活性污泥系统的工艺计算与设计
活性污泥系统的工艺计算与设计
一、设计应掌握的基础资料与工艺流程的选定
活性污泥系统由曝气池、二次沉淀池及污泥回流设备等组成。其工艺计算与设计主要包括5方面内容，即
①工艺流程的选择；
②曝气池的计算与设计；
②曝气系统的计算与设计；
④二次沉淀池的计算与设计；
⑤陌泥回流系统的计算与设计。
进行活性污泥处理系统的工艺计算和设计时，首先应比较充分地掌握与废水、污泥有关的原始资料并确定设计的基础数据。主要是下列各项：
①废水的水量、水质及变化规律；
②对处理后出水的水质要求；
③对处理中所产生污泥的处理要求；
④污泥负荷率与BOD5去除率：
⑤混合液浓度与污泥回流比。
对生活污水和城市废水以及性质与其相类似的工业废水，人们已经总结出一套较为成熟和完整的设计数据可直接应用。而对于一些性质与生活污水相差较大的工业废水或城市废水，则需要通过试验来确定有关的设计数据，
选定废水和污泥处理工艺流程的主要依据就是的前述的①、②、③各项内容和据此所确定的废水和污泥的处理程度。
在选定时，还要综合考虑当地的地理位置、地区条件、气候条件以及施工水平等因素，综合分析本工艺在技术上的可行性和先进性及经济上的可能性和合理性等。特别是对工程量大、建设费用高的工程，需要进行多种工艺流程比较之后才能确定，以期使工程系统达到优化。
二、曝气池的计算与设计
曝气他的计算与设计主要包括：①曝气池（区）容积的计算；②需氧量和供气量的计算；
③池体设计等几项。
1．曝气池（区）容积的计算
（1）计算方法与计算公式
计算曝气区容积，常用的是有机负荷计算法。也称BOD5负荷计算法。负荷有两种表示方法，即污泥负荷和容积负荷。曝气池（区）容积计算公式列于表3—17—19中。
（2）参数选择
在进行曝气池（区）容积计算时，应在一定的范围内合理地确定N s和X′（或X）值，此外，还应同时考虑处理效率、污泥容积指数（RVI）。和污泥龄（生物固体平均停留时间）等参数。
通常对于易生物降解的废水，N s值主要从污泥沉淀性能来考虑；而对于难生物降解的废水，则着重从出水水质来考虑。表3—17—20列举的是部分活性污泥法处理城市废水的参考设汁参数。
一般对于生活污水及性质与其相类似的废水，采用表3—17—20中数据时，SVI值可能介于80—150之间，污泥沉淀性能良好，出水水质较好；当废水中含有较多数量的难降解物质时，或要求降低剩余污泥量以及在低温条件下运行时，Ns的取值应低于0.2kgBOD5/（kgMLVSS·d）。
混合液挥发性悬浮固体浓度（X′）也可按下式进行计算。
Rrf×103
X′＝————————（3.17.80）（1+R）·SVI
式中R——污泥回流比，％；
r——二次沉淀池中污泥综合系数，一般为1.2左右。
2．需氧量和供气量的计算
(1)需氧量
活性污泥法处理系统的日平均需氧量（O2）和去除每kgBOD5的需氧量（△O2）可分别按式（3.17.10）及（3.17.12）（参见本章17.1节），也可根据经验数据选用。
O2= a′QS r+ b′X′V
△O2= a′+ b′/N s
表3—17—21所列是城市废水的a′、b′和△O2值，表3—17—22所列是部分工业废水的a′、b′值。
计算需氧量时，应该合理地选用a′、b′值最好通过试验确定。其求定方法如下，将
O2/ X′V= a′QS r/ X′V+ b′（3.17.81）
以QS r/ X′V为横坐标，以O2/ X′V为纵
坐标，代入试验所取各组数据（分别以N1、N2
…N j表示）作图，得直线，其斜率为a′值，
纵坐标的截距为b′值（见图3—17—69）。
