寒冷地区污水活性污泥法处理设计规程.doc

中国工程建设原则化协会原则

寒冷地区污水活性污泥法处理设计规程

CECS111：

主编单位：中国市政工程东北设计院
同意单位：中国工程建设原则化协会
施行日期：10月1日

北京

序言
通过十数年研究和设计、运行实践，我国已处理了低温条件下污水处理厂设计和运行中技术关键问题，根据中国工程建设原则化协会（97）建标协字第06号《有关下达推荐性原则编制计划》规定，在总结我国科研究和工程实践经验并参照国外成果基础上，制定了本规程。
本规程规定了寒冷地区都市污水活性污泥法处理术语、符号、一般原则、曝气池和沉淀池工艺设计等。
现同意协会原则《寒冷地区污水活性污泥法处理设计规程》，编号为CECS111：，推荐工程设计单位采用。
本规程由中国工程建设原则化协会都市给水排水委员会归口管理。由中国市政工程东北研究院（长春市工农大路8号，邮编130021）负责解释。在使用过程中如发现需要修改和补充之处，请将意见及有关资料寄往解释单位。

主编单位：中国市政工程东北设计研究院
参编单位：哈尔滨工业大学建筑工程学院
重要起草人：

中国工程建设原则化协会
6月1日

一、 总则
1.0.1 为保证我国寒冷地区都市污水活性污泥法工程设计作到技术先进安全合用、经济合理，制定本规程。
1.0.2 本规程合用于我国寒冷地区，冬季水温一般在6-10℃、短时间为4-6℃都市污水活性污泥法处理设计和运行。寒冷地区其他类型污水，采用活性污泥法处理量可参照执行。
1.0.3 寒冷地区都市污水处理厂设计水质，应符合冬季都市污水水质规定。
1.0.4 温度对活性污泥反应动力学参数影响，应通过试验确定。在无试验资料时。可根据当地气候条件、污水水质特点，参照类似都市试验数据选用。
1.0.5 都市污水低温活性污泥法处理工程设计，除应符合本规程外，尚符合国家现行有关规定。

二、术语、符号
（一） 术语
2.1.1 寒冷地区污水活性污泥法处理 actived sludge treatment of waste waer in cold regions
在我国北方地区，冬季都市污水水温在4-10℃时，采用活性污泥法污水处理。
2.1.2 BOD降解速率（Kd） BOD degradatin rate
表达污泥负荷与出水BOD5浓度关系参数。受水温影响较大。
2.1.3 温度系数（θ） temperature coefficient
表达水温和生化反应速度关系参数。与水温、污泥负荷、水质和处理工艺有关。
2.1.4 氧总转移速率（KLa） overall oxygen transfer rate
曝气池中氧从气相向液相传递速率，即单位时间内向单位体积水中转移氧量（l/d）

（二） 符号
2.2.1 几何参数 V——容积（m3）
2.2.2 其他 Q——污水流量（m3/d）
Y——污泥产率（kg/d）
T——污水温度（℃）
FW——污泥负荷（kg/kg.d）

三、一般规定
3.0.1 寒冷地区选择都市污水活性污泥法流程时，应充足考虑温度影响，宜采用鼓风曝气供氧，不适宜选用散热量大表面曝气器供氧。处理工艺流程选择应通过技术经济比较确定。
3.0.2 沉砂池、沉淀池、曝气池等污水处理构筑物时，可建在室外，不加盖。位于永冻地区城镇，应根据实际状况确定与否加盖。格栅除渣机、沉砂池排砂设备等易冻设施，宜建在室内。
3.0.3 污水处理厂高程设计时，应尽量减少地面以上部分高度。外露地面部分池壁，应根据实际状况采用保温围护设施。
3.0.4 位于永冻地区污水处理厂，鼓风机房内宜建空气预热装置。
3.0.5 室外污水管道、污泥管道、空气管道、闸门、计量堰等易出现冰冻设备，设计中应考虑检修需要，或发生事故时能放空或蒸汽扫线等措施。
3.0.6 培训活性污泥宜在气温高季节进行。

