德國生物脫氮工藝中曝氣池的設計計算
德(de)國是世界上環境保護工(gong)作開展較好的(de)國家，在污(wu)水處理的(de)脫(tuo)氮除磷(lin)方(fang)面積累了很多值得借(jie)鑒的(de)經驗。現將德(de)國排水技術協會(ATV)最新制(zhi)定的(de)城(cheng)市污(wu)水設計規(gui)范A131中關于生(sheng)物脫(tuo)氮(硝(xiao)化和(he)反硝(xiao)化)的(de)曝(pu)氣池(chi)設計方(fang)法介紹給大家，以供參(can)考。
A131的應(ying)用條件(jian)：
① 進水的(de)COD/BOD5≈2，TKN/BOD5≤0.25；
② 出(chu)水達(da)到廢水規范VwV的(de)規定(ding)。
對于具有硝(xiao)化和(he)反硝(xiao)化功能(neng)的(de)污水處理過程，其反硝(xiao)化部分的(de)大(da)小主要取(qu)決于：
① 希(xi)望達(da)到的脫氮效果；
② 曝氣(qi)池進(jin)水中硝酸鹽氮(dan)NO－3－N和(he)BOD5的比值；
③ 曝氣(qi)池(chi)進水中易降解BOD5占的比例(li)；
④ 泥齡tS；
⑤ 曝氣池中的懸浮固體濃(nong)度X；
⑥ 污水溫度。
圖1為前置反硝化系(xi)統流程。
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總回流量QR=QR1+QR2
VT——曝氣池總體(ti)積(ji) VDN——反硝化區體(ti)積(ji)
VN——硝化區(qu)體(ti)積(ji)(包括去除BOD和硝化)
圖1 前置反硝化(hua)系統流程
1 計算(suan)NDN/BOD5和VDN/VT
NDN表示需經反硝化去(qu)除的氮，它與(yu)進水的BOD5之比決定了反硝化區體積(ji)VDN占(zhan)總體積(ji)VT的大小。
由(you)氮平衡計算NDN/BOD5：
NDN＝TKNi－Noe－Nme－NS
式中(zhong) TKNi——進水總(zong)凱氏氮，mg/L
Noe——出(chu)水(shui)中有機氮(dan)，一般取1～2 mg/L
Nme——出水(shui)中無機氮(dan)(dan)之(zhi)和，包括氨氮(dan)(dan)、硝酸鹽(yan)氮(dan)(dan)和亞硝酸鹽(yan)氮(dan)(dan)，是排(pai)放(fang)控制(zhi)(zhi)值。按德國標準控制(zhi)(zhi)在18 mg/L以下，則設計(ji)時取0.67×18＝12 mg/L
NS——剩(sheng)余污泥排出的氮(dan)，等于(yu)進(jin)水BOD5的0.05倍，mg/L
由此可計(ji)算(suan)NDN/BOD5之值，然后從表1查得VDN/VT。
表1 晴天和一(yi)般情況下反硝化(hua)設計的(de)參(can)考值
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2 泥齡
泥(ni)齡tS是(shi)活性污(wu)泥(ni)在曝(pu)氣池中的平均停留時間，即
tS＝（X×VT）/（QS×XR＋Q×XE）
式中 tS ——泥(ni)齡，d
X——曝氣池(chi)中的活(huo)性污泥(ni)濃度(du)，即
MLSS，kg/m3
VT——曝氣池總體積，m3
QS——每天排出的(de)剩余污泥體積，m3/d
XR——剩(sheng)余污泥濃度，kg/m3
Q——設計污水流量，m3/d
XE——二沉池出水(shui)的懸(xuan)浮固體濃度，kg/m3
根據要(yao)求達到的(de)處理(li)(li)程度和(he)污水處理(li)(li)廠的(de)規模，從表2選取(qu)應保證(zheng)的(de)最小泥齡。
表2 處理程度及處理廠規模和最小(xiao)泥齡的關系(xi)
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3 剩余污泥量
污泥比產率
Y＝YBOD5＋YP
式中(zhong) Y——污泥產率，kg干固體/kgBOD5
YBOD5——剩余污泥產率，kg干固體/kgBOD5
YP——同步(bu)沉淀的化學污泥產率(當未投(tou)加化學混(hun)凝劑除磷時無此項)，kg干固體/kgBOD5
