朱明權?
(Schueffl & Forsthuber Consulting) 摘要 闡述了利用COD指標進行活性污泥法系統設計的主要思想和過程，并建立一套用于硝化和反硝化的活性污泥法COD設計方法。大量實際運行結果表明，利用該法對系統剩余污泥量和耗氧量以及活性污泥的組成計算所得的結果要較傳統的BOD5方法更為精確。
關鍵詞 COD 活性污泥法 設計 剩余污泥量 需氧量 硝化 反硝化。 活性污泥法是目前廢水生物處理的最主要方法，長期以來活性污泥法均根據污水處理廠的進、出水BOD5指標進行設計。由于BOD5指標測定精度低、費時耗力、其值也僅僅反映部分較易降解的有機物含量，故利用BOD5指標不能對整個處理系統建立物料平衡。隨著污水處理廠處理要求的不斷提高，活性污泥法系統的設計污泥齡將逐漸提高，故難降解和部分顆粒性有機物的水解程度也將有所提高，污水處理廠中實際所降解的有機物含量明顯高于進水BOD5所反映的含量。與之比，COD指標測定簡單、精度高且具可比性，能反映污水中所含的全部有機物，故利用COD指標可以進行物料衡算。
雖然COD指標不能說明污水中有機物的生物可降解性，但對污水廠出水或將水樣和活性污泥經混合后進行較長時間曝氣所得過濾液的COD以及對活性污泥增殖情況進行分析，可以基本反饋入流污水COD中可降解和難降解物質的含量比例，這就為利用COD指標進行污水廠的設計和運行提供了可能。據此，國際水質協會(IAWQ)所建立的活性污泥1號和2號動態模型也均采用COD指標為基礎。隨著現代分析技術的飛速發展，快速COD測定方法以及在線COD測定儀(on-line)不斷應用，對進水COD 各個組分的分析技術及其在活性污泥法系統中動力學轉化機理的認識不斷提高，尤其是活性污泥法過程動態模擬方法不斷普及，可以認為利用COD指標進行活性污泥法系統的設計將呈不斷上升的趨勢。? 1 活性污泥法的COD設計方法 1.1 進水水質組成及其轉化過程
在利用COD指標進行活性污泥法系統設計前，應首先對進水水質進行分析。主要包括測定水樣經混合后的總COD濃度、水樣經過濾后(濾紙孔隙直徑為0.45 μm)濾液的COD濃度(即水樣的溶解性COD濃度)、SS和VSS、進水氮和磷濃度等。?
一般城市污水的水質組成及其在活性污泥法系統中的轉化過程如圖1所示。
根據圖1，進水總COD和各個組分之間的關系可用下式表示：
CODt=CODs+CODp=CODsb+CODsub+CODpb+CODpub+XHo (1)?
式中 CODt- -進水有機物總量?
? CODs--進水溶解性COD?
?COD--進水顆粒性COD?
?CODsb--可降解溶解性COD?
?CODpb --可降解顆粒性COD?
?CODsub --不可降解溶解性COD?
?CODpub --不可降解顆粒性COD?
?XHo --異養微生物 進水中包含有溶解性和顆粒性有機物質。在CODs中，CODsb一般可以為異養微生物直接利用而使微生物得到增殖；CODsub在整個處理過程中保持不變而將隨出水流出系統。 
對于運行效果良好的低負荷污水廠(如硝化污水廠)，污水中可降解的有機物已經得到較為完全的去除，出水中殘余的溶解性有機物可以認為基本上是由進水中的溶解性不可降解有機物所引起，故從運行良好的污水廠的出水溶解性COD值(扣除出水中顆粒性懸浮固體所引起的COD)基本上可以估計進水中不可溶解性COD含量。對于新建污水廠，可以將原污水和活性污泥(取自于類似水質的污水廠)混合后經長時間曝氣，當泥水混合液的過濾液COD濃度不再變化時測定其過濾液的COD濃度，藉此估計進水中的溶解性不可降解有機物含量。
根據大量研究，一般以生活污水為主的城市污水中CODsub含量為30～50 mgCOD/L左右。為方便計，進水CODsub濃度可用其所占進水總COD的比例fus求得：
CODsub=fus·CODt (2)
一般城市污水的fus值為5％～10％左右。根據所求得的CODs濃度值和進水CODsub即可求得進水CODsb濃度：
CODsb =CODs-CODsub (3)?
