孫力平 王 蕾
天津城市建設(shè)學(xué)院市政與環(huán)境工程系

　　在活性污泥系統(tǒng)中充分利用了固液分離技術(shù)。目前人們已經(jīng)把二沉池與生物反應(yīng)器以及污泥回流系統(tǒng)視為一個(gè)處理單元。
　　設(shè)計(jì)任何固液分離系統(tǒng)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(dá)到的分離程度以及分離后液、固體去向；
　　經(jīng)濟(jì)方面，包括基建費(fèi)用和效益；
　　工藝、運(yùn)行和設(shè)備的可靠性；
　　運(yùn)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(chǎn)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(zhì)的時(shí)常變化還要暫時(shí)貯存活性污泥。
　　通常處理系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用是和系統(tǒng)處理構(gòu)筑物的容積大小成正比的，所以二沉池的設(shè)計(jì)計(jì)算是否合理，直接影響到整個(gè)生物處理系統(tǒng)的運(yùn)行處理效果和建設(shè)費(fèi)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(duì)沉淀池的研究較為欠缺，不同的國家，不同的設(shè)計(jì)單位（水處理公司）都有自己的標(biāo)準(zhǔn)或方法，這些技術(shù)并不總是有明確的理論論證，常常也會(huì)發(fā)生矛盾。
　　目前世界范圍內(nèi)都要求在經(jīng)濟(jì)負(fù)荷下，提高出水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，由此對(duì)沉淀池的作用進(jìn)行了重新研究，并對(duì)過去已經(jīng)承認(rèn)了的參數(shù)產(chǎn)生了疑問。

1　影響二沉池運(yùn)行設(shè)計(jì)的幾個(gè)主要因素

　　二沉池運(yùn)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(diǎn)和負(fù)荷、進(jìn)水形式、池型、污泥收集系統(tǒng)、水力條件、水波和自然風(fēng)影響；（3）污泥：負(fù)荷、區(qū)域沉淀速度、污泥體積指數(shù)、硝化程度；（4）生物處理情況：活性污泥模式、BOD負(fù)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(tǒng)；（3）污泥：沉速（ZSV）、SVI、混合液濃度和負(fù)荷、回流比、污泥槽高度。
　　欲獲得滿意的二沉池運(yùn)行效果，就必須適當(dāng)?shù)臐M足二沉池運(yùn)行的諸多的條件，就目前研究的情況，設(shè)計(jì)中主要考慮因素有如下幾點(diǎn)：
1.1　活性污泥的沉降性能
　　在生物處理系統(tǒng)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(shè)計(jì)與運(yùn)行。
　　衡量活性污泥沉降性能的參數(shù)有二個(gè)：一是污泥指數(shù)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(jīng)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(nèi)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(guān)系：
　　SVI=SV / MLSS （mL/g）　　　　 （1-1）
　　或　SV=SVI×MLSS （mL/L）
　　SVI值能反應(yīng)出活性污泥的凝聚、沉淀性能，過低說明泥粒細(xì)小，無機(jī)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(chǎn)生膨脹現(xiàn)象的可能。其沉降性能一般區(qū)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(dāng)?shù)腟VI值，則需在設(shè)計(jì)時(shí)選用適當(dāng)?shù)奈勰酀舛龋∕LSS）值，當(dāng)進(jìn)入生物反應(yīng)器中的有機(jī)物量一定時(shí)，污泥濃度愈高，則污泥負(fù)荷（F/M）愈小，所以在設(shè)計(jì)時(shí)必須正確選擇污泥負(fù)荷(F/M)。
　　污泥濃度（MLSS）、污泥負(fù)荷（F/M）與曝氣池體積（V）之間有下列關(guān)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(shè)計(jì)中一般根據(jù)污泥負(fù)荷（F/M）選擇確定污泥指數(shù)（SVI），此數(shù)據(jù)一般采用運(yùn)行值或試驗(yàn)值，可根據(jù)表1選取，混合液污泥濃度可根據(jù)處理工藝從表2中選取。

