活性污泥工藝是城市污水處理的主要工藝，它的設計計算有三種方法：污泥負荷法、泥齡法和數學(xué)模型法。三種方法在操作上難易程度不同，計算結果的精確度不同，直接關(guān)系到設計水平、基建投資和處理可靠性。正因為如此，國內外專(zhuān)家都在進(jìn)行大量細致的研究，力求找出一種精確度更高而又便于操作的計算方法。

    1污泥負荷法

    這是目前國內外最流行的設計方法，幾十年來(lái)，運用該法設計了成千上萬(wàn)座污水處理廠(chǎng)，充分說(shuō)明它的正確性和適用性。但另一方面，這種方法也存在一些問(wèn)題，甚至是比較嚴重的缺陷，影響了設計的精確性和可操作性。
污泥負荷法的計算式為［1］：

    V=24LjQ／1000FwNw=24LjQ／1000Fr

    污泥負荷法是一種經(jīng)驗計算法，它的最基本參數Fw和Fr是根據曝氣的類(lèi)別按照以往的經(jīng)驗設定，由于水質(zhì)千差萬(wàn)別和處理要求不同，這兩個(gè)基本參數的設定只能給出一個(gè)較大的范圍，例如我國的規范對普通曝氣推薦的數值為：

    Fw=0.2～0.4kgBOD/

    Fr=0.4～0.9kgBOD/

    可以看出，最大值比最小值大一倍以上，幅度很寬，假如其他條件不變，選用最小值算出的曝氣池容積比選用最大值時(shí)的容積大一倍或一倍以上，基建投資也就相差很多，在這個(gè)范圍內取值完全憑經(jīng)驗，對于經(jīng)驗較少的設計人來(lái)說(shuō)很難操作，這是污泥負荷法的一個(gè)主要缺陷。

    污泥負荷法的另一個(gè)問(wèn)題是單位輕易混淆，譬如我國設計規范中Fw的單位是kgBOD/，但設計手冊中則是kgBOD/，這兩種單位相差很大。MLSS是包括無(wú)機懸浮物在內的污泥濃度，MLVSS則只是有機懸浮固體的濃度，對于生活污水，一般MLVSS=0.7MLSS，假如單位用錯，算出的曝氣池容積將差30%。這種混淆并非不可能，例如我國設計手冊中推薦的普通曝氣的Fw為0.2～0.4kgBOD/［2］，其數值和設計規范完全一樣，但單位卻不同了。設計中經(jīng)常碰到不知究竟用哪個(gè)單位好的問(wèn)題，非凡是設計經(jīng)驗不足時(shí)更是無(wú)所適從，加上近年來(lái)污水脫氮提上了日程，當污水要求硝化、反硝化時(shí)，Fw、Fr取多少合適呢？

    污泥負荷法最根本的問(wèn)題是沒(méi)有考慮到污水水質(zhì)的差異。對于生活污水來(lái)說(shuō)，SS和BOD濃度大致有數，MLSS與MLVSS的比值也大致差不多，但結合各地的實(shí)際情況來(lái)看，城市污水一般包含50%甚至更多的工業(yè)廢水，因而污水水質(zhì)差別很大，有的SS、BOD值高達300～400mg/L，有的則低到不足100mg/L，有的污水SS/BOD值高達2以上，有的SS值比BOD值還低。污泥負荷是以MLSS為基礎的，其中有多大比例的有機物反映不出來(lái)，對于相同規模、相同工藝、相同進(jìn)水BOD濃度的兩個(gè)廠(chǎng)，按污泥負荷法計算曝氣池容積是相同的，但當SS/BOD值差異很大時(shí)，MLVSS也相差很大，實(shí)際的生物環(huán)境就大不相同，處理效果也就明顯不同了。

    綜上所述，污泥負荷法有待改進(jìn)。因此，國際水質(zhì)污染與控制協(xié)會(huì )組織各國專(zhuān)家，于1986年首次推出活性污泥一號模型［3］，1995年又推出了活性污泥二號模型［4、5］。

    2數學(xué)模型法

    數學(xué)模型法在理論上是比較完美的，但在具體應用上則存在不少問(wèn)題，這主要是由于污水和污水處理的復雜性和多樣性，即使是簡(jiǎn)化了的數學(xué)模式，應用起來(lái)也相當困難，從而阻礙了它的推廣和應用。到目前為止，數學(xué)模型法在國外尚未成為普遍采用的設計方法，而在我國還沒(méi)有實(shí)際應用于工程，仍停留在研究階段。