在實踐上如缺乏CODs數據，也可根據進水中的SS和VSS濃度估計原污水的CODp，然后根據CODt濃度值求得CODs。對于一般城市污水，VSS濃度所占比例fvs=VSS/SS在0.7～0.8左右，VSS所產生的CODp可由下式求得：
CODp=fcv·VSS (4)
一般城市污水的 fcv值在1.48 mgCOD/mgVSS左右。
進水中的顆粒性物質分為有機和無機顆粒物，顆粒性有機物可再分為可降解、不可降解和微生物三個部分。CODpub可根據其占進水總COD的比例fup求得：
CODpub=fup·CODt (5)
對于一般城市污水，fup約在7％～20％左右。
進水中所含異養微生物在進入活性污泥法系統后將直接作為活性污泥參與生物過程。進水異養微生物占CODt濃度的比例fH一般在10％～20％左右，據此可求得進水中異養微生物的濃度為：
XHo=fH·CODt (6)
根據式(5)、(6)即可求得CODpb的濃度：
CODpb=CODt-CODs-CODpub-XHo (7)
在上述整個水質分析過程中，正確確定污水中所含有的可降解和不可降解有機物的比例對整個處理系統的設計具有決定性的作用。實踐表明，當污泥齡較大時，由于絕大部分顆粒性可降解有機物將得到較為徹底的水解而轉化為溶解性有機物，在此情況下，只要可降解有機物總量相同，可降解溶解性和顆粒性有機物的濃度劃分對利用COD指標進行設計所得的結果相差不大；另外，研究表明把異養微生物所引起的COD濃度歸類為可降解顆粒性有機物時，對整個設計結果也不會產生較大的影響。故水質分析最為重要的是確定進水中可降解和不可降解有機物的比例。根據大量研究，一般城市污水的污水組成可歸納總結于表1 表1 一般城市污水的典型水質組成及其難降解物質所占比例 | CODp | CODs | CODsub
fus | CODsb | CODpb | CODpub
fus | XHO
fH | fus+fup | 備注 | | 原污水（以進水COD的百分比表示） | | 60-80 | 20-40 | 5-20 | 7-30 | 40-60 | 8-20 | 5-20 | 20-29 | Wat.Sci.Vol.25.No.6,M.Henze | | | | 4-9 | | | 13-19 | | 21-23 | Scheer(德國Husum污水廠） | | | | 7
7 | | | 15
13 | | 22
20 | Liebeskind(德國污水廠）
Wenzel(南非污水廠） | | 初沉污水（以占初沉池出水COD的百分比表示） | | 60-75 | 15-40 | 5-20 | 12-30 | 30-60 | 5-15 | 5-15 | 22 | Wat.Sci.Tech.Vol.25.No.6,MHenze | | | | 10
7
9
5-10
6
10
10
13-18
12 | | | 12
16
14
10-15
8
13
9
6-8
4 | | 22
23
23
15-25
14
23
19
20-26
16 | Hartwing（德國Hildesheim 污水廠）
Hartwig(德國Hannover污水廠）
Scheer(德國Itzehoe污水廠
LAWQ 2號Model建議值
Lesouef(法國Valenton污水廠）
Lesouef(法國污水廠）
Sollfrank(瑞士蘇黎世污水廠）
Siegrist（瑞士幾家污水廠）
Wenzel（南非污水廠） | 1.2 剩余污泥的計算
在活性污泥法過程中，增殖的活性污泥和進水中所含有的惰性固體有機物將以剩余污泥的形式排出系統，同時活性污泥在降解和增殖過程中不斷消耗氧氣。進水中部分不可降解的或者尚未得到降解的COD將隨出水帶出系統。上述物料變化過程可用圖2表示： 
利用COD指標進行活性污泥法工藝設計總的指導思想是對系統的COD建立下列物料平衡： 進水COD(kg/d)=出水COD(kg/d)+剩余污泥COD(kg/d)+耗氧量(kgO2/d) (8) 在進行工藝設計時關鍵是先要正確求得系統所產生的剩余污泥量。如圖1所示，系統所產生的剩余污泥主要由以下幾部分組成。
① 生物降解、利用污水中的有機物所增殖的異養微生物XHo；對一般城市污水，硝化過程中利用無機碳源而合成的自養微生物XA約占總污泥量的2％左右，對剩余污泥量的計算影響不大，為簡單計，在本文中將不予考慮。?
