污水處理廠Bardenpho-MBR工藝總產泥量的簡化計算方法

陳亭微，李光亮，黎功稷

(成都市西匯水環境有限公司，四川成都 611730)

目前，活性污泥法或者其變形工藝[1-2]是我國大部分污水處理廠最主要的方法，對其生物系統所產生的剩余污泥量計算主要為：《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)(2014年版)中的污泥產率系數、衰減系數及不可生物降解和惰性懸浮物計算方法[3-5]；德國排水協會(ATV)計算方法[6-7]；數學模型法[1]。

數學模型法系統相當龐大復雜，所需的基礎數據不易直接或準確測定，使用很不方便[1]。上述另外兩種計算方法可以針對不同的水質和工藝情況，相對簡單、準確計算出生物除磷脫氮系統的剩余污泥量。投加化學除磷劑也會增加污水處理廠的產泥量。因此，如何才能較準確確定污水處理廠所產生的總污泥量是一個值得探究的問題。

本文以某大型污水處理廠Bardenpho-MBR工藝為研究對象，對其連續20個月的運行數據進行分析，提出了一種污水處理廠Bardenpho-MBR工藝總產泥量的簡化計算方法，再運用到另一個使用Bardenpho-MBR工藝的污水處理廠總產泥量的估算中，以期對污水處理廠Bardenpho-MBR工藝實際總污泥排放量進行較準確的預控制。

1 常見剩余污泥量計算方法

1.1 室外排水設計規范

《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)(2014年版)中闡述了利用污泥產率系數Y、衰減系數Kd及不可生物降解和惰性懸浮物計算剩余污泥量的方法，計算如式(1)。

ΔX=YQ(S0-Se)-KdVXv+fQ(SS0-SSe)

(1)

其中：ΔX——剩余污泥量，kg SS/d；

V——生物反應池的容積，m3；

Y——污泥產率系數，kg MLVSS/(kg BOD5)，在20 ℃時為0.4～0.8 kg MLVSS/(kg BOD5)；

Q——設計平均流量，m3/d；

S0——生物反應池進水的BOD5質量濃度，kg/m3；

Se——生物反應池出水的BOD5質量濃度，kg/m3；

Kd——衰減系數，d-1；

Xv——生物反應池內混合液揮發性懸浮固體平均質量濃度，g MLVSS/L；

f——SS的污泥轉換率，g MLSS/(g SS)，宜根據試驗資料確定，無試驗資料時取0.5～0.7 g MLSS/(g SS)；

SS0——生物反應池進水SS質量濃度，kg/m3；

SSe——生物反應池出水SS質量濃度，kg/m3。

1.2 ATV

德國是世界上保護環境方面做得比較好的國家，ATV給出了剩余污泥量的計算表達式，此式相較于式(1)更加細致，增加了活性污泥代謝過程中的惰性殘余物(占污泥代謝量的10%左右)及溫度修正[式(2)～式(3)]。

ΔX=YQ(S0-Se)

(2)

(3)

其中：FT——異養微生物生長溫度修正系數，FT=1.072(T-15)；

θc——設計污泥泥齡，d；

T——溫度，℃；

K——不大于1的修正系數。

2 工程概況

四川省某城市污水處理廠A屬于工業園區集中式污水處理，設計處理規模為10萬m3/d，污水處理采用“改良型Bardenpho-MBR”工藝(圖1)，MBR采用浸沒式中空纖超濾維膜(主要設計參數如表1所示)，污泥處理采用機械濃縮和機械脫水工藝。污水處理廠的設計進出水水質如表2所示，其尾水排放水質執行《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》(DB 51/2311—2016)中“工業園區集中式污水處理廠”排放標準。

圖1 污水處理廠A的工藝流程

表1 污水處理廠A中MBR主要設計參數

表2 污水處理廠A的設計進出水水質

3 結果與分析

根據污水處理廠A在2019年8月1日—2021年3月31日的運行數據(圖2為2019年8月—2020年4月的運行數據)可做如下分析。

3.1 Bardenpho生化池和MBR膜池的運行參數

在污水處理廠A實際運行中，后缺氧區至厭氧區混合液回流比為200%，好氧區至缺氧區混合液回流比為400%，膜池至好氧區混合液回流比為400%，MBR運行通量為15.08～18.02 L/(m2·h)。

