换过程。主要动力学设计参数参照IAWPRC ASM I 模式中推荐的免误数值，人为主观因素较少，克服了传统设计方法主要参数取值范围过大的不足，不仅可以较为精确地计算出所需池容、剩余污泥排放量、需氧量，还能分析活性污泥的组成，对活性污泥法的设计及污泥生化系统的运行都有一定的帮助。

（2）相对于普通前置反硝化活性污泥法，改进型多点多段活性污泥法在相同池容和污泥回流比的条件下，具有排泥量少、脱氮效率高、无需硝化液回流，运行费用低、运行方式灵活，承受冲击负荷能力强的优点，适用于城市污水处理厂的新建和改造工程。

参考文献

[1]王洪臣.百年活性污泥法的革新方向[J].给水排水.2014（10）：1-3.