胡大鏘
(國(guó)家電力公司 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 浙江 杭 州 310014)

　　 摘　要：從SBR反應(yīng)池的功能出發(fā)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)行SBR反應(yīng)池容積的各類(lèi)計(jì)算方法比較和合理性分析，提出了總污泥量綜合設(shè)計(jì)法，并以工程算例結(jié)果鑒別各類(lèi)方法的適用性，供設(shè)計(jì)借鑒。
　　關(guān)鍵詞：SBR池容積 污泥負(fù)荷；污泥齡；干污泥總量；沉降距離
　　中圖分類(lèi)號(hào)：X505
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1001-4602(2002)06-0061-03

　　SBR反應(yīng)池池容計(jì)算系指?jìng)鹘y(tǒng)的序批式活性污泥反應(yīng)池，而不包括其他SBR改進(jìn)型的諸多反應(yīng)池(如ICEAS、CASS、MSBR等)池容的計(jì)算。
　　現(xiàn)針對(duì)存在的問(wèn)題提出一套以總污泥量為主要參數(shù)的綜合設(shè)計(jì)方法，供設(shè)計(jì)者參考。

1 現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法

1.1 負(fù)荷法
　　該法與連續(xù)式曝氣池容的設(shè)計(jì)相仿。已知SBR反應(yīng)池的容積負(fù)荷或污泥負(fù)荷、進(jìn)水量及進(jìn)水中BOD₅濃度，即可由下式迅速求得SBR池容：
　　容積負(fù)荷法　　V=nQ₀C₀／Nv　　　　　　　(1)
　　　　　　　　　V_min=［SVI·MLSS／10⁶]·V
　　污泥負(fù)荷法 　 Vmin=nQ₀C₀·SVI／Ns　　　(2)
　　　　　　　　　V=Vmin+Q₀
1.2 曝氣時(shí)間內(nèi)負(fù)荷法
　　鑒于SBR法屬間歇曝氣，一個(gè)周期內(nèi)有效曝氣時(shí)間為ta，則一日內(nèi)總曝氣時(shí)間為nta，以此建立如下計(jì)算式：
　　容積負(fù)荷法 　V=nQ₀C₀tc／Nv·ta　　　　(3)
　　污泥負(fù)荷法　 V=24QC₀／nt_a·MLSS·N_S　　　(4)
1.3 動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)法
　　由于SBR的運(yùn)行操作方式不同，其有效容積的計(jì)算也不盡相同。根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理演算(過(guò)程略)，SBR反應(yīng)池容計(jì)算公式可分為下列三種情況：
　　限制曝氣 　 V=NQ(C_０-Ce)t_f／[MLSS·Ns·ta]　　　　 (5)
　　非限制曝氣　V=nQ(C_０-Ce)t_f／[MLSS·Ns(ta+tf)]　　　(6)
　　半限制曝氣　V=nQ(C₀-Ce)t_f／[LSS·Ns(ta+tf-t0)]　　(7)
　　但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)上述方法存有以下問(wèn)題：
　?、?對(duì)負(fù)荷參數(shù)的選用依據(jù)不足，提供選用參數(shù)的范圍過(guò)大［例如文獻(xiàn)推薦Nv=0.1～1.3kgBOD₅/(m³·d)等］，而未考慮水溫、進(jìn)水水質(zhì)、污泥齡、活性污泥量以及SBR池幾何尺寸等要素對(duì)負(fù)荷及池容的影響；
　　② 負(fù)荷法將連續(xù)式曝氣池容計(jì)算方法移用于具有二沉池功能的SBR池容計(jì)算，存有理論上的差異，使所得結(jié)果偏小；
　?、?在計(jì)算公式中均出現(xiàn)了SVI、MLSS、Nv、Ns等敏感的變化參數(shù)，難于全部同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假定，忽略了底物的明顯影響，并將導(dǎo)致各參數(shù)間不一致甚至矛盾的現(xiàn)象；
　?、?曝氣時(shí)間內(nèi)負(fù)荷法與動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)法中試圖引入有效曝氣時(shí)間ta對(duì)SBR池容所產(chǎn)生的影響，但因其由動(dòng)力學(xué)原理演算而得，假定的邊界條件不完全適應(yīng)于實(shí)際各個(gè)階段的反應(yīng)過(guò)程，將有機(jī)碳的去除僅限制在好氧階段的曝氣作用，而忽略了其他非曝氣階段對(duì)有機(jī)碳去除的影響，使得在同一負(fù)荷條件下所得SBR池容驚人地偏大。
　　上述問(wèn)題的存在不僅不利于SBR法對(duì)污水的有效處理，而且進(jìn)行多方案比較時(shí)也不可能全面反映SBR法的工程量，會(huì)得出投資偏高或偏低的結(jié)果。
　　針對(duì)以上問(wèn)題，提出了一套以總污泥量為主要參數(shù)的SBR池容綜合設(shè)計(jì)方法。