由于一日内进入曝气池的废水量和BOD5
的浓度是变化的，所以设计时还应考虑最大时
需氧量（O2max），其计算公式为：
O2max＝（a′KQS+ b′X′V）/24（3.17.82）b
式中K——时变化系数。
（2）供气量QS r/ X′V〔kgBOD/(kgMLVSS·d〕供气量应按照鼓风曝气型式或机械曝气型式两种情况分别求定。
鼓风曝气供气量的计算采用鼓风曝气装置时，曝气池的日平均供气星（G s）按公式（3.17.58）、（3.17.59）及（3.17.63）等求定。就此请参阅本章17·4二、三各节有关内容，计算方法通过例题说明。
将最大时需氧量（O2max）代入（3.17.63）式中，可求出最大时转移到曝气池的氧量（R0max），然后按（3.17.66）式求得最大时供气量。最小时供气量可按平均供气量的1/2计算。
三、二次沉淀池的计算与设计
二次沉淀池的作用是泥水分离使混合液澄清，浓缩和回流活性污泥。其工作性能，对活性污泥处理系统的出水水质和回流污泥的浓度有直接关系。
初次沉淀池的设计原则一般也适用于二次沉淀池，但有如下一些特点：
①活性污泥混合液的浓度较高，有絮凝性能，其沉降属于成层沉淀。
②活性污泥的质量较轻，易产生异重流，因此，设计二次沉淀池时，最大允许的水平流速（平流式、辐流式）或上升流速（竖流式）都应低于初次沉淀池。
③由于二次沉淀池起着污泥浓缩作用，所以需要适当地增大污泥区容积。
二次沉淀池的计算与设计包括：池型的选择；沉淀池（澄清区）面积、有效水深的计算；污泥区容积的计算等。
1．二次沉淀池池型的选择
平流式、竖流式和辐流式三种类型沉淀池都可用于充作二次沉淀池；为了提高效率，近
年来人们在平流式和竖流式沉淀池上加装斜板（管），形成斜板沉淀池。
带有机械吸泥及排泥设施的辐流式沉淀池，比较适合大型废水处理厂；方形多斗辐流式
沉淀池常用于中型废水处理厂；对小型废水处理厂，则多采用竖流式沉淀池或多斗式平流式
沉淀池。曝气沉淀池一般多用于小型废水处理厂。
2、二次沉淀池面积和有效水深的计算
二次沉淀池澄清区的面积和有效水深的计算有表面负荷法和固体通量法等。在实际工程设计中常用的是表面负荷法。
（1）表面负荷法
二次沉淀他的表面负荷为单位时间内单位面积所承受的水量。表3—17—23列举出采用表面负荷法求定二次沉淀池澄清区的面积（A）和有效水深（H）的计算公式。
表3—17—23中的u值大小与废水水质和混合液污泥浓度有关，该值一般介于0.2—0.5mm/s之间，其相应的q值为0.72—1.8m3／(m2·h)。当废水中的无机物含量较高时，可采用较高的u值；而当废水中的溶解性有机物较多时，则u值宜低。混合液污泥浓度较高时，u值较小，反之u值较大。表3—17—24所列举的是混合液污泥浓度与u值之间的关系，供设计参考。
二次沉淀池面积以最大时流量作为设计流量，而不计回流污泥量。但中心管的计算，则应包括回流污泥在内。
澄清区水深，通常按水力停留时间来确定，一般取值为1.5—2.5h。
（2）固体通量法
固体通量法也称固体面积负荷法，其定义是单位时间内通过单位面积的固体质量。对于连续流的二次沉淀池，悬浮固体的下沉速度为沉淀池底部排泥导致的液体下沉速度与在重力作用下悬浮固体的自沉速度之和。用固体通量法计算沉淀池面积（A）的公式列举于表3—17—25中。该表中的u g值一般取0.25—0.5m/h。
表3—17—25中所涉及的参数数值，往往需要通过试验确定，在实际工程设计中，也常常根据经验数据来确定固体面积负荷值。一般二次沉淀池的固体面积负荷值为140—160kg/（m2·d）；斜板（管）二次沉淀池可加大到180—195kg/（m2·d）。有效水深可按停留时
