水处理设计中的一个简单公式,结果却越看越迷糊!

文摘   2024-12-10 11:01   天津  

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编辑|胖先生的水处理日记

来源|学员交流

以下正文:

大家好,我是胖哥,欢迎阅读我的水处理日记。

早晨,有位水友加我好友,说想报名学习水处理课程。

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好了,闲话少说,咱们书归正文。

最近,一位水友问了我这样一个问题:

“胖工,室外排水设计标准中,关于AO脱氮系统中好氧池的计算公式,我有一点不是特别理解。”

哪个公式呢?

应该是《室外排水设计标准》GB50014-2021中,7.6.17-4、7.6.17-57.6.17-6这三个公式。

如果你手边没有规范的话也没事儿,我抄一遍。

Vo=QYt(S0-Sec/1000X

θc=F/μ

μ=0.47Na·e⁰˙⁰⁹⁸⁽ᵀ⁻¹⁵⁾/(Kn+Na)

其中:
Vo-好氧池容积,m³;
Q-处理水量,m³/h;
Yt-污泥总产率系数,kgMLSS/(kgBOD5·d),有初沉池时取0.3~0.6,无初沉池时取0.8~1.2;
X-污泥浓度,mg/L;
θc-污泥龄,d;
S0-进水BOD5,mg/L;
Se-出水BOD5,mg/L;
F-安全系数,1.5~3;
μ-硝化细菌比生长速度,d⁻¹;
Na-生物反应池中的氨氮浓度,mg/L;
T-水温,℃;
Kn- 硝化作用中氮的半速率常数,mg/L;
0.47-15℃时硝化菌的最大比生长速率,d⁻¹。
其实关于这一组公式,咱们之前已经发文说过了,详见如下链接(点击即可跳转阅读):
一个水处理设计的小细节,不知道你可曾注意到?
上篇文章中说的是关于Na参数取值的问题,和今天这篇日记讨论的内容没多少关系。
咱接着说水友的问题:
“为什么这个公式中,没有涉及到原水氨氮的数据呢?”
“如果按照这个公式来算,都是一级A的排放标准,岂不是进水100mg/L和50mg/L的氨氮,算出来的池容都是一样大的?”
听完水友的问题,不知道您各位是不是都虎躯一震?
这肯定不对啊!
不同的进水氨氮值,出水还都一样,怎么可能容积一般大呢?
咱先来看看这个公式的意思。
这个公式在利用时,应该是倒着推,先算7.6.17-6,然后再算7.6.17-5,最后才是7.6.17-4。
也就是先算出来整个硝化系统的污泥龄,然后再根据污泥龄的计算公式θc=VX/△X,来反推池容。
Ps:上述公式中,V为生化池池容,m³;X为生化池内的污泥浓度,g/L;△X为剩余污泥产量,kg/d
这其实又衍生了一个新问题:
“在使用7.6.17-4这个公式计算好氧池池容Vo时,S0到底是指的原水的BOD5值,还是好氧池的进水BOD5值?
要是光看规范中针对公式各参数的注释,那肯定是指的原水的BOD5值。
但明明是要计算好氧池的容积啊,要是用的是原水的BOD5值,那算出来不成了AO所有单元的池容了?
琢磨来琢磨去,我只能理解是单独好氧系统和单独缺氧系统的Yt值,不好分开测,所以只能以一个总的来代替了。
既然Yt值都是用的总的了,那BOD5值自然也就用原水的了。
不过这么算出来的结果,肯定是偏大的。
毕竟从理论上来说,这么选参数的话,实际上的确是连缺氧池池容也都包括进去了。
咱先不说这个点,接着说水友提出的这个问题,为啥这个公式不考虑原水的氨氮值呢?
我认为有两点原因:
第一个原因,高浓度底物条件下的硝化反应,是一种零级反应,和反应底物浓度无关。
怎么理解这个因素呢?
很简单,莫诺特方程已经给出了答案。
μ=μmax·S/(Ks+S)
式中:
μ-硝化细菌的比增长速度,也就是硝化菌每增加单位生物量时所需要的时间,t⁻¹;
μmax-硝化菌的最大比增长速度,t¹;
Ks-半饱和常数,也就是μ=μmax/2时的底物浓度,这里的底物就是氨氮,mg/L;
S-单一限制性底物浓度,这里指的就是氨氮,mg/L。
可以分成两种情况来分析这个公式:
(1)如果当S>>Ks时,那么S/(Ks+S)≈1,则μμmax,是一个零级反应;
(2)如果当S和Ks相差不大时,那么S/(Ks+S)就是一个<1的系数,变成了一个一级反应,且μ必然会<μmax
也就是说,在好氧硝化的反应系统中,底物氨氮的浓度值越高,那么硝化菌的增殖速度就越接近于最大的速率,而与此时好氧池中的氨氮值无关。
当氨氮值下降到一定程度时,硝化菌的增殖速度也会逐渐下降,开始从零级反应转化成一级反应,且氨氮浓度越低,硝化菌增殖速度越慢。
硝化菌的增殖就伴随着氨氮的下降,因此可以得到一个结论:
“好氧硝化系统中的氨氮值越高,那么氨氮的降解过程就越接近零级反应,因而不受氨氮浓度影响!”
那么这个阈值是多少呢?
通过查找资料,硝化反应中的半速率常数Ks,仅为1mg/L。
而按照一级A出水标准来设计硝化系统的话,出水氨氮值为5(8)mg/L。
取最不利,也即Na=8mg/L,那么在好氧硝化系统中,最末端的S/(Ks+S)=8+(8+1)=88.89%。
可想而知,在好氧池的前端,或者中段,S/(Ks+S)会更加接近于1。
因此,专家在设计公式时,就默认为好氧硝化池中的氨氮降解反应,是零级反应,和底物浓度无关,自然也就不需要考虑进水氨氮值了。
第二个原因,那就是考虑两个回流的影响了。
因为AO系统特殊的运行模式,有内外两个回流。
尤其是内回流比一般较大,这就导致原水一旦进入系统中,就会经历一个较大比例的稀释作用。
尤其是按照1级A标准设计的系统,甭管你原水氨氮值是多少,那进入到缺氧池后,氨氮必然就得<15mg/L,否则出水总氮就要超标了。
而从15mg/L降到8mg/L,实在没多少难度,因此也就不考虑原水了。
但我说句心里话吧,以上推测都是建立在硝化反应的条件十分合适时,例如pH、水温、溶解氧、营养物质、抑制性元素等等都没有问题才行。
而实际上,一旦进水氨氮值超过一定值时,不说别的,可能产生的游离氨就会把硝化菌干趴下了,还怎么可能按照最大比增长速度去干活?
并且就算回流够大,能把原水氨氮稀释到15mg/L,那可能O池的实际停留时间也会非常小了,可能真的完不成这7mg/L的降解任务。
所以这个公式的应用前提,只是在一定范围的进水氨氮值时才行,不可能高中低档通用的。
事实也是如此,《室外排水设计标准》本来就是按照生活污水为蓝本设计的,原本就没考虑高浓度氨氮工业废水的特殊情况。
因此在做实际项目的设计时,尤其是高浓度氨氮废水设计,切记不要照搬这个公式,容易出问题。
最好还是通过硝化速率或者污泥有机负荷的原则来确定,这还是比较保险的。

好了,今天的话题咱们就说到这。

如果您还有别的不同意见,咱们留言区见。

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