2 總污泥量綜合設(shè)計(jì)法

　　該法是以提供SBR反應(yīng)池一定的活性污泥量為前提，并滿(mǎn)足適合的SVI條件，保證在沉降階段歷時(shí)和排水階段歷時(shí)內(nèi)的沉降距離和沉淀面積，據(jù)此推算出最低水深下的最小污泥沉降所需的體積，然后根據(jù)最大周期進(jìn)水量求算貯水容積，兩者之和即為所求SBR池容。并由此驗(yàn)算曝氣時(shí)間內(nèi)的活性污泥濃度及最低水深下的污泥濃度，以判別計(jì)算結(jié)果的合理性。其計(jì)算公式為：
?　　　　TS=naQ₀(C₀-Cr)t_T·S　　　　　(8)
?　　　　Vmin=AHmin≥TS·SVI·10_-3　 　(9)
?　　　　H_min=?Hmax-ΔH?　　　　　(10)
?　　　　V=Vmin+ΔV?　　　　　　　　(11)
　　式中?TS——單個(gè)SBR池內(nèi)干污泥總量，kg
　　　　　tT·S——總污泥齡，d
　　　　　A——SBR池幾何平面積，m²
?　　　　Hmax、Hmin——分別為曝氣時(shí)最高水位和沉淀終了時(shí)最低水位，m
　　　　　ΔH——最高水位與最低水位差，m
?　　　　Cr——出水BOD₅濃度與出水懸浮物濃度中溶解性BOD₅濃度之差。其值為：
?　　　　C_r=C_e-Z·C_se·1.42(1-e^k₁^t)　　　　(12)
　　式中?Cse——出水中懸浮物濃度，kg/m³
?　　　　k1——耗氧速率，d^-1
?　　　　t——BOD實(shí)驗(yàn)時(shí)間，d
?　　　　Z——活性污泥中異養(yǎng)菌所占比例，其值為：
?　　　　Z=B-（B²-8.33Ｎs·1.072^(15-T)）^0.5?　　　(13)
?　　　　B=0.555+4.167(1+TS₀/BOD₅)Ns·1.072^(15-T)?　　(14)
　　　　　Ns=1/a·tT·S?　　　　(15)
　　式中?a——產(chǎn)泥系數(shù)，即單位BOD₅所產(chǎn)生的剩余污泥量，kgMLSS/kgBOD₅，其值為：
?　　　　a=0.6(TS0/BOD5+1)-0.6×0.072×1.072^(T-15)1/［tT·S+0.08×1.072^(T-15)?　　(16)
　　式中TS、BOD₅——分別為進(jìn)水中懸浮固體濃度及BOD ₅濃度，kg/m³
　　　　?T——污水水溫，℃
　　由式(9)計(jì)算之Vmin系為同時(shí)滿(mǎn)足活性污泥沉降幾何面積以及既定沉淀歷時(shí)條件下的沉降距離，此值將大于現(xiàn)行方法中所推算的Vmin。
　　必須指出的是，實(shí)際的污泥沉降距離應(yīng)考慮排水歷時(shí)內(nèi)的沉降作用，該作用距離稱(chēng)之為保護(hù)高度Hb。同時(shí)，SBR池內(nèi)混合液從完全動(dòng)態(tài)混合變?yōu)殪o止沉淀的初始5～10min內(nèi)污泥 仍處于紊動(dòng)狀態(tài)，之后才逐漸變?yōu)閴嚎s沉降直至排水歷時(shí)結(jié)束。它們之間的關(guān)系可由下式表示：
?　v_s(t_s+td-10/60)=ΔH+H_b　　　　(17)
?　v_s=650/MLSS_max·SVI?　　　　　(18)
　　由式(18)代入式(17)并作相應(yīng)變換改寫(xiě)為：
　?。?50·A·Hmax／TS·SVI］(ts+td-10/60)=ΔＶ/Ａ+Hb　　　　　(19)
　　式中 ?vs——污泥沉降速度，m/h
?　　　　MLSSmax——當(dāng)水深為Hmax時(shí)的MLSS，kg/m³?
　　　　　ts、td——分別為污泥沉淀歷時(shí)和排水歷時(shí)，h
　　式(19)中SVI、Hb、ts、td均可據(jù)經(jīng)驗(yàn)假定，Ts、ΔV均為已知，Hmax可依據(jù)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓或曝氣機(jī)有效水深設(shè)置，A為可求，同時(shí)求得ΔH，使其在許可的排水變幅范圍內(nèi)保證允許的保護(hù)高度。因而，由式(10)、(11)可分別求得Hmin、Vmin和反應(yīng)池容。