间来确定。
（3）池边水深和出水堰负荷
①池边水深：为了保证二次沉淀池的水力效率和有效容积，池的水深和直径应保持一定的比例关系，一般可采用表3—17—26中所列举的数值。
②出水堰负荷：二次沉淀池的出水堰负荷值，一般可以在1.5—2.9L/（m·s）之间选取。
3．污泥斗容积的计算
污泥斗的作用是贮存和浓缩沉淀污泥，由于活性污泥易因缺氧而失去活性和腐败，因此污泥斗容积不能过大。对于分建式沉淀池，一般规定污泥斗的贮泥时间为2h，故可采用下式来计算污泥斗容积（V s）。
V=4（1+R）QX/﹝（X+X r）24﹞=（1+R）QX/﹝（X+X r）6 ﹞（3.17.83）式中Q——废水流量，m3/h；
X——混合液污泥浓度，mg/L；
X r——回流污泥浓度，mg/L；
R———回流比；
V s——活泥斗容积，m3。
对于合建式的爆气沉淀池，沉淀区的面积和池深确定之后，其污泥区的容积也就随着池的构造而确定了，勿需进行单独计算。
污泥斗中的平均污泥浓度（X s），可按（3.17.82）、（3.17.83）式计算：
X s＝0.5（X+X r）（3.17.84）X r＝X（1+R）/R （3.17.85）4．污泥排放量的计算
二次沉淀池中的污泥部分作为剩余污泥排放，其污泥排放量应等于污泥增长量
（△X′），可按（3—17—9)式计算（见本章17·1“有机物降解与微生物增殖”有关内容)。
a、b值的确定是很重要的，以通过试验求得为宜，求定方法与a′、b′求定法类似。对于生活污水或性质与其相类似的废水，a值一般可取0.5—0.7，b值可取0.05—0.1。表3—17—3中（见本章17·1）曾列举了部分工业废水的a、b值。
四、污泥回流系统的计算与设计
污泥回流系统的计算和设计内容有：①污泥回流量的计算；②污泥回流设备的选择与设计。
1．污泥回流量的计算
污泥回流量是关系到处理效果的重要设计参数，应根据不同的水质、水量和运行方式，确定适宜的回流比（参见表3—17—20）。
污泥回流比也可按（3.17.83）式计算，该值的大小取决于混合液污泥浓度和回流污泥浓度，而回流污泥浓度又与SVI值有关，在表3—17—27列举的是这三个参数之间的关系。
在实际曝气池运行中，由于SVI值在一定的幅度内变化，并且需要根据进水负荷的变化，调整混合液污泥浓度，因此，在进行污泥回流设备设计时，应按最大回流比设计，并使其具有在较小回流比时工作的可能性。以便使回流污泥可以在一定幅度内变化。
2．污泥回流设备的选择与设计
合建式的曝气沉淀池，活性污泥可从沉淀区通过回流缝自行回流曝气区。而对分建式曝气池，活性污泥则要通过污泥回流设备回流。污泥回流设备包括提升设备和输泥管渠。
常用的污泥提升设备是污泥泵和空气提升器。污泥泵的型式主要有螺旋泵和轴流泵，其运行效率较高，可用于各种规模的废水处理工程；空气提升器的效率低，但结构简单、管理方便，且可在提升过程中对活性污泥进行充氧，因此，常用于中小型鼓风曝气系统。
选择污泥泵时，首先应考虑的因素是不破坏污泥的特性，运行稳定、可靠等。为保证活性污泥回流系统的连续运行，必须设备用泵。
空气提升器是利用升液管内外液体的密度差而使污泥
提升的。空气提升器（参见图3—17—70)设在二次沉淀池
的排泥井或在曝气池的进口处专设的污泥井中。
每座污泥回流井只宜设一个升液管，而且只与一个二次
沉淀他的污泥斗连通，以免造成二次沉淀池排泥量相互间的
干扰。污泥回流比可以通过调节进气阀门控制。
升液管在回流井中最小浸没深度（H u），按下式计算：
H u＝H1/（n-1）
