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SBR反应池容积计算方法及评价
简介： 从SBR反应池的功能出发，通过对现行SBR反应池容积的各类计算方法比较和合理性分析，提出了总污泥量综合设计法，并以工程算例结果鉴别各类方法的适用性，供设计借鉴。 关键字：SBR池容积 污泥负荷 污泥龄 干污泥总量 沉降距离
SBR反应池池容计算系指传统的序批式活性污泥反应池，而不包括其他SBR改进型的诸多反应池(如ICEAS、CASS、MSBR等)池容的计算。
现针对存在的问题提出一套以总污泥量为主要参数的综合设计方法，供设计者参考。
1 现行设计方法
1.1 负荷法
该法与连续式曝气池容的设计相仿。已知SBR反应池的容积负荷或污泥负荷、进水量及进水中BOD5浓度，即可由下式迅速求得SBR池容：
容积负荷法 V=nQ0C0／Nv (1) Vmin=［SVI·MLSS／106]·V 污泥负荷法 Vmin=nQ0C0·SVI／Ns (2) V=Vmin+Q0 1.2 曝气时间内负荷法
鉴于SBR法属间歇曝气，一个周期内有效曝气时间为ta，则一日内总曝气时间为nta，以此建立如下计算式：
容积负荷法 V=nQ0C0tc／Nv·ta (3) 污泥负荷法 V=24QC0／nta·MLSS·NS (4) 1.3 动力学设计法
由于SBR的运行操作方式不同，其有效容积的计算也不尽相同。根据动力学原理演算(过程略)，SBR反应池容计算公式可分为下列三种情况：
限制曝气 V=NQ(C０-Ce)tf／[MLSS·Ns·ta] (5) 非限制曝气 V=nQ(C０-Ce)tf／[MLSS·Ns(ta+tf)] (6) 半限制曝气 V=nQ(C0-Ce)tf／[LSS·Ns(ta+tf-t0)] (7)
但在实际应用中发现上述方法存有以下问题：
① 对负荷参数的选用依据不足，提供选用参数的范围过大［例如文献推荐Nv=0.1～1.3kgBOD5/(m3·d)等］，而未考虑水温、进水水质、污泥龄、活性污泥量以及SBR池几何尺寸等要素对负荷及池容的影响； ② 负荷法将连续式曝气池容计算方法移用于具有二沉池功能的SBR池容计算，存有理论上的差异，使所得结果偏小；
③ 在计算公式中均出现了SVI、MLSS、Nv、Ns等敏感的变化参数，难于全部同时根据经验假定，忽略了底物的明显影响，并将导致各参数间不一致甚至矛盾的现象；
④ 曝气时间内负荷法与动力学设计法中试图引入有效曝气时间ta对SBR池容所产生的影响，但因其由动力学原理演算而得，假定的边界条件不完全适应于实际各个阶段的反应过程，将有机碳的去除仅限制在好氧阶段的曝气作用，而忽略了其他非曝气阶段对有机碳去除的影响，使得在同一负荷条件下所得SBR池容惊人地偏大。
上述问题的存在不仅不利于SBR法对污水的有效处理，而且进行多方案比较时也不可能全面反映SBR法的工程量，会得出投资偏高或偏低的结果。
针对以上问题，提出了一套以总污泥量为主要参数的SBR池容综合设计方法。
2 总污泥量综合设计法
该法是以提供SBR反应池一定的活性污泥量为前提，并满足适合的SVI条件，保证在沉降阶段历时和排水阶段历时内的沉降距离和沉淀面积，据此推算出最低水深下的最小污泥沉降所需的体积，然后根据最大周期进水量求算贮水容积，两者之和即为所求SBR池容。并由此验算曝气时间内的活性污泥浓度及最低水深下的污泥浓度，以判别计算结果的合理性。其计算公式为： TS=naQ0(C0-Cr)tT·S (8) Vmin=AHmin≥TS·SVI·10-3 (9) Hmin= V=Vmin+ΔV 式中
- (10) (11)
——单个SBR池内干污泥总量，kg
tT·S——总污泥龄，d A——SBR池几何平面积，m2
Hmax、Hmin——分别为曝气时最高水位和沉淀终了时最低水位，m ΔH——最高水位与最低水位差，m
Cr——出水BOD5浓度与出水悬浮物浓度中溶解性BOD5浓度之差。其值为：
Cr=Ce-Z·Cse·1.42(1-ek1t) (12) 式中
——出水中悬浮物浓度，kg/m3
k1——耗氧速率，d-1 t——BOD实验时间，d
Z——活性污泥中异养菌所占比例，其值为： 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 式中
(15)
——产泥系数，即单位BOD5所产生的剩余污泥量，kgMLSS/kgBOD5，其值为：
(16)
a=0.6(TS0/BOD5+1)-0.6×0.072×1.072(T-15)1/［tT·S+0.08×1.072(T-15) 式中TS、BOD5——分别为进水中悬浮固体浓度及BOD 5浓度，kg/m3
——污水水温，℃
由式(9)计算之Vmin系为同时满足活性污泥沉降几何面积以及既定沉淀历时条件下的沉降距离，此值将大于现行方法中所推算的Vmin。
必须指出的是，实际的污泥沉降距离应考虑排水历时内的沉降作用，该作用距离称之为保护高度Hb。同时，SBR池内混合液从完全动态混合变为静止沉淀的初始5～10min内污泥 仍处于紊动状态，之后才逐渐变为压缩沉降直至排水历时结束。它们之间的关系可由下式表示： vs(ts+td-10/60)=ΔH+Hb (17) vs=650/MLSSmax·SVI
