利用COD指标进行活性污泥法系统的设计朱明权(Schueffl & Forsthuber Consulting)摘要阐述了利用COD指标进行活性污泥法系统设计的主要思想和过程，并建立一套用于硝化和反硝化的活性污泥法COD设计方法。
大量实际运行结果表明，利用该法对系统剩余污泥量和耗氧量以及活性污泥的组成计算所得的结果要较传统的BOD5方法更为精确。
关键词COD 活性污泥法设计剩余污泥量需氧量硝化反硝化活性污泥法是目前废水生物处理的最主要方法，长期以来活性污泥法均根据污水处理厂的进、出水BOD5指标进行设计。
由于BOD5指标测定精度低、费时耗力、其值也仅仅反映部分较易降解的有机物含量，故利用BOD5指标不能对整个处理系统建立物料平衡。
随着污水处理厂处理要求的不断提高，活性污泥法系统的设计污泥龄将逐渐提高，故难降解和部分颗粒性有机物的水解程度也将有所提高，污水处理厂中实际所降解的有机物含量明显高于进水BOD5所反映的含量。
与之相比，COD指标测定简单、精度高且具可比性，能反映污水中所含的全部有机物，故利用COD指标可以进行物料衡算。
虽然COD指标不能说明污水中有机物的生物可降解性，但对污水厂出水或将水样和活性污泥经混合后进行较长时间曝气所得过滤液的COD 以及对活性污泥增殖情况进行分析，可以基本反馈入流污水COD中可降解和难降解物质的含量比例，这就为利用COD指标进行污水厂的设计和运行提供了可能。
据此，国际水质协会(IAWQ)所建立的活性污泥1号和2号动态模型也均采用COD指标为基础。
随着现代分析技术的飞速发展，快速COD测定方法以及在线COD测定仪(on-line)不断应用，对进水COD 各个组分的分析技术及其在活性污泥法系统中动力学转化机理的认识不断提高，尤其是活性污泥法过程动态模拟方法不断普及，可以认为利用COD指标进行活性污泥法系统的设计将呈不断上升的趋势。
1 活性污泥法的COD设计方法1.1进水水质组成及其转化过程在利用COD指标进行活性污泥法系统设计前，应首先对进水水质进行分析。
主要包括测定水样经混合后的总COD浓度、水样经过滤后(滤纸孔隙直径为0.45 μm)滤液的COD浓度(即水样的溶解性COD浓度)、SS 和VSS、进水氮和磷浓度等。
一般城市污水的水质组成及其在活性污泥法系统中的转化过程如图1所示。
根据图1，进水总COD和各个组分之间的关系可用下式表示：CODt =CODs+CODp=CODsb+CODsub+CODpb+CODpub+XHo(1)式中CODt——进水有机物总量CODs——进水溶解性CODCODp——进水颗粒性CODCODsb——可降解溶解性CODCODpb——可降解颗粒性CODCODsub——不可降解溶解性CODCODpub——不可降解颗粒性CODXHo——异养微生物进水中包含有溶解性和颗粒性有机物质。
在CODs 中，CODsb一般可以为异养微生物直接利用而使微生物得到增殖；CODsub在整个处理过程中保持不变而将随出水流出系统。
图1 城市污水的水质组成及其在活性污泥法系统中的转化过程对于运行效果良好的低负荷污水厂(如硝化污水厂)，污水中可降解的有机物已经得到较为完全的去除，出水中残余的溶解性有机物可以认为基本上是由进水中的溶解性不可降解有机物所引起，故从运行良好的污水厂的出水溶解性COD 值(扣除出水中颗粒性悬浮固体所引起的COD)基本上可以估计进水中不可溶解性COD含量。
对于新建污水厂，可以将原污水和活性污泥(取自于类似水质的污水厂)混合后经长时间曝气，当泥水混合液的过滤液COD浓度不再变化时测定其过滤液的COD浓度，藉此估计进水中的溶解性不可降解有机物含量。
根据大量研究，一般以生活污水为主的城市污水中CODsub含量为30～50mgCOD/L左右。
为方便计，进水CODsub 浓度可用其所占进水总COD的比例fus求得：CODsub =fus.CODt(2)一般城市污水的fus 值为5％～10％左右。
根据所求得的CODs浓度值和进水COD sub 即可求得进水COD sb 浓度： COD sb =COD s -COD sub (3)在实践上如缺乏COD s 数据，也可根据进水中的SS 和VSS 浓度估计原污水的COD p ，然后根据COD t 浓度值求得COD s 。
对于一般城市污水，VSS 浓度所占比例f vs =VSS/SS 在0.7～0.8左右，VSS 所产生的COD p 可由下式求得： COD p =f cv .VSS (4)一般城市污水的f cv 值在1.48 mgCOD/mgVSS 左右。
进水中的颗粒性物质分为有机和无机颗粒物，颗粒性有机物可再分为可降解、不可降解和微生物三个部分。
COD pub 可根据其占进水总COD 的比例f up 求得： COD pub =f up .COD t (5)对于一般城市污水，f up 约在7％～20％左右。
进水中所含异养微生物在进入活性污泥法系统后将直接作为活性污泥参与生物过程。
进水异养微生物占COD t 浓度的比例f H 一般在10％～20％左右，据此可求得进水中异养微生物的浓度为： X Ho =f H .COD t (6)根据式(5)、(6)即可求得COD pb 的浓度： COD pb =COD t -COD s -COD pub -X Ho (7) 在上述整个水质分析过程中，正确确定污水中所含有的可降解和不可降解有机物的比例对整个处理系统的设计具有决定性的作用。