四、曝气池
（一） 曝气池计算
4.1.1曝气池容积应按国标《室外排水设计规范》GBJ14-87第6.6.2条，采用下列污泥负荷公式计算：
V= （4.1.1）
式中： V——曝气池容积（m3）
Lj——进水五日生化需氧量（mg/L）
Q——曝气池设计流量（m3/h）
FW——曝气池内五日生化需氧量污泥负荷（kg/kg.d）
NW——曝气池内混合液悬浮固体平均浓度（g/L）
污水温度在10℃以上时，曝气池污泥负荷FW应按国标《室外排水设计规范》GB14-87表6.6.3中数据采用。当污水温度不不小于10℃，污泥负荷应按本节规定进行温度修正。
4.1.2 完全混合曝气池设计，当污水温度不不小于10℃，污泥负荷FWT应按下列公式计算：
FWT = KdT·Lch·f／η （4.1.2）
式中： FWT——污水温度为T℃时污泥负荷（kg/kg.d）
KdT——污水温度为T℃时BOD5降解速率（L/d），可通过试验确定；当无试验资料时，都市污水可取0.0090-0.0105；
Lch——出水五日生化需氧量（mg/L）
f——曝气池混合液MLVSS与MLSS之比，一般取0.70-0.75
η——五日生化需氧量清除率，低温季节一般取0.85-0.90
4.1.3 完全混合曝气池污水温度为T℃时，BOD5降解速率KdT应按下列公式计算：
KdT = Kd20·θ1T-20 （4.1.3）
式中：Kd20——污水温度为20℃时五日生化需氧量降解速率，应通过试验求得
θ1——温度系数，无量纲，其值与污水温度范围、水质和处理条件有关。低温条件可取1.03-1.04，处理污水温度低时取高值。
4.1.4 推流式曝气池设计，当污水温度不不小于10℃，污泥负荷应按下列公
式计算：
FwT = KdT·Lchn
式中：n——指数，低温时一般取0.80-0.82
KdT——推流曝气池污水温度为T℃时BOD5降解速率（L/d），可通过(4.1.3)式计算
Kd20可通过试验确定，无试验资料时可取0.013-0.019
4.1.5 曝气池有效水深应结合流程设计、地质条件、供氧设施类型和选用风机
压力等原因确定，可采用4.0-4.5m。条件许可时，水深宜合适加大。

（二）、污泥产率
4.2.1 污泥产率应按下列公式计算：
Y = aQLr—bVXV
式中： Y——系统每日污泥产率（kg/d）
Lr——清除BOD量（kg/m3）
a——污泥增殖系数，通过试验求得
Q——设计污水量（m3/d）
b——污泥自身氧化率（l/d），通过试验求得
V——曝气池容积
XV——曝气池混合液浓度（kgMLVSS/m3）
无试验资料时，低温季节a值宜采用0.30-0.50，b值宜采用0.01-0.05。处理污水温度低时取低值。
当污泥负荷不小于0.2BOD/kg.MLSS.d时，污泥产率应按夏季水温15-20℃时污泥产率设计。但也应考虑冬季污泥产率减少后，污泥胶水设备匹配运行。
4.2.2 在污泥龄已确定状况下，剩余污泥量可按国标《室外排水设计规范》GBJ14-87第6.8.3条公式计算：
W = (4.2.2)
式是： W——剩余污泥量（kgVSS/d）
θe——设计污泥龄（d），低温季度θe可取10-20d

