沉淀之状态点分析法（七）

前言1：这篇发表于1977年的论文《Activated sludge-unified system design and operation》，由克莱姆森大学的Thomas M. Keinath教授等人撰写，文中先是介绍了状态点分析法，然后从设计和运维两个角度介绍了状态点分析法的应用，其中最重要当属运维方向的案例分析，看完后觉得竟然还有这样的分析方法，太伟大了。固体通量理论本来介绍的也不多，更何况状态点分析方法呢，知网文献也不多，在作者陈珺2023年的一篇论文《对《室外排水设计标准》中二沉池设计方法的讨论与建议》中有一些详细介绍，可自行查阅。有时候就是这样，想弄清楚一个知识点儿，要花费很大功夫，源头解决是最直接的方法。不过，因为之前已经存在了固体通量理论，自己也用了几万字从头到尾理了一遍，这里相当于摘出最末端的部分进行介绍，如果有哪些点不懂，往前翻，文中就不再逐一解析！

前言2：译文中的一些习惯称呼，自己简称了，比如溢流负荷、表面负荷，称为水力负荷了；回流量、回流比、底流速度其实表示的是一个意思，比如回流量增大，意味着回流比、底流速度均增大；批次通量曲线，其实就是采集一批污泥，调配不同污泥浓度，分别做污泥沉降试验，尽量同时做，其实绘制出的就是重力通量曲线，Yoshioka创建批次通量曲线方法也称切线法，相比常规的通量曲线方法而言，他省去了绘制总通量曲线的过程，省就是简。

前言3：感谢水知识爱好者-北京夏工的翻译工作，付出了很多时间和精力来做这件事儿，本人主要负责后期绘图、校核、注释、排版，希望在此过程中，大家都有所收获，加油！
活性污泥系统的设计与运行Thomas M. Keinath, Mark D. Ryckman, Caleb H. Dana, and David A. HoferDick与Vesilind在活性污泥处理系统的终沉池（亦称二沉池）固体浓缩领域取得了突破性进展，为现有系统设计方法奠定了坚实的理论基础（PS：两位前辈在前述文章中有所介绍）。他们基于Coe和Clevenger、Kynch以及Yoshioka等人的研究成果，进一步发展了固体浓缩理论，特别强调了曝气池与二沉池之间的相互影响。本文的主要目标是展示这些成果—固体沉降通量方法（简称固体通量方法），这种方法已被证实为评估不同系统设计方案经济性的有效工具，并有助于确定最具成本效益的设计方案。尽管固体通量方法有时已被应用于系统设计，但其在系统运行过程中的应用尚未广泛普及（PS：这是设计和运维两用！）。因此，本文的次要目标是证明污水处理厂的运营人员同样可以利用固体通量方法来监测和评估活性污泥系统的运行状态。曝气池内控制生物量的目的在于预防系统故障、最大化整体处理效率以及最小化能量消耗和运营成本。研究表明，固体通量方法不仅能够应对污水厂进水和系统运行条件的短期波动（例如昼夜变化），也能够适应长期变化（如季节性或年度变化），为污水处理厂提供了一种有效的控制策略。本文介绍了一种统一的系统方法，这种方法已经发展到适用于计算机解决方案的阶段。本文仅提供方法论的介绍，旨在为读者提供深入理解其基础理念的机会，并能够充分认识这种方法的简洁性与适应性。

1.背景：

本文仅对浓缩理论进行简要介绍，读者如果需要了解污水处理的整体情况，可参考 Dick 或 Vesilind相关的文献。本文中涉及的基本活性污泥系统设计参数参见如下：进水参数：Q_i=0.438 m³/s，S₀=300 mg/L BOD_u（PS：全BOD）。出水参数：S≤8 mg/L BOD_u（可溶性）。生物参数：污泥龄θ_c =6 d；产率系数Y=0.5 mg VSS/mgBOD_u；微生物衰减系数k_d = 0.06 d^-1；MLVSS/MLSS=0.8。前提条件：Q_i/A =1.34m/h；曝气机混合：腔室长度最小 0.28 m³/min·m；曝气能力：装机最小能力为计算容量的150%；回流泵输送能力：装机最小容量为计算容量的150%。物理指标：水力条件：完全混合；氧气传递效率：8%。经济指标：利率=6%/year；折旧期25年；电力成本=1.48$/kW·h；运行人工成本=6.92$/人·h；维护人工成本为6.89$/人·h；成本指数：1976年1月1日，美元计。

2.生物固体沉降：

进入二沉池的生物固体沿两个速度分量流向沉淀池底部：污泥重力沉降速度分量，v；污泥底流速度分量，u，也为底部污泥回流排放速度，等于回流量/二沉池面积（u=R/A）。前者称为重力通量，定义为固体浓度和污泥沉速的乘积：G_s=c·v（1）后者称为底流通量，定于为固体浓度和底泥排放速度的乘积：G_b=c·u（2）因此，总固体通量为以上两个通量之和：G=G_s+ G_b （3）两类固体通量和总固体通量变化曲线如图2所示，从图中可以观察到，总通量曲线上存在最小值，称为极限固体通量G_L，这一极限值代表了污泥能够被输送至沉淀池底部的最大固体通量。极限固体通量G_L的大小，直接决定了二沉池在固体处理能力上的限值。