3 工程算例 ?

3.1 設(shè)計(jì)基本條件
　　某城鎮(zhèn)平均污水處理量為10000m³/d，進(jìn)、出水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水質(zhì) 項(xiàng)目 CODCr(mg/L) BOD₅(mg/L) SS(mg/L) NH₃-N(mg/L) NO₃-N(mg/L) TP(mg/L) 水溫(℃) pH 進(jìn)水 380 200 200 40 0 4 15 　 出水 60 20 20 5 5 0.5 　 6～9

3.2 　SBR池容計(jì)算
　　按前述設(shè)計(jì)方法及推薦采用的參數(shù)，以及提出的總污泥量綜合計(jì)算法和相應(yīng)的參數(shù)推求公式，依表1的要求進(jìn)行SBR池容計(jì)算。為便于結(jié)果比較，該工程設(shè)SBR池2座，交替分批進(jìn)水，周期長(zhǎng)6h，Hmax=4.2m，變化系數(shù)k₂=1.2，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 單個(gè)SBR池參數(shù)及結(jié)果比較 設(shè)計(jì)參數(shù) 一法 二法 三法 四法 新法 Nv［kgBOD₅/(m³·d)］ 0.50 　 0.24 　 　 Nv［kgBOD₅/(kgMLSS·d］ 　 0.255 (0.074) (0.074) 0.074 SVI(mL/g) 90 150 (120) (120) 120 MLSS_max(mg/L) 3000 　 (3235) (3235) 3235 a［kgMLSS/(kgBOD₅·d)］ 　 　 　 　 0.906 t_T·S(d) 　 　 　 　 15 T_S(kg) 　 　 (12571) (12571) 12571 Z(%) 　 　 　 　 0.302 ta(h) 　 　 (3.0) (3.0) 　 ts+td(h) 　 　 　 　 1.0+1.0 A(m²) 476 438 1984 1798 925 ΔH(m) 3.07 2.85 2.57 2.57 1.62 Vmin(m³) 540 588 3234 2931 2386 V(m³) 2000 1838 8333 7550 3886 ΔV(m³) 1460 1250 5099 4619 1500 HRT(h) 9.6 8.8 40.0 36.2 18.7 注：①一法至四法依次指：容積負(fù)荷法、總污泥負(fù)荷法、曝氣時(shí)間內(nèi)負(fù)荷法、動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)法，新法系指總污泥量綜合設(shè)計(jì)法；
　?、谇八姆N方法中參數(shù) A、ΔH值系由V及Hmax反推而得，列出目的是為便于比較；
　?、垡环ê投ㄖ蠳s、Nv、SVI值系直接引用相應(yīng)參考文獻(xiàn)中采用的數(shù)據(jù)，其他方法中凡帶( )者為文中假定或移用新法推算值。