(18)
由式(18)代入式(17)并作相应变换改写为：
［650·A·Hmax／TS·SVI］(ts+td-10/60)=ΔＶ/Ａ+Hb (19) 式中
——污泥沉降速度，m/h
MLSSmax——当水深为Hmax时的MLSS，kg/m3 ts、td——分别为污泥沉淀历时和排水历时，h
式(19)中SVI、Hb、ts、td均可据经验假定，Ts、ΔV均为已知，Hmax可依据鼓风机风压或曝气机有效水深设置，A为可求，同时求得ΔH，使其在许可的排水变幅范围内保证允许的保护高度。因而，由式(10)、(11)可分别求得Hmin、Vmin和反应池容。
3 工程算例
3.1 设计基本条件
某城镇平均污水处理量为10000m3/d，进、出水质见表1。
表1 设计进、出水质 水项目 CODCr(mg/L) BOD5(mg/L) SS(mg/L) NH3-N(mg/L) NO3-N(mg/L) TP(mg/L) 温(℃) 进水 出水 380 60 200 20 200 20 40 5 0 5 4 0.5 15 pH 6～9 3.2 SBR池容计算
按前述设计方法及推荐采用的参数，以及提出的总污泥量综合计算法和相应的参数推求公式，依表1的要求进行SBR池容计算。为便于结果比较，该工程设SBR池2座，交替分批进水，周期长6h，Hmax=4.2m，变化系数k2=1.2，计算结果见表2。
表2 单个SBR池参数及结果比较 设计参数 Nv［kgBOD5/(m3·d)］ Nv［kgBOD5/(kgMLSS·d］ SVI(mL/g) MLSSmax(mg/L) a［kgMLSS/(kgBOD5·d)］ tT·S(d) TS(kg) Z(%) ta(h) ts+td(h) A(m2) ΔH(m) Vmin(m3) V(m3) ΔV(m3) HRT(h) 一法 0.50 90 3000 476 3.07 540 2000 1460 9.6 二法 0.255 150 438 2.85 588 1838 1250 8.8 三法 0.24 (0.074) (120) (3235) (12571) (3.0) 1984 2.57 3234 8333 5099 40.0 四法 (0.074) (120) (3235) (12571) (3.0) 1798 2.57 2931 7550 4619 36.2 新法 0.074 120 3235 0.906 15 12571 0.302 1.0+1.0 925 1.62 2386 3886 1500 18.7 注：①一法至四法依次指：容积负荷法、总污泥负荷法、曝气时间内负荷法、动力学设计法，新法系指总污泥量综合设计法； ②前四种方法中参数 A、ΔH值系由V及Hmax反推而得，列出目的是为便于比较； ③一法和二法中Ns、Nv、SVI值系直接引用相应参考文献中采用的数据，其他方法中凡带( )者为文中假定或移用新法推算值。 4 设计方法评价
根据表2结果进行合理性分析，对SBR池容设计的各种方法作综合评价如下：
① 曝气时间内负荷法和动力学设计法所得池容明显偏大，停留时间过长，ΔH已超出允许范围，实际的MLSSmax仅为1508 mg/L和1655mg/L，要达到假定的活性污泥浓度必须使总污泥龄达30d左右，这样则污泥负荷过小，不利于除磷脱氮。故该两法若用于目前的设计，尚有待改进和完善，但其设想及动力学的理论原理和对SBR池容设计的进步将具有一定的研究价值。
② 容积负荷法和总污泥负荷法实质上系属同一种方法，当采用相应参考文献中的设计参数时所得池容偏小、停留时间过短、ΔH也已超出允许范围；当负荷参数采用总污泥量综合设计法的公式推算值时，则所得SBR池容趋于合理、偏差缩小，但仍然存有ΔH、Hmax等参数与沉降速度、沉淀面积及保护高度之间的关系相脱节的缺陷，最终将影响处理效果。
因此该两法宜谨慎采用，特别是对公式中的负荷参数应以通过计算代替假设，但对式(15)应进行修正，以与该两法的计算公式相适应。
③ 总污泥量综合设计法中所考虑的因素及出发点均与SBR反应池的功能特性密切结合，避免了前几种方法中所存在的问题及缺陷。通过包括硝化、反硝化和厌氧三个反应阶段所需反应历时及阶段污泥龄的校核计算(方法略)得三个阶段的反应历时分别为2.1、1.4、0.5h；所需污泥龄分别为5、8及10d。而本算例假定总污泥龄为15d，其SBR池容完全能满足进行除磷脱氮的需要，且维持了合理的负荷及活性污泥浓度。 ④ 从有关参数得知：总污泥量综合设计法SBR池容合理；ΔH在允许范围内；MLSSmax=3235mg/L，在3000～4000mg/L之间；Ns=0.074kgBOD5/(kgMLSS·d)，在0.06～0.10kgBOD5/(kgMLSS·d)范围内；Nn=0.013kgNH3-N/(kgMLSS·d)，符合除磷脱氮负荷要求；MLSSmin=5269mg/L近似于6000mg/L；ΔV/V=38.6%≤40%，符合最佳充水比。
该法在所有设计参数中除SVI、ts、td按经验假定外，均依据进水水质由公式推算而得，不会产生与其他现行方法的矛盾。同时在推求池容过程中确定了SBR池的几何尺寸，这是其他方法所不及的。