3.批次通量曲线方法：

1957年，时任京都大学的吉岡直哉教授（Yoshioka）等人创立了一种几何图形解法（PS：习惯称之为切线法），通过一条与批次通量曲线相切的斜线来确定二沉池的极限固体通量，切线与Y轴交点G_L为极限固体通量，与X轴交点C_u为底流固体浓度（图3），切线斜率为底流速度 u。此外，从原点到通量曲线上任意点的连线，其斜率v代表了该交点x坐标所对应的固体浓度下的沉降速度。通过直观比较，可以看出图2中的总通量曲线与Yoshioka等人所开发的批次通量曲线分析法之间存在着明显的相似性。后者的使用更为简单和灵活，因此备受青睐。

4.状态点概念

状态点的概念是设计和操作分析中的关键工具，最初由McHarg定义。在批次通量曲线图中，两条操作线的交点定义为状态点，其中一条斜线具有-u的斜率，代表污泥回流速度，即底流速度（见图4a）；另一条斜线斜率为q，通过原点，表示二沉池的水力负荷（Q_i/A），也称为表面负荷或溢流负荷。这两条操作线分别称为底流操作线和溢流操作线，它们的交点即为状态点。由于排泥量W通常远小于进水量Q_i的3%，故二沉池的水力负荷可以近似用Q_i/A来表示，因此排泥引起的误差可以忽略。状态点对应的Y轴坐标G₀，代表了由二沉池进水中的固体产生的固体通量（C₀·Q_i）/A，其中C₀是状态点对应的X轴坐标，对应于混合液悬浮固体浓度（PS：曝气池过来的活性污泥浓度）。值得注意的是，C₀并不直接反映二沉池中期望观察到的浓度，但在特定操作条件下，二沉池中的泥层浓度可能与C₀相等（PS：这个点的理解很重要，虽然很多理论基于进料口位置的二沉池污泥浓度等于进泥浓度，但实际上是有所稀释的，如果实在过不去这个坎儿，就先记着吧！）。

状态点概念的实际应用可以通过以下两个例子来形象说明：

1. 底流速度变化对状态点的影响：如图4b所示，底流速度的变化导致底流操作线绕状态点进行旋转。当污泥回流量减少时，底流操作线的斜率也相应减小，表现为u_{4     3      2       1}。特别注意：斜率为u₄的底流操作虚线位于批次通量曲线的下降段之上，这暗示了回流量不足，使二沉池面临过载风险。此时，生物固体会从曝气池转移到二沉池，形成浓度接近C_L 的“污泥层”。随时间的推移，污泥层将不断积累并向上膨胀，进而以容纳更多的转移固体。若过载状态持续，污泥层可能膨胀至堰口位置，导致污泥随二沉池出水流失，进而影响二沉池的正常功能。为避免这种情况，可以通过增加污泥回流量，使底流操作线回到批次通量曲线下降段的下方，从而缓解二沉池的过载状态。

2. 进水流量变化对状态点的影响：如图4c所示，活性污泥系统进水流量的昼夜变化改变了状态点的位置。图为昼夜三种流量情况下的三条溢流操作线：（Q_i/A）_max、（Q_i/A）_avg和（Q_i/A）_min。由于回流量保持不变，相应的底流操作线彼此平行。在固定的污泥浓度C₀（MLSS）条件下，状态点会在不同的溢流操作线之间转移。与之前的情况一样，虚线表示底流操作线位于批次通量曲线下降段的上方，表明二沉池处于过载状态，可以通过增加回流量来解决此问题，使底流操作线旋转到与批次通量曲线相切的位置。否则，一些生物固体将从曝气池转移到二沉池，导致二沉池中厚的“污泥层”上升，而此时曝气池中的固体浓度将变得更低（PS：曝气池与二沉池的泥发生重新分配）。

5.系统设计

在设计污水处理厂时，必须追求成本效益，并深入理解废水处理系统中各个组成部分的相互作用。在以往的设计中，曝气池和二沉池通常被看作是独立的工艺单元。Dick教授的理论不仅阐明了这两个单元之间的相互依赖性，而且基于这种相互关系，发展了一套二沉池的设计方法。本节将在Dick教授的研究基础上进一步展开，制定一个评估不同活性污泥处理系统经济性的流程。作者避免使用“最佳设计”这一表述，因为目前还无法完全量化几个重要的变量，例如污泥沉降性和澄清能力（PS：很是严谨）。

