污水处理厂Bardenpho-MBR工艺总产泥量的简化计算方法

陈亭微，李光亮，黎功稷

(成都市西汇水环境有限公司，四川成都 611730)

目前，活性污泥法或者其变形工艺[1-2]是我国大部分污水处理厂最主要的方法，对其生物系统所产生的剩余污泥量计算主要为：《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)(2014年版)中的污泥产率系数、衰减系数及不可生物降解和惰性悬浮物计算方法[3-5]；德国排水协会(ATV)计算方法[6-7]；数学模型法[1]。

数学模型法系统相当庞大复杂，所需的基础数据不易直接或准确测定，使用很不方便[1]。上述另外两种计算方法可以针对不同的水质和工艺情况，相对简单、准确计算出生物除磷脱氮系统的剩余污泥量。投加化学除磷剂也会增加污水处理厂的产泥量。因此，如何才能较准确确定污水处理厂所产生的总污泥量是一个值得探究的问题。

本文以某大型污水处理厂Bardenpho-MBR工艺为研究对象，对其连续20个月的运行数据进行分析，提出了一种污水处理厂Bardenpho-MBR工艺总产泥量的简化计算方法，再运用到另一个使用Bardenpho-MBR工艺的污水处理厂总产泥量的估算中，以期对污水处理厂Bardenpho-MBR工艺实际总污泥排放量进行较准确的预控制。

1 常见剩余污泥量计算方法

1.1 室外排水设计规范

《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)(2014年版)中阐述了利用污泥产率系数Y、衰减系数Kd及不可生物降解和惰性悬浮物计算剩余污泥量的方法，计算如式(1)。

ΔX=YQ(S0-Se)-KdVXv+fQ(SS0-SSe)

(1)

其中：ΔX——剩余污泥量，kg SS/d；

V——生物反应池的容积，m3；

Y——污泥产率系数，kg MLVSS/(kg BOD5)，在20 ℃时为0.4～0.8 kg MLVSS/(kg BOD5)；

Q——设计平均流量，m3/d；

S0——生物反应池进水的BOD5质量浓度，kg/m3；

Se——生物反应池出水的BOD5质量浓度，kg/m3；

Kd——衰减系数，d-1；

Xv——生物反应池内混合液挥发性悬浮固体平均质量浓度，g MLVSS/L；

f——SS的污泥转换率，g MLSS/(g SS)，宜根据试验资料确定，无试验资料时取0.5～0.7 g MLSS/(g SS)；

SS0——生物反应池进水SS质量浓度，kg/m3；

SSe——生物反应池出水SS质量浓度，kg/m3。

1.2 ATV

德国是世界上保护环境方面做得比较好的国家，ATV给出了剩余污泥量的计算表达式，此式相较于式(1)更加细致，增加了活性污泥代谢过程中的惰性残余物(占污泥代谢量的10%左右)及温度修正[式(2)～式(3)]。

ΔX=YQ(S0-Se)

(2)

(3)

其中：FT——异养微生物生长温度修正系数，FT=1.072(T-15)；

θc——设计污泥泥龄，d；

T——温度，℃；

K——不大于1的修正系数。

2 工程概况

四川省某城市污水处理厂A属于工业园区集中式污水处理，设计处理规模为10万m3/d，污水处理采用“改良型Bardenpho-MBR”工艺(图1)，MBR采用浸没式中空纤超滤维膜(主要设计参数如表1所示)，污泥处理采用机械浓缩和机械脱水工艺。污水处理厂的设计进出水水质如表2所示，其尾水排放水质执行《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》(DB 51/2311—2016)中“工业园区集中式污水处理厂”排放标准。

图1 污水处理厂A的工艺流程

表1 污水处理厂A中MBR主要设计参数

表2 污水处理厂A的设计进出水水质

3 结果与分析

根据污水处理厂A在2019年8月1日—2021年3月31日的运行数据(图2为2019年8月—2020年4月的运行数据)可做如下分析。

3.1 Bardenpho生化池和MBR膜池的运行参数

在污水处理厂A实际运行中，后缺氧区至厌氧区混合液回流比为200%，好氧区至缺氧区混合液回流比为400%，膜池至好氧区混合液回流比为400%，MBR运行通量为15.08～18.02 L/(m2·h)。