式中H1——拟提升高度，m；
n ——密度系数，一般取2—2.5。
空气用量（Q u）一般为最大提升污泥量的3—5倍，也可按下式计算；
Q u＝K u Q s H1/﹛231g﹝（H u +10）/10﹞η﹜（3.17.87）式中Q u——空气用量，m3/h；
K u——安全系数，一般采用1.2；
Q s——每个升液管设计提升流量，m3/h；
η——效率系数，一般为0.35—0.45。
空气压力应大于浸没深度（H u）3kPa以上。
一般空气管的最小管径为25mm，升液管的最小管径为75mm。
五、曝气沉淀池的构造设计
曝气沉淀池多呈圆形并用表面机械曝气装置。在构造设计方面有下列基本要求。
1．曝气沉淀池的池体
曝气沉淀池的直径一般不宜>20m；水深不宜>5m；沉淀区水深（h1）宜在1—2m之间；曝气筒直壁的高度（h2）应>h1，一般为h2－h1≥0.414B（B为导流区宽度）。
曝气沉淀池池底斜鄙与水平成45°角；曝气筒保护高度为0.8—1.2m。
2．回流窗孔
回流窗孔流速应为100—200mm/s，其回流窗孔的总长度为曝气筒周长的30%左右，回流窗调节高度为50—150mm。
3．回流缝
回流缝的流速为20—40mm/s，回流缝的宽度（b）一般为150—300mm，回流缝处的顺流圈长度（L）为0.4—0.6m，而顺流圈直径（D4）则应略大于曝气沉淀池池底直径（D3）。
4．导流区下降流速
导流区下降流速为15mm/s左右。
5．容积系数
曝气筒、导流室等墙厚所增加的容积百分数（容积系数）为3—5%左右。
[例] 某一城市的日废水排放量为20000m3，时变化系数为1.4，BOD5为320 mg/L，总氮为40mg/L，总磷为8mg/L，拟采用活性污泥法进行处理，要求处理后的出水BOD5为30mg/L，试计算与设计该活性污泥法处理系统。
[解]
1．工艺流程选择
（1）废水处理程度
废水的BOD5为320mg/L，经初次沉淀池处理后；其BOD5按降低25％计，则进入曝气池的BOD5浓度（S0）为：
S0＝320×（1－25％）＝240mg/L＝0.24kg/ m3
则：S r＝S0－S e＝240－30＝210mg/L＝0.21kg/ m3
E＝S r/S0×100％＝210/240×100％＝87.5％
（2）活性污泥法的运行方式
根据提供的条件，采用传统曝气法。但应考虑按阶段曝气法和生物吸附再生法运行的可能性。曝气池为廊道式，二次沉淀池为辐流式沉淀池。采用螺旋泵回流污泥。
（3）处理流程
活性污泥处理系统中污水及回流污泥流程如下（污泥处理部分略）：
原废水初沉池
2．曝气池及曝气系统的计算与设计
（1）曝气池的计算与设计
①污泥负荷率的确定：根据试验数据，本曝气池采用的污泥负荷率（N s）为0.3kgBOD5/（kgMLVSS·d）
②污泥浓度的确定：根据N s值，SVI值在80—150之间，取SVI=120（满足要求），另取r=1.2，R=50%，f=0.75，经计算得曝气池的污泥浓度（X′）为：
X′=R·r×103·f/﹝（1+R）SVI﹞=0.5×1.2×103×0.75/（1+0.5）×120=2.5kkkg/ m3
③曝气池容积的确定：曝气池的容积为：
V=QS/ （X′N s）=20000×0.21/2.5×0.3=5600 m3
④曝气池主要尺寸的确定
曝气池面积：设两座曝气池（n＝2），池深（H）取4.0m，则每座曝气池的面积（F1）为：
F1=V/（n·H）=5600/2×4=700 m2
曝气池宽度：设池宽（B）为6m，B/H=6/4=1.5，在1—2之间，符合要求。