    數學(xué)模型法的主要問(wèn)題是模型中有很多系數和常數，ASM1中有13個(gè)，ASM2中有19個(gè)，它們都需要設計人員根據實(shí)際污水水質(zhì)和處理工藝的要求確定具體數值，其中多數要經(jīng)過(guò)大量監測分析后才能得出，而且不同的污水有不同的數值。由于污水水質(zhì)多變，確定這些參數很困難，假如這些參數有誤，就直接影響到計算結果的精確性和可靠性。國外已經(jīng)提出了這些參數的數值，但我國的污水成分與國外有很大差別，非凡是污水中的有機物成分差別很大，盲目套用國外的參數值肯定是不行的。因此，要將數學(xué)模型法應用于我國的污水處理設計，必須組織力量監測分析各種污水水質(zhì)，確定有關(guān)參數，才有可能把數學(xué)模型實(shí)用化。然而，從我國目前情況看，數據分析和積累恰恰是最大的薄弱環(huán)節之一，我國已運轉的城市污水處理廠(chǎng)有上百座，至今連一些最基本的數據都難以確定，更不用說(shuō)數學(xué)模型法所需的各種數據了，顯然，要在我國應用數學(xué)模型法還需做大量的工作，還需要相當長(cháng)的時(shí)間。

    3泥齡法

    3.1泥齡法的計算式

    設計規范中提出了按泥齡計算曝氣池容積的計算公式［1］：

    V=［24QθcY／1000Nwv

    設計規范對式中幾個(gè)關(guān)鍵參數提出了推薦值：

    Y=0.4～0.8

    Kd=0.04～0.075

    當水溫變化時(shí)，按下式修正：
  
    Kdt=Kd20t-20 
  
    式中θt——溫度系數，θt=1.02～1.06  θc——高負荷取0.2～2.5，中負荷取5～15，低負荷取20～30
 
    可以看出，它們的取值范圍都很寬，Y值的變化幅度達100%，Kd值的變化幅度達87.5%，θc值的變化幅度從50%到幾倍，實(shí)際計算時(shí)很難取值，這也是泥齡法在我國難以推廣的原因之一。

    為了使泥齡計算法實(shí)用化，筆者根據自己的設計體會(huì )，建議采用德國目前使用的ATV標準中的計算公式，并對式中的關(guān)鍵參數取值結合我國具體情況適當修改。實(shí)踐證實(shí)，按該公式計算概念清楚，非凡便于操作，計算結果都能滿(mǎn)足我國規范的要求，不失為一種簡(jiǎn)單、可信而又十分有效的設計計算方法。其基本計算公式為：

    V=24QθcY／1000Nw

    式中Y——污泥產(chǎn)率系數

    Q、Lj、Lch值是設計初始條件，是反映原水水量、水質(zhì)和處理要求的，在設計計算前已經(jīng)確定。

    泥齡θc是指污泥在曝氣池中的平均停留時(shí)間，其數值為：

    θc=VNw／W
 
    式中W——剩余污泥量，kgSS/d

    W=24QY／1000

    根據以上計算式，采用泥齡法設計計算活性污泥工藝時(shí)，只需確定泥齡θc、剩余污泥量W和曝氣池混合液懸浮固體平均濃度Nw即可求出曝氣池容積V。與污泥負荷法相比，它用泥齡θc取代Fw或Fr作為設計計算的最基本參數，與數學(xué)模型法相比，它只需測定一個(gè)污泥產(chǎn)率系數Y，而不需測定13或19個(gè)參數數據。

    3.2污泥產(chǎn)率系數的確定

    采用泥齡法進(jìn)行活性污泥工藝設計計算時(shí)，準確確定污泥產(chǎn)率系數Y是十分重要的，從式中看出，曝氣池容積與Y值成正比，Y值直接影響曝氣池容積的大小。

    式給出了Y值和剩余污泥量W的關(guān)系，剩余污泥量是天天從生物處理系統中排出的污泥量，它包括兩部分：一部分隨出水排除，一部分排至污泥處理系統，其計算式為：
   
    W=24QNch／1000+QsNs

    式中Nch——出水懸浮固體濃度，mg/L

    Qs——排至污泥處理系統的剩余污泥量，m3/d

    Ns——排至污泥處理系統的剩余污泥濃度，kg/m3

    剩余污泥量最好是實(shí)測求得。從式可以看出，對于正常運行的污水處理廠(chǎng)，Q、Nch、Qs及Ns值都不難測定，這樣就能求出W和Y值。問(wèn)題在于設計時(shí)還沒(méi)有污水處理廠(chǎng)，只有參照其他類(lèi)似污水處理廠(chǎng)的數值。由于污水水質(zhì)不同，處理程度及環(huán)境條件不同，各地得出的Y值不可能一樣，非凡是很多城市污水處理廠(chǎng)由于資金短缺等原因，運行往往不正常，剩余污泥量W的數值也測不準確，這勢必影響設計的精確性和可靠性。

