SBR反應池容積計算方法及評價
摘要：從SBR反應池的功能出發，通過對現行SBR反應池容積的各類 計算 方法 比較和合理性 分析 ，提出了總污泥量綜合設計法，并以工程算例結果鑒別各類方法的適用性，供設計借鑒。
關鍵詞：SBR池容積 污泥負荷 污泥齡 干污泥總量 沉降距離 。
SBR反應池池容計算系指傳統的序批式活性污泥反應池，而不包括其他SBR改進型的諸多反應池(如ICEAS、CASS、MSBR等)池容的計算。
現針對存在的 問題 提出一套以總污泥量為主要參數的綜合設計方法，供設計者 參考 。
1 現行設計方法
1.1 負荷法
該法與連續式曝氣池容的設計相仿。已知SBR反應池的容積負荷或污泥負荷、進水量及進水中BOD5濃度，即可由下式迅速求得SBR池容：
容積負荷法 V=nQ0C0/Nv (1)
Vmin=[SVI·MLSS/106]·V
污泥負荷法 Vmin=nQ0C0·SVI/Ns (2)
V=Vmin+Q0
1.2 曝氣時間內負荷法
鑒于SBR法屬間歇曝氣，一個周期內有效曝氣時間為ta，則一日內總曝氣時間為nta，以此建立如下計算式：
容積負荷法 V=nQ0C0tc/Nv·ta (3)
污泥負荷法 V=24QC0/nta·MLSS·NS (4)
1.3 動力學設計法
由于SBR的運行操作方式不同，其有效容積的計算也不盡相同。根據動力學原理演算(過程略)，SBR反應池容計算公式可分為下列三種情況：
限制曝氣 V=NQ(C0-Ce)tf/[MLSS·Ns·ta] (5)
非限制曝氣 V=nQ(C0-Ce)tf/[MLSS·Ns(ta+tf)] (6)
半限制曝氣 V=nQ(C0-Ce)tf/[LSS·Ns(ta+tf-t0)] (7)
但在實際 應用 中發現上述方法存有以下問題：
① 對負荷參數的選用依據不足，提供選用參數的范圍過大[例如 文獻 推薦Nv=0.1～1.3kgBOD5/(m3·d)等]，而未考慮水溫、進水水質、污泥齡、活性污泥量以及SBR池幾何尺寸等要素對負荷及池容的 影響 ;
② 負荷法將連續式曝氣池容計算方法移用于具有二沉池功能的SBR池容計算，存有 理論 上的差異，使所得結果偏小;
③ 在計算公式中均出現了SVI、MLSS、Nv、Ns等敏感的變化參數，難于全部同時根據經驗假定，忽略了底物的明顯影響，并將導致各參數間不一致甚至矛盾的現象;
④ 曝氣時間內負荷法與動力學設計法中試圖引入有效曝氣時間ta對SBR池容所產生的影響，但因其由動力學原理演算而得，假定的邊界條件不完全適應于實際各個階段的反應過程，將有機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有機碳去除的影響，使得在同一負荷條件下所得SBR池容驚人地偏大。
上述問題的存在不僅不利于SBR法對污水的有效處理，而且進行多方案比較時也不可能全面反映SBR法的工程量，會得出投資偏高或偏低的結果。
針對以上問題，提出了一套以總污泥量為主要參數的SBR池容綜合設計方法。
2 總污泥量綜合設計法
該法是以提供SBR反應池一定的活性污泥量為前提，并滿足適合的SVI條件，保證在沉降階段歷時和排水階段歷時內的沉降距離和沉淀面積，據此推算出最低水深下的最小污泥沉降所需的體積，然后根據最大周期進水量求算貯水容積，兩者之和即為所求SBR池容。并由此驗算曝氣時間內的活性污泥濃度及最低水深下的污泥濃度，以判別計算結果的合理性。其計算公式為：
TS=naQ0(C0-Cr)tT·S (8)
Vmin=AHmin≥TS·SVI·10-3 (9)
Hmin=Hmax-ΔH (10)
V=Vmin+ΔV (11)
式中TS——單個SBR池內干污泥總量，kg
tT·S——總污泥齡，d
A——SBR池幾何平面積，m2
Hmax、Hmin——分別為曝氣時最高水位和沉淀終了時最低水位，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：
Cr=Ce-Z·Cse·1.42(1-ek1t) (12)
式中Cse——出水中懸浮物濃度，kg/m3
k1——耗氧速率，d-1
t——BOD實驗時間，d
Z——活性污泥中異養菌所占比例，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——產泥系數，即單位BOD5所產生的剩余污泥量，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——分別為進水中懸浮固體濃度及BOD 5濃度，kg/m3
T——污水水溫，℃
由式(9)計算之Vmin系為同時滿足活性污泥沉降幾何面積以及既定沉淀歷時條件下的沉降距離，此值將大于現行方法中所推算的Vmin。
必須指出的是，實際的污泥沉降距離應考慮排水歷時內的沉降作用，該作用距離稱之為保護高度Hb。同時，SBR池內混合液從完全動態混合變為靜止沉淀的初始5～10min內污泥 仍處于紊動狀態，之后才逐漸變為壓縮沉降直至排水歷時結束。它們之間的關系可由下式表示：
