Carrousel氧化溝脫氮除磷工藝設(shè)計(jì)探討

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簡介： 對Corrousel氧化溝脫氮除磷工藝的影響因素及設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算進(jìn)行了較詳盡的闡述，針對氧化溝工藝的特性提出了一整套與進(jìn)、出水水質(zhì)密切相關(guān)的計(jì)算方法。通過對工程實(shí)例的設(shè)計(jì)比較提出了優(yōu)化工藝的建議。
關(guān)鍵字：前置反硝化 同步反硝化 碳源 污泥齡 污泥產(chǎn)率 硝化速率

中圖分類號(hào)：X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)09-0061-04

　　最近，筆者有幸拜讀了《中國給水排水》2002年第1期中刊登的文章——Carrousel氧化溝的脫氮除磷工藝設(shè)計(jì)(以下簡稱引文)，引起了許多思考。
　　Corrousel氧化溝工藝設(shè)計(jì)中所涉及的主要參數(shù)是：硝化速率、各反應(yīng)單元的污泥齡及總污泥齡、反硝化速率或能力、污泥產(chǎn)率、污泥負(fù)荷、污泥回流比、最大除磷能力、異養(yǎng)菌體比例、活性污泥濃度、活性污泥需氧量、去除BOD₅需氧量等。對以上參數(shù)計(jì)算得正確與否將直接影響設(shè)計(jì)精度及碳化、脫氮除磷的效果。?

1 生物除磷脫氮

1.1 影響生物除磷效果的因素
1.1.1 污泥齡
　　經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，影響除磷效果的因素之一是活性污泥中聚磷菌的含量及其對磷的吸收能力，當(dāng)總污泥齡為8～10d時(shí)活性污泥中的最大磷含量為其干污泥量的4%，為異養(yǎng)菌體質(zhì)量的11%，但當(dāng)污泥齡超過15d時(shí)污泥中最大含磷量明顯下降，反而達(dá)不到最大除磷效果。因此，一味延長污泥齡(例如20d、25d、30d)是沒有必要的，宜在8～15d范圍內(nèi)選用，最終應(yīng)以各反應(yīng)階段污泥齡的計(jì)算公式進(jìn)行校核，當(dāng)兩者接近時(shí)說明假定是合理的，反之則需重新假定，直至結(jié)果相近為止。除磷效果與異養(yǎng)菌體質(zhì)量和污泥齡、BOD₅去除的關(guān)系可用下式表示：?

?　　　　　　　P₀-P_e=0.11ZaL_C0·η(1-e^-0.24tST)　　　(1)?
　　式中 P₀-P_e——進(jìn)、出水磷濃度之差，mg/L
?　　　L_C0、η——分別為進(jìn)水BOD₅濃度及其去除率，mg /L、%
　　　　t_ST——污泥齡，d?
　　　?a——污泥產(chǎn)率，kg TS/kg BOD₅?
?　　　a=0.6(TS₀/BOD₅+1)-0.072×0.60×1.072^(T-15)／［1/t_ST+0.08×1.072(T-15)］　　　　(2)?
　　式中　Z——活性污泥中異養(yǎng)菌體重量所占比例，%
?　　　　Z=［B-B²-8.33N_s·1.072^(T-15)］^0.5　　　　　　　　　(3)?
　　　　?B=0.555+4.167(1+TS₀/BOD₅)Ns×1.072^(T-15)?　　　　(4)?
　　式中 ?Ns——BOD₅—SS負(fù)荷，kgBOD₅/(kgMLSS·d)
　　　　　　　　　N_s=1/a·t_ST　　　　　　　　　(5)?
　　式中 ?TS₀——進(jìn)水中懸浮固體濃度，mg/L
　　顯而易見除磷效果與多項(xiàng)因素有關(guān)，決非為假定厭氧區(qū)HRT=1.5 h那樣輕而易舉可以確定的，且污泥產(chǎn)率也受多項(xiàng)因子的制約，不同的進(jìn)水水質(zhì)及污泥齡和水溫得出的污泥產(chǎn)率不同，因此不是簡單地假定a=0.6所能概括的。
1.1.2 硝酸鹽及基質(zhì)濃度
　　前置厭氧池有利于聚磷菌對污水中易于降解的有機(jī)基質(zhì)的儲(chǔ)備和對磷的釋放，加強(qiáng)了在好氧條件下對污水中磷的吸收。
　　研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，未進(jìn)行反硝化或反硝化不充分的高濃度NO₃-N的存在將阻礙對磷的釋放，聚磷菌將直接利用有機(jī)酸呼吸，由其他異養(yǎng)細(xì)菌降解有機(jī)物，其關(guān)系式為：

?　P_F=［a₀LC₀-2.9(NO₃-Np)］f/(1+Rp)　　(6)?
??。?sub>0-P_e=1.55e^0.2038PF?　　(7)?

