利用COD指标进行活性污泥法系统的设计

1、利用COD指标进行活性污泥法系统的设计朱明权（Schueffl & Forsthuber Consulting）摘要阐述了利用coD旨标进行活性污泥法系统设计的主要思想 和过程，并建立一套用于硝化和反硝化的活性污泥法CODS计方法。大量实际运行结果表明，利用该法对系统剩余污泥量和耗氧量以及活性污 泥的组成计算所得的结果要较传统的BOD方法更为精确。关键词 COD 活性污泥法 设计 剩余污泥量 需氧量 硝化 反硝化活性污泥法是目前废水生物处理的最主要方法，长期以来活性污泥 法均根据污水处理厂的进、出水 BOD旨标进行设计。由于BOD旨标测定 精度低、费时耗力、其值也仅仅反映部分较易降解的

2、有机物含量，故利 用BOD旨标不能对整个处理系统建立物料平衡。随着污水处理厂处理要 求的不断提高，活性污泥法系统的设计污泥龄将逐渐提高，故难降解和 部分颗粒性有机物的水解程度也将有所提高，污水处理厂中实际所降解 的有机物含量明显高于进水 BOD所反映的含量。与之相比，COD旨标测 定简单、精度高且具可比性，能反映污水中所含的全部有机物，故利用 COD旨标可以进行物料衡算。虽然COD旨标不能说明污水中有机物的生物可降解性，但对污水厂 出水或将水样和活性污泥经混合后进行较长时间曝气所得过滤液的 COD 以及对活性污泥增殖情况进行分析，可以基本反馈入流污水COD中可降解和难降解物质的含量比例，这就为

3、利用 COD旨标进行污水厂的设计和 运行提供了可能。据此，国际水质协会（IAWQ）所建立的活性污泥1号和 2号动态模型也均采用COD旨标为基础。随着现代分析技术的飞速发展， 快速COD测定方法以及在线COD测定仪（on-line）不断应用，对进水COD 各个组分的分析技术及其在活性污泥法系统中动力学转化机理的认识不 断提高，尤其是活性污泥法过程动态模拟方法不断普及，可以认为利用 COD旨标进行活性污泥法系统的设计将呈不断上升的趋势。1活性污泥法的CODg计方法1.1 进水水质组成及其转化过程在利用COD旨标进行活性污泥法系统设计前，应首先对进水水质进 行分析。主要包括测定水样经混合后的总 CO

4、DS度、水样经过滤后（滤纸 孔隙直径为0.45卩m）滤液的COt度（即水样的溶解性COt度）、SS 和VSS进水氮和磷浓度等。一般城市污水的水质组成及其在活性污泥法系统中的转化过程如图1 所示。根据图1,进水总CODS各个组分之间的关系可用下式表示：CO t=COS+CO P=CO D+CO SUb+CO D+CO pDb+Xno (1)式中 CO D进水有机物总量CO s进水溶解性CO DCO E进水颗粒性 CO DCO Sb可降解溶解性CO DCO Eb可降解颗粒性CO D CO SUb不可降解溶解性CO D COEUb不可降解颗粒性 CODXho异养微生物进水中包含有溶解性和颗粒性有机物

5、质。在 COD中，COD 般可以 为异养微生物直接利用而使微生物得到增殖；CODb在整个处理过程中保 持不变而将随出水流出系统。20% -30%NVSS.COD.,，祐住污渥X.I MLVSS （以 COD 计】-有机物x（./可降解縣和 性有机訪X,水蚪过鮭NVSS图1城市污水的水质组成及其在活性污泥法系统中的转化过程对于运行效果良好的低负荷污水厂（如硝化污水厂），污水中可降解的有机物 已经得到较为完全的去除，出水中残余的溶解性有机物可以认为基本上是由进水 中的溶解性不可降解有机物所引起，故从运行良好的污水厂的出水溶解性COD值（扣除出水中颗粒性悬浮固体所引起的 COD基本上可以估计进水中不

