7．6　传统活性污泥法系统工艺设计

活性污泥法工艺系统主要由生物反应池（曝气池）、曝气系统、污泥回流设备和二次沉淀池组成。活性污泥法系统工艺设计，主要是根据进水水质和出水的排放要求确定以下内容：

（1）工艺流程选择。

（2）曝气池类型的选择，容积的确定。

（3）确定污泥回流比。

（4）供氧系统设计：供氧量、曝气设备选择。

（5）剩余污泥量、回流污泥量和污泥回流系统的设计计算。

在采用活性污泥法处理生活污水的工程设计方面，业已取得较为成熟的设计数据，一般可直接采用。对于工业废水的活性污泥处理工艺的设计，一般要通过试验确定有关数据，主要包括水质数据、有毒物的允许浓度、水温对处理效率的影响、污泥负荷与出水BOD的关系、曝气池污泥浓度与污泥回流比、污泥负荷与污泥沉降性能的关系、污泥负荷与空气用量（需氧量）的关系、冲击负荷的影响、营养（如氮和磷等）的需求等。

本节介绍以去除碳源污染物为主的传统活性污泥法的设计计算。

7．6．1　曝气池（生物反应池）容积的计算

在我国现行《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）中，对于以去除碳源污染物为主的曝气池的容积，可采用污泥负荷法或泥龄法计算。

7．6．1．1　污泥负荷法

最初的污泥负荷就是基质的总投加量与微生物总量的比值，即F／M，为

由于微生物所处的生长时期是由F／M决定的，而微生物的生长时期决定着污泥活性、絮凝沉淀性和处理效果。对于流量为Q、浓度为S0的污水，合理选择污泥浓度X和污泥负荷F／M，才能达到一定的处理效果。因此，可以利用式（7－71）计算曝气池的容积，这时污泥负荷表示单位质量活性污泥（干重）在单位时间内所能够接受，并将其处理到预定程度的BOD5的量。

F／M与活性污泥的膨胀现象有关，当F／M介于0．5～1．5kgBOD5／（kgMLSS·d）之间时，SVI值很高，很容易发生污泥膨胀。

从2006年6月起，《室外排水规范》（GB 50014—2006）规定，污泥负荷法计算生物反应池的容积的计算公式为

该LS是指单位质量活性污泥（干重）在单位时间内所能够降解的BOD5的量。

设计曝气池时，须选取LS的值。采用高的LS，可以减小曝气池的容积，但出水BOD5会升高，剩余污泥量也会增多；采用低的LS，曝气池的容积会加大，建设费用有所增高，但出水水质会提高，剩余污泥量会减少。对于剩余污泥不便处置的污水处理厂，应采用较低LS，这样就能够减少剩余污泥量。在寒冷地区，水温低，降解速率也低，采用较低的污泥负荷能够保证处理效果。

除了以上两种负荷外，还可以根据容积负荷LV计算曝气池的容积，即

容积负荷表示单位体积的曝气池容积，在单位时间内所能够接受，并将其降解到预定程度的BOD5的量。根据LV可计算曝气池的体积，即

污泥负荷数值可根据同类型污水处理厂的实际数据确定。无此数据时，需要通过试验确定。无试验条件时，可按表7－1中的污泥负荷取值。

计算曝气池容积时，除了需要选择污泥负荷之外，还需选择混合液污泥浓度X。X值一般指曝气池污泥浓度，在吸附再生法里，是指吸附池和再生池污泥浓度的平均值。

选择污泥浓度，需要考虑曝气池与二沉池以及混合／曝气之间的相互作用，浓度过高或过低都会带来不利影响。

X值过高时，可以缩小曝气池容积，但混合液的黏滞性也会很高，增加扩散和混合的阻力，既增大了动力消耗，也降低了氧的利用率。过高的污泥浓度也会使需氧速率很高，超出供氧速率时，溶解氧浓度会降得很低，从而影响微生物的活性，降低处理效果。此外，曝气池的污泥浓度越高，所需的回流比就越大，能耗也就越高。