6.曝气池设计要点

1）固体停留时间：在设计活性污泥系统的曝气池时，应以出水质量标准作为设计基础。在确定平均固体停留时间（SRT，θ_c）时，需要综合考虑以下关键因素：出水中溶解性有机物含量；出水中悬浮固体有机物含量；生物固体浓缩特性；营养物控制策略；工艺的整体稳定性。在确定了合适的固体停留时间（SRT）后，可采用Lawrence和McCarty提出的生物氧化模型来确定曝气池中的混合液悬浮固体（MLSS）浓度设计值C₀（PS：详见前述文章《完全混合式工艺的动力学模型（一）》）。此模型根据反应器设计参数（θ，C₀）、进水状况（S₀）和微生物特性（Y，k_d）来定义平均SRT。需要注意的是：C₀与假设或选择的水力停留时间θ成反比，对于更长的设计水力停留时间，所需的 MLSS，即C₀ 将成比例地减少。方程4仅适用于完全混合曝气池工艺，若需设计推流式曝气池，则应相应地修改设计公式，在这种情况下，应参考Lawrence和McCarty的相关著作。

2）水力停留时间：水力停留时间的选择至关重要，虽然先前的讨论表明：在满足固体停留时间设计标准的同时，可以使用宽泛的水力停留时间，但有时必须施加某些限制。在确定水力停留时间的限制条件时，必须考虑以下因素：工艺对冲击负荷的适应能力；大分子聚合物的降解动力学；单位体积的最大曝气能力；单位体积的最大搅拌强度；工艺稳定性；活性纤毛虫的浓度。其中，在确定水力停留时间下限时，前五个因素必须加以考虑，而在确定水力停留时间上限时，最后一个因素必须加以考虑（PS：活性纤毛虫的浓度是系统健康的一个指示器，过长的HRT会导致纤毛虫和其他微生物的过度生长，可能导致污泥老化、絮体结构松散，影响污泥沉降性能和处理效果）。

7.二沉池设计要点

在活性污泥工艺中，有五种不同的公式可用于计算二沉池的尺寸，其中最简单的公式为是A=（C₀·Q）/G₀，它与之前描述的状态点概念相呼应。选定设计水力停留时间后，即可确定操作的混合液悬浮固体（MLSS）值。继而通过假设的 G₀值来求解所需的二沉池表面积。注意：通过假设一个 G₀值，可为系统建立一个设计状态点，其坐标是（C₀, G₀），然后通过该点绘制出一条与批次通量曲线相切的底流操作线。所需的最小回流量即为底流速度与二沉池面积的乘积（PS：R=u·A）。需要注意的是，对于给定C₀（MLSS）条件下假设的 G₀值，它只有在沉降通量曲线包络线的下方，才能确保二沉池在设计上是可行的。G₀值越大，所需的二沉池面积 A 越小，而所需的最小回流量 R 越大。因此，可以明显看出，对于不同的G₀值，二沉池尺寸和污泥回流泵之间存在一个经济平衡点（PS：土建成本和运行成本）。然而，假设的 G₀ 值受几个条件的约束，如下所述。

1. 澄清约束：在设计活性污泥系统的二沉池时，必须同时考虑澄清和浓缩的性能要求。通过选择一个经验证可接受的峰值或最大溢流速率Q_i/A来建立澄清的约束条件。尽管实际上溢流率等同于（Q_i-W）/A，但通常近似等于Q_i/A。图 5 展示了从24.4m/d至57.0m/d范围之间的五种水力负荷条件值。技术上可行的G₀ 取值范围必须位于由澄清限制和沉降通量曲线构建的包络线范围内（PS：状态点的选取其实是有范围的，这个范围一方面受重力通量曲线，也就是批次通量曲线的限制，不能跑到它上方去，另一方面在这里也受到溢流操作线，即水力负荷的约束，两个约束条件可以构建出一个范围空间来，选择的值只能在这个空间里。通常污泥浓度很容易确定，变化不大，比如3000mg/L，而剩下的就是G₀值，上下如何浮动的问题，不同的高度，对应不同的状态）。Pflanz和Agnew最近进行的研究旨在定义活性污泥系统中的澄清效率。数据分析表明二沉池出水中的悬浮固体浓度是溢流率以及混合液悬浮固体浓度 C₀的函数。Pflanz得出了以下关系式：C_e=4.5 + 1.27·10^-5·(C₀· Q_i/ A) （5）C_e =4.5 + 1.27·10^-5·G₀ （5’）Agnew也得出了类似的关系式：C_e=18.2 + 0.0136·（Q_i/A）- 0.0033·C₀ （6）C_e =18.2 + 0.0136·（G₀/C₀）- 0.0033·C₀（6’）值得注意的是：随着混合液悬浮固体浓度 C₀的增加，Pflanz的关系式预测的出水悬浮固体浓度C_e也随之增加，而Agnew的关系式则刚好相反。由于数据量不足，目前还未能解释这一实验现象的矛盾。尽管如此，这两个函数可以作为前面描述的澄清约束的有用的经验替代方案（PS：即便不能从理论上完全解释模型的行为，它们在实际应用中仍然可以作为澄清性能评估的有效工具）。图6a和图6b分别展示了根据Pflanz和Agnew公式为不同期望的出水悬浮固体水平C_e开发的澄清约束条件。使用Pflanz函数开发的约束呈现为水平线，这是因为Pflanz约束是对针对特定出水悬浮固体水平的固体供给量G₀（PS：这里些许有点看不懂，看上述函数表达方程式）。