剩余污(wu)泥(ni)產率YBOD5與泥(ni)齡、進水SS和BOD5的比例、溫度等有關，約為0.52～1.22 kg干固體/kgBOD5，可(ke)從表3中選取。
表3 YBOD5與泥齡、進水SS和BOD5的比例(li)之關系
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4 計算曝氣池體積
首先計算曝氣池的污泥(ni)負荷N，即
N＝l/(tS×Y)
式中 N——曝氣(qi)池的污泥負(fu)荷(he)，kgBOD5/(kg干固體.d)
再根據(ju)表4選定曝氣(qi)池中的活性污(wu)泥濃度X。
表4 曝氣池中(zhong)活性污泥濃(nong)度的推薦值
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應特別注意(yi)，必須(xu)校驗二(er)沉(chen)池能否使(shi)曝氣池中的活性污泥濃度達到所選取的X值。
所以，曝氣池的體(ti)積(ji)為：
VT＝(BOD5)i×Q/(N×X)
VT＝VDN＋VN
5 回流比
內循(xun)環回流比R1＝QR1/Q，外循(xun)環回流比R2＝QR2/Q ，總(zong)回流比R＝R1＋R2。
在前置反硝(xiao)化(hua)工藝中(zhong)，硝(xiao)酸鹽氮通過(guo)內循環(huan)和外循環(huan)回(hui)(hui)流(liu)進入(ru)反硝(xiao)化(hua)區。只要回(hui)(hui)流(liu)的(de)(de)硝(xiao)酸鹽氮不超過(guo)表(biao)1中(zhong)的(de)(de)反硝(xiao)化(hua)能力，則可(ke)能達到的(de)(de)最(zui)大反硝(xiao)化(hua)程度取決于回(hui)(hui)流(liu)比R。因此，可(ke)根據反硝(xiao)化(hua)率EDN計算所需(xu)的(de)(de)最(zui)小回(hui)(hui)流(liu)比。
EDN＝NDN/(NDN＋Nne)
所需的最小回流比
R＝1/(1－EDN)－1
式中 EDN——反(fan)硝化率(lv)
Nne——出水(shui)硝(xiao)酸鹽氮(dan)，mg/L
一(yi)般(ban)在前置反硝化工藝中(zhong)，回流比(bi)(bi)(bi)取(qu)2.0。若希望(wang)進一(yi)步提高反硝化率，可繼續提高回流比(bi)(bi)(bi)。但必須注意，最大回流比(bi)(bi)(bi)為4.0，且回流比(bi)(bi)(bi)較高時存在著將過(guo)多的(de)(de)溶解(jie)氧(yang)帶(dai)入(ru)反硝化區(qu)的(de)(de)危險。為了減少(shao)循環(huan)回流中(zhong)的(de)(de)溶解(jie)氧(yang)，可在曝(pu)氣池末端設置隔(ge)離區(qu)域，減少(shao)該區(qu)中(zhong)的(de)(de)曝(pu)氣量。
前置反硝(xiao)化(hua)工(gong)藝中的反硝(xiao)化(hua)區(qu)應采用隔墻與好(hao)氧硝(xiao)化(hua)區(qu)分開，并在(zai)反硝(xiao)化(hua)區(qu)中設置攪拌裝置。
回流量(liang)還可根據連續(xu)監測反硝化區Nne值進行(xing)調節。
6 供氧量
生(sheng)物(wu)脫氮工藝中，分解(jie)(jie)碳化(hua)合物(wu)(BOD5)的需氧(yang)率OVC和(he)氧(yang)化(hua)氮化(hua)合物(wu)的需氧(yang)率OVN必(bi)須分開(kai)計算(suan)。然后根(gen)據飽(bao)和(he)溶解(jie)(jie)氧(yang)等的影(ying)響，由這兩部分之和(he)計算(suan)供氧(yang)率(氧(yang)負荷)OB 。
① 分解碳化合物的需氧率OVC可從表5查得。
表5 分解碳化合物的需氧(yang)率OVC kgO2/kgBOD5
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② 氧化(hua)(hua)氮化(hua)(hua)合物(wu)的需氧率(lv)OVN可(ke)按下式計算(suan)：
OVN＝(4.6×Nne＋1.7×NDN)/BOD5
③ 選(xuan)擇曝氣區的(de)溶解(jie)氧濃(nong)度CX，根據峰值系數fC和fN計算最大小時供(gong)氧率(氧負荷)OB：