表1 污泥指數(shù)值 數(shù)據(jù)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(jī)工業(yè)廢水的生活污水 100-150 75-100 混有大量有機(jī)工業(yè)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(duì)大多數(shù)廢水, F/M在下述范圍內(nèi): 0.3<F/M<0.6。
1.2回流污泥、回流比、回流污泥濃度、濃縮時(shí)間
　　在生物處理系統(tǒng)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(tǒng)所要求的污泥濃度，降解進(jìn)入系統(tǒng)中的有機(jī)物質(zhì)。有機(jī)物越多，需要的生物量越大，要想維持系統(tǒng)所要求的污泥濃度，就必須保證回流污泥的量。
　　在生物系統(tǒng)物料平衡中有如下關(guān)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(yù)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?；亓魑勰嗔?，一般用回流比控制。對(duì)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?yàn)檩^大的回流比會(huì)加大二沉池分離區(qū)紊動(dòng)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(zhì)和二沉池內(nèi)污泥濃縮條件有關(guān)，活性污泥的濃縮性能不僅取決于SVI，還受到濃縮區(qū)高度、停留時(shí)間的影響。濃縮區(qū)的高度和停留時(shí)間與下列因素有關(guān)：固體負(fù)荷；二沉池進(jìn)、配水方式；刮泥機(jī)種類與性能；污泥回流量及二沉池的池型等。
　　在我國一般認(rèn)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(guān)系：
　　X_r=r·10⁶/SVI　?。╩g/l）
　　式中的r是考慮污泥在二沉池中的停留時(shí)間、池深、污泥層厚度等因素有關(guān)的系數(shù)，一般取1.2左右。
　　德國在二沉池豎向設(shè)計(jì)中研究較多，并提出了二沉池底流污泥濃度（X_B）與濃縮時(shí)間（t_E）之間的關(guān)系式：
　　X_B=(10³/SVI)·(t_E)^1/3 ?。╧g/m³）
　　式中：SVI—污泥指數(shù)（L/kg）；
　　　　　t_E—污泥濃縮時(shí)間（h）。
　　由此式看：污泥濃縮時(shí)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??；另一方面活性污泥在二沉池濃縮區(qū)和刮泥區(qū)的停留時(shí)間應(yīng)盡可能短，以免二沉池內(nèi)污泥中的磷再次釋放以及因脫氮而造成的污泥上浮現(xiàn)象。但是要精確的確定最佳濃縮時(shí)間和影響系數(shù)，還要做大量的研究工作。
　　濃縮時(shí)間的確定對(duì)二沉池的計(jì)算特別重要，設(shè)計(jì)可根據(jù)表3經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取:

表3 濃縮時(shí)間取值表 處理工藝 濃縮時(shí)間（h） 傳統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)有關(guān)。
　　采用刮泥時(shí)：X_r≌0.7X_B
　　采用吸泥時(shí)：X_r≌0.5-0.7X_B
　　以上二式適用于機(jī)械刮吸泥式二沉池。
1.3　污泥體積負(fù)荷和表面負(fù)荷
　　污泥體積負(fù)荷（q_v）和表面負(fù)荷q′是設(shè)計(jì)計(jì)算二沉池表面積的參數(shù)。二者有如下關(guān)系：
　　q′=q_v/(MLSS×SVI)
　　在處理水量一定時(shí)，沉淀池表面面積與表面負(fù)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(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ14-87(1997)中規(guī)定活性污泥法二沉池表面水力負(fù)荷1.0-2.5m³/(m².h)，德國對(duì)水平流態(tài)的二沉池（平流、輻流二沉池）規(guī)定：q′≯1.6 m³/(m².h)；q_v≦0.45m³/(m²·h)，對(duì)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(fù)荷較大q′≯2.0m³/(m².h)、q_v≦0.6m³/(m²·h)。