曝气池长度：曝气池长度L=F1/B=700/6=117m，L/B=117/6=19.5＞10，符合要求。
曝气池的平面形式：设曝气池为三廊道式，则每廊道长L′=L/3=39m。具体尺寸标于例图1中。
取超高为0.5m，故曝气池的总高度H′＝4.0+0.5＝4.5m。
曝气时间：曝气时间（t m）为：
t m=24V/Q=5600×24/20000=6.72h
进水方式设计：为使曝气池能按多种方式运行，将进水方式设计成即可在池首端集中进
水，按传统活性污泥法运行；也可沿池长多点进水，按阶段曝气法运行；又可集中在池中部某点进水，按生物吸附法运行。
例图1 曝气池平面计算图
①日平均需氧量：按表3—17—21，选用a′=0.5，b′=0.15；则日平均需氧量为：
O2＝a′QS r+ b′V X′=（0.5×20000×0.21+0.15×5600×2.5）＝4200kg/d=175kg/h
②最大时需氧量：因为时变化系数K＝1.4，所以最大时需氧量为：
O2max＝（0.5×20000×1.4×0.21+0.15×5600×2.5）/24＝210kg/h
最大时需氧量与平均时需氧量的比值为：
210/175＝1.2
每日去除的BOD5为：
QS r＝20000×0.21＝4200kgBOD5/d
去除每kgBOD5的需氧量（O2）为：
△O2＝4200/4200＝1kgO2/kgBOD5
③其他用气量：在本设计中，除曝气池用空气外，还有辐流式沉淀池（污泥提升部分）、曝气沉砂池等处理设施用空气，以及非工艺设备的用气，均应加以计算，以便在设计供气装置时协同考虑(本计算中此部分略)。
④供气量：采用直径为300 mm的圆盘式微孔曝气器，安装在距曝气池底0.2m处，故实际浸没深度为3.8m。计算温度按最不利条件考虑（本设计定为30℃）。查表3—17—4可知，水中溶解氧饱和度分别c s（20）=9.17kg/L，c s（30）=7.63kg/L。
微孔曝气器出口处的绝对压力（P b）为：
P b＝1.013×105+9.8×3.8×103＝1.385×105Pa
微孔曝气器的氧转移效率（E A）取15％，则空气离开曝气池时氧的百分比为：
Q t=21（1—E A）/﹝79+21（1—E A）﹞×100%
=21（1—0.15）/﹝79+21（1—0.15）﹞×100%=18.43%
曝气池中的平均溶解氧饱和度（按最不利温度条件考虑）为：
c s（30）=c s﹝P b/（2.066×105）+Q t/42﹞=7.63（1.385/2.066+18.43/42）=7.63×1.109=8.64mg/L
温度为20℃时，曝气池中的溶解氧饱和度为：
c sm（20）＝9.17×1.109＝10.17mg/L
温度为20℃时，脱氧清水的充氧量为：
R0=R t c sm（20）/﹛α﹝βρ·（c sm（30）—c t）﹞×1.024（T—20）﹜=294.93kg/h
取α＝0.82，β＝0.95，ρ＝1.0，＝2.0mg/L，则：
175×10.17
R0= ————————————————＝294.93kg/h
0.82（0.95×1×8.46—2）×1.219
相应最大时的需氧量为：
210×10.17
R0max= ————————————————＝353.92kg/h
0.82（0.95×1×8.46—2）×1.219
曝气池的平均时供气量为：
G S=R0/（0.3×E A）=294.93/（0.3×0.15）=6554m3/h
最大时需氧量的供气量为：
G Smax=R0max/（0.3×E A）=353.92/（0.3×0.15）=7864.89m3/h