实践表明，当污泥龄较大时，由于绝大部分颗粒性可降解有机物将得到较为彻底的水解而转化为溶解性有机物，在此情况下，只要可降解有机物总量相同，可降解溶解性和颗粒性有机物的浓度划分对利用COD 指标进行设计所得的结果相差不大；另外，研究表明把异养微生物所引起的COD 浓度归类为可降解颗粒性有机物时，对整个设计结果也不会产生较大的影响。
故水质分析最为重要的是确定进水中可降解和不可降解有机物的比例。
根据大量研究，一般城市污水的污水组成可归纳总结于表1。
表1 一般城市污水的典型水质组成及其难降解物质所占比例 (％)1.2 剩余污泥的计算在活性污泥法过程中，增殖的活性污泥和进水中所含有的惰性固体有机物将以剩余污泥的形式排出系统，同时活性污泥在降解和增殖过程中不断消耗氧气。
进水中部分不可降解的或者尚未得到降解的COD 将随出水带出系统。
上述物料变化过程可用图2表示：图2 活性污泥法系统的COD 物料平衡利用COD 指标进行活性污泥法工艺设计总的指导思想是对系统的COD 建立下列物料平衡：进水COD(kg/d)=出水COD(kg/d)+剩余污泥COD(kg/d)+耗氧量(kgO 2/d) (8)在进行工艺设计时关键是先要正确求得系统所产生的剩余污泥量。
如图1所示，系统所产生的剩余污泥主要由以下几部分组成。
① 生物降解、利用污水中的有机物所增殖的异养微生物X Ho ；对一般城市污水，硝化过程中利用无机碳源而合成的自养微生物X A 约占总污泥量的2％左右，对剩余污泥量的计算影响不大，为简单计，在本文中将不予考虑。
② 絮凝吸附在活性污泥絮体表面和内部而尚未得到水解的进水中可降解颗粒性有机物X P 。
③ 絮凝吸附在活性污泥絮体表面和内部的进水中不可降解颗粒性有机物以及活性污泥内源呼吸所产生的惰性残余物质X I 。
④絮凝吸附在活性污泥絮体表面和内部的进水中颗粒性无机物质。
根据图1，当曝气池活性污泥浓度处于平衡状态时，根据物料平衡可得下列各式：曝气池活性污泥中的微生物浓度：(9)式中Qd——日进水流量，m3/dYH——污泥产率，mgCOD/mgCODV——曝气池容积，m3Kh,20——20 ℃时水解速率常数，d-1Kb,20——20 ℃时污泥衰亡速率常数，d-1f(T)——温度修正系数，f(T)=e(T-20)×0.069d X ——设计污泥龄ΘS，T的倒数，可理解为剩余污泥的排出率，d-1曝气池活性污泥中可降解颗粒性有机物的浓度：(10)式中fp——污泥内源呼吸衰亡的微生物转化为可降解有机物的部分曝气池活性污泥中不可降解颗粒性有机物的浓度：(11)式中fI——污泥内源呼吸而衰亡的微生物转化为不可降解有机物的部分由上述三式即可求得曝气池中活性污泥挥发性组分的浓度：X t =XH+Xp+XI(12)习惯上，污泥浓度一般表示为悬浮固体浓度。
在活性污泥法污水厂中的大量理论和实践研究表明，1 mgVSS的活性污泥相当于1.48 mgCOD。
故式(12)可表示为：MLVSS=(XH +XP+XI)/fcv(13)这里，fcv值为1.48 mgCOD/mgVSS左右。
曝气池活性污泥中的非挥发性物质NVSS的浓度：(14)式中Fe、Al——同时除磷外加的铁盐或铝盐的浓度，mgFe3+/L或Al3+/L2.5、4.0——污泥转化系数曝气池中的活性污泥总浓度可由式(13)、(14)求得：MLSS=MLVSS+NVSS (15)由式(9)至(15)可求得一定曝气池容积和污泥龄下的活性污泥总浓度以及活性污泥各个组分的浓度。
计算时，可先设定一曝气池容积V，然后求得曝气池中活性污泥各个组分的浓度及其总的污泥浓度MLSS。
设计者可以根据处理工艺、污泥沉降性能、二沉池的分离能力等因素确定曝气池中允许的污泥浓度MLSS。
如根据所设定的曝气池容积而求得的污泥浓度等于设计者所规定的值，则此曝气池容积即为设计容积，否则重新设定曝气池容积，重复上述过程。
根据曝气池污泥浓度、曝气池池容、污泥龄即可求得系统所排出的剩余污泥量：所排出的总污泥量其中挥发性污泥量折算到单位进水COD的产泥量为：——COD污泥负荷式中NS(20)若剩余污泥量以COD计，则：1.3 系统需氧量的计算根据图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统活性污泥在代谢过程中所需的氧量：耗氧量(kgO/d)=进水COD-出水COD-剩余污泥2COD=Qd (CODt-CODeff)-SPCOD=Qd(CODt-CODsub)-SPCOD(22)式(22)中，出水COD浓度等于进水溶解性不可降解COD浓度。
如折算到单位进水COD所需的氧量OC，则式(22)可转化为：在计算设计供氧量时，必须注意应使所设计的供氧系统即使在水温较高时也能满足工艺要求。
如系统尚需进行硝化和反硝化，则除氮所需氧量可由下式求得：OCN =(4.6.Ne+1.7.ND)/CODt(24)式中Ne ——出水硝酸盐氮浓度，mgNO3-N/LN D ——系统中反硝化所去除的硝酸盐氮浓度，mgNO3-N/L系统总的需氧量：OCt =OCCOD+OCN(25)1.4反硝化能力和反硝化区容积的确定参与反硝化的细菌是异养微生物。