② 絮凝吸附在活性污泥絮體表面和內部而尚未得到水解的進水中可降解顆粒性有機物XP。?
③ 絮凝吸附在活性污泥絮體表面和內部的進水中不可降解顆粒性有機物以及活性污泥內源呼吸所產生的惰性殘余物質XI。?
④ 絮凝吸附在活性污泥絮體表面和內部的進水中顆粒性無機物質。?
根據圖1，當曝氣池活性污泥濃度處于平衡狀態時，根據物料平衡可得下列各式：?
曝氣池活性污泥中的微生物濃度： 
式中 Qd--日進水流量，m3/d
YH--污泥產率，mgCOD/mgCOD
V--曝氣池容積，m3
Kh,20--20 ℃時水解速率常數，d-1?
Kb,20--20 ℃時污泥衰亡速率常數，d-1?
f(T)--溫度修正系數，f(T)=e(T-20)×0.069?
dX--設計污泥齡ΘS，T的倒數，可理解為剩余污泥的排出率，d-1 曝氣池活性污泥中可降解顆粒性有機物的濃度： 
式中 fp--污泥內源呼吸衰亡的微生物轉化為可降解有機物的部分 曝氣池活性污泥中不可降解顆粒性有機物的濃度： XI=(Qd·NVSS0+Qd(2.5Fe+4.0Al))/dx·V (11)
式中 fI--污泥內源呼吸而衰亡的微生物轉化為不可降解有機物的部分 由上述三式即可求得曝氣池中活性污泥揮發性組分的濃度：
Xt=XH+Xp+XI (12)
習慣上，污泥濃度一般表示為懸浮固體濃度。在活性污泥法污水廠中的大量理論和實踐研究表明，1mgVSS的活性污泥相當于1.48 mgCOD。故式(12)可表示為：
MLVSS=(XH+XP+XI)/fcv (13)?
這里，fcv值為1.48mgCOD/mgVSS左右。?
曝氣池活性污泥中的非揮發性物質NVSS的濃度： NVSSXI=(Qd·NVSS0+Qd(2.5Fe+4.0Al))/dx·V (14)
式中 Fe、Al--同時除磷外加的鐵鹽或鋁鹽的濃度，mgFe3+/L或Al3+/L 2.5、4.0--污泥轉化系數
曝氣池中的活性污泥總濃度可由式(13)、(14)求得：?
MLSS=MLVSS+NVSS (15)?
由式(9)至(15)可求得一定曝氣池容積和污泥齡下的活性污泥總濃度以及活性污泥各個組分的濃度。計算時，可先設定一曝氣池容積V，然后求得曝氣池中活性污泥各個組分的濃度及其總的污泥濃度MLSS。設計者可以根據處理工藝、污泥沉降性能、二沉池的分離能力等因素確定曝氣池中允許的污泥濃度MLSS。如根據所設定的曝氣池容積而求得的污泥濃度等于設計者所規定的值，則此曝氣池容積即為設計容積，否則重新設定曝氣池容積，重復上述過程。
根據曝氣池污泥濃度、曝氣池池容、污泥齡即可求得系統所排出的剩余污泥量：?