（三）、曝气池需氧量
4.3.1 鼓风曝气池混合液中转移氧量，可按下列公式计算：
(4.3.1)
式中： N——曝气池混合液氧转移量（kg.Q2/h）
N0——充氧介质是清水，温度20℃，1个大气压，起始溶解氧为零时氧转移量（kg.O2/h），可通过试验求得
a——污水中KLa值与清水中KLa值之比，即（KLa）w／（KLa）q，一般为0.80-0.85
β——混合液饱和溶解氧值与清水饱和溶解氧值之比，一般为0.90-0.97
CSM——清水饱和溶解氧浓度（mg/L），温度为T℃，实行计算压力按Pa计
C0——混合液溶解氧值，一般用2mg/L
CS——原则条件下清水饱和溶解氧，等于9.17mg/L
θ2——氧转移温度系数，其值为1.016-1.047，鼓风曝气时可采用1.024
T——混合液温度（℃），一般为5-30℃
4.3.2 在鼓风曝气中，清水饱和溶解氧应按曝气池水面至扩散器之间平均值
计，可按下列公式计算：
（4.3.2）
式中： Qt——曝气池逸出气体中含氧百分率（%）
Pb——扩散器处绝对压力（kg/cm2）
4.3.3 供空气量GS可按下列公式计算：
(4.3.3)
式中：EA——氧吸取率（%）
4.3.4 曝气池中污水需氧量可根据清除五日生化需氧量等，按国标《室外排水设计规范》GBJ14-87第6.7.2条公式计算。但应考虑冬季减少曝气量时鼓风机合理搭配。

（四）曝气池设计参数
4.4.1在无试验资料状况下，曝气池设计参数可参照表4.4.1选用。

表4.4.1 曝气池推荐设计参数
项 目
设计参数
曝气池水温（℃）
5-10
污泥负荷F（kgMLSS.d）
0.15-0.25
混合液污泥浓度MLSS（g/L）
2.0-3.0
污泥回流比（%）
50-100
曝气时间（h）
6-8
注：当水温低时，处理水质规定高时，污泥负荷取小值
当水温高，原水浓度较高时，曝气时间取大值。

五、沉淀池
5.0.1 设计初沉池和二沉池时，宜合适增长停留时间和减少表面负荷
5.0.2 在无试验资料状况下，沉淀池运行参数可参照表5.0.2选用
表5.0.2 低温季节沉淀池运行参数
沉淀池类型
沉淀时间（h）
表面负荷（m3/m2.h）
初沉池
1.5-2.0
1.5-2.5
二沉池
2.0-2.5
0.8-1.3
条文阐明
一、总则
1.0.1 自活性污泥法问世以来，温度在对生物净化过程影响受到普遍重视。国外某些专家和学者在40年代了大量试验研究工作，到60年代从理论和实践上都获得可喜成果。我国研究温度对活性污泥法生物处理影响始于70年代初。这些研究成果和生产实践经验是我们编制本规程根据。
国外重要成果有：
1、 1994年索耶通过试验研究证明，温度对有机物降解有一定影响。BOD清除率和硝化程度从10℃开始明显减少；20℃时，BOD清除率和硝化程度均较高。
2、 1961年路德扎克通过试验证明，COD清除率5℃最低；氧化分解率30℃最高；污泥增长率5℃增长40%，30℃时增长10%。
3、 桥本奖试验研究证明，温度对有机物降解有很大影响。COD清除率5℃最低，15℃最高，30℃稍低。
4、 北极环境研究室试验表明：常温条件下，随污泥负荷增长，BOD清除率减少并不明显。而在低温条件下，随污泥负荷增长BOD清除率迅速减少。
5、 费莱德曼等人研究认为，20℃时污泥增长率最大。
国外污水处理厂运行资料：
1、 瑞典北部某些活性污泥法污水处理厂，冬季水温靠近10℃，生物处理效果良好。
2、 莫斯科都市污水，冬季水温度一般为7-9℃，如库里扬诺夫、留布林等曝气池是敞开式，冬季处理效果BOD清除率可达85%。
3、 苏联北部都市科特拉斯、塞克蒂夫卡尔，污水温度降到4-5℃，处理效果明显恶化。
4、 加拿大和美国北部13座活性污泥法水处理厂积26年资料，认为温度是重要影响原因，并得到一系列宝贵运行参数。
国内研究成果与实践：
低温对污水活性污泥法生物处理净化反应影响，1976年首先在西宁市开展了科研工作。1977年后，又在沈阳、吉林进行了小型试验和中间试验。1979年原国家城建总局正式将这一课题列入科研计划（[79]建发城字21号“低温条件下生物降解规律和措施”）。几年来，先后在长春、呼和浩特、乌鲁木齐、包头和哈尔滨等都市进行不一样规模试验研究都通过了鉴定。各地试验具有如下特点：
1、 试验分布范围广，基本上包括了我国北方寒冷地区多种气候条件；
2、 试验周期完整，一般都通过整年四个季节运行，获得数据充足、可靠，试验结论明确可信；
3、 试验工艺以活性污泥法为主，基本上包括了活性污泥法重要处理系统和曝气措施。
通过试验，回答了人们关怀问题。试验获得成果，对我国寒冷地区污水处理厂设计和运行管理，对探索低温活性污泥净化机理都很有价值。
近几年，我国北方寒冷地区相继设计和建成了某些污水处理厂。大庆乘风庄污水处理厂运行资料，深入证明了这些研究成果是符合实际。
1.0.2 我国北方寒冷地区，重要指北纬40°以北，即东北大部，华北、西北北部等地区。我国寒冷地区都市气温与都市污水水温关系可参照表1.0.2。根据测定，我国寒冷地区都市气温与都市污水水温有一定关系。当最冷月平均气温在-15～-20℃，都市污水水温大体在5-8℃。最冷月平均气温在-10～-15℃，都市污水水温大体在8-10℃，