6、可溶解 性COD含量。对于新建污水厂，可以将原污水和活性污泥 （取自于类似水质的污 水厂）混合后经长时间曝气，当泥水混合液的过滤液 COD浓度不再变化时测定其 过滤液的COD浓度，藉此估计进水中的溶解性不可降解有机物含量。根据大量研究，一般以生活污水为主的城市污水中 CODb含量为3050mgCOD/左右。为方便计，进水CODb浓度可用其所占进水总COD的比例fus求得:CODubf us COD（2）一般城市污水的fus值为5%10%左右。根据所求得的CO味度值和进水CODb即可求得进水 COD浓度：COD=CODCOIDib （3）在实践上如缺乏COD数据，也可根据进水中的SS和VSS浓度

7、估计原污水的 COD然后根据CO浓度值求得COD对于一般城市污水，VSS浓度所占比例 fvs=VSS/SS在 0.70.8左右，VSS所产生的COD可由下式求得：COD=fcv VSS（4）一般城市污水的fcv值在1.48 mgCOD/mgVS左右。进水中的颗粒性物质分为有机和无机颗粒物，颗粒性有机物可再分为可降 解、不可降解和微生物三个部分。 CODb可根据其占进水总COD勺比例fup求得：CODb=f up COD （5）对于一般城市污水，fup约在7%20%左右。进水中所含异养微生物在进入活性污泥法系统后将直接作为活性污泥参与 生物过程。进水异养微生物占 COt浓度的比例fH一般在10%

8、20%左右，据此 可求得进水中异养微生物的浓度为：Xh尸fHCOD（6）根据式、（6）即可求得COD的浓度：CODmCODCOACODXh。 （7）在上述整个水质分析过程中，正确确定污水中所含有的可降解和不可降解有 机物的比例对整个处理系统的设计具有决定性的作用。实践表明，当污泥龄较大 时，由于绝大部分颗粒性可降解有机物将得到较为彻底的水解而转化为溶解性有 机物，在此情况下，只要可降解有机物总量相同，可降解溶解性和颗粒性有机物 的浓度划分对利用COD旨标进行设计所得的结果相差不大；另外，研究表明把异 养微生物所引起的COD浓度归类为可降解颗粒性有机物时，对整个设计结果也不 会产生较大的影响。故

9、水质分析最为重要的是确定进水中可降解和不可降解有机 物的比例。根据大量研究，一般城市污水的污水组成可归纳总结于表1。表1 一般城市污水的典型水质组成及其难降解物质所占比例（%）CODCODCODbf usCODbCODbCODb f upXhofHf us+f up备注原污水（以占进水总COD勺百分比表示）602057408520Wat.Sci.Tech.Vol.25.No.6,M.He nz8040203060202029e4913192123Scheer（德国Husumf亏水厂）71522Liebeskind（德国污水厂）71320Wenzel（南非污水厂）初沉污水（以占初沉池出水COD勺

10、百分比表示）60155201230515522Wat.Sci.Tech.Vol.25.No.6,M.He nze7540306015107951061010131812121614101581396842223Hartwig（德国 Hildesheim 污水厂）23Hartwig（德国 Hannover 污水厂）15Scheer(德国Itzehoe 污水厂)25IAWQ 2号Model建议值14Lesouef（法国 Valenton 污水厂）23Lesouef(法国污水厂)19Sollfrank(瑞士苏黎世污水厂)20Siegrist(瑞士几家污水厂)26Wenzel(南非污水厂)161.2

11、剩余污泥的计算在活性污泥法过程中，增殖的活性污泥和进水中所含有的惰性固体 有机物将以剩余污泥的形式排出系统，同时活性污泥在降解和增殖过程 中不断消耗氧气。进水中部分不可降解的或者尚未得到降解的COD各随出水带出系统。上述物料变化过程可用图 2表示：述水COi）（kgCOD/d耗氧量(kO3/d)(不包辅抽化所需氧虽)卡性污泥法生物处理系纟生物过程所产生的剩余污泥MLVSS出水COD（kgCOD/d）图2活性污泥法系统的COD物料平衡利用COD旨标进行活性污泥法工艺设计总的指导思想是对系统的 CO建立下列物料平衡：进水COD(kg/d)=出水COD(kg/d)+剩余污泥COD(kg/d)+耗氧量