    從理論上分析，污泥產(chǎn)率系數與原水水質(zhì)、處理程度和污水溫度等因素有關(guān)。首先，污泥產(chǎn)率系數本來(lái)的含義是一定量BOD降解后產(chǎn)生的SS。由于是有機物降解產(chǎn)物，這里的SS應該是VSS，即揮發(fā)性懸浮固體，但污水中還有相當數量的無(wú)機懸浮固體和難降解有機懸浮固體，它們并未被微生物降解，而是原封不動(dòng)地沉積到污泥中，結果產(chǎn)生的SS將大于真正由BOD降解產(chǎn)生的VSS，因此在確定污泥產(chǎn)率系數時(shí)，必須考慮原水中
無(wú)機懸浮固體和難降解有機懸浮固體的含量。其次，隨著(zhù)處理程度的提高，污泥泥齡的增長(cháng)，有機物降解越徹底，微生物的衰減也越多，這導致剩余污泥量的減少。至于水溫，是影響生化過(guò)程的重要因素，水溫增高，生化過(guò)程加快，將使剩余污泥量減少。對于各種因素的影響，可根據理論分析通過(guò)實(shí)驗建立數學(xué)方程式，其計算結果如經(jīng)受住實(shí)踐的檢驗，就可用于實(shí)際工程。德國已經(jīng)提出了這樣的方程式，按這個(gè)方程式計算出的Y值已正式寫(xiě)進(jìn)ATV標準中。

    Y=0.6-0.072×0.6θc×FT／1+0.08θc×FT

    F=1.072

    式中Nj——進(jìn)水懸浮固體濃度，mg/L

    FT——溫度修正系數

    T——設計水溫，與前面的計算取相同數值

    可以看出，Nj/Lj值反映了污水中無(wú)機懸浮固體和難降解懸浮固體所占比重的大小，假如它們占的比重增大，剩余污泥量自然要增加，Y值也就增大了。θc值影響污泥的衰減，θc值增長(cháng)，污泥衰減得多，Y值相應減少。溫度的影響體現在FT值上，水溫增高，FT值增大，Y值減小，也就是剩余污泥量減少。

    這個(gè)方程式對我國具有參考價(jià)值。由于我國的生活習慣與西方國家差異很大，污水中有機物比重低，有機物中脂肪比例低，碳水化合物比例高，因而產(chǎn)泥量也不會(huì )完全相同。根據國內已公布的數據和筆者的經(jīng)驗，我國活性污泥工藝污水處理廠(chǎng)的剩余污泥產(chǎn)量比西方國家要少。

    在目前缺乏我國自己的Y值計算式的情況下，筆者認為采用式計算Y值是可行的。

    3.3MLSS的確定

    不管采用哪種設計計算方法，都需要合理確定MLSS。在其他條件不變的情況下，MLSS增大一倍，曝氣池容就減小一倍；MLSS減小一倍，曝氣池容就增大一倍。它直接影響基建投資，因此需要慎重確定。

    在設計規范和手冊中，對MLSS值推薦了一個(gè)選用范圍，如普通曝氣是1.5～2.5kg/m3，延時(shí)曝氣是2.5～5.0kg/m3，變化幅度都比較大，設計時(shí)不好操作。為了選定合適的MLSS值，有必要弄清影響它的因素。

    MLSS不能選得過(guò)低，主要有三個(gè)原因：

    ①MLSS過(guò)低，曝氣池容積V就要相應增大，在經(jīng)濟上不利。

    ②MLSS過(guò)低，曝氣池中輕易產(chǎn)生泡沫，為了防止泡沫，一般需保持2kg/m3以上的污泥濃度。

    ③當污泥濃度很低時(shí)，所需氧量較少，如MLSS過(guò)低，池容增大，單位池容的供氣量就很小，有可能滿(mǎn)足不了池內混合的要求，勢必額外增加攪拌設備。MLSS也不能選得過(guò)高，主要是因為：