　　式中　PF——當(dāng)有NO₃-N存在時(shí)所能除磷的期望值
　　　　　NO₃-Np——[ZK(]進(jìn)入?yún)捬醭氐腘O₃-N濃度，mg/L
　　　　　NO₃-Np=(NO₃-N)0+(NO₃-N)e·Rp　　　　(8)?
　　式中(NO₃-N)_０、(NO₃-N)e——分別為進(jìn)、出水中的NO₃-N濃度，mg/L
　　　　?f——容積比系數(shù)，%
　　　　?f=Vp/(Vp+Ｖn+Va)　　　(9)?
　　式中　Vp、Vn、Va——分別為厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)反應(yīng)池容積，m³
　　　　　Rp——至厭氧區(qū)之污泥回流比，%?
?　　　　a₀——進(jìn)水中易降解BOD₅所占比例，
?　　　　a₀=0.30
　　從上述公式可知，在低基質(zhì)污水、高NO₃-N及高污泥回流比的條件下，為達(dá)到同等除磷效果必須通過加大厭氧區(qū)容積的措施予以解決，因而隨意確定厭氧區(qū)的HRT(例如1.0 h、1.5 h等)將事與愿違。
1.2 影響生物脫氮效果的因素
1.2.1 DO
　　盡管人們對好氧區(qū)中伴隨反硝化作用的發(fā)生具有濃厚的興趣，但并不認(rèn)為當(dāng)好氧區(qū)的DO達(dá)2～4mg/L時(shí)以及在強(qiáng)烈的空氣擾動(dòng)下阻礙活性污泥絮體直徑的增大也會(huì)帶來反硝化作用。同時(shí)研究結(jié)果表明，當(dāng)好氧區(qū)DO保持在0.5～0.7mg/L時(shí)才會(huì)產(chǎn)生有限的反硝化作用(總氮去除率達(dá)65%左右)。這一發(fā)現(xiàn)與以往的研究成果一致，即活性污泥在DO存在時(shí)異養(yǎng)細(xì)菌將優(yōu)先利用DO作為最終電子受體，只有在缺氧環(huán)境中(僅有NO₃^-存在時(shí))才有可能利用NO₃^-被降解時(shí)釋放出的氧來降解有機(jī)物。
　　 因A²/O系統(tǒng)大量的內(nèi)回流而導(dǎo)致缺氧區(qū)DO增高影響脫氮效果的事實(shí)已被大家認(rèn)同。因此，在前置缺氧區(qū)的氧化溝內(nèi)設(shè)置適當(dāng)?shù)?不宜過大)反硝化段(見圖1)以預(yù)先削減來自好氧段的DO，再以無動(dòng)力回流至前置缺氧區(qū)是必要的。