2. 底流浓度约束：通常希望对二沉池排出的污泥浓度设置一个下限值。在传统的活性污泥系统中，如果不考虑在消化或其他形式的污泥处理之前进行单独的污泥浓缩，通常会设定一个下限值（PS：浓缩一下总归是好的，降低处置成本）。对于延时曝气活性污泥工艺所产生的污泥，通常直接排放至干化床上，同样也希望有一个浓度的下限值来进行约束。

这样的约束是通过构建一条与批次通量曲线相切的斜线来实现的，该斜线在x轴上的截距值即为所需的最小污泥浓度。图7展示了三个这样的约束示例，二沉池底部流出的最小悬浮固体浓度被限制在6407mg/L、8009mg/L 和9611 mg/L。

底流浓度约束是设计状态点（C₀，G₀）的上限（PS：就是约束线此时三条，溢流操作线、底流操作线、批次通量曲线，其中底流操作线一般在通量曲线下方，故成了上限），这些点位于约束线和批次通量曲线切点的左侧。对于位于切点右侧的状态点，批次通量曲线本身是上限，因为在这些情况下，底流浓度约束将自动得到满足（PS：这个点很不好理解，可以理解为状态点位于切点右侧时，此时的水力负荷很小很小，重力通量近似忽略，固体通量主要由底流通量构成，泥的下沉不成问题，底流浓度不成问题）。

1. 回流量约束：在对不同活性污泥处理系统的经济性进行评估时，可能会遇到一个成本看似最低的设计方案，但其所需的回流量可能超出了实际应用的范围，比如最经济的设计方案可能要求的回流量高达进水量的300%至400%。成本计算中虽然涵盖了回流泵的安装和运行成本，但在设计过程中，往往没有充分考虑高回流量可能对出水质量产生的不良影响。尽管缺乏直接证据，但过高的回流量可能会因为增加了湍流，从而降低了二沉池的澄清效率，这最终可能会影响出水的整体质量。因此，在设计中对回流泵的流量设定约束值是相当重要的。图8中展示了两个回流量约束条件，分别为进流量的50%和100%。这些约束是通过评估以下不等式构建的：

   这个约束条件，与底流浓度约束条件一样，都是根据沉降通量曲线来确定的。如果需要设定回流量的约束条件，它定义了设计选择时必须遵守的最高界限。由于确定回流量的约束条件需要做很多工作，而在没有此约束的情况下评估设计方案是可取的。如果得出的最低成本设计需要一个不可接受的高回流量值，则应重新设计，并将回流量约束条件纳入考虑范围。

4）约束条件应用

在活性污泥系统设计中，澄清约束是必须考虑的关键因素。如果这是唯一应用的约束条件，那么可行的设计范围将如图9a所示的阴影区域所示。更进一步举例说明，使用了简单的溢流约束32.6m/d条件为例，所有替代设计方案的状态点，用坐标（C₀，G₀）表示，都必须位于这个阴影区域内。任何位于阴影区域外的状态点所代表的设计方案，要么不符合澄清标准，要么因为浓缩能力不足而功能失效。如果除了澄清约束，某些工艺还要求施加一个底流浓度约束（8000mg/L）以及一个回流量约束，那么可选的设计状态点将由图9b中所示的阴影区域组成。

8.设计示例

本文介绍的设计方法，通过一个全面的示例来展示最为恰当。该示例涉及一个完全混合式活性污泥处理厂的设计，该厂的平均流量为0.438 m³/s，初沉池出水的生化需氧量BOD为300 mg/L。设计采用的平均固体停留时间SRT为6d。所有成本计算均基于Patterson和Banker建立的成本关系，而其他重要的设计参数已在前文提及。假设生物污泥的预期沉降通量曲线如图9a所示，并且水力负荷设定为32.6m/d，则图中的阴影区域代表了可行的设计参数选择范围。此外，假设在此情形下无需考虑底流浓度约束。如前所述，针对每个设定的水力停留时间（即特定的混合液悬浮固体浓度），可以绘制出一系列二沉池尺寸与回流量的组合参数。选定的G₀值决定了二沉池的尺寸和所需的回流量，较大的G₀值会导致较小的二沉池尺寸和较大的回流量。因此，必须确定在每个设定的水力停留时间下，哪种组合能带来最低的成本。通过对曝气池、曝气设备、二沉池及相关循环泵的年度成本进行分析（见图10），发现最低成本的设计方案大约在8h的水力停留时间获得。可以观察到：总成本函数对较低的水力停留时间非常敏感，而对较高的水力停留时间则相对不那么敏感，这主要是由于二沉池和回流泵运行成本函数所导致的。对于成本最低的解决方案，所需的回流量为进流量的44.1%。这一比例与生产高质量出水的实际经验相符，因此无需对回流量施加更严格的限制。然而，如果最低成本解决方案要求一个不切实际的高回流流量，就必须对回流量进行约束，这将增加较小水力停留时间条件下的年度总成本，从而可能将最低成本解决方案推向更高的水力停留时间值。本例中未考虑底流浓度的约束条件。但是，如果考虑这一条件，它也可能增加较小水力停留时间条件下的年度总成本，并将最低成本解决方案推向更高的水力停留时间值。这里介绍的方法可以很容易地扩展为用以评估整个好氧池/二沉池/污泥处理系统的经济替代方案。最低成本计算中将包括污泥处理成本，并通过迭代应用一系列可行的底流浓度约束来得到最终的结果。