OB＝〔Cs/(Cs－Cx)〕/(OVc×fC＋OVN×fN)
式中 Cs——污水中飽(bao)和(he)溶(rong)解氧濃度，mg/L
Cx——曝氣池中溶解氧濃度(du)，mg/ L
fC——碳負荷峰值系數，即最大小(xiao)時需氧率與平均(jun)小(xiao)時需氧率之比
fN——氮負荷(he)峰值系數
推薦的CX值(zhi)為：在無硝(xiao)(xiao)化(hua)的裝置中(zhong)(zhong)取2mg/L；進行(xing)硝(xiao)(xiao)化(hua)的裝置中(zhong)(zhong)取2mg/L；進行(xing)硝(xiao)(xiao)化(hua)同步/反硝(xiao)(xiao)化(hua)的裝置中(zhong)(zhong)取0.5mg/L。
如果(guo)無法測得峰值系數(shu)，可從表6中查取。由于在污(wu)水處理(li)廠最(zui)(zui)大(da)氮負(fu)荷(he)(he)與(yu)最(zui)(zui)大(da)碳(tan)負(fu)荷(he)(he)并不同時出現，因此選(xuan)用最(zui)(zui)大(da)碳(tan)負(fu)荷(he)(he)和平均(jun)氮負(fu)荷(he)(he)或最(zui)(zui)大(da)氮負(fu)荷(he)(he)和平均(jun)碳(tan)負(fu)荷(he)(he)進(jin)行計算(suan)。
表6 峰值系數
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④ 根據供(gong)氧(yang)(yang)(yang)率(氧(yang)(yang)(yang)負荷)OB和(he)曝(pu)氣設(she)備(bei)的氧(yang)(yang)(yang)利(li)用(yong)率計(ji)算(suan)設(she)計(ji)供(gong)氧(yang)(yang)(yang)量。如果曝(pu)氣設(she)備(bei)的氧(yang)(yang)(yang)利(li)用(yong)率是在(zai)清水中測定的，則計(ji)算(suan)結果必須除以供(gong)氧(yang)(yang)(yang)系(xi)數α(0.5～1.0)。
應(ying)(ying)特別注意的(de)問題還有，夏季在不具備反(fan)硝化功能(neng)的(de)污水處理廠進行污水硝化時(shi)，OVC值必須增(zeng)加1/3。另(ling)外，最大小(xiao)時(shi)需氧(yang)率是根據峰值系數fC和fN、以及日需氧(yang)率的(de)1/24計算的(de)，因此若(ruo)采用間(jian)(jian)歇反(fan)硝化，供(gong)氧(yang)量(liang)應(ying)(ying)依(yi)據曝氣間(jian)(jian)歇時(shi)間(jian)(jian)相應(ying)(ying)提高。
在(zai)前(qian)置(zhi)反(fan)硝化(hua)工藝中，可將(jiang)供氧和攪拌(ban)分開(kai)。反(fan)硝化(hua)區的攪拌(ban)強(qiang)度取決于(yu)池容，通(tong)常為3～8 W/m3。同時，在(zai)反(fan)硝化(hua)區安裝(zhuang)曝氣(qi)裝(zhuang)置(zhi)有利于(yu)加強(qiang)運行靈(ling)活性。
對前置反硝化(hua)系統的(de)測試表明，曝氣(qi)區起始段的(de)耗氧(yang)(yang)量(liang)(liang)為平(ping)均耗氧(yang)(yang)量(liang)(liang)的(de)2倍(bei)，故應合理(li)布置曝氣(qi)裝置，保證整個曝氣(qi)區內的(de)溶解氧(yang)(yang)都不(bu)低(di)于2 mg/L。對于推(tui)流式曝氣(qi)池(chi)(chi)，應分(fen)別在沿池(chi)(chi)長25％和75％處測量(liang)(liang)池(chi)(chi)中的(de)溶解氧(yang)(yang)。供氧(yang)(yang)量(liang)(liang)也(ye)可根(gen)據連續(xu)監測曝氣(qi)池(chi)(chi)出水中的(de)NH4＋-N值進行調整。
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