污泥负荷 减还是不减

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对2006年版 室外排水设计规范 污泥负荷概念的商榷

曹 相 生

(北京工业大学建筑工程学院,北京 100124)

摘要 现行 室外排水设计规范 (GB 50014!2006)中采用了两个污泥负荷概念,由此引起设计人员的困惑和生物反应池体积计算的混乱。为此,对污泥负荷概念的来龙去脉进行了归纳分析,认为源自F/M 的负荷概念更符合实际,建议在规范修订时统一污泥负荷的定义。

关键词 室外排水设计规范 污泥负荷 曝气池 生物反应池 容积 现行的 室外排水设计规范 (GB 50014!2006)(以下简称∀06规范#)与上一版的 室外排水设计规范 (GBJ 14!87,1997年版,以下简称∀97规范#)相比,采用污泥负荷法计算曝气池(生物反应池)容积的公式发生了明显变化。自∀06规范#执行以来,由于该公式与现有部分给水排水工程设计手册和经典教材上的公式不同,因此引起设计人员的困惑,并造成了曝气池容积计算公式混乱应用的情况。笔者在注册设备工程师(给水排水)考试辅导培训中,也发现大多数设计人员对这个问题感到困惑,不知道在考试中采用哪个公式正确。为此,本文对曝气池容积计算公式进行探究,并提出自己的看法,与同行商榷。1 问题描述

∀06规范#6.6.11条规定,当以去除碳源污染物为主时,曝气池的容积可按照污泥负荷法计算,其计算公式(1):

V 06=

24Q(S 0-S e )1000L S X

(1)

式中V 06!!!∀06规范#公式计算的曝气池容积,m 3;

Q !!!曝气池的设计流量,m 3/h;S 0!!!曝气池进水BOD 5,mg /L;

S e !!!曝气池出水BOD 5,m g/L,当去除率大于90%时可不计入;

L S !!!曝气池的BOD 5污泥负荷,kgBOD 5/

(kg MLSS ∃d);

X !!!曝气池内混合液悬浮固体平均浓度,

gM LSS/L 。

∀97规范#6.6.2条则给出了式(2)。为了方便比较,式(2)中的变量符号采用了式(1)中相同变量

的符号。其余公式也做相同处理。

V 97=24QS 0

1000L S X

(2)

式中V 97!!!∀97规范#公式计算的曝气池容积,m 3。对比式(1)和式(2)可以看出,二者的区别在于计算时是否减去出水BOD 5浓度。2 对负荷法的分析

负荷法是目前国内广泛采用的曝气池容积计算方法。在污水生物处理中,以微生物的食物量与微生物量的比值来表示负荷。因此,负荷也常称作食物与微生物数量的比值,用符号F/M 表示。我国给水排水工程专业的经典教材[1]将负荷定义为:在能将有机物降解到预定程度的前提下,单位质量污泥或单位体积曝气池每天接受的有机物量,分别用污泥负荷[式(3)]和容积负荷[式(4)]表示。

F M =L S =24QS 0

1000VX

(3) L V =24QS 0

1000V

(4)

式中L V !!!曝气池的容积负荷,kgBOD 5/(m 3∃d)。

上述概念被国内大部分给水排水工程设计手册[2~5]

和权威书籍[6~8]

认可和采用,用以确定曝气池的容积。式(3)和式(4)也被美国污水处理经典教材[9]用于曝气池设计的校核。美国土木工程协会(ASCE)和水环境协会(WEF)的设计手册中也采用这一概念,并引用了文献[9]中的负荷数据[10]。美国权威的环境微生物教材中也采用了式(3)的概念[11]。

∀06规范#中的式(1)没有采用式(3)定义的负荷,而采用了去除负荷的概念。文献[1]在使用Eckenfelder 模型进行有污泥回流的完全混合式活

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性污泥法的公式推导过程中给出了式(5)和式(6),并分别称之为污泥去除负荷和容积去除负荷。

L rS =

24(S 0-S e )1000X T =

24Q (S 0-S e )

1000VX

(5)

式中L rS !!!污泥去除负荷,kgBOD 5/(kgMLSS ∃d);

T !!!曝气池的名义水力停留时间,h 。L rV =

24(S 0-S e )1000T =

24Q (S 0-S e )

1000V

(6)

式中L rV !!!容积去除负荷,kgBOD 5/(m 3

∃d)。

实际上,式(5)和式(6)并没有负荷的字面意义,只是表示了有机底物的比去除速率,即单位质量微生物或单位体积微生物在单位时间内去除的有机物量。对此,文献[12]和文献[13]将式(5)和式(6)的

定义称之为氧化能力。而文献[14]认为将之称作去除能力更为合适。文献[9]则称之为底物比利用速率(specific substrate utilization rate),并没有使用负荷(lo ading )一词。

为方便叙述,笔者沿用国内大部分文献的说法,将式(5)和式(6)定义的负荷称之为去除负荷,而将式(3)和式(4)定义的负荷称之为接受负荷。

本质上讲,曝气池容积是去除负荷(氧化能力、去除能力、底物比利用速率)的反映。即去除负荷越大,所需的曝气池容积越小。从这个角度来说,显然可以使用去除负荷来计算曝气池容积[式(1)]。但对于同样的有机物去除量,如果进水有机物浓度不同,则对应的去除负荷和污泥浓度不同。如将BOD 5从380mg/L 降低到200mg/L 与将其从200m g/L 降低到20m g/L 相比,虽然去除量相同,但所需的曝气池体积不可能相同,因为在不同底物浓度下去除负荷和污泥浓度会有较大差异。Mo nod 方程的两个推论对此作了极佳的说明[1]