9.运行状态分析与控制

如介绍性段落所述，运维人员可以应用污泥沉降技术来监测活性污泥系统的工作状态，并能够根据进水条件及系统运行条件的变化，在短期（如昼夜）和长期（如季节性）的时间尺度上做出相应的调整决策。该方法将与合适固体停留时间控制方法结合使用，例如Garrett提出的用延时曝气消耗微生物的方法，或Za 等人和Johnson以及Walker提出的用于从二沉池排出剩余污泥的方法。还可以采用更精确的污泥处理方式，包括如Roper和Grady所提出的减少污水厂进水中的悬浮固体含量的方法。其中任何一种方法都能在所需的污泥停留时间范围内，有效地控制活性污泥系统，从而保证工艺性能和稳定性。如果污泥停留时间保持不变，水厂运维人员只能通过调整污泥回流速度来控制传统活性污泥处理厂的曝气池/二沉池系统中的污泥含量（PS：好像也只有这样了）。控制回流量的目的是防止二沉池因过载而失效，并可以产生浓缩的污泥，以最大限度地降低污泥处理和处置成本。此外，回流量越低越好，这样可以最大限度地降低回流泵的运行成本，这种策略还可以提高澄清效率，因为较小的回流流速可以降低二沉池中湍流的程度（PS：原来作用在这里，避免跑泥&高浓缩回流污泥）。对方程4的分析表明，泥水混合液C₀浓度随进水S₀浓度和水力停留时间θ的变化而改变，对于常数θ_c（污泥停留时间），由于有机负荷引起的C₀变化可以很容易地包含在对运行状态进行分析的过程中，虽然分析过程稍微复杂。然而，在分析系统状态的变化时，只要C₀的日均值没有明显变化，通常没有必要考虑这些变化。为了说明水厂运维人员如何运行系统并做出控制决策，考虑了三种不同类型的过程变化：进水流量的变化；生物污泥沉降特性的变化；固体停留时间的变化。通过一个例子来进行分析说明。为此，以上一节中设计的水厂（基于最小成本）为例分析其运行情况。值得一提的是，该水厂的设计平均水力停留时间为 8.04 h，平均固体停留时间为约为 6 d，最终设计要求曝气池的容积为 12680 m³，采用完全混合式的水力系统，二沉池沉淀面积为1161 m²。此外，还假设当前的操作条件是：日平均进水流量0.45 m³/s（1620m³/h）；最大日进水流量为0.56 m³/s（2016m³/h）；最小日进水流量0.34 m³/s,（1224m³/h）；平均固体停留时间θ_c 为 5.77 d；回流量为0.19 m³/s（684m³/h，日均进水流量的42.7%）；MLSS 为2403 mg/L。假设的运行条件与设计中使用的条件略有不同，这样做的目的是为了能够说明该方法的实用性和多功能性。

10.进水负荷变化

基本上所有污水厂都会经历进水流量的短期（昼夜）、中期（季节性）和长期（设计寿命期间）变化，因此考虑这些变化如何影响水厂的运行状态以及运维人员应如何应对的流量变化，这对设计工作是很有启发性的。在此示例中，以污水厂的日平均流量 0.45 m³/s为基础进行分析。对于这种情况，状态点的位置如图11a所示，图中的a点坐标为（2400mg/L，80.3kg/m²·d），底流操作线斜率为0.60m/h（标记为 u₁），溢流操作线斜率为1.40m/h（标记为（Q_i/A）_avg）。由于底流操作线与批次通量曲线相切，因此二沉池处于临界态。