圖2(a)為Bardenpho進出水、MBR出水中CODCr的變化趨勢，Bardenpho對CODCr的去除率為83.12%～94.14%，MBR對CODCr的去除率為47.62%～81.91%。圖2(b)為Bardenpho進出水、MBR出水TN的變化趨勢，Bardenpho對TN的去除率為57.99%～84.24%，MBR對TN的去除率為2.47%～23.16%。圖2(c)為Bardenpho進出水、MBR出水氨氮變化趨勢，Bardenpho對氨氮的去除率為92.21%～98.76%，MBR對氨氮的去除率為7.32%～79.26%。圖2(d)為Bardenpho進出水、MBR出水TP變化趨勢，Bardenpho對TP的去除率為76.93%～91.03%，MBR對TP的去除率為67.71%～88.52%。圖2(e)為Bardenpho進出水、MBR出水SS變化趨勢，Bardenpho對SS的去除率為56.51%～92.14%，MBR對SS的去除率為69.31%～92.47%。MLSS是運行調控的重要參數，該廠Bardenpho生化池MLSS質量濃度為4 006～6 447 mg/L，MBR膜池MLSS質量濃度為6 020～9 793 mg/L(圖3)，低于一般MBR工藝的MLSS質量濃度(6 000～15 000 mg/L)[7]，生化池和膜池MLSS濃度變化趨勢相同。SVI是判斷污泥沉降濃縮性能的一個重要參數，該廠的SVI為66.3～158.4 mL/g(圖4)，說明沉降性能良好。圖5為不同月份的污泥泥齡，該廠2020年2月和2020年7月的污泥泥齡分別為39.46 d和28.29 d，這兩個月的污泥泥齡遠大于其他月份的污泥泥齡，這可能是受工況影響導致這兩個月的污泥泥齡較大，因此，在計算產泥量時這兩個月的運行數據不具有參考意義。

圖2 污水處理廠A中Bardenpho進水和出水、MBR出水各污染物變化

圖3 污水處理廠A不同時期Bardenpho和MBR的污泥濃度

圖4 污水處理廠A不同時期的SVI

3.2 單位水量產泥率

根據污水處理廠A在2019年8月1日—2021年3月31日的運行數據，可得該廠的每萬噸水產泥率(圖6)。由圖6可知，該廠萬噸水產泥率為0.71～1.99 t/(萬m3)，平均值為1.36 t/(萬m3)。本文中的萬噸水產泥率低于以AAO-MBR工藝的南方某城市污水處理廠萬噸水產泥率[均值為(2.91±0.44) t/(萬m3)][8]。

圖6 污水處理廠A的產泥率

萬噸水產泥率是實際生產中通常被采用的經驗統計方法，此方法簡單易行，但缺乏科學性，受實際進水水質、藥劑、工藝等眾多因素的影響。因此，萬噸水產泥率只適合作為某一污水處理廠的經驗統計方法，不適合運用在不同污水處理廠之間的橫向比較。

3.3 常見計算方法得到的剩余污泥量與實際產泥量的比較

分析2019年8月1日—2021年3月31日的運行數據，可得到運行期間每個月的F和θc，結合式(4)可得到每個月的Yobs。

運用蘭維福-布克(Linewcaver-Burk)圖解法[式(5)]，θc作為橫坐標，1/Yobs作為縱坐標，可求得A廠的Y和Kd。該廠1/Yobs和θc關系如圖7所示，Y和Kd分別為2.653 kg MLVSS/(kg BOD5)和0.055 d-1，再將得到的Y、Kd和運行數據代入式(1)得到f[0.033 g MLSS/(g SS)]。由得到的Y和Kd與表3相比可知，A廠計算得到的Y大許多，f則小許多，這是因為此Y由剩余污泥產率和化學污泥產率組成，所以，污泥中既有剩余污泥量又有化學污泥量。

圖7 污水處理廠A的1/Yobs和θc的線性擬合

表3 幾種典型活性污泥工藝的Yobs，Y，Kd和f值

(4)

(5)

其中：F——污泥負荷，kg BOD5/(kg MLVSS·d)；

Yobs——表觀產率系數，kg MLVSS/(kg BOD5)。

兩種不同方法計算得到的剩余產泥量和實際產泥量的比較如表4所示。式(1)中Y[0.8 kg MLVSS/(kg BOD5)]、Kd(0.04 d-1)、Xv(0.7 g MLSS/L)、f[0.7 g MLSS/(g SS)]取經驗值。式(2)中K=1(通過試驗取不同的K，相對而言，K=1時剩余產泥量與實際產泥量更接近，此處數據未展示)，Y根據實際運行數據計算得到，取值為0.67～1.12 kg MLVSS/(kg BOD5)，大于運用相同公式計算得到的AAO工藝污泥產率系數[0.55～0.82 kg MLVSS/(kg BOD5)][6]。由表4可知，式(1)得到的剩余產泥量和實際產泥量相對偏差為-106.28%～-19.81%，均為負數，且均沒有剩余與實際偏差小于|15%|和|10%|的概率；式(2)得到的剩余產泥量和實際產泥量相對偏差為-83.26%～-2.13%，均為負數，剩余與實際偏差小于|15%|和|10%|的概率均在15%左右。