图2(a)为Bardenpho进出水、MBR出水中CODCr的变化趋势，Bardenpho对CODCr的去除率为83.12%～94.14%，MBR对CODCr的去除率为47.62%～81.91%。图2(b)为Bardenpho进出水、MBR出水TN的变化趋势，Bardenpho对TN的去除率为57.99%～84.24%，MBR对TN的去除率为2.47%～23.16%。图2(c)为Bardenpho进出水、MBR出水氨氮变化趋势，Bardenpho对氨氮的去除率为92.21%～98.76%，MBR对氨氮的去除率为7.32%～79.26%。图2(d)为Bardenpho进出水、MBR出水TP变化趋势，Bardenpho对TP的去除率为76.93%～91.03%，MBR对TP的去除率为67.71%～88.52%。图2(e)为Bardenpho进出水、MBR出水SS变化趋势，Bardenpho对SS的去除率为56.51%～92.14%，MBR对SS的去除率为69.31%～92.47%。MLSS是运行调控的重要参数，该厂Bardenpho生化池MLSS质量浓度为4 006～6 447 mg/L，MBR膜池MLSS质量浓度为6 020～9 793 mg/L(图3)，低于一般MBR工艺的MLSS质量浓度(6 000～15 000 mg/L)[7]，生化池和膜池MLSS浓度变化趋势相同。SVI是判断污泥沉降浓缩性能的一个重要参数，该厂的SVI为66.3～158.4 mL/g(图4)，说明沉降性能良好。图5为不同月份的污泥泥龄，该厂2020年2月和2020年7月的污泥泥龄分别为39.46 d和28.29 d，这两个月的污泥泥龄远大于其他月份的污泥泥龄，这可能是受工况影响导致这两个月的污泥泥龄较大，因此，在计算产泥量时这两个月的运行数据不具有参考意义。

图2 污水处理厂A中Bardenpho进水和出水、MBR出水各污染物变化

图3 污水处理厂A不同时期Bardenpho和MBR的污泥浓度

图4 污水处理厂A不同时期的SVI

3.2 单位水量产泥率

根据污水处理厂A在2019年8月1日—2021年3月31日的运行数据，可得该厂的每万吨水产泥率(图6)。由图6可知，该厂万吨水产泥率为0.71～1.99 t/(万m3)，平均值为1.36 t/(万m3)。本文中的万吨水产泥率低于以AAO-MBR工艺的南方某城市污水处理厂万吨水产泥率[均值为(2.91±0.44) t/(万m3)][8]。

图6 污水处理厂A的产泥率

万吨水产泥率是实际生产中通常被采用的经验统计方法，此方法简单易行，但缺乏科学性，受实际进水水质、药剂、工艺等众多因素的影响。因此，万吨水产泥率只适合作为某一污水处理厂的经验统计方法，不适合运用在不同污水处理厂之间的横向比较。

3.3 常见计算方法得到的剩余污泥量与实际产泥量的比较

分析2019年8月1日—2021年3月31日的运行数据，可得到运行期间每个月的F和θc，结合式(4)可得到每个月的Yobs。

运用兰维福-布克(Linewcaver-Burk)图解法[式(5)]，θc作为横坐标，1/Yobs作为纵坐标，可求得A厂的Y和Kd。该厂1/Yobs和θc关系如图7所示，Y和Kd分别为2.653 kg MLVSS/(kg BOD5)和0.055 d-1，再将得到的Y、Kd和运行数据代入式(1)得到f[0.033 g MLSS/(g SS)]。由得到的Y和Kd与表3相比可知，A厂计算得到的Y大许多，f则小许多，这是因为此Y由剩余污泥产率和化学污泥产率组成，所以，污泥中既有剩余污泥量又有化学污泥量。

图7 污水处理厂A的1/Yobs和θc的线性拟合

表3 几种典型活性污泥工艺的Yobs，Y，Kd和f值

(4)

(5)

其中：F——污泥负荷，kg BOD5/(kg MLVSS·d)；

Yobs——表观产率系数，kg MLVSS/(kg BOD5)。

两种不同方法计算得到的剩余产泥量和实际产泥量的比较如表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)]取经验值。式(2)中K=1(通过试验取不同的K，相对而言，K=1时剩余产泥量与实际产泥量更接近，此处数据未展示)，Y根据实际运行数据计算得到，取值为0.67～1.12 kg MLVSS/(kg BOD5)，大于运用相同公式计算得到的AAO工艺污泥产率系数[0.55～0.82 kg MLVSS/(kg BOD5)][6]。由表4可知，式(1)得到的剩余产泥量和实际产泥量相对偏差为-106.28%～-19.81%，均为负数，且均没有剩余与实际偏差小于|15%|和|10%|的概率；式(2)得到的剩余产泥量和实际产泥量相对偏差为-83.26%～-2.13%，均为负数，剩余与实际偏差小于|15%|和|10%|的概率均在15%左右。