表1.0.2 冬季都市气温、水温对照表
都市 项目
纬度
（北纬）
最冷月平均气温
（℃）
极端最低气温(℃)
年平均气温(℃)
都市污水温度
（℃）
沈阳
41°46′　　
-12.7
-30.5
5.0
7-9
吉林
43°47′
-17.8
-40.2
4.5
6-8
哈尔滨
45°45′
-20.0
-38.1
4.5
5-7
大庆
45°-47′
-25.5
-37.4
4.3
5-6
包头
40°49′
-17.0
-30.4
6.6
6-8
乌鲁木齐
43°54
-16.9
-41.5
6.9
7-9

1.0.3 都市污水除包括生活污水、工业废水外，在降雨期间也包括部分雨水。根据实测资料，都市污水水质具有如下特点：
1、 BOD5值偏低，BOD5/COD比值较小，一般在0.4-0.6之间。
2、 水质复杂，但有毒物质含量低，除汞、酚外，都未超过原则。
3、 污水浓度日变化幅度大，冬季水质浓度比夏季高，且水质较稳定，故寒冷地区都市污水水质应按冬季水质设计。冬季水质应采用11月至次年4月水质平均值。
1.0.4 实践表明，微生物生物氧化作用受诸多原因影响。污水水质、设计负荷、水温和供氧状况等都是影响生化处理效果重要原因。水温对有机物降解和污泥增殖影响研究表明：温度对微生物种群构成，内谢代谢过程，微生物细胞增殖，活性污泥絮状构造和沉淀性能、曝气池中充氧效率等均有影响。与设计关系比较大是温度对活性污泥反应动力学几种参数，温度对活性污泥沉淀性能，温度对活性污泥吸附性能、温度对氧总转移速率。这些问题，通过不定期各都市十数年低温生物处理试验研究已经基本处理了。