    ①要提高M(jìn)LSS，必須相應增加污泥回流比，降低二沉池表面負荷，加長(cháng)二沉池停留時(shí)間，這就要求增大二沉池體積和回流污泥能耗。把曝氣池、二沉池和回流污泥泵房作為一個(gè)整體來(lái)考慮，為使造價(jià)和運行費用總價(jià)最低，污泥回流比通常限制在150%以?xún)?。對于一般城市污水，二沉池的回流污泥濃度通常?～8kg/m3，若按最高值約8kg/m3計，回流比為150%時(shí)的曝氣池內MLSS為4.8kg/m3，實(shí)際設計中MLSS最高一般不超過(guò)4.5kg/m3。

    ②污水的性質(zhì)和曝氣池運行工況對MLSS有巨大影響，假如污水中的成分或曝氣池的工況有利于污泥膨脹，污泥指數SVI值居高不下，回流污泥濃度就會(huì )大大降低，MLSS就必須選擇低值。

    根據以上分析，在選定MLSS時(shí)要照顧到各個(gè)方面：

    ①泥齡長(cháng)、污泥負荷低，選較高值；泥齡短、污泥負荷高，選較低值；同步污泥好氧穩定時(shí)，選高值。
    ②有初沉池時(shí)選較低值，無(wú)初沉池時(shí)選較高值。
    ③SVI值低時(shí)選較高值，高時(shí)選較低值。
    ④污水濃度高時(shí)選較高值，低時(shí)選較低值。
    ⑤合建反應池不存在污泥回流問(wèn)題，選較高值或高值。
    ⑥核算攪拌功率是否滿(mǎn)足要求，如不滿(mǎn)足時(shí)要進(jìn)行適當調整。

    德國ATV標準對MLSS值規定了選用范圍，有硝化和無(wú)硝化時(shí)其MLSS值是一樣的，這不完全符合我國具體情況。我國城市污水污染物濃度通常較低，在無(wú)硝化時(shí)假如MLSS值過(guò)高，有可能停留時(shí)間過(guò)短，不利于生化處理，故將無(wú)硝化時(shí)的MLSS值降低0.5kg/m3，推薦的MLSS值列于表2。

    3.4泥齡法的優(yōu)缺點(diǎn)

    ①泥齡法是經(jīng)驗和理論相結合的設計計算方法，泥齡θc和污泥產(chǎn)率系數Y值的確定都有充分的理論依據，又有經(jīng)驗的積累，因而更加準確可靠。
    ②泥齡法很直觀(guān)，根據泥齡大小對所選工藝能否實(shí)現硝化、反硝化和污泥穩定一目了然。
    ③泥齡法的計算中只使用MLSS值，不使用MLVSS值，污泥中無(wú)機物所占比重的不同在參數Y值中體現，因而不會(huì )引起兩者的混淆。
    ④泥齡法中最基本的參數——泥齡θc和污泥產(chǎn)率系數Y都有變化幅度很小的推薦值和計算值，操作起來(lái)比選定污泥負荷值更方便輕易。
    ⑤泥齡法不像數學(xué)模型法那樣需要確定很多參數，使操作大大簡(jiǎn)化。
    ⑥計算污泥產(chǎn)率系數Y值的方程式是根據德國的污水水質(zhì)和實(shí)驗得出的，結合我國情況在應用時(shí)需乘以一個(gè)修正系數。

    4結論

    ①活性污泥工藝的設計計算方法有必要從污泥負荷法逐步向泥齡法過(guò)渡，最終過(guò)渡到數學(xué)模型法。在數學(xué)模型法實(shí)用化之前，泥齡法將發(fā)揮重要作用。
    ②按泥齡法計算用式，該式與設計規范中的計算式相比，Nw與Nwv的轉換和污泥衰減的影響在Y值的計算中考慮，這樣理論意義更加清楚，使用起來(lái)更加方便。
    ③德國ATV標準中推薦的泥齡選用數據是根據有機物降解和微生物生長(cháng)規律結合實(shí)
際經(jīng)驗產(chǎn)生的，不涉及污水的具體水質(zhì)變化，在我國有實(shí)用價(jià)值。
    ④污泥產(chǎn)率系數Y值的計算式有充分的理論依據，但它是用德國污水實(shí)驗得出的，為了適用于我國，須乘以修正系數，修正后的計算式可用于實(shí)際設計計算。
    ⑤MLSS的取值在設計規范中有規定，但范圍較大，不太好操作，相互對比檢驗。
    ⑥建議對我國有一定代表性的城市污水進(jìn)行實(shí)驗研究，推出自己的Y值計算方程式，使泥齡法的實(shí)用基礎更加扎實(shí)可靠。