1.2.2 碳源及硝酸鹽含量
　　當(dāng)有足夠的碳源存在時(shí)(前置反硝化)脫氮反應(yīng)過程迅速，所需反硝化容積??；但當(dāng)內(nèi)源呼吸時(shí)(同步反硝化)脫氮反應(yīng)過程緩慢，所需反硝化容積大，其關(guān)系可用增速系數(shù)K=［Vn/(Va+Vn)］-0.235表示。
　　從有機(jī)物的降解反應(yīng)和活性污泥的脫氮反應(yīng)式可以看出，需反硝化的NO₃-越多所需碳源越多；反之，如果需反硝化的NO₃^-濃度高，則必須供給足夠的碳源，而若碳源不足則會(huì)影響反硝化能力。為達(dá)到設(shè)計(jì)脫氮量，在不另加碳源的情況下，在有限的范圍內(nèi)可加大反硝化容積來解決(反硝化速度決不單是水溫的函數(shù))，其關(guān)系可用下式表示：
[NO₃-N_n］/[BODs］=0.75×0.80Oc／2.9 ×(V_n/V_a+V_n)　　　(10)?
　　或：
　　　　［NO₃-Nn］／［BOD₅］=（0.75×0.80×Oc／2.9]×(VnVa+Vn)^0.765　　　(11)?
　　式中［NO₃-Nn］／［BOD₅］——反硝化能力，kg(NO₃-N)/kg BOD₅
?　　　　Oc——BODs去除需氧量，kgO₂/(kg BOD₅·d)
　　式(10)適用于同步反硝化，式(11)適用于前置反硝化。?
?　　　　　Oc=OR/Ns　　　(12)?
　　式中 ?OR——單位活性污泥需氧量，kgO2/(kgMLSS·d)
?　　　　O_R=0.5η·Nv+0.24Z·MLSS·1.072^(T-15)?　　　(13)?
　　式中?Nv——ＢＯＤ₅容積負(fù)荷，kgBOD₅/(m³·d)
?　　　　NO₃Nn——能提供給反硝化區(qū)的硝酸鹽濃度，mg/L
　　　　　NO₃-Nn=TN0-TNe-Nus-Nes?　　　(14)?
　　式中 TN0、TNe——分別為進(jìn)、出水中總氮濃度，mg/L
?　　　　Nus、Nes——分別為排出剩余污泥中氮合成濃度和出水懸浮濃度中含氮量，mg/L
　　　　　?Nus=0.125aZ(L_c0-Lr)　　　(15)?
?　　　　　Nes=0.125Z·Lse?　　　　　(16)?
　　式中 ?LC0、Lse——分別為出水中BOD₅懸浮物濃度，mg/L
?　　　　　Lr=Lce=ZLse·1.42(1-e^-k1^t)　　　　(17) ?
1.3 影響好氧硝化效果的因素
1.3.1 硝化速率與水溫、堿度關(guān)系
　　研究表明，硝化速率不僅是污水水溫的單一函數(shù)，且受DO、堿度的影響。通常情況下硝化反應(yīng)池內(nèi)保持DO在2mg/L左右是可以實(shí)現(xiàn)的，不會(huì)對硝化速率產(chǎn)生明顯的影響，主要問題是當(dāng)進(jìn)水溫度＜20℃、堿度低(pH＜8.0～8.4)時(shí)將會(huì)對硝化速率構(gòu)成影響，其關(guān)系可用下式表示：?
?　　　　　μn(T·pH)=［μ_max(20℃)·10^0.033(T-20)］^／［1+0.04(10^pH0^-pH-1)］　　　　　　(18)?
　　式中 ?μmax(20℃)——當(dāng)水溫為20℃時(shí)的最大硝化速率，d^-1；取μ_max(20℃)=0.3～0.4d-1?
　　　　　　pH、pH₀——分別為進(jìn)水和最佳酸堿度，當(dāng)pH0=8.0～8.4時(shí)μ_max(pH0)=1d^-1
　　按式(18)計(jì)算的硝化速率即為設(shè)計(jì)采用值，無需按假定的污泥齡推算硝化速率，以避免假定不合理而產(chǎn)生任意性。
1.3.2 硝化污泥齡及NH₃-N與硝化速率的關(guān)系
　　通常當(dāng)硝化速率確定之后取其倒數(shù)作為硝化污泥齡似乎是合理的，但由于目前均采用單一水溫函數(shù)關(guān)系推求μn，一旦不能滿足設(shè)計(jì)者的要求時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)以穩(wěn)定污泥為理由無限加大污泥齡(例如25、30d等)的問題，這將意味著無限制地增大氧化溝好氧區(qū)容積，故推薦采用下列公式推算硝化污泥齡：
　　　　?E=1-[10^0.051T-1.156／(NH₃-N)₀［t_SN·μ n(T·pH)-1］　　　　(19)?
　　式中　t_SN——硝化污泥齡，d?
?　　　　E——NH₃-N去除率，%?
　　　　　(NH₃-N)₀——進(jìn)水中NH₃-N濃度，mg/L

2 反應(yīng)池容積計(jì)算

　　以生物除磷脫氮為目標(biāo)的反應(yīng)池包括厭氧池、缺氧池和好氧池三部分(或區(qū))，為便于比較，本文也按兩個(gè)缺氧區(qū)計(jì)算：一部分(完成80%的反硝化)設(shè)在氧化溝的后段，該部分容積按同步反硝化方法計(jì)算；另一部分(完成20%的反硝化)設(shè)在厭氧池之后，該部分容積按前置反硝化方式計(jì)算。各區(qū)段所需污泥齡與相應(yīng)階段容積比的關(guān)系可用以下聯(lián)合公式表示：

　　　　t_SR=t_SN·［（Vn+Va）／Va]　　　　 　　　　　　　　　　(20)?
?　　　t_SP=tSR·［（Vn+Va+VP）／（Vn+Va）］　　　　　(21)?
?　　　t_ST=t_SP·［（Vn+Va+Vp+Vd）／（Vn+Va+Vp）］　　　(22)?
　　式中 tSN、tSR、tSP、tST——分別為硝化、反硝化、厭氧階段污泥齡及總污泥齡，d
?　　　　　　　　　　　　Vd——二沉池容積，m³；HRT≤3.0 h?
　　氧化溝好氧區(qū)容積也可按下式計(jì)算：?
?　　　　Va=［KaQ(L_C0-Ｌr)／(N_s·MLSS)]　　　　　 (23)
　　式中 ?Q——處理污水量，m³/d?
?　　　　 K——變化系數(shù)