12、 (kgO2/d)(8)在进行工艺设计时关键是先要正确求得系统所产生的剩余污泥量。 如图1所示，系统所产生的剩余污泥主要由以下几部分组成。 生物降解、利用污水中的有机物所增殖的异养微生物XHo；对一般城市污水，硝化过程中利用无机碳源而合成的自养微生物Xa约占总污泥量的2%左右，对剩余污泥量的计算影响不大，为简单计，在本文中 将不予考虑。 絮凝吸附在活性污泥絮体表面和内部而尚未得到水解的进水中 可降解颗粒性有机物Xpo 絮凝吸附在活性污泥絮体表面和内部的进水中不可降解颗粒性有机物以及活性污泥内源呼吸所产生的惰性残余物质X o 絮凝吸附在活性污泥絮体表面和内部的进水中颗粒性无机物 质。根据图1,当

13、曝气池活性污泥浓度处于平衡状态时，根据物料平衡 可得下列各式：曝气池活性污泥中的微生物浓度：km/(nrdV(9)式中 Qd 日进水流量，m/dYh污泥产率，mgCOD/mgCODv曝气池容积，m心。一一20 C时水解速率常数，d-1心020 °C时污泥衰亡速率常数，d-1f(T)温度修正系数,f(T)=e(T- 20) X 0.069-1d设计污泥龄 © st的倒数，可理解为剩余污泥的排出率,曝气池活性污泥中可降解颗粒性有机物的浓度：COS，+/(丁” F式中fp污泥内源呼吸衰亡的微生物转化为可降解有机物的部分 曝气池活性污泥中不可降解颗粒性有机物的浓度：v QCESmK

14、"汀(丁)ML血7(11)式中f I污泥内源呼吸而衰亡的微生物转化为不可降解有机物的部 分由上述三式即可求得曝气池中活性污泥挥发性组分的浓度：X=Xh+Xp+X(12)习惯上，污泥浓度一般表示为悬浮固体浓度。在活性污泥法污水厂 中的大量理论和实践研究表明，1 mgVSS勺活性污泥相当于1.48 mgCOD 故式(12)可表示为：MLVSS=(H+XP+X)/f cv (13)这里，仏值为1.48 mgCOD/mgVS左右。曝气池活性污泥中的非挥发性物质 NVSS的浓度：Qr N略头十0(2二氏十40汕八"(14)式中 Fe、AI 同时除磷外加的铁盐或铝盐的浓度，mgFg/L

15、或Al3+/L2.5、4.0 污泥转化系数曝气池中的活性污泥总浓度可由式(13)、(14)求得:MLSS=MLVSS+NVSS (15)由式(9)至(15)可求得一定曝气池容积和污泥龄下的活性污泥总浓 度以及活性污泥各个组分的浓度。计算时，可先设定一曝气池容积V,然后求得曝气池中活性污泥各个组分的浓度及其总的污泥浓度MLSS设计者可以根据处理工艺、污泥沉降性能、二沉池的分离能力等因素确定 曝气池中允许的污泥浓度 MLSS如根据所设定的曝气池容积而求得的污 泥浓度等于设计者所规定的值，则此曝气池容积即为设计容积，否则重 新设定曝气池容积，重复上述过程。根据曝气池污泥浓度、曝气池池容、污泥龄即可求

16、得系统所排出的 剩余污泥量：(16)(17)所排出的总污泥量0ST订 000其中挥发性污泥量_ MLVSS* V1 W折算到单位进水COD勺产泥量为:cpMLSS-V才斷® _ Qd- COD&cMLVSSV(18)SF畑.咖q扩egQ N盯%(19)式中 N COD亏泥负荷弘=MLVSSV UCOD/< kgMLVSS- d) 1若剩余污泥量以COD计，则:(21)SPf 0 ' SP VSS或 SPcoo =&1.3 系统需氧量的计算根据图2和式(8)的COD物料平衡，可以非常方便地求得活性污泥法 系统活性污泥在代谢过程中所需的氧量：耗氧量(kgOJ

17、d)=进水COD出水COD剩余污泥COD=QCODCODff )-SP co=Q(CODCODib)-SP cod (22)式(22)中，出水COD浓度等于进水溶解性不可降解 COD浓度。如折 算到单位进水COD所需的氧量OC则式(22)可转化为：OCQ-(coa-cw,ub)-QCOD,COD 从SPCWu 'CO©；7 QfCOD(23)在计算设计供氧量时，必须注意应使所设计的供氧系统即使在水温 较高时也能满足工艺要求。如系统尚需进行硝化和反硝化，则除氮所需氧量可由下式求得：OC=(4.6.N e+1.7.N d)/COD (24)mgNON/L式中 2出水硝酸盐氮浓度，