二、术语、符号
（一） 术语
2.1.1 东北、华北、西北等地区地区广阔，是我国重要工业基地。由于都市迅速发展，都市污水对环境污染日益严重，急需修建都市污水处理设施，以便逐渐控制和消除都市污水对环境污染。同步，这些地区又处在我国北部边陲（北纬40°以北），每年有长达数月冬季，冬季极端最低气温一般都在-35℃如下。严酷气候条件，给这些地区都市污水治理工作带来某些需要处理实际问题和理论问题。
2.1.2 通过试验所得BOD污泥负荷与出水BOD5关系曲线，其斜率即BOD降解速率Kd值。
2.1.3 以数学公式表达温度对净化效果影响有多种形式，其中以阿尔尼乌斯公式推导出温度系数θ表达措施最为简要。许多学者提出，除温度外，θ值还因生物处理工艺不一样而异，并对不一样生物处理工艺提出了对应θ值。
2.1.4 氧总转移速率计算公式为=KLa(CS-C)，CS为饱和溶解氧浓度，C为T℃时溶解氧浓度。在原则水温20℃和水温T℃时，氧总转移速率之间关系为：KLa(T) = KLa(20)×θT-20。θ表达氧转移温度系数。

三、一般规定
3.0.1 寒冷地区都市污水处理工艺流程中，各处理构筑物形式可以有多种选择，但唯有生物处理好氧曝气池必须选择鼓风曝气。实测资料表明，当冬季室外气温在-20℃时，鼓风机出口空气温度在10℃左右，可减少曝气池水温减少。
3.0.2 各地中型试验和国内外污水厂运行实践表明，初次沉淀池、曝气池、二次沉淀池建在室外敞露，运行是安全。经实践证明，格栅除渣、沉砂池排砂部分常常要人工操作，且易冻，应进行保温处理才能以便操作，安全运行。
3.0.3 保温措施可根据各都市气温状况确定。曝气池、初沉池、二沉池四面可填土，也可对池子外露在地面部分做保温围护。
3.0.4 室外污水管道、污泥管道和空气管道，不管埋在地下或在地下铺设，都应保证不被破坏。
3.0.5 微生物最合适增殖温度是15-20℃。在该温度下，活性污泥中微生物种群数量多，增殖速度快，在夏季培养和驯化活性污泥效果好，不适宜在冬季低温时培养活性污泥。

四、曝气池
（一） 曝气池计算
4.1.1 公式可以反应完全混合或推流系统污泥系统污泥负荷与出水残留BOD5浓度之间，在污水常温条件下一般规律性，但没有反应温度对污泥负荷与出水残留BOD5浓度影响。当污水温度不不小于10℃时，应按本节规定进行修正。
4.1.2 当完全混合曝气池稳定运行时，池内各点有机物浓度是相似，混合液浓度是一致，即微生物是在条件基本一致状况下进行氧化分解作用，因此BOD降解速率是一常数。污泥负荷与出水BOD是线性关系。BOD降解采用埃肯费尔德公式计算，并进行一定修正。由Kd值通过菲尔普斯公式求出温度数θ值。表4.1.2中参数系根据各地试验和运行成果列出。规程中推荐θ值是根据表中低温范围内数据选用。
表4.1.2 各地θ值表
序号
生物处理工艺
温度系数(θ)
污水温度范围(℃)
运行形式
汇报者
1
活性污泥法
1.041
4-4.5
完全混合
埃肯费尔德
2
活性污泥法
1.036
4-18
推流式
包头
3
活性污泥法
1.033
4-20
完全混合
美国享特
4
活性污泥法
1.031
6-21
完全混合
吉林
5
活性污泥法
1.030
9-18
完全混合
日本龟田
6
活性污泥法
1.022
10-26
完全混合
美国某些污水厂运行状况
7
活性污泥法
1.018
8-19
推流式
沈阳
8
曝气氧化塘
1.065
5-21
推流式
美国某些污水厂运行状况