所排出的總污泥量
SPt=MLSS·V/1000ΘS,T (16)
其中揮發性污泥量
SPVSS=MLSS·V/1000ΘS,T (17)
折算到單位進水COD的產泥量為：
SPSS,COD=MLSS·V/(Qd·CODt·Θc) (18)
SPVSS,COD=MLSS·V/(Qd·CODt·Θc)=1/(Ns·Θc) (19)
式中 NS——COD污泥負荷
NS＝Qd·CODt/(MLVSS·V)[kgCOD/(kgMLVSS·d)] (20)
若剩余污泥量以COD計，則：
SPCOD=fcv·SPVSS
或 SPCOD=fcv/NS·Θc (21) 1.3 系統需氧量的計算?
根據圖2和式(8)的COD物料平衡，可以非常方便地求得活性污泥法系統活性污泥在代謝過程中所需的氧量： 耗氧量(kgO2/d)=進水COD-出水COD-剩余污泥COD =Qd (CODt-CODeff)-SPCOD =Qd(CODt-CODsub)-SPCOD(22) 式(22)中，出水COD濃度等于進水溶解性不可降解COD濃度。如折算到單位進水COD所需的氧量OC，則式(22)可轉化為： OCCOD=[Qd·(CODt-CODsub)-SPCOD]/(Qd·CODt)=(1-CODsub/CODt)-(SPCOD/Qd·CODt)=(1-fus)-fcv/(NS·Θc) (23) 在計算設計供氧量時，必須注意應使所設計的供氧系統即使在水溫較高時也能滿足工藝要求。
如系統尚需進行硝化和反硝化，則除氮所需氧量可由下式求得：?
OCN=(4.6·Ne+1.7·ND)/CODt (24)?
式中?Ne--出水硝酸鹽氮濃度，mgNO3-N/L
ND--系統中反硝化所去除的硝酸鹽氮濃度，mgNO3-N/L?
系統總的需氧量：?
OCt=OCCOD+OCN (25)?
1.4 反硝化能力和反硝化區容積的確定?
參與反硝化的細菌是異養微生物。這類細菌在溶解氧存在時，將優先利用溶解氧作為最終電子受體；在缺氧條件下(只有硝態氮存在而無自由溶解氧存在)，則將利用硝態氮中的氧作為最終電子受體。一般認為約有75％的異養微生物有能力利用硝態氮中的氧進行呼吸。為安全計，一般假定活性污泥在缺氧階段的呼吸速率將有所下降，其值約為好氧呼吸的80％左右，據此可求得活性污泥利用硝態氮中氧的能力(即反硝化能力)： ND/CODt=0.8·(0.75·OCCOD/2.9)·(VD/V)·a (26)
式中 ND/CODt——反硝化能力，即利用單位進水COD所能反硝化的氮量
VD、V--反硝化區容積和曝氣池的總容積，m3
a--修正系數，當系統采用前置反硝化工藝時，由于反硝化區內基質濃度提高，故活性污泥耗氧能力提高，需修正，其值為a=(VD/V)-0.235?。當采用同時硝化/反硝化工藝時，a=1.0?
根據系統的進水總氮濃度以及所要求達到的出水總氮濃度，可求得系統需硝化和反硝化的氮量，利用式(26)即可求得反硝化區所占曝氣池的容積比例VD/V0系統所需總的污泥齡ΘS,T為： ΘS,T=ΘS,T/(1-VD/V) (27)
式中 ΘS,A——好氧污泥齡 滿足硝化所需的最低好氧污泥齡為 ΘS,A=(1/μ)·1.103(15-T)·SF (28)
式中 μ——硝化菌比生長速率，當T=15 ℃時，?μ=0.47/d
SF——安全系數，其值取決于污水廠規模。一般為保證出水氨氮濃度<5mg/L，SF值應取2.3～3.0左右
? T--污水溫度， ℃? 2 設計舉例 一典型城市污水廠采用前置反硝化活性污泥法工藝，需達到深度脫氮要求，其日處理量為50000m3/d,設計小時最大流量為2 700m3/h，設計硝化反硝化水溫為12 ℃，供氧水溫為20 ℃。進、出水水質見表2。?