絮凝微生物的生长需要一个最低的污泥浓度。当X低于此浓度时，絮凝效果就会差，颗粒态有机物不能被网捕下来，也就不能产生沉淀性能良好的污泥絮体。

因此，对不同的工艺应根据具体情况，选用合理的污泥浓度，表7－1中的污泥浓度仅供参考。

在全球虽然采用污泥负荷法已设计完成了成千上万座污水处理厂。但污泥负荷的取值主要还是依据经验而定，由于水质千差万别和处理要求不同，污泥负荷的取值范围很大，从而影响了设计的科学性。

7．6．1．2　污泥泥龄法

污泥泥龄法是以劳伦斯—麦卡蒂模型为基础的设计方法。根据式（7－48）可以导出计算曝气池容积的公式，即

式中　Y——污泥产率系数，gVSS／gBOD5，宜根据试验资料确定，无试验资料时，一般取0．4～0．8；

XV——生物反应池内混合液挥发性悬浮固体平均浓度，mgMLVSS／L；

θc——设计污泥泥龄（SRT），d，其数值为0．2～15；

Kd——衰减系数，d－1，20℃的数值为0．04～0．075。

Kd值应以当地冬季和夏季的污水温度进行修正，并按式（7－77）计算，即

劳伦斯—麦卡蒂模型适用于曝气池为完全混合式的反应器，对于完全混合式曝气池可以用式（7－76）计算其体积，对于理想推流式曝气池，就不能用该式计算。但是，工程实际中并不存在理想的推流式工况。一些学者研究认为，推流反应器中实际混合更接近于完全混合工况。因此，用劳伦斯—麦卡蒂模型设计的推流式曝气池，其结果将偏于安全，实际处理效率要高于所预计的要求，而计算方法则比较简单。

将式　（7－73）代入式（7－47），可以得到

式中Y和Kd为动力学参数，因此，θc和LS是一一对应的函数关系，也就是说，选定了泥龄值，则必然有唯一的污泥负荷值与之对应；反之亦然。因此，污泥泥龄法和污泥负荷法是相通的。

7．6．2　剩余污泥量及污泥回流系统的设计计算

7．6．2．1　剩余污泥量的计算

（1）按污泥泥龄计算，有

（2）按污泥产率系数、衰减系数及不可生物降解和惰性悬浮物计算，即

SSe——生物反应池出水悬浮物浓度，kg／m3。

7．6．2．2　回流污泥量的计算

回流污泥量的计算公式为

由式（7－49）可以得到

一般情况下，曝气池的容积VQθC，因此式（7－82）可近似为

XR可用式（7－50）计算。由式（7－83）和式（7－50）可知，R取决于曝气池污泥浓度X和XR，而XR又与SVI值有关。因此，已知X、XR和SVI，就可以计算出污泥回流比，从而计算出污泥回流量QR。

R、X、XR及SVI之间相互影响、互相制约，需要在设计中综合考虑。其中的R和X可参考表7－1中的数值。

7．6．3　曝气系统设计计算

对曝气设备进行设计计算，首先要确定曝气方法。曝气方法应根据曝气池的类型、池深及曝气池的运行方式等来确定。一般推流式曝气池，大多采用鼓风曝气；完全混合式和循环混合式曝气池，一般采用机械曝气方法；而鼓风—机械联合式曝气方法一般用于深层曝气。另外，在寒冷地区用联合式曝气，可免除水面结冰的危险。

当选用鼓风曝气方法时，设计内容包括：扩散装置的选择及其布置；空气管道的布置及管径的确定；鼓风机的型号和使用台数。当选用机械曝气时，则要确定曝气机的类型和相应的规格（如叶轮直径、功率、转速等）。

7．6．3．1　需氧量的计算

对于含碳可生物降解物质的需氧量可根据处理污水的可生物降解COD浓度（bCOD）和每天由系统排除的剩余污泥量来决定。如果bCOD被完全氧化分解为二氧化碳和水，需氧量等于bCOD浓度。但是微生物只氧化bCOD的一部分以供给能量而将另一部分用于细胞生长，实际去除的bCOD部分需要耗氧分解。因此，对于活性污泥法处理系统，所需要的氧量为