1）进水量增加

尽管进水流量很少逐步变化，但为了说明流量变化对工艺的影响，还需假设流量从平均日流量0.45 m³/s 增加至最大日流量0.56 m³/s。在图11a中，状态点从a点移动至b点（2400 mg/L，100.4 kg/m²·d），此时污泥浓度不做改变。由于流量增加，溢流操作线斜率增加，达到41.9m/d（PS：斜率为水力负荷值）。和此前假设一样，在确定沉淀池水力负荷时，忽略剩余污泥排放量w。由于回流量未做调整，底流操作线（虚线）只是向上平移至b点，斜率保持不变。对新的运行状态进行分析表明：底流操作线位于批次通量曲线下降段的上方，意味着二沉池处于过载状态。如果允许这种情况持续发生，生物固体将从曝气池中转移并积聚在二沉池中。为了解决这种情况，运维人员可以增加回流量，使得底流操作线u₂的斜率增加至21.1 m/d，相当于0.28m³/s的污泥回流量（进水流量的 50.4%）。由此产生的运行状态对应于沉淀池的临界负荷状态，它是一种稳定的运行状态，此时所需的回流量处于系统能够稳定运行的最低水平。相反，如果运维人员未采取任何控制措施来应对最大日进流量，如前所述，二沉池将处于过载状态，曝气池的生物固体将部分转移到二沉池，从而降低了曝气池内的污泥浓度，而二沉池中的固体“污泥层”会逐渐上升以容纳转移的固体。这种运行状态的转变如图11a所示。状态点将从过载状态的b点沿溢流操作线下移至c点，该位置对应于回流量未作改变时的曝气池/二沉池系统所处的稳定运行状态（PS：临界的稳定运行状态）。此后，不会观察到系统运行状态的进一步变化，也就是说，不会有额外的生物固体从曝气池转移到二沉池。为计算从过载状态到临界状态（b点到c点）转变过程中转移的固体质量，只需以图形方式确定混合液悬浮固体的原始浓度和最终浓度（C₀），取差值并乘以曝气池体积即可。在这种情况下，原始值和最终值分别为2403 mg/L和2082mg/L，进而可计算出大约 4062 kg的生物固体将从曝气池转移到二沉池。精确地确定二沉池容纳生物固体质量得探究。如前所述，固体将以“污泥层”的形式积聚在二沉池中，其浓度等于极限污泥C_L，在当前操作条件下的值为6087 mg/L。在该浓度下，每英尺（0.3m）深度的泥层能够容纳 2155 kg的生物固体，很明显，污泥层将在二沉池中升高约0.579 m，然后稳定下来。二沉池通常有1.8 -2.4 m的深度用于将超量污泥存储于进料点下方，因此二沉池不会运行状态的变化而功能失效。如果随后水厂进水流量从最大值0.56 m³/s逐步回归平均值6.45 m³/s，则在图11（a）中，状态点将从c点移动至d点，d点坐标为（2080 mg/L，69.6 kg/m²·d）。此时二沉池处于欠载状态，如图中长点划线所示，底流操作线位于批次通量曲线的下方。因此，二沉池 “污泥层”中储存的固体将逐渐转移回曝气池，这将导致状态点从d点移动至a点（PS：一个完美的近似平行四边形）。在后一种状态下，二沉池中的“污泥层”将完全消散。显然，二沉池具有相当大的容量，通常情况下，可以适应进水流量的昼夜波动。只有对于那些靠近批次通量曲线上某些关键位置的状态点，人们才会关注二沉池中“污泥层”向上的流动，它将导致生物固体随出水流失。

2）进水流量减少

如果进水流量减少，则状态点将沿相同的C₀（MLSS）下向下移动。如果运维人员对流量的变化不采取任何措施，也即底流操作线将向下平移。请注意，此种工况下，二沉池将处于欠载状态。因此，此时可以将回流量降低到临界态，这种调控措施是有益的，因为它可以降低回流泵的运行成本并减少二沉池中的湍流，从而提高澄清效率。对于二沉池欠载的状态，绝大多数生物固体（95%）都储存在曝气池中，并且曝气池和二沉池之间不会发生固体的重新分布现象。因此，混合液悬浮固体的浓度应仅根据曝气池有机负荷的变化而变化，当然，前提是严格控制排泥来保持曝气池的污泥停留时间。

3）回流量比例控制

许多水厂都采用比例法来控制污泥回流泵的流量，若上述示例采用这种控制策略，则基于42.7% 回流比的回流量分别为：0.14 m³/s、0.19 m³/s和0.24 m³/s。将这些流量值与二沉池保持在临界态下所需的流量值作对比，可以观察到，对于最小进水流量，等比法所得到的回流量高于实际所需的回流量。相反，对于最大进水流量，等比法所得到的回流量低于实际所需的回流量（见下表）。对于平均流量条件下的工况，两者进行了仔细比较，因为选择回流比的基础是确定平均流量和临界载荷（PS：这句话没看懂，通俗理解初始条件一致，故都是42.7%）。因此，很明显，虽然回流量比例控制策略没有提供将二沉池保持在临界态所需的精确回流量值，但它确实提供了对所需流量的相对良好的估计。因此，可以得出结论，这种方法可以作为确定最小回流量的校正方法。正确选择回流比，将保证曝气池/二沉池系统稳、连续运行。若选择的回流量比值大于为平均流量/临界态下所确定的值，则将导致不同的控制情况。举例说明：假设回流比为50%（PS：大于原来的42.7%），图11b显示了前面描述的最小、平均和最大进水流量工况下的三种运行状态。在每种情况下，回流量都大于所需流量，并且在任何情况下，二沉池都不会过载，甚至不会超载。此外，请注意，无论系统的运行状态如何，二沉池剩余污泥或回流污泥的固体浓度都保持不变。这种回流比控制策略将保证曝气池/二沉池系统在短期内可稳定运行。尽管如此，这一策略下的运行成本将略高于前面所述的控制策略，此外，二沉器的湍流程度会稍大一些。