污水水質各組分的COD濃度見表3。 表2 進、出水水質水量 mg/L| 項目 | 進水水質 | 初沉池出水（經1.5h沉淀） | 要求出水水質 | | BOD5 | 250 | 188 | 15 | | COD | 500 | 375 | 75 | | SS | 300 | 150 | 15 | | TN | 45 | 40 | 12 | | NH4-N | 35 | 35 | 5 | 表3 COD組分分析結果| 項目 | CODt | CODp | CODs | CODsub | CODsb | CODpb | CODpub | CODXHo | | 原污水 | 500 | 350 | 150 | 40(fus=8%） | 110 | 200 | 85(fup=17%） | 65(fH=13%） | | 初沉污水 | 375 | 225 | 150 | 40(fu=10.7%） | 110 | 140 | 45(fup=12%） | 40(fH=10.7%） | 設計時所采用的動力學參數主要參考國際水質協會(IAWQ)提出的活性污泥法數學模型中所采用的參數值，再根據具體情況稍作修正，一般動力學參數值見表4。 表4 動力學參數值| 20℃時水解常數Kh,20（d-1) | 1.5 | | 20℃時內源呼吸系數Kb,20(d-1) | 0.5 | | 污泥產率YH（gCOD/gCOD) | 0.60 | | 內源呼吸形成的不可降解部分fl | 0.1 | | 內源呼吸形成的可降解部分fp | 0.9 | 表5 設計舉例計算結果| 計算步驟 | 方案1：不設初沉池前置反硝化系統 | 方案2：設置初沉池前置反硝化系統 | 備注 | | 1．求得硝化所需好氧污泥齡(硝化設計水溫12℃) | 6．6d | 6．6d | 由式(28)求得，取SF、＝2．3 | | 2，建立氮量平衡，求得系統所需的反硝化能力 | 進水總氮＝45mg／L
出水氨氮＝5mg／L
出水有機氮＝2mg／L
出水硝態氮＝5mg／L
隨剩余污泥排出的氮；10mg／L
所需反硝化的氮量：
ND＝23mg／L
ND/COD＝．046kgN／kgCOD | 進水總氮＝40mg／L
出水氨氮＝5mg／L
出水有機氮＝2mg／L
出水硝態氮＝5mg／L
隨剩余污泥排出的氮；7．5mg/L
所需反硝化的氮量：
ND＝20．5mg／L
ND/COD=0．055kgN／kgCOD | | | 3．通過迭代法求得反硝化所需的容積比例VD／V以及所需總污泥齡Θs．r | VD/V=0．31
Θs．T＝9．6 d | VD/V=0．36
Θs．T＝10．3 d | 由式(16)至式(26)通過迭代法求得 | | 4、計算曝氣池容積 | 初步估計所需總容積34000m3 | 初步估計所需總容積22800m3 | | | 5．求得爆氣池中的污泥濃度 | XM＝1383mgCOD／L
XD＝674mgCOD／L
XI=l584mgCOD／L
Xt=3641mgCOD／L
折算至懸浮固體濃度：
MLV5S＝2，45g／L
NV55＝0．85g／l
A4LS5＝3．308／L | XH＝1624mgCOD／L
XD＝757mgCOD／L
XI＝1499mgCOD/L
Xt＝3880mgCOD／L
折算至懸浮固體濃度：
ALLVSS＝2.62 g／L
NVSS=0．68 g／L
MLSS＝3．30 g／L | 由式(9)至式(15)求得計算所得曝氣池污泥濃度與所設定的曝氣池污泥濃度相等，故估計的曝氣池濃度為設計容積 | | 6．硝化區和反硝化區容積 | 反硝化區容積10．540m3
硝化區容積23．400 m3 | 反硝化區容積8.200 m3 硝化區容積14．600m 3 | | | 7．污泥負荷 | Ns＝0．30kgCOD／(kgMLVSS·d) | Ns＝0．31 k8COD／(kgMLVSS·d) | 由式(20)求得 | | 8、求得系統所產生的剩余污泥量 | 剩余污泥量以COD計
SP＝12．880 kg COD／d
SPCOD＝O．515 kgCOD／kgCOD
折合至有機固體重量
SPvSS=8．703kgVS／d
考慮污泥中所含有的無機固體物，故總剩余污泥量
SPt＝11．703kg／d
折算到單位進水COD所產生的剩余污泥量為
SPss．COD=0．47 kg／kgCOD | 剩余污泥量以COD計
SP＝8．584 kgCOD／d