7．6．3．2　鼓风曝气设备的设计计算

1．鼓风机规格数量的确定

鼓风机的选型应根据使用的风压、单机风量、控制方式、噪声和维修管理等条件确定。

需氧量Rr确定之后，根据式（7－66）计算出曝气设备的标准供氧量OS，即

然后再按照式（7－69）计算出鼓风机的供气量，即

一般情况下，选用的鼓风机的风量应略大于GS。

鼓风机的风压p（相对压力）可用式（7－85）计算，即

鼓风机常用罗茨鼓风机和离心式鼓风机。罗茨鼓风机常用于中、小型污水处理厂，但噪声大，必须采取消声、隔声措施。离心式鼓风机噪声小，且效率高，适用于大、中型污水处理厂。

鼓风机设置的台数，应根据气温、风压、污水量和污染物负荷变化等对供气的需要量进行确定。鼓风机房应设置备用鼓风机，工作鼓风机台数在4台以下时，应设1台备用鼓风机；工作鼓风机台数在4台或4台以上时，应设两台备用鼓风机。备用鼓风机应按设计配置的最大机组考虑。选用离心式鼓风机时，应详细核算各种工况条件时鼓风机的工作点，不得接近鼓风机的湍振区，并宜设有调节风量的装置。在同一供气系统中，应选用同一类型的鼓风机。应根据当地海拔高度，最高、最低空气的温度，相对湿度对鼓风机的风量、风压及配置的电动机功率进行校核。

2．空气管道系统的布置与计算

空气管道系统包括由风机出口至空气扩散装置的管道，一般用焊接钢管。管路的布置应使管线距离短，尽量减少拐弯。小型污水处理厂的空气管道系统一般为枝状，而大、中型污水处理厂宜连成网状，以增加灵活性。空气管道接入曝气池时，管顶应高出水面至少0．5m，以免池内水回流入空气管。干、支管管道内空气的经济流速取10～15m／s为宜，竖管或小口径支管内的空气流速一般取4～5m／s。

空气通过整个鼓风曝气系统的总阻力损失，一般控制在14．7kPa以内，其中空气管道的总压力损失宜控制在4．9kPa以内，因扩散设备在使用过程中易被堵塞，故在设计中一般规定空气通过扩散设备的阻力损失取4．9～9．8kPa，竖管或穿孔管可酌情减少。流量和流速确定之后，管径便随之确定，然后通过核算压力损失调整管径。空气管道的管径、阻力损失等计算由有关设计手册查得，如《给水排水设计手册》。

3．空气扩散器（曝气器）的设计

空气扩散装置的选择要考虑其氧利用效率、动力效率、孔口堵塞、压力损失、腐蚀、装置的施工与安装要求以及曝气池的池型和池深等方面。目前，在大型污水处理厂，椎流式曝气池多选用微孔曝气器。

根据总供气量和每个空气扩散装置的通气量、服务面积、曝气池池底面积等数据，计算和确定空气扩散器的数量，并对其进行布置。

7．6．3．3　机械曝气设备的设计

机械曝气设备设计的主要内容是曝气设备类型的选择以及规格数量的确定。采用何种类型与池型有关，如卡罗塞尔氧化沟，一般采用曝气叶轮，交替式氧化沟主要采用曝气转刷，奥贝尔氧化沟多采用曝气转盘。

根据式（7－66）计算出的标准供氧量OS以及产品在标准条件下的充氧能力等技术资料计算取得曝气设备的规格和数量。对曝气叶轮，主要确定叶轮的直径和数量；对曝气转刷，则为确定单个转刷的直径和长度以及转刷的数量。应使曝气设备的总充氧能力略大于计算供氧量。

7．6．4　最终出水水质的计算

由于二沉池固液分离不可能彻底，出水中总是带有污泥悬浮固体。因此，活性污泥处理系统出水中的BOD5值，应包括溶解性BOD和由于出水中的VSS所构成的非溶解性BOD两部分。出水中非溶解性BOD值可按下列公式计算，即

对出水要求达到的BOD值，应当是总BOD即溶解性BOD与非溶解性BOD之和。因此，最终出水中总的BOD5应当为