3 工程算例

　　為便于比較，設(shè)計(jì)基本條件及工藝同引文。處理水量Q=15000m³/d(不考慮變化系數(shù))，進(jìn)、出水水質(zhì)見表1。

表1 　 進(jìn)、出水水質(zhì)項(xiàng) 目COD(mg/L)BOD₅(mg/L)SS(mg/L)TKN (mg/L)TP(mg/L)NH₃-N(mg/L)NO₃-N(mg/L)pH水溫(℃)進(jìn)水300150200304.0　　7.015出水602020　1.05.010.06-9　

　　設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)果見表2。 表2 設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)果設(shè)計(jì)參數(shù)引 文本 文結(jié) 果來 源結(jié) 果來 源硝化速率μ(d^-1)0.04假定0.129式(18)總污泥齡t_ST(d)25假定15式(22)污泥負(fù)荷Ｎs［kgBOD₅/(kgVSS·d)］0.15推算0.093式(5)MLSS(mg/L)4 000設(shè)定4 000設(shè)定污泥產(chǎn)率a(kgTS/kgBOD₅)0.60假定0.946式(2剩余污泥產(chǎn)量(kgTS/d)585推算1 915.65　反硝化速率［kgNO₃-N/kgVSS·d］0.013 6推算　　NO₃-Nn(kg/d)合計(jì)
其中，氧化溝(80%)
前置缺氧池(20%)153推算145.4式(14)122.4　116.3　30.6　29.1　厭氧池污泥回流比Ｒ_P(%)100按好氧推算60設(shè)定硝化污泥齡t_SN(d)　　8.2式(19)異養(yǎng)菌體比例Ｚ(%)　　0.288式(3)BOD₅去除需氧量Oc［kgO₂/(kgBOD₅·d］　　1.421式(12)活性污泥需氧量OR(mg/L)　　0.398式(13)厭氧池NO₃-NP(mg/L)　　6.0式(8)除磷期望值PF(mg/L)　　3.25式(6)Vn/(Va+Vn)同步反硝化　　0.176式(10)Vn/(Va+Vn)前置反硝化　　0.016 8式(11)Vp/(Vn+Va+Vp)　　0.190式(6)、(7)、(9)反硝化污泥齡t_SR(d)　　10.1式(20)厭氧污泥齡t_SP(d)　　12.5式(21)氧化溝總?cè)莘e(m³)
其中，好氧區(qū)容積Va(m³)
缺氧區(qū)容積Vn(m³)7857
4 643
3 214推算8 302
6 841
1 461式(23)
式(10)、(20)前置缺氧池容積(m³)1 221　117式(11)、(21)厭氧池容積Vp(m³)938ＨＲＴ＝1.5h1975式(6)、(9)

4 工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化及討論

　　從表2可知，引文中總有效反應(yīng)池容積為10016m³(HRT=16.0h)，本文為10394m³(HRT=16.6h)，即總反應(yīng)池容積比較接近，但從各功能反應(yīng)區(qū)的容積來看則差別甚大，從而可能導(dǎo)致好氧硝化、厭氧釋磷不徹底(容積偏小)，且大大超出了脫氮所需的缺氧池容積，因而增加了不必要的投資。為避免此種結(jié)果的發(fā)生，提出以下幾點(diǎn)改進(jìn)建議：
　?、?宜按照本文提出的公式，緊密結(jié)合進(jìn)、出水質(zhì)進(jìn)行各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算，防止假定的任意性；
　?、?要使厭氧池容積減小，一是要盡可能降低排放水中NO₃-N濃度，二是防止過多的污泥回流至厭氧池；
　　③ 如果在氧化溝內(nèi)不設(shè)反硝化段，或者只承擔(dān)反硝化的20%，將80%改由前置缺氧池承擔(dān)以得到充足的碳源，進(jìn)一步減少缺氧池容積則有利于降低出水NO₃-N濃度；
　　④ 可將圖1工藝改為60%的污泥回流至厭氧池，40%回流至缺氧池，這樣既可同時(shí)滿足厭氧、好氧段對活性污泥的需求，又能達(dá)到預(yù)期的處理效果；
　?、?將表面曝氣機(jī)改為轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)，以提高溶氧效率和有效水深，并減小占地面積。

　　電　　話：(0571)88072824×6910
　　收稿日期：2002-04-23