表4 不同方法計算得到的污水處理廠A剩余污泥量比較

式(1)和式(2)計算得到的剩余產泥量和實際產泥量相對偏差均為負數，由此可知，這兩種方法計算得到的剩余產泥量均小于實際產泥量，因此，在實際生產中存在一部分化學污泥，這與上述得到的結果相符合。式(1)中的Y、Kd、Xv和f都是取經驗值，實際中Y和Kd難以測定。由式(1)可知，Y變化幅度達100%，Kd變化幅度達87.5%，f變化幅度達40%，合理確定式(1)污泥的產泥系數Y、Kd和f對計算剩余污泥量十分重要，Yobs與污泥負荷、污泥泥齡和溫度等有關，Y與進水水質、電子受體、離子濃度等有關，Kd與污泥負荷、污泥泥齡和溫度等有關[14-16]。式(1)和式(2)相比，式(2)的產泥率等相關計算參數更可靠，計算得到的剩余產泥量和實際產泥量相對偏差范圍更小。因此，式(2)計算得到的剩余污泥量更準確。

3.4 總產泥量簡化計算方法

通過比較幾種常見的剩余污泥計算方法得到了相對最優的剩余污泥計算方法，但是所得的剩余污泥量均小于實際產泥量，實際產泥量中存在剩余污泥量和化學污泥量，經計算，剩余污泥量占實際產泥量的62%～71%，即化學污泥量占實際產泥量的29%～38%。

該廠執行標準為《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》(DB 51/2311—2016)中“工業園區集中式污水處理廠”排放標準，出水TP質量濃度小于0.5 mg/L，在生產中該廠除磷時采用了后置化學除磷，化學除磷劑采用聚氯化鋁(PAC)作為輔助，投加PAC后沉淀過程中各組分將處于一個平衡范圍，并會生成氫氧化鋁進而增加污泥量[17]。據研究，投用鋁鹽的化學除磷劑時，化學污泥量約占總污泥量的35%[18]，這符合該廠化學污泥量與總污泥量的比值，在后續研究中測定不同PAC投加量產生的對應具體化學污泥量。化學除磷劑增加的污泥量屬于化學污泥，結合式(2)計算得到的剩余污泥，可得到理論總產泥量的簡化方程[式(6)～式(7)]。

(6)

(7)

其中：ΔX'——理論產泥量，kg SS/d；

Y'——K=1時污泥產率系數，kg MLVSS/(kg BOD5)。

污水處理廠B和A采用相同的工藝，MBR膜的設計參數相同，尾水排放水質執行《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》(DB 51/2311—2016)，出水總磷質量濃度小于0.3 mg/L，同樣采用了后置除磷(PAC)作為輔助。

A1是污水處理廠A在2019年8月1日—2021年3月31日的運行數據，A2是在A1的基礎上去掉了2020年2月和2020年7月的運行數據。A1、A2和B代入簡化計算方法中計算的產泥量得到表5。由表5可知，A1得到的理論與實際相對偏差為-20.11%～26.52%，理論與實際偏差小于|15%|和|10%|的概率分別為70.13%和48.28%；A2得到的理論與實際相對偏差為-14.42%～21.51%，理論與實際偏差小于|15%|和|10%|的概率分別為82.21%和61.76%；B得到的理論與實際相對偏差為-24.52%～11.86%，理論與實際偏差小于|15%|和|10%|的概率分別為66.61%和44.45%。且由簡化計算方法估算的總產泥量準確率高于利用萬噸水估算的總產泥量(數據未列在文中)，因此，簡化計算方法在實際生產的總產量估算可行。

表5 不同污水處理廠簡化計算方法得到的產泥量

3.5 實際意義

在污水處理廠Bardenpho-MBR工藝實際生產過程中，各項參數均控制在一定范圍內，可以將已獲得的污泥泥齡、進水SS/BOD5和水溫代入式(2)，由此計算出不同工況下的剩余污泥量，再將計算得到的理論剩余污泥量代入式(6)，得到不同工況下的理論總污泥排放量。根據理論總污泥排放量對實際以Bardenpho-MBR工藝的污水處理廠總污泥排放量進行較準確的預控制。

4 結論

(1)實際生產污水處理Bardenpho-MBR工藝總產泥量的估算較難，本文推薦了針對此情況總產泥量的簡化計算方法。

(2)該簡化計算方法比較了幾種常見的剩余污泥量計算方法，比選出合理的剩余污泥量計算方法，再結合化學污泥量計算。該方法得到的理論總產泥量計算結果與實際產泥量相近，且估算的總產泥量準確率高于利用萬噸水估算的總產泥量。因此，運用簡化計算方法的計算結果具有可信性。

(3)該簡化計算方法所需的基礎數據可由日常運行數據得到，計算方式簡便，結果準確度較高，對實際生產污水處理廠Bardenpho-MBR工藝的正確估算總污泥排放量具有重要意義。