。

去除负荷(底物比利用速率)的概念是活性污泥法理论计算的权威人士Eckendelder 、Law rence 、M cCarty 、M cKinney 和Ooten 等在定量分析活性污泥法的过程中提出的。但他们最终使用了活性污泥反应动力学参数和泥龄来计算曝气池容积,也未利用去除负荷取代接受负荷来计算曝气池容积。虽然美国土木工程协会(ASCE)和水环境协会(WEF)的设计手册中列出了泥龄等动力学计算公式,但却不推荐采用。因为很难获取实际污水的这些动力学参

数。他们认为采用经验的接受负荷法设计曝气池更为稳妥[10]。查阅中美两国相关的教材和设计手册,在城镇污水生物处理中,除了文献[15]外,尚未见到使用去除负荷计算曝气池容积的例子。

另外,严格来说,使用式(1)时进出水BOD 5值应采用可被生物去除的BOD 5(降解和吸附的),而不是曝气池进出水的BOD 5。对此∀06规范#的编写人员也认为式(1)中的S e 采用出水中溶解性BOD 5更为合理[16]。但笔者认为,即使采用溶解性BOD 5也不尽合理。因为污水生物处理后出水中BOD 5并非全部是剩余的、没有被处理的BOD 5,而包括了微生物在去除进水BOD 5过程中自身产生的大量SM P 等物质[17,18]

。

无论是去除负荷还是接受负荷,在∀06规范#的规定下,其应用范围限于城镇污水的二级生物处理。城镇污水BOD 5一般为100~300mg/L,无论采用何种活性污泥法,由于受排放标准的,经二级生物处理后,其出水BOD 5浓度一般要求低于20mg/L 。如果曝气池进水BOD 5浓度较高,为了达到20mg/L 的BOD 5出水水质,曝气时间会延长,曝气池容积则会相应加大,相应地负荷也会降低。这就是采用接受负荷法[式(2)]设计曝气池的原理。作为一种经验法,自从接受负荷法在20世纪60年代被提出以来,已经成功应用于全世界数万座城镇污水处理厂的曝气池设计。显然,对于城镇污水的二级生物处理设计,既然出水BOD 5值大致相同,也没有采用污泥去除负荷概念进行计算曝气池容积的必要。3 ∀06规范#中关于负荷法计算曝气池容积的商榷之处

(1)与∀97规范#相比,∀06规范#中污泥负荷的定义发生了改变,即采用去除负荷的概念而不再采用接受负荷的概念,但污泥负荷的推荐值却没有改变。

BOD 5去除率的计算如式(7)所示:

=S 0-S e S 0

(7)

忽略式(1)和式(2)中S 0和S e 定义的差异,通过式(7)可得到式(8):

V 06= V 97

(8)

如果采用相同的设计参数,则去除率越小,依据∀97规范#和∀06规范#分别计算出的曝气池体积差别越大[19]。这或许是∀06规范#给出的式(1)中说明

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的,当去除率大于90%时可不计入S e 的原因。但无论是正文还是条文解释,规范没有给出任何说明。

(2)∀06规范#中仅仅将BOD 5污泥负荷的定义更改为去除负荷,但在6.6.11条的条文解释中,容积负荷的定义依然采用了接受负荷的概念。

(3)∀06规范#在曝气池计算中采用BOD 5去除负荷的概念。但在6.6.36条SBR 反应池容积计算中,却使用了BOD 5接受负荷的概念。SBR 也属于活性污泥法的一种,虽然在SBR 反应池内和连续流曝气池内生化反应的规律不同,但为何SBR 采用接受负荷而不采用去除负荷,规范没有给出解释。

(4)∀06规范#没有给出氧化沟容积的计算公式。在计算氧化沟容积时,设计人员不明确是采用去除负荷还是接受负荷。

(5)∀06规范#没有给出生物膜法反应池的容积计算公式。但根据2.1.76和2.1.77的术语解释可以推断。生物膜法反应池容积计算中采用的是接受负荷概念而非去除负荷概念,对此规范也未作说明。4 结语

依据∀06规范#1.0.2条及相应的条文解释,规范不适用于工业废水和村庄、集镇和临时性排水。也就是说∀06规范#的适用范围是城镇污水。依据以上对负荷概念的分析,对于城镇污水的二级生物处理,其出水BOD 5要求基本相同,而BOD 5去除率一般也在80%~95%。这样看来,似乎没有采用污泥去除负荷概念来计算曝气池容积的必要。因此,建议规范修订时,采用污泥接受负荷的概念为宜,至少也应对SBR 和传统活性污泥法采用统一的污泥负荷概念。而对于工业废水,尤其是高浓度有机废水的生物处理,则应认真讨论是否采用接受负荷或去除负荷来计算曝气池体积。事实上,用于工业废水处理设计的文献[20]采用了去除负荷的概念。

由于∀06规范#中采用了去除负荷,去除负荷的概念已经被给水排水工程专业教材

[21]

和环保部正

在制定的接触氧化和膜生物反应器等专业规范所采用。对此,也建议建设和环保部门联合对污泥负荷的概念展开讨论。

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&通讯处:100124北京工业大学建工学院市政工程系

E-mail:caox ish@yahoo.com.cn 收稿日期:2010-08-23修回日期:2010-11-27