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Ａ/Ｏ法、Ａ2/Ｏ法、ＡＢ法、氧化沟、ＳＢＲ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ＢＯＤ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:
ΔＸ=(Ｙ1+Ｋｄθｃ)Ｑ(ＢＯＤｉ-ＢＯＤｏ)+ｆＰＱ(ＳＳｉ-ＳＳｏ)(1)
式中ΔＸ———系统每日产生的剩余污泥量, ｋｇＭＬＳＳ/ｄ;
Ｙ———污泥增殖率,即微生物每代谢1ｋｇＢＯＤ所合成的ＭＬＶＳＳｋｇ数;
Ｋｄ———污泥自身氧化率,ｄ-1;
θｃ———污泥龄(生物固体平均停留时间),ｄ;
Ｙ1+Ｋｄθｃ———污泥净产率系数,又称表观产率(Ｙｏｂｓ);
Ｑ———污水流量,ｍ3/ｄ;
ＢＯＤｉ,ＢＯＤｏ———进、出水中有机物ＢＯＤ浓度,ｋｇＢＯＤ/ｍ3;
ｆＰ———不可生物降解和惰性部分占ＳＳｉ 的百分数;
ＳＳｉ,ＳＳｏ———进、出水中悬浮固体ＳＳ浓度,ｋｇＳＳ/ｍ3。
德国排水技术协会(ＡＴＶ)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ＹＢＯＤ(以ＢＯＤ计,包含不可降解及惰性ＳＳ沉积项)写作:
ＹＢＯＤ=0 6×(1+ＳＳｉＢＯＤｉ)-(1-ｆｂ)×0 6×0 08×θｃ×ＦＴ1+0 08×θｃ×ＦＴ(2)
ＦＴ=1 702(Ｔ-15)(3)
式中ｆｂ———微生物内源呼吸形成的不可降解部分,取值0 1;
ＦＴ———温度修正系数。
比较(1),(2)两式,可知在ＡＴＶ标准中动力学参数Ｙ,Ｋｄ分别取值0．6和0．08ｄ-1,进水中不可降解及惰性悬浮固体(ｆＰ部分)占总进水ＳＳ的60%。由于剩余污泥中挥发性部分所占比例与曝气池中ＭＬＶＳＳ与ＭＬＳＳ的比值大体相当,因此剩余干污泥量也可以表示成下式:
ΔＸ=ＹｏｂｓＱ(ＢＯＤｉ-ＢＯＤｏ)ｆ(4)
式中ｆ=ＭＬＶＳＳＭＬＳＳ;其他符号意义同前。
式(4)与式(1)是一致的,均需确定Ｙｏｂｓ。
2 Ｙｏｂｓ的确定表观产率
Ｙｏｂｓ=Ｙ1+Ｋｄθｃ具有明确的物理含义,我国《室外排水设计规范》(ＧＢＪ14-87)第6 ．6．2条明确规定“在20℃,有机物以ＢＯＤ计时,污泥产率系数Ｙ其常数为0 ．4～0．8。如处理系统无初次沉淀池,Ｙ值必须通过试验确定。”同款还规定了Ｋｄ20℃的常数值0．04～0 ．075ｄ-1。从中可以看出,Ｙ值变化幅度达100%,Ｋｄ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Ｙｏｂｓ(或Ｙ,Ｋｄ)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θｃ,Ｆ(污泥负荷,ｋｇＢＯＤ/(ｋｇＭＬＶＳＳ·ｄ))求得Ｙｏｂｓ实际值,或回归出适用于该厂的Ｙ,Ｋｄ值。Ｙｏｂｓ用θｃ,Ｆ表示为:Ｙｏｂｓ=1θｃＦ(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Ｙｏｂｓ(或Ｙ,Ｋｄ)不完全相同,有时差别还很大。
3 ｆＰ和ｆ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ＳＳ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ＳＳ中不可降解及惰性(无机)部分所占的比例,在德国ＡＴＶ标准中取0．6。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ｆＰ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,ｆＰ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(ＭＬＶＳＳ)与总悬浮固体(ＭＬＳＳ)的比值ｆ,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 7～0 8之间;若不设初沉池,ｆ值降低,变化的范围也更大,一般为0．5～0 ．8,有时甚至低至0．4。一般说来,氧化沟可保持较高的ｆ值,如酒仙桥厂的ｆ值为0．63。ＳＢＲ则通常稳定在0．5左右[10]。