完全混合曝气池设计计算中KdT值是以吉林、哈尔滨等都市污水低温试
验成果为根据。
4.1.3 推流式曝气池n值和KdT值是以沈阳、包头等都市污水低温生物处理试验成果为根据。n值系参照表4.1.3中数值经综合分析确定。
表4.1.3 n值
污水温度（℃）
N
15.4
1.0140
8.4
0.8178
4.2
0.8036

（二） 污泥产率
4.2.1 研究表明，污泥产率受污泥负荷影响较大。当污泥负荷不不小于0.20kgBOD/kgMLSS·d时，细胞合成能力较低，温度低时污泥增殖率不小于温度高污泥增殖率。当污泥负荷较高时，温度高比温度低污泥增殖率大；其中15℃和20℃时增殖率最大。低于或高于15℃和20℃时污泥增殖都减小。考察污泥增殖量时，除考虑温度影响外，还应考虑有机物负荷、水质、污泥龄、充氧等工艺条件。本条文中a、b值中系根据吉林、哈尔滨、包头等都市污水处理试验研究成果确定。详见表4.2.1。

表4.2.1 各地试验求得a、b值
吉林
哈尔滨
包头
温度(℃)
a
b
温度(℃)
a
b
温度范围
a
4
0.394
0.007
6
0.3283
0.0555
8-10℃
0.48
6
0.431
0.012
11
0.3278
0.0573
10
0.479
0.025
15
0.3370
0.0633
15
0.607
0.045
20
0.3451
0.0695
15-20℃
0.512
20
0.614
0.058
25
0.3270
0.0695
20
0.522
0.091
30
0.3132
0.0766

注：①当污泥负荷量>0.2kgBOD/kg·MLVSS·d时，污泥产率应按夏季水温度15-20℃污泥产率高时设计。
②本表均为已设初沉池时数值。
4.2.2 研究表明，增大污泥龄可以减少剩余污泥量，泥龄对污泥增殖影响比温度大，但多种温度下都能通过调整污泥龄来控制剩余污泥量。在同一温度下，增大污泥龄可以减少出水浓度。

（三） 曝气池需氧量
4.3.1 在运转曝气池中，影响氧运用、氧传递原因是十分复杂。温度对氧传递影响更为明显。温度变化直接影响液体粘滞系数和分子扩散系数。日本寺岛重雄等人试验证明，水温对KLa和（CS-Co）均有影响，但后者超过前者，从公式（4.3.1）可见，水温减少对氧转移是不利，但从（CS-Co）来看水温减少对氧转移是有利。实践证明，这二项原因并不互相抵消，而后者超过前者。因此，体现为水温减少时氧溶解量却增长。提议在曝气系统设计时，按夏季水温高时设计。
4.3.2 曝气池中污水需氧量按《室外排水设计规范》规定公式采用，一般在常温条件下计算得到供氧量，完全能满足冬季低水温时需氧量。一般，清除每公斤BOD5可取用0.7-1.2kg氧量。

（四）曝气池设计参数
4.4.1 寒冷地区各都市曝气池设计参数如表4.4.1。本规程此综合分析确定。

表4.4.1 各都市设计参数
都市

项目
沈阳
吉林
哈尔滨
大庆
规范
GBJ14-87
中试
中试
中试
生产厂
曝气池水温T℃
7-9
6-8
5-7
5-7
—
污泥负荷F
（kgBOD/kg.MLSS.D）
0.14-0.18
0.13-0.23
0.15-0.25
0.24
0.2-0.4
混合液污泥浓度
MLSS（g/L）
1.5-2.6
2.0-3.0
2.0-4.0
2.5
1.5-2.5
污泥回流比（%）
50
50-75
50-100
50-100
25-75
曝气时间（h）
4.2
4.0-5.0
5.0-6.0
8.0
—

五、沉淀池
5.0.1 在低温条件下，活性污泥成絮状性能较差，菌胶团松散破碎，不易沉淀。因此合适增长停留时间和减小上升流速是必要。
5.0.2 根据吉林等地试验确定。