德國生物脫氮工藝中曝氣池的設計計算
德國是世界上環(huán)境保護工作開展較好的國家，在污水處理的脫氮除磷方面積累了很多值得借鑒的經(jīng)驗，F(xiàn)將德國排水技術(shù)協(xié)會(ATV)最新制定的城市污水設計規(guī)范A131中關于生物脫氮(硝化和反硝化)的曝氣池設計方法介紹給大家，以供參考。
A131的應用條件：
① 進水的COD/BOD5≈2，TKN/BOD5≤0.25；
② 出水達到廢水規(guī)范VwV的規(guī)定。
對于具有硝化和反硝化功能的污水處理過程，其反硝化部分的大小主要取決于：
① 希望達到的脫氮效果；
② 曝氣池進水中硝酸鹽氮NO－3－N和BOD5的比值；
③ 曝氣池進水中易降解BOD5占的比例；
④ 泥齡tS；
⑤ 曝氣池中的懸浮固體濃度X；
⑥ 污水溫度。
圖1為前置反硝化系統(tǒng)流程。
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總回流量QR=QR1+QR2
VT——曝氣池總體積 VDN——反硝化區(qū)體積
VN——硝化區(qū)體積(包括去除BOD和硝化)
圖1 前置反硝化系統(tǒng)流程
1 計算NDN/BOD5和VDN/VT
NDN表示需經(jīng)反硝化去除的氮，它與進水的BOD5之比決定了反硝化區(qū)體積VDN占總體積VT的大小。
由氮平衡計算NDN/BOD5：
NDN＝TKNi－Noe－Nme－NS
式中 TKNi——進水總凱氏氮，mg/L
Noe——出水中有機氮，一般取1～2 mg/L
Nme——出水中無機氮之和，包括氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，是排放控制值。按德國標準控制在18 mg/L以下，則設計時取0.67×18＝12 mg/L
NS——剩余污泥排出的氮，等于進水BOD5的0.05倍，mg/L
由此可計算NDN/BOD5之值，然后從表1查得VDN/VT。
表1 晴天和一般情況下反硝化設計的參考值
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2 泥齡
泥齡tS是活性污泥在曝氣池中的平均停留時間，即
tS＝（X×VT）/（QS×XR＋Q×XE）
式中 tS ——泥齡，d
X——曝氣池中的活性污泥濃度，即
MLSS，kg/m3
VT——曝氣池總體積，m3
QS——每天排出的剩余污泥體積，m3/d
XR——剩余污泥濃度，kg/m3
Q——設計污水流量，m3/d
XE——二沉池出水的懸浮固體濃度，kg/m3
根據(jù)要求達到的處理程度和污水處理廠的規(guī)模，從表2選取應保證的最小泥齡。
表2 處理程度及處理廠規(guī)模和最小泥齡的關系
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3 剩余污泥量
污泥比產(chǎn)率
Y＝Y(jié)BOD5＋YP
式中 Y——污泥產(chǎn)率，kg干固體/kgBOD5
YBOD5——剩余污泥產(chǎn)率，kg干固體/kgBOD5
YP——同步沉淀的化學污泥產(chǎn)率(當未投加化學混凝劑除磷時無此項)，kg干固體/kgBOD5
剩余污泥產(chǎn)率YBOD5與泥齡、進水SS和BOD5的比例、溫度等有關，約為0.52～1.22 kg干固體/kgBOD5，可從表3中選取。
表3 YBOD5與泥齡、進水SS和BOD5的比例之關系
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4 計算曝氣池體積
首先計算曝氣池的污泥負荷N，即
N＝l/(tS×Y)
式中 N——曝氣池的污泥負荷，kgBOD5/(kg干固體.d)
再根據(jù)表4選定曝氣池中的活性污泥濃度X。
表4 曝氣池中活性污泥濃度的推薦值
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應特別注意，必須校驗二沉池能否使曝氣池中的活性污泥濃度達到所選取的X值。