表4 不同方法计算得到的污水处理厂A剩余污泥量比较

式(1)和式(2)计算得到的剩余产泥量和实际产泥量相对偏差均为负数，由此可知，这两种方法计算得到的剩余产泥量均小于实际产泥量，因此，在实际生产中存在一部分化学污泥，这与上述得到的结果相符合。式(1)中的Y、Kd、Xv和f都是取经验值，实际中Y和Kd难以测定。由式(1)可知，Y变化幅度达100%，Kd变化幅度达87.5%，f变化幅度达40%，合理确定式(1)污泥的产泥系数Y、Kd和f对计算剩余污泥量十分重要，Yobs与污泥负荷、污泥泥龄和温度等有关，Y与进水水质、电子受体、离子浓度等有关，Kd与污泥负荷、污泥泥龄和温度等有关[14-16]。式(1)和式(2)相比，式(2)的产泥率等相关计算参数更可靠，计算得到的剩余产泥量和实际产泥量相对偏差范围更小。因此，式(2)计算得到的剩余污泥量更准确。

3.4 总产泥量简化计算方法

通过比较几种常见的剩余污泥计算方法得到了相对最优的剩余污泥计算方法，但是所得的剩余污泥量均小于实际产泥量，实际产泥量中存在剩余污泥量和化学污泥量，经计算，剩余污泥量占实际产泥量的62%～71%，即化学污泥量占实际产泥量的29%～38%。

该厂执行标准为《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》(DB 51/2311—2016)中“工业园区集中式污水处理厂”排放标准，出水TP质量浓度小于0.5 mg/L，在生产中该厂除磷时采用了后置化学除磷，化学除磷剂采用聚氯化铝(PAC)作为辅助，投加PAC后沉淀过程中各组分将处于一个平衡范围，并会生成氢氧化铝进而增加污泥量[17]。据研究，投用铝盐的化学除磷剂时，化学污泥量约占总污泥量的35%[18]，这符合该厂化学污泥量与总污泥量的比值，在后续研究中测定不同PAC投加量产生的对应具体化学污泥量。化学除磷剂增加的污泥量属于化学污泥，结合式(2)计算得到的剩余污泥，可得到理论总产泥量的简化方程[式(6)～式(7)]。

(6)

(7)

其中：ΔX'——理论产泥量，kg SS/d；

Y'——K=1时污泥产率系数，kg MLVSS/(kg BOD5)。

污水处理厂B和A采用相同的工艺，MBR膜的设计参数相同，尾水排放水质执行《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》(DB 51/2311—2016)，出水总磷质量浓度小于0.3 mg/L，同样采用了后置除磷(PAC)作为辅助。

A1是污水处理厂A在2019年8月1日—2021年3月31日的运行数据，A2是在A1的基础上去掉了2020年2月和2020年7月的运行数据。A1、A2和B代入简化计算方法中计算的产泥量得到表5。由表5可知，A1得到的理论与实际相对偏差为-20.11%～26.52%，理论与实际偏差小于|15%|和|10%|的概率分别为70.13%和48.28%；A2得到的理论与实际相对偏差为-14.42%～21.51%，理论与实际偏差小于|15%|和|10%|的概率分别为82.21%和61.76%；B得到的理论与实际相对偏差为-24.52%～11.86%，理论与实际偏差小于|15%|和|10%|的概率分别为66.61%和44.45%。且由简化计算方法估算的总产泥量准确率高于利用万吨水估算的总产泥量(数据未列在文中)，因此，简化计算方法在实际生产的总产量估算可行。

表5 不同污水处理厂简化计算方法得到的产泥量

3.5 实际意义

在污水处理厂Bardenpho-MBR工艺实际生产过程中，各项参数均控制在一定范围内，可以将已获得的污泥泥龄、进水SS/BOD5和水温代入式(2)，由此计算出不同工况下的剩余污泥量，再将计算得到的理论剩余污泥量代入式(6)，得到不同工况下的理论总污泥排放量。根据理论总污泥排放量对实际以Bardenpho-MBR工艺的污水处理厂总污泥排放量进行较准确的预控制。

4 结论

(1)实际生产污水处理Bardenpho-MBR工艺总产泥量的估算较难，本文推荐了针对此情况总产泥量的简化计算方法。

(2)该简化计算方法比较了几种常见的剩余污泥量计算方法，比选出合理的剩余污泥量计算方法，再结合化学污泥量计算。该方法得到的理论总产泥量计算结果与实际产泥量相近，且估算的总产泥量准确率高于利用万吨水估算的总产泥量。因此，运用简化计算方法的计算结果具有可信性。

(3)该简化计算方法所需的基础数据可由日常运行数据得到，计算方式简便，结果准确度较高，对实际生产污水处理厂Bardenpho-MBR工艺的正确估算总污泥排放量具有重要意义。