2　目前國內(nèi)二沉池常用計(jì)算方法

2.1　二沉池表面積計(jì)算方法
　　計(jì)算二沉池沉淀部分水面常用方法有表面負(fù)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(jì)算。
　　在許多沉淀池的設(shè)計(jì)計(jì)算中，依據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的污泥沉降曲線給人以精確和復(fù)雜的印象，但對(duì)于大多數(shù)的設(shè)計(jì)來說，并沒有條件對(duì)處理工藝所生成的污泥進(jìn)行沉降試驗(yàn)，因此二沉池的設(shè)計(jì)一般都采用經(jīng)驗(yàn)值。
　　一般設(shè)計(jì)中沉淀池的面積確定在我國簡化為A =Q/q′，《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中不僅規(guī)定了表面水力負(fù)荷值，而且規(guī)定了二沉池的徑深比。
　　英國WRC出版的TR11和TR144(STOM用戶手冊(cè))對(duì)于面積計(jì)算都很簡單，且為工藝核查提供了圖表，使沉淀池面積計(jì)算大為簡化，同時(shí)，此表格還是一種比較沉淀池運(yùn)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(shè)計(jì)
　　我國目前《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，沉淀池的有效水深宜采用2-4米，設(shè)計(jì)手冊(cè)和教科書對(duì)二沉池高度設(shè)計(jì)，只作了二沉池有效水深和二沉池污泥區(qū)容積計(jì)算二項(xiàng)描述。
　　有效水深按沉淀時(shí)間計(jì)算，一般沉淀時(shí)間取1-1.5h。而污泥區(qū)容積按2h貯泥量計(jì)算。
　　事實(shí)上這一規(guī)定是無法進(jìn)行二沉池高度的詳細(xì)計(jì)算的，例如：污泥區(qū)與池邊高度的關(guān)系。
　　國內(nèi)某些設(shè)計(jì)研究院對(duì)輻流式二沉池總高度計(jì)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(jì)算沉淀時(shí)間一般采用3小時(shí)，水力表面負(fù)荷采用我國設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)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(chǎn)運(yùn)行中取得良好效果。
　　英國WRC設(shè)計(jì)最大的缺陷同樣是缺少沉淀池的高度數(shù)據(jù)，但在歐洲一般采用德國ATV（污水處理協(xié)會(huì)）高度分區(qū)方法加以補(bǔ)充。
　　德國ATV制定的設(shè)計(jì)規(guī)范（A131）規(guī)定的二沉池深度計(jì)算，把二沉池深度方向按其作用分為4個(gè)區(qū)：清水區(qū)、分離區(qū)、儲(chǔ)存區(qū)、濃縮及刮泥區(qū)。
　　（1）清水區(qū)（h₁）
　　為安全保證區(qū)，減輕風(fēng)、密度差、溢流堰對(duì)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
　?。?）分離區(qū)（h₂）
　　混合液在分離區(qū)泥水分離，該區(qū)存在絮凝和沉淀二個(gè)過程，分離區(qū)的沉淀過程會(huì)受進(jìn)水的紊流影響。
　　分離區(qū)計(jì)算停留時(shí)間0.5h。
　　計(jì)算公式：h₂ = 0.5·Q_max(1+R)/[1-(SVI×MLSS)]　　(m)
　　式中：SVI——污泥指數(shù)（m³/kg）；
　　　　　MLSS—混合液懸浮固體濃度（kg/m³）
　　　　　R———回流比（%）；
　　　　　Q_max——污水設(shè)計(jì)流量（m³/h）
　　 （3）儲(chǔ)存區(qū)（h₃）
　　作用是在雨季儲(chǔ)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(chǔ)存區(qū)與分離區(qū)是連續(xù)一體的。儲(chǔ)泥區(qū)所儲(chǔ)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(chǔ)存區(qū)的大小，應(yīng)滿足雨季時(shí)在1.5h內(nèi)能接納從曝氣池內(nèi)多流出的污泥量,污泥體積濃度按500L/m³計(jì)（經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)），在此期間，污泥在儲(chǔ)存區(qū)進(jìn)行濃縮，并分布于整個(gè)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(shù)（L³/kg）；
　　　　　 q_v——污泥體積負(fù)荷(L/m²·h)；
　　q_v =q′·MLSS·SVI。
（4）濃縮及刮泥區(qū)（h₄）
　　濃縮區(qū)是保證污泥底流濃度的區(qū)域。
　　h₄ = q_v·(1+R)t_E/C　　(m)
　　式中：t_E—濃縮時(shí)間h,一般0.5-2.0h；
　　　　 C—濃縮區(qū)污泥濃度值(L/m³)；
　　　　 C = 300·t_E+500
　　濃縮區(qū)內(nèi)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(duì)輻流式二沉池計(jì)算總池深為其水平流程2/3處的池深,如圖1所示。同時(shí)還應(yīng)滿足池邊深度h_min≥2.5m,計(jì)算總池深h≥3.0m，中心斗邊深度h_max≥4.0m。

3　結(jié)論

　　1．二沉池是目前活性污泥系統(tǒng)中使用最廣泛的構(gòu)筑物，但其設(shè)計(jì)計(jì)算在我國乃至世界范圍內(nèi)，都存在著不同程度的理論和實(shí)際上的不完善，還需進(jìn)一步的研究探討。
　　2．輻流式二沉池豎向設(shè)計(jì)計(jì)算方法建議采用一下二種方法：
　?。?）德國分區(qū)計(jì)算法計(jì)算，我國規(guī)范數(shù)據(jù)校核；
　?。?）用上述某設(shè)計(jì)院計(jì)算方法計(jì)算，按我國設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定深度與德國深度規(guī)定相結(jié)的方法進(jìn)行校核。
　　3．據(jù)國外報(bào)道，已有集漂浮和沉淀與一體的構(gòu)筑物也開始使用，漂浮物作為回流活性污泥被回流，節(jié)省了常規(guī)回流污泥泵的揚(yáng)程，并有污泥濃度比較高，池子直徑比較小的優(yōu)點(diǎn)。
　　膜技術(shù)和微濾法也可作為常規(guī)沉淀池的替代，現(xiàn)在此技術(shù)正在發(fā)展中，他們的優(yōu)點(diǎn)是占地面積小。