18、mgNON/L N系统中反硝化所去除的硝酸盐氮浓度, 系统总的需氧量：OC=OCo+OC (25)1.4 反硝化能力和反硝化区容积的确定参与反硝化的细菌是异养微生物。这类细菌在溶解氧存在时，将优 先利用溶解氧作为最终电子受体；在缺氧条件下(只有硝态氮存在而无自 由溶解氧存在)，则将利用硝态氮中的氧作为最终电子受体。一般认为约有75%的异养微生物有能力利用硝态氮中的氧进行呼吸。为安全计，一 般假定活性污泥在缺氧阶段的呼吸速率将有所下降，其值约为好氧呼吸 的80%左右，据此可求得活性污泥利用硝态氮中氧的能力(即反硝化能力)：(26)式中 门门一一反硝化能力，即利用单位进水COD所能反硝化的氮量vd

19、、v反硝化区容积和曝气池的总容积，ma修正系数，当系统采用前置反硝化工艺时，由于反硝化区内基质浓度提高，故活性污泥耗氧能力提高，需修正，其值为 a=(VDV)-0.235。当采用同时硝化/反硝化工艺时，a=1.0根据系统的进水总氮浓度以及所要求达到的出水总氮浓度，可求得系统需硝化和反硝化的氮量，利用式（26）即可求得反硝化区所占曝气池 的容积比例Vd/V。系统所需总的污泥龄 © s,t为：卄 F7V（27）式中 © S A好氧污泥龄满足硝化所需的最低好氧污泥龄为®s1A = *1.103as_T1 <SF声（28）式中 卩 一一硝化菌比生长速率，当 T=15

20、 C时，卩=0.47/dSF安全系数，其值取决于污水厂规模。一般为保证出水氨氮 浓度<5 mg/L , SF值应取2.33.0左右T 污水温度，C2设计举例一典型城市污水厂采用前置反硝化活性污泥法工艺，需达到深度脱33氮要求，其日处理量为50 000 m /d,设计小时最大流量为2 700 m /h , 设计硝化反硝化水温为12 C,供氧水温为20 C。进、出水水质见表2 污水水质各组分的CO浓度见表3。表2 进、出水水质水量mg/L项目进水水质初沉池出水（经1.5 h沉淀）要求出 水水质BOD25018815COD50037575SS30015015TN454012NF+N35355表

21、3 COD组分分析结果项目:CODCODCODCODbCODCODCOP»CODFo原污水:50035015040(f us=8%)11020085(f up=17%)65(f h=13% )初沉污水375 22515040(f us=10.7 %)11014045(f up=12%)(f h=10.7 %)设计时所采用的动力学参数主要参考国际水质协会（IAWQ）提出的活性污泥法数学模型中所采用的参数值，再根据具体情况稍作修正，一般 动力学参数值见表4。表4动力学参数值20 C时水解常数 心2。(d 1) 211.520 C时内源呼吸系数K.,20 (d -1)(0.5污泥产率 YH

22、(gCOD/gCOD)0.60内源呼吸形成的不可降解部分fi0.1内源呼吸形成的可降解部分fp0.9表5设计举例计算结果计算步骤方案1:不设初沉池 前置反硝化系统万案2:设置初沉池 前置反硝化系统备注1.求得硝化 所需好氧污 泥龄(硝化设 计水温12 C)6.6 d6.6 d由式(28)求 得，取 SF=2.32.建立氮量 平衡，求得系 统所需的反 硝化能力进水总氮=45 mg/L出水氨氮=5 mg/L 出水有机氮=2 mg/L 出水硝态氮=5 mg/L 随剩余污泥排出的氮=10 mg/L所需反硝化的氮量：N=23 mg/LCQD、=0.046 kgN/kgCOD进水总氮=40 mg/L 出水