vs(ts+td-10/60)=ΔH+Hb (17)
vs=650/MLSSmax·SVI (18)
由式(18)代入式(17)并作相應變換改寫為：
[650·A·Hmax/TS·SVI](ts+td-10/60)=ΔV/A+Hb (19)
式中 vs——污泥沉降速度，m/h
MLSSmax——當水深為Hmax時的MLSS，kg/m3
ts、td——分別為污泥沉淀歷時和排水歷時，h
式(19)中SVI、Hb、ts、td均可據經驗假定，Ts、ΔV均為已知，Hmax可依據鼓風機風壓或曝氣機有效水深設置，A為可求，同時求得ΔH，使其在許可的排水變幅范圍內保證允許的保護高度。因而，由式(10)、(11)可分別求得Hmin、Vmin和反應池容。
3 工程算例
3.1 設計基本條件
某城鎮平均污水處理量為10000m3/d，進、出水質見表1。
| 項目 | 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池容計算
按前述設計方法及推薦采用的參數，以及提出的總污泥量綜合計算法和相應的參數推求公式，依表1的要求進行SBR池容計算。為便于結果比較，該工程設SBR池2座，交替分批進水，周期長6h，Hmax=4.2m，變化系數k2=1.2，計算結果見表2。
| 設計參數 | 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 |
| MLSSmax(mg/L) | 3000 | (3235) | (3235) | 3235 | |
| a［kgMLSS/(kgBOD5·d)］ | 0.906 | ||||
| tT·S(d) | 15 | ||||
| TS(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 |
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注：①一法至四法依次指：容積負荷法、總污泥負荷法、曝氣時間內負荷法、動力學設計法，新法系指總污泥量綜合設計法； ②前四種方法中參數 A、ΔH值系由V及Hmax反推而得，列出目的是為便于比較； ③一法和二法中Ns、Nv、SVI值系直接引用相應參考文獻中采用的數據，其他方法中凡帶( )者為文中假定或移用新法推算值。 |
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4 設計 方法 評價
根據表2結果進行合理性 分析 ，對SBR池容設計的各種方法作綜合評價如下：
① 曝氣時間內負荷法和動力學設計法所得池容明顯偏大，停留時間過長，ΔH已超出允許范圍，實際的MLSSmax僅為1508 mg/L和1655mg/L，要達到假定的活性污泥濃度必須使總污泥齡達30d左右，這樣則污泥負荷過小，不利于除磷脫氮。故該兩法若用于 目前 的設計，尚有待改進和完善，但其設想及動力學的 理論 原理和對SBR池容設計的進步將具有一定的 研究 價值。
② 容積負荷法和總污泥負荷法實質上系屬同一種方法，當采用相應 參考 文獻 中的設計參數時所得池容偏小、停留時間過短、ΔH也已超出允許范圍;當負荷參數采用總污泥量綜合設計法的公式推算值時，則所得SBR池容趨于合理、偏差縮小，但仍然存有ΔH、Hmax等參數與沉降速度、沉淀面積及保護高度之間的關系相脫節的缺陷，最終將 影響 處理效果。
因此該兩法宜謹慎采用，特別是對公式中的負荷參數應以通過 計算 代替假設，但對式(15)應進行修正，以與該兩法的計算公式相適應。
③ 總污泥量綜合設計法中所考慮的因素及出發點均與SBR反應池的功能特性密切結合，避免了前幾種方法中所存在的 問題 及缺陷。通過包括硝化、反硝化和厭氧三個反應階段所需反應歷時及階段污泥齡的校核計算(方法略)得三個階段的反應歷時分別為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池容完全能滿足進行除磷脫氮的需要，且維持了合理的負荷及活性污泥濃度。
④ 從有關參數得知：總污泥量綜合設計法SBR池容合理;ΔH在允許范圍內;MLSSmax=3235mg/L，在3000～4000mg/L之間;Ns=0.074kgBOD5/(kgMLSS·d)，在0.06～0.10kgBOD5/(kgMLSS·d)范圍內;Nn=0.013kgNH3-N/(kgMLSS·d)，符合除磷脫氮負荷要求;MLSSmin=5269mg/L近似于6000mg/L;ΔV/V=38.6%≤40%，符合最佳充水比。
該法在所有設計參數中除SVI、ts、td按經驗假定外，均依據進水水質由公式推算而得，不會產生與其他現行方法的矛盾。同時在推求池容過程中確定了SBR池的幾何尺寸，這是其他方法所不及的。
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