4 設(shè)計(jì)方法評(píng)價(jià)

　　根據(jù)表2結(jié)果進(jìn)行合理性分析，對(duì)SBR池容設(shè)計(jì)的各種方法作綜合評(píng)價(jià)如下：
　?、?曝氣時(shí)間內(nèi)負(fù)荷法和動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)法所得池容明顯偏大，停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，ΔH已超出允許范圍，實(shí)際的MLSSmax僅為1508 mg/L和1655mg/L，要達(dá)到假定的活性污泥濃度必須使總污泥齡達(dá)30d左右，這樣則污泥負(fù)荷過(guò)小，不利于除磷脫氮。故該兩法若用于目前的設(shè)計(jì)，尚有待改進(jìn)和完善，但其設(shè)想及動(dòng)力學(xué)的理論原理和對(duì)SBR池容設(shè)計(jì)的進(jìn)步將具有一定的研究?jī)r(jià)值。
　?、?容積負(fù)荷法和總污泥負(fù)荷法實(shí)質(zhì)上系屬同一種方法，當(dāng)采用相應(yīng)參考文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)所得池容偏小、停留時(shí)間過(guò)短、ΔH也已超出允許范圍；當(dāng)負(fù)荷參數(shù)采用總污泥量綜合設(shè)計(jì)法的公式推算值時(shí)，則所得SBR池容趨于合理、偏差縮小，但仍然存有ΔH、Hmax等參數(shù)與沉降速度、沉淀面積及保護(hù)高度之間的關(guān)系相脫節(jié)的缺陷，最終將影響處理效果。
　　因此該兩法宜謹(jǐn)慎采用，特別是對(duì)公式中的負(fù)荷參數(shù)應(yīng)以通過(guò)計(jì)算代替假設(shè)，但對(duì)式(15)應(yīng)進(jìn)行修正，以與該兩法的計(jì)算公式相適應(yīng)。
　　③ 總污泥量綜合設(shè)計(jì)法中所考慮的因素及出發(fā)點(diǎn)均與SBR反應(yīng)池的功能特性密切結(jié)合，避免了前幾種方法中所存在的問(wèn)題及缺陷。通過(guò)包括硝化、反硝化和厭氧三個(gè)反應(yīng)階段所需反應(yīng)歷時(shí)及階段污泥齡的校核計(jì)算(方法略)得三個(gè)階段的反應(yīng)歷時(shí)分別為2.1、1.4、0.5h；所需污泥齡分別為5、8及10d。而本算例假定總污泥齡為15d，其SBR池容完全能滿(mǎn)足進(jìn)行除磷脫氮的需要，且維持了合理的負(fù)荷及活性污泥濃度。
　?、?從有關(guān)參數(shù)得知：總污泥量綜合設(shè)計(jì)法SBR池容合理；ΔH在允許范圍內(nèi)；MLSSmax=3235mg/L，在3000～4000mg/L之間；Ns=0.074kgBOD₅/(kgMLSS·d)，在0.06～0.10kgBOD₅/(kgMLSS·d)范圍內(nèi)；Nn=0.013kgNH₃-N/(kgMLSS·d)，符合除磷脫氮負(fù)荷要求；MLSSmin=5269mg/L近似于6000mg/L；ΔV/V=38.6%≤40%，符合最佳充水比。
　　該法在所有設(shè)計(jì)參數(shù)中除SVI、ts、td按經(jīng)驗(yàn)假定外，均依據(jù)進(jìn)水水質(zhì)由公式推算而得，不會(huì)產(chǎn)生與其他現(xiàn)行方法的矛盾。同時(shí)在推求池容過(guò)程中確定了SBR池的幾何尺寸，這是其他方法所不及的。

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　　收稿日期：2002-03-22