4）水力冲刷：另一个必须考虑的因素与状态点有关，如图11a所示，该状态点位于批次通量曲线和溢流操作线的交点，标记为（Q/A）_ult。在该位置处，混合液污泥的初始界面沉降速度（ISV）等于二沉池水力负荷（2.45m/h）。因此，对于所有较高的水力负荷，进入二沉池的生物固体不会沉淀到污泥浓缩区，而是会从进料点向上传播并越过堰随出水流失，这通常被称为“水力冲刷”。为了阐述这种现象，再举一个例子。与前面的例子一样，基准态针对的是水厂日平均进水流量为0.45m³/s的情况。在这种情况下，状态点位于图中的a点，依旧是底流操作线与批次通量曲线相切，基准态下的临界态。由于出现极端降雨事件，假设水厂的进流量飙升至1.05 m³/s，那么状态点将向上移动至b点，很明显，水厂运维人员除了绕过二级生化系统处理多余水量外，没有其它调控方案，采用调整回流比来解决水力负荷过大的问题在此刻失效了（PS：毕竟太过了，无力回天）。二沉池内沉降速度小于水力负荷的生物固体将从进料点向上流动，直到流出二沉池（PS：跑泥了）。因越来越多的生物固体随二沉池出水流失，导致状态点从b点沿溢流操作线向下移动。当状态点到达位置c（1840mg/L，140 kg/m²·d）时，共有7110 kg的生物固体排出系统。由于曝气池中稀释的生物固体初始沉降速度和水力负荷在状态点c处相等，因此不会有额外的固体通过堰而排出系统。系统状态点回到c位置后，运维人员可以通过调整回流比来对系统进行控制（PS：可以上手段了）。倘若不改变回流比，由于系统当下处于过载状态，生物固体将从曝气池转移至二沉池，曝气池内的污泥浓度将进一步下降，运行状态将从c点过渡到d点（1250mg/L，96 kg/m²·d），它对应于未改变回流比时曝气池/二沉池的稳定运行状态。生物污泥将从曝气池转移到二沉池，这将导致二沉池中的“污泥层”升高1.06 m。在状态点d处，生化池混合液悬浮固体的浓度将从原来的2403mg/L下降至1249mg/L。在从曝气池转移的14626kg生物固体中，有7110kg将随二沉池出水流出系统。如果进水流量恢复至平均流量0.45 m³/s，系统状态点将沿d点移动至e点。然而，在e位置处，由于二沉池处于欠载状态，储存在二沉池“污泥层”中的生物固体将逐渐从二沉池转移到曝气池，这将导致状态点从e点向f点发生偏移。在后一种状态点处，二沉池中的泥层将完全消散，曝气池污泥浓度将增加到1842mg/L。相反，如果运维人员选择在状态点c位置处调整回流比，将回流量增加至0.4 m³/s（进水流量的 38.5%），如底流操作线所示，该线的斜率为 u₂（30.1m/d）。系统将实现一种新的稳定运行状态，此时的回流速度将处于最低水平，这样就可以防止固体从曝气池转移到二沉池。然而，在此过程中，没有办法阻止生物固体随二沉池出水流失。除了将上述“水力冲刷”现象的分析用于运行过程外，还可以将分析方法应用于设计过程中去。也就是说，设计师们可以确定系统可容纳的水力冲击值，而不会随意损失系统内的微生物（污泥）。必须考虑超过最大的水力冲击负荷，并为冲击下的污泥提供临时储存空间。

11.污泥沉降特性变化：

在前面的分析中，假设污泥的沉降特性不随时间而变化。然而，必须认识到，污泥沉降特性确实会随季节变化，并且通常在更短的时间范围内（例如，每月、每周和每天）发生变化。这种变化通常可归因于固体停留时间、温度或生物量种群分布发生了变化。两条沉降通量曲线如图11d所示：一个为基准态，另一个为污泥降解状态（PS：反正就是沉降不好）。假设活性污泥系统在基准态下运行，状态点为溢流操作线（Q_i/A）和底流操作线（u₁）的交点，坐标为（2400mg/L， 80.3kg/m²·d）。若沉降特性随后恶化，很明显二沉池将会过载。为防止生物固体从曝气池转移到二沉池，运维人员只需将回流量从0.19 m³/s增加至0.26 m³/s（平均进水流量的 58.1%），重新实现新的稳定的临界态，此时二沉池的水力负荷依然为19.5 m/d。同样需要强调的是：沉降通量曲线必须能保证及时更新，以准确描述当前的污泥沉降特性。更新的频率取决于污泥本身以及废水的物理、化学和生物特性以及活性污泥系统的运行状态。只有使用最贴近当下运行状态的固体通量曲线，才能实现本文所建立的运行状态分析和控制方法（PS：每隔一段时间测一下，看看相差大不大，毕竟这个曲线是所有的关键）。