SPCOD=0．458kgCOD／kgCOD
折合至有機固體重量
SPvss＝5．800kgVSS／d
考慮污泥中所含有的無機固體物，故總剩余污泥量
SPt＝7．300 kg／d
折算到單位進水COD所產生的剩余污泥量為SPss．COD＝O.39kg／kgCOD | 由式(16)至(21)求得 | | 9．確定工藝需氧量(供氧設計水溫為20℃) | 去除COD所需氧量：
10．120 kgO2／d (12℃)11．560 kgO2／d(20℃)
折算到單位進水COD所需的氧量分別為：
0．405 kgO2／kgCOD(12℃)0．463 kgO2／kgCOD(20℃)硝化反硝化所需氧量：0．124kgO2／kgCOD或3．105kgO2／d工藝總需氧量(20℃)：
14．665 kgO2/d | 去除COD所需氧量：
8．166 kgO2／d(12℃)
9．220 kgO2／d(20℃)
折算到單位進水COD所需的氧
量分別為：
0．435kgq／kgCOD(12℃)0．492kgO2／kgCOD(20℃)
硝化反硝化所需氧量：0．154kgO2／kgCOD或2．888kgO2／d
工藝總需氧量(20℃)：
12．110 kgO2／d | 由式(22)(23)求得由式(24)求得 | 設計者可根據污泥沉降特性和二沉池的設計，確定曝氣池允許的活性污泥濃度，本例中曝氣池污泥濃度為3.3 gMLSS/L。
根據上述公式和進、出水水質要求以及有關動力學參數，即可用COD指標進行活性污泥法系統的設計，通過編制一個簡單的計算機程序迅速地完成整個計算過程，其主要計算結果歸納于表5中。? 3 結論? 本文主要討論了以COD為指標的設計基本原則，分析了各個有機組分在活性污泥法系統中的轉換過程和機理，在此基礎上建立了一套利用COD指標進行活性污泥法硝化反硝化系統的設計方法。利用此設計方法可以較為精確地計算所需曝氣池容積，系統中剩余污泥的產量，工藝所需耗氧量以及活性污泥的組成，對活性污泥法過程及其機理的理解也有一定的幫助。??
參考文獻? 1 Henze M?Characterization of wastewater for modelling of activated sludge process?Wat Sci Tech，1992;25(6):1～15?
2 Henze M,Gujer W,Mino T et al?.Activated sludge model No.1.IAWPRC Scientific and Technical Reports No.1.1986?
3 Sollfrank,Gujer W?Characterisation of domestic wastewater for mathematical modelling of the activated sludge process.Water Pollution Research and Control,23(2)?
4 朱明權?活性污泥好氧穩定過程的動態模擬?給水排水，1998；24(6)：6～9
5 Gujer W,Kayser R?Bemessung von belebungsanlagen auf der grundlage einerCSB-bilanz?.Korrespondenz Abwasser,1998;(5)?
6 Scheer H.Vermehrte biologische phosphorelimination-bemessung und modellierung in theorie und praxis.Ver?ffentlichungen des Institutes für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Universit?t Hannover,1994
7 Matsche N.Alte und neue Summenparameter-einsatz inderwasser-undabwassertechnik.Wiener Mitteilungen Band 127,1995
作者簡介：朱明權 男 35歲 碩士?
通訊處：C/O SFC Julius-Welser-str.15，A-5020 Salzburg Austria/Europe?
(收稿日期1998-12-21) | 