去除每kgBOD5的供气量为：
6554/4200×24＝37.45 m3/h
每立方米废水的供气量为：
6554/20000×24＝7.86m3/m3废水
⑤空气管道计算：例图2为空气管道计算简图。如图所示，两相邻廊道间设一条供气干管，共设三条干管，每隔3m设一竖管，则每条干管上设13对竖管，共计78根竖管，每根竖管最大供气量为：7864.89/78=100.83m3/h
空气干管与支管的管径应根据所通过的空气流量和相应的经济流速来确定，其计算结果列于例表1中；鼓风机房至曝气池上最不利点的空气管道压力损失也列于该表中。
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2 3 4 5 6 7 8 9 10 11121314
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例图2空气管道计算简图
从例图2和例表1可知，鼓风机房至最不利点的空气管道压力损失为1.089≈1.09kPa。
取微空曝气器及配管的空气压力损失为4.9kPa，则总压力损失为1.09+4.9＝5.99kPa。
（5）鼓风机选择
①鼓风机所需压力（P t）
Pt＝（4.0—0.2）x 9.8+5.99+3＝46.23kPa。
②鼓风机所需供气量
最大时：G S（max）＝7864.89m3/h；
平均时：G S＝6554m3/h；
最小时：G S（min）＝3277m3/h。
③鼓风机型号：采用风量为60m3/min，静压为49kPa的罗茨鼓风机四台，其中一台备用。高负荷时三台工作，平时二台工作，低负荷时一台工作。
3．二次沉淀池的计算与设计
二次沉淀池采用辐流式，用表面负荷法进行计算。
（1）表面积
废水最大时的流量（Q max）＝1.4Q/24＝1167m3/h，表面负荷值（q）采用1.2m3/（m2·h），则表面积（A）为：
A＝Q max/q＝1167/1.2＝972.5m2
设两座二沉池（n＝2），则每座二沉他的表面积（A1）为：
（A1）＝972.5+2.486=486.3m2
（2）直径
二沉池的直径（D）为：
D＝（4A/π）1/2＝（4×486.3/π）1/2＝24.88≈25m
（3）有效水深
取水力停留时间为2h，则有效水深（H）为：
H=Q max t/A=1167×2/972.5=2.4m
（4）污泥斗容积
取回流比R＝50％，则回流污泥浓度为：
X r=X（1+R）/R=X′（1+R）/Rf=2.5×（1+0.5）/（0.5×0.75）=10kg/m3
污泥斗的容积（V s）为：
V s=4（1+R）QX/〔（X+X r）24〕=4×20000×3.3/〔（3.3+10）×24〕=1240.6m3
每个污泥斗的容积（V S1）为：
V S1=1240.6÷2＝620.3m3
4．污泥回流系统的计算与设计
（1）污泥回流量
根据实验结果，污泥回流比可采用50％，最大污泥回流比为100％，则按最大污泥回流比计算，活泥回流（Q r）为：
Q r=RQ=1×833.33=833.33m3/h
（2）污泥回流设备选择
采用螺旋泵进行污泥提，其提升高度应按实际高程布置来确定，本设计定为2.5m根据污泥回流量（R＝100％），选用外径为700mm，提升量为300m3/h的螺旋泵四台其中一台备用。
5．污泥排放量计算
取a值为0.6，b值为0.075，则每日污泥的增长量（排放量）为：
X＝0.6×20000×0.21—0.075×5600×2.5＝1470kg/d
6．营养物质的平衡计算