12污泥龄变化：

有时需要改变活性污泥系统的固体停留时间，它可以通过改变污泥排放量轻松实现，而这种运行状态的变化可以采用固体通量操作分析方法进行阐述。例如，假设将固体停留时间从 5.8 天（基准值）延长至 7.1 天。当然，这是通过减少剩余污泥排放量来实现的，这将导致生化池混合液悬浮固体的浓度增加（PS：理一理，剩余污泥排的少，二沉池底泥增多，浓度增加，回流浓度也增加，最终曝气池污泥浓度也增加）。图11e中显示了从状态点a到b的转换，即状态点沿溢流操作线向右上方移动。如果运维人员在过渡期间未改变回流量（虚线），明显二沉池将处于过载状态，生化池的污泥量将向二沉池转移并储存在其中。为了防止该现象的发生，运维人员必须将回流量提高至平均进水流量的62.8%，使得系统再此回到临界状态。对于不同污泥停留时间条件下系统所能实现的稳定态所需的运行条件，在下表中进行了说明。相反，如果运维人员想要减少固体停留时间，只需增加剩余污泥排放量即可，这将导致生物固体的净损失，从而降低生化池混合液悬浮固体的浓度，这种转变将表现为状态点沿溢流操作线线向左下方移动。对于临界态而言，此时的回流量将高于所需的回流量。为最大限度地降低回流泵的运行成本和减少对二沉池的扰动，此时可以降低回流量大小。另一个必须考虑的因素与图11e所示的状态点有关，该状态点是批次沉降通量曲线和溢流操作线的交点，即状态点c。在该位置， 3076 mg/L的生化池污泥浓度对应的初始沉降速率（ISV）等于二沉池的水力负荷（33.5m/d）。如果允许生化池污泥浓度进一步增加，或者二沉池水力负荷进一步增加，那么进入二沉池的生物固体将不会沉淀至二沉池的浓缩区。相反，如前所述，生物固体将从进料点向上移动，经溢流堰随出水流失。因此，状态点c点为稳定运行条件下，系统可以实现的最大污泥龄和对应的生化池污泥浓度。对于当前案例，最大污泥龄为8.2天，对应平均进水流量条件下生化池污泥浓度为3076mg/L。但请注意，污泥的沉降特性通常会随着污泥停留时间的变化而改变。因此，在调整污泥停留时间的时候，必须考虑这些变化。

13.摘要和结论：采用一套系统统一的方法来设计和运行活性污泥系统，这种方法可以让工程师用于评估不同设计方案之间的经济性，并选择出最经济的设计方案。一旦系统建设完成，水厂运维人员就可以采用相同的方法来构建出系统的运行状态，并根据所需的控制策略或外部响应做出合理的决策。尽管该案例所阐述的曝气池水力状态为完全混合式，但同样的方法也可适用于其它曝气池水力状态的分析。

14.个人读后感

这篇文章前半部分主要介绍设计应用，后半部分主要介绍运维应用。在之前就有一种感觉，别的啥都不说，单纯这个批次通量曲线，也就是重力通量曲线哪里来？池子没建好，泥没进去，怎么测？先有鸡还是先有蛋的问题。不过想了想，对于设计而言，可以调研这个城市周边现有污水厂的污泥沉降特性，就像没有实际的进水水质参数，可以去看看其它厂子的。但是这里其实也有一个问题，工艺不同，泥的特性可能也有差异，这个和进水参数还有点不同，只能说往相似工艺里去找找看。设计：先确定一个状态点，这个状态点其实有一堆约束条件，可以选择的点是在一个区域范围，也就是图形范围内的。都有哪些约束条件？最大进水量，所希望的污泥回流浓度，所希望的回流量/比，当然，重力通量曲线也必须在。把这个点放在曲线包围的空间内的某一个位置，它就对应一个横坐标为曝气池污泥浓度，MLSS，C₀，一个纵坐标为进水自身携带的固体通量，这里不含回流量，G₀，有了它们就能得出二沉池面积来，相应的极限固体通量、极限底流浓度、限制层污泥浓度，这些数据都会出来。就是这个点不是随便选的，它是由空间范围约束的，你不能跑到外面去。还是有点不太习惯用这种方法来设计，更适合为运维服务。另外，这里首次看到了回流量约束，他是构建了一个固体通量关系式来进行描述，就是那个反比例曲线。

运维：不得不说，这个方法着实厉害，大多数常见情况基本都涵盖了。膨胀表现为重力通量曲线向下压了压，少排泥导致的污泥龄增加相当于状态点的污泥浓度要向右边动一动，进水量变化就不说了。神奇的是，如果你什么都不做，曝气池+二沉池这个系统会自我达到一种临界的平衡态，当然，期间的情况就不说了，反正它会最终稳定下来，不跑泥了。就像一个面临重金属冲击负荷的反应器，肯定一开始挂掉，如果你啥都不做，每天依旧按时按量进行排泥，最终的平衡状态可能是：二沉池进泥浓度=回流污泥浓度=0，0也是平衡态，都跑光了，但是它就是相等了。这种自我调节的过程，很像水泵面临用水流量变化时，自我调整的过程，只不过这里最终呈现的是一个神奇的“平行四边形”样貌，曝气池+二沉池里面的污泥面临重新再分配的问题。

资料来源：微信公众号：水知识爱好者！