23、氨氮=5 mg/L 出水有机氮=2 mg/L 出水硝态氮=5 mg/L 随剩余污泥排出的氮=7.5 mg/L所需反硝化的氮量：Nd=20.5 mg/LCOD、=0.055kgN/kgCOD3.通过迭代 法求得反硝 化所需的容 积比例VD/V 以及所需总 污泥龄© S, T一 ”* =0.310 s, t=9.6 d卩=0.360 s, t=10.3 d由式(16)至 式(26)通过 迭代法求得4.计算曝气 池容积初步估计所需总容积34000 m3初步估计所需总容积22800 m35.求得曝气 池中的污泥 浓度Xh=1 383 mgCOD/LXp=674 mgCOD/LX=1 584

24、mgCOD/LXh=1 624 mgCOD/LXp=757 mgCOD/LX=1 499 mgCOD/L由式(9)至式(15)求得X=3 641 mgCOD/L 折算至悬浮固体浓度：MLVSS=2.45 g/LNVSS=0.85 g/LMLSS=3.30 g/LX=3 880 mgCOD/L 折算至悬浮固体浓度：MLVSS=2.62 g/LNVSS=0.68 g/LMLSS=3.30 g/L计算所得曝 气池污泥浓 度与所设定 的曝气池污 泥浓度相等， 故估计的曝 气池浓度为 设计容积6.硝化区和 反硝化区容 积3反硝化区容积10.540 m硝化区容积23.400 m 33反硝化区容积8.200

25、 m硝化区容积14.600 m 37.污泥负荷Ns=0.30kgCOD/(kgMLVSS.d)Ns=0.31kgCOD/(kgMLVSS.d)由式(20)求 得8.求得系统 所产生的剩 余污泥量剩余污泥量以COD计SP=12.880 kgCOD/dSFCo=0.515 kgCOD/kgCOD 折合至有机固体重量SFVsf8.703 kgVSS/d 考虑污泥中所含有的无机 固体物，故总剩余污泥量SR=11.703 kg/d折算到单位进水CO所产 生的剩余污泥量为SFSs co=0.47 kg/kgCOD剩余污泥量以COD计SR=8.584 kgCOD/dSFCo=0.458 kgCOD/kgCO

26、D折合至有机固体重量SFVss=5.800 kgVSS/d 考虑污泥中所含有的无 机固体物，故总剩余污 泥量SR=7.300 kg/d 折算到单位进水COD 产生的剩余污泥量为SRs, co=0.39 kg/kgCOD由式(16)至(21)求得9.确定工艺 需氧量(供氧设计水 温为20 C)去除COD所需氧量：10.120 kgO2/d(12 °C)11.560 kgO 2/d(20 C) 折算到单位进水COD需 的氧量分别为：0.405 kgO2/kgCOD(12 C)0.463 kgO2/kgCOD(20 C) 硝化反硝化所需氧量：0.124 kgO2/kgCOD或3.105 k

27、gO 2/d工艺总需氧量(20 C):14.665 kgO 2/d去除CO所需氧量：8.166 kgO2/d(12 C)9.220 kgO 2/d(20 C) 折算到单位进水COD需的氧量分别为：0.435kgQ/kgCOD(12 C)0.492kgQ/kgCOD(20 C)硝化反硝化所需氧量：0.154 kgO 2/kgCOD或2.888 kgO 2/d工艺总需氧量(20 C):12.110 kgO2/d由式(22)(23)求 得由式(24)求得设计者可根据污泥沉降特性和二沉池的设计，确定曝气池允许的活 性污泥浓度，本例中曝气池污泥浓度为 3.3 gMLSS/L 。根据上述公式和进、 出水水质要求以及有关动力学参数， 即可用 COD 指标进行活性污泥法系统的设计，通过编制一个简单的计算机程序迅速 地完成整个计算过程，其主要计算结果归纳于表 5 中。3 结论本文主要讨论了以COD为指标的设计基本原则，分析了各个有机组 分在活性污泥法系统中的转换过程和机理，在此基础上建立了一套利用 COD旨标进行活性污泥法硝化反硝化系统的设计方法。利用此设计方法 可以较为精确地计算所需曝气池容积，系统中剩余污泥的产量，工艺所 需耗氧量以及活性污泥的组成，对活性污泥法过程及其机理的理解也有 一定的帮助。作者简介：朱明权 男 35 岁 硕士通讯处： C/O SFC Julius-Welser-s