4 Ｙｏｂｓ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θｃ(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ＭＬＶＳＳ一定时,受进水水质影响)则决定了微生物总体的生长水平。ｆ值作为表征活性污泥系统实际运行状态的参数,既与θｃ,ＭＬＶＳＳ密切关联,又受到进水水质的影响,可以用来解释Ｙｏｂｓ的变化。
由于前述式(1)与式(4)是等同的,忽略ＳＳｏ,ＢＯＤｏ(符号意义同前),则有:Ｙｏｂｓ+ｆＰＳＳｉＢＯＤｉ=Ｙｏｂｓｆ,从而可建立起Ｙｏｂｓ与ｆＰ,ＳＳｉＢＯＤｉ以及ｆ之间的关联:
Ｙｏｂｓ=ｆＰ×ＳＳｉＢＯＤｉ×ｆ1-ｆ(6)
式(6)中,ｆＰ与ＳＳｉＢＯＤｉ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,ｆ则与运行工况紧密联系。根据表4所列城市污水的代表性ｆＰ和ＳＳｉＢＯＤｉ值,通过式(6)绘制Ｙｏｂｓ～ｆ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,ｆ的微小变化,会带来Ｙｏｂｓ的较大改变,特别是当ｆ>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ｆ值可能在0 4～0 7甚至更大的范围内变动,相应的污泥产率系数Ｙｏｂｓ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Ｙｏｂｓ也会有不同。就一般城市污水而言,进水ＳＳ与ＢＯＤ浓度大致相同,若不设初沉池,通常要求ｆ值控制在0 6以下(ｆ>0 6以后Ｙｏｂｓ变化显著,不利系统运行),此时Ｙｏｂｓ介于0 3～0 6之间,这也是大多数污水处理厂污泥产率系数的设计取值范围。
5 结语
(1)在活性污泥工艺设计中,正确估算剩余污泥量非常重要,为此需解决两方面的问题:一是确定污泥产率系数Ｙｏｂｓ;另一是确定进水ＳＳ中不可降解及惰性悬浮固体的比例。
(2)对传统活性污泥法,可根据已有规范及资料给定的Ｙ,Ｋｄ值,计算Ｙｏｂｓ;对不设初沉池的活性污泥变型工艺,Ｙｏｂｓ会随ＭＬＶＳＳ/ＭＬＳＳ比值显著变化,变化范围为0 3～1 0。可见,根据来水水质情况,通过调整排泥,可明显影响污泥产率。
(3)若城市污水处理厂不设初沉池,在设计时,Ｙｏｂｓ取值介于0 3～0 6之间,且需控制ＭＬＶＳＳ/ＭＬＳＳ比值在0 6以下。 (4)对于城市污水,原水ＳＳ中不可降解及惰性悬浮固体的比例,在设计中可取50%,经初沉池后,通常降至30%左右。
参考文献
1 周雹,周丹,张礼文,于福海.活性污泥工艺的设计计算方法探讨.中国给水排水,2001,17(5):45～49
2 ＧＢＪ14-87室外排水设计规范
3 于尔捷,张杰主编.给水排水工程快速设计手册—(2)排水工程.北京:中国建筑工业出版社,1996
4 张自杰主编.环境工程手册—水污染防治卷.北京:高等教育出版社.1996
5 北京水环境技术与设备研究中心等主编.三废处理工程技术手册—废水卷.北京:化学工业出版社,2000
6 娄金生,等编著.水污染治理新工艺与设计.北京:海洋出版社,1999
7 朱明权,周冰莲.ＳＢＲ工艺的设计.给水排水,1998,24(4):6～11
8 周冰莲.活性污泥法剩余污泥量的计算.中国给水排水,1999,15(6):53～55
9 姚重华编著.废水处理单元过程.北京:化学工业出版社,2001
10李健,陈双星,石凤林,李会元.大型ＳＢＲ工艺启动特点及活性污泥培养驯化.给水排水,2001,27(5):30～32