所以，曝氣池的體積為：
VT＝(BOD5)i×Q/(N×X)
VT＝VDN＋VN
5 回流比
內(nèi)循環(huán)回流比R1＝QR1/Q，外循環(huán)回流比R2＝QR2/Q ，總回流比R＝R1＋R2。
在前置反硝化工藝中，硝酸鹽氮通過內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)回流進入反硝化區(qū)。只要回流的硝酸鹽氮不超過表1中的反硝化能力，則可能達到的最大反硝化程度取決于回流比R。因此，可根據(jù)反硝化率EDN計算所需的最小回流比。
EDN＝NDN/(NDN＋Nne)
所需的最小回流比
R＝1/(1－EDN)－1
式中 EDN——反硝化率
Nne——出水硝酸鹽氮，mg/L
一般在前置反硝化工藝中，回流比取2.0。若希望進一步提高反硝化率，可繼續(xù)提高回流比。但必須注意，最大回流比為4.0，且回流比較高時存在著將過多的溶解氧帶入反硝化區(qū)的危險。為了減少循環(huán)回流中的溶解氧，可在曝氣池末端設置隔離區(qū)域，減少該區(qū)中的曝氣量。
前置反硝化工藝中的反硝化區(qū)應采用隔墻與好氧硝化區(qū)分開，并在反硝化區(qū)中設置攪拌裝置。
回流量還可根據(jù)連續(xù)監(jiān)測反硝化區(qū)Nne值進行調(diào)節(jié)。
6 供氧量
生物脫氮工藝中，分解碳化合物(BOD5)的需氧率OVC和氧化氮化合物的需氧率OVN必須分開計算。然后根據(jù)飽和溶解氧等的影響，由這兩部分之和計算供氧率(氧負荷)OB 。
① 分解碳化合物的需氧率OVC可從表5查得。
表5 分解碳化合物的需氧率OVC kgO2/kgBOD5
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② 氧化氮化合物的需氧率OVN可按下式計算：
OVN＝(4.6×Nne＋1.7×NDN)/BOD5
③ 選擇曝氣區(qū)的溶解氧濃度CX，根據(jù)峰值系數(shù)fC和fN計算最大小時供氧率(氧負荷)OB：
OB＝〔Cs/(Cs－Cx)〕/(OVc×fC＋OVN×fN)
式中 Cs——污水中飽和溶解氧濃度，mg/L
Cx——曝氣池中溶解氧濃度，mg/ L
fC——碳負荷峰值系數(shù)，即最大小時需氧率與平均小時需氧率之比
fN——氮負荷峰值系數(shù)
推薦的CX值為：在無硝化的裝置中取2mg/L；進行硝化的裝置中取2mg/L；進行硝化同步/反硝化的裝置中取0.5mg/L。
如果無法測得峰值系數(shù)，可從表6中查取。由于在污水處理廠最大氮負荷與最大碳負荷并不同時出現(xiàn)，因此選用最大碳負荷和平均氮負荷或最大氮負荷和平均碳負荷進行計算。
表6 峰值系數(shù)
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④ 根據(jù)供氧率(氧負荷)OB和曝氣設備的氧利用率計算設計供氧量。如果曝氣設備的氧利用率是在清水中測定的，則計算結(jié)果必須除以供氧系數(shù)α(0.5～1.0)。
應特別注意的問題還有，夏季在不具備反硝化功能的污水處理廠進行污水硝化時，OVC值必須增加1/3。另外，最大小時需氧率是根據(jù)峰值系數(shù)fC和fN、以及日需氧率的1/24計算的，因此若采用間歇反硝化，供氧量應依據(jù)曝氣間歇時間相應提高。
在前置反硝化工藝中，可將供氧和攪拌分開。反硝化區(qū)的攪拌強度取決于池容，通常為3～8 W/m3。同時，在反硝化區(qū)安裝曝氣裝置有利于加強運行靈活性。
對前置反硝化系統(tǒng)的測試表明，曝氣區(qū)起始段的耗氧量為平均耗氧量的2倍，故應合理布置曝氣裝置，保證整個曝氣區(qū)內(nèi)的溶解氧都不低于2 mg/L。對于推流式曝氣池，應分別在沿池長25％和75％處測量池中的溶解氧。供氧量也可根據(jù)連續(xù)監(jiān)測曝氣池出水中的NH4＋-N值進行調(diào)整。
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