德国生物脱氮工艺中曝气池的设计计算
德国是世界上环境保护工作开展较好的国家，在污水处理的脱氮除磷方面积累了很多值得借鉴的经验。现将德国排水技术协会(ATV)最新制定的城市污水设计规范A131中关于生物脱氮(硝化和反硝化)的曝气池设计方法介绍给大家，以供参考。
A131的应用条件：
① 进水的COD/BOD5≈2，TKN/BOD5≤0.25；
② 出水达到废水规范VwV的规定。
对于具有硝化和反硝化功能的污水处理过程，其反硝化部分的大小主要取决于：
① 希望达到的脱氮效果；
② 曝气池进水中硝酸盐氮NO－3－N和BOD5的比值；
③ 曝气池进水中易降解BOD5占的比例；
④ 泥龄tS；
⑤ 曝气池中的悬浮固体浓度X；
⑥ 污水温度。
图1为前置反硝化系统流程。
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总回流量QR=QR1+QR2
VT——曝气池总体积 VDN——反硝化区体积
VN——硝化区体积(包括去除BOD和硝化)
图1 前置反硝化系统流程
1 计算NDN/BOD5和VDN/VT
NDN表示需经反硝化去除的氮，它与进水的BOD5之比决定了反硝化区体积VDN占总体积VT的大小。
由氮平衡计算NDN/BOD5：
NDN＝TKNi－Noe－Nme－NS
式中 TKNi——进水总凯氏氮，mg/L
Noe——出水中有机氮，一般取1～2 mg/L
Nme——出水中无机氮之和，包括氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，是排放控制值。按德国标准控制在18 mg/L以下，则设计时取0.67×18＝12 mg/L
NS——剩余污泥排出的氮，等于进水BOD5的0.05倍，mg/L
由此可计算NDN/BOD5之值，然后从表1查得VDN/VT。
表1 晴天和一般情况下反硝化设计的参考值
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2 泥龄
泥龄tS是活性污泥在曝气池中的平均停留时间，即
tS＝（X×VT）/（QS×XR＋Q×XE）
式中 tS ——泥龄，d
X——曝气池中的活性污泥浓度，即
MLSS，kg/m3
VT——曝气池总体积，m3
QS——每天排出的剩余污泥体积，m3/d
XR——剩余污泥浓度，kg/m3
Q——设计污水流量，m3/d
XE——二沉池出水的悬浮固体浓度，kg/m3
根据要求达到的处理程度和污水处理厂的规模，从表2选取应保证的最小泥龄。
表2 处理程度及处理厂规模和最小泥龄的关系
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3 剩余污泥量
污泥比产率
Y＝YBOD5＋YP
式中 Y——污泥产率，kg干固体/kgBOD5
YBOD5——剩余污泥产率，kg干固体/kgBOD5
YP——同步沉淀的化学污泥产率(当未投加化学混凝剂除磷时无此项)，kg干固体/kgBOD5
剩余污泥产率YBOD5与泥龄、进水SS和BOD5的比例、温度等有关，约为0.52～1.22 kg干固体/kgBOD5，可从表3中选取。
表3 YBOD5与泥龄、进水SS和BOD5的比例之关系
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4 计算曝气池体积
首先计算曝气池的污泥负荷N，即
N＝l/(tS×Y)
式中 N——曝气池的污泥负荷，kgBOD5/(kg干固体.d)
再根据表4选定曝气池中的活性污泥浓度X。
表4 曝气池中活性污泥浓度的推荐值
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应特别注意，必须校验二沉池能否使曝气池中的活性污泥浓度达到所选取的X值。
所以，曝气池的体积为：
VT＝(BOD5)i×Q/(N×X)
VT＝VDN＋VN
5 回流比
内循环回流比R1＝QR1/Q，外循环回流比R2＝QR2/Q ，总回流比R＝R1＋R2。
在前置反硝化工艺中，硝酸盐氮通过内循环和外循环回流进入反硝化区。只要回流的硝酸盐氮不超过表1中的反硝化能力，则可能达到的最大反硝化程度取决于回流比R。因此，可根据反硝化率EDN计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——出水硝酸盐氮，mg/L
一般在前置反硝化工艺中，回流比取2.0。若希望进一步提高反硝化率，可继续提高回流比。但必须注意，最大回流比为4.0，且回流比较高时存在着将过多的溶解氧带入反硝化区的危险。为了减少循环回流中的溶解氧，可在曝气池末端设置隔离区域，减少该区中的曝气量。
前置反硝化工艺中的反硝化区应采用隔墙与好氧硝化区分开，并在反硝化区中设置搅拌装置。
回流量还可根据连续监测反硝化区Nne值进行调节。
6 供氧量
生物脱氮工艺中，分解碳化合物(BOD5)的需氧率OVC和氧化氮化合物的需氧率OVN必须分开计算。然后根据饱和溶解氧等的影响，由这两部分之和计算供氧率(氧负荷)OB 。
① 分解碳化合物的需氧率OVC可从表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可按下式计算：
OVN＝(4.6×Nne＋1.7×NDN)/BOD5
③ 选择曝气区的溶解氧浓度CX，根据峰值系数fC和fN计算最大小时供氧率(氧负荷)OB：
OB＝〔Cs/(Cs－Cx)〕/(OVc×fC＋OVN×fN)
式中 Cs——污水中饱和溶解氧浓度，mg/L
Cx——曝气池中溶解氧浓度，mg/ L
fC——碳负荷峰值系数，即最大小时需氧率与平均小时需氧率之比
fN——氮负荷峰值系数
推荐的CX值为：在无硝化的装置中取2mg/L；进行硝化的装置中取2mg/L；进行硝化同步/反硝化的装置中取0.5mg/L。
如果无法测得峰值系数，可从表6中查取。由于在污水处理厂最大氮负荷与最大碳负荷并不同时出现，因此选用最大碳负荷和平均氮负荷或最大氮负荷和平均碳负荷进行计算。
表6 峰值系数
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④ 根据供氧率(氧负荷)OB和曝气设备的氧利用率计算设计供氧量。如果曝气设备的氧利用率是在清水中测定的，则计算结果必须除以供氧系数α(0.5～1.0)。
应特别注意的问题还有，夏季在不具备反硝化功能的污水处理厂进行污水硝化时，OVC值必须增加1/3。另外，最大小时需氧率是根据峰值系数fC和fN、以及日需氧率的1/24计算的，因此若采用间歇反硝化，供氧量应依据曝气间歇时间相应提高。
在前置反硝化工艺中，可将供氧和搅拌分开。反硝化区的搅拌强度取决于池容，通常为3～8 W/m3。同时，在反硝化区安装曝气装置有利于加强运行灵活性。
对前置反硝化系统的测试表明，曝气区起始段的耗氧量为平均耗氧量的2倍，故应合理布置曝气装置，保证整个曝气区内的溶解氧都不低于2 mg/L。对于推流式曝气池，应分别在沿池长25％和75％处测量池中的溶解氧。供氧量也可根据连续监测曝气池出水中的NH4＋-N值进行调整。
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