氧化溝的設計方法討論

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簡介： 本文關于氧化溝的設計方法討論.
關鍵字：氧化溝 硝化反應

　　目前，我國氧化溝技術水平與國際先進水平相比差距很大。究其原因，是我國還未系統(tǒng)地研究氧化溝技術與設備，對國際上氧化溝技術跟蹤也不夠。故對氧化溝技術的掌握尚不夠全面，在工程上還缺乏系統(tǒng)和科學的設計方法，對氧化溝新工藝、新池型、新配套設備了解甚少。我國現(xiàn)已引進數(shù)種氧化溝技術，應有條件來分析比較和吸收消化。
　　首先，氧化溝屬延時曝氣活性污泥工藝，其原理和參數(shù)已有大量文獻報道。氧化溝設計中除了要考慮碳源污染物的去除，還要考慮污水硝化和污泥穩(wěn)定化問題。去除不同的污染物，設計參數(shù)和方法是不同的。例如，考慮污泥穩(wěn)定的氧化溝設計，其設計參數(shù)主要考慮污泥齡和內(nèi)源呼吸速率，而不是傳統(tǒng)活性污泥工藝中的污泥負荷，這時氧化溝的停留時間事實上是一個導出的參數(shù)。其次氧化溝最重要的特點之一是，專用的曝氣設備需要同時滿足池內(nèi)充氧和推動水沿溝渠流動的要求。全面了解和掌握氧化溝的水力學特性尤為需要。有關設備的水力學特性，是廠家產(chǎn)品的特性。大部分設計單位恰恰掌握不夠，致使在設計中由于設備型號和參數(shù)不準，常常導致設計沒有達到預期效果。這也與大多數(shù)氧化溝工藝及其擁有的專利和設備密切相關。由于國外公司對專有技術保密，因此出現(xiàn)了氧化溝技術不斷發(fā)展，可是用于了解基本工藝的公開技術資料未見增加的現(xiàn)象。由此就更需要加強創(chuàng)新性的研究，才能提高我國在氧化溝工藝上的技術水平。本文通過對國內(nèi)外資料的綜合分析，提出氧化溝一般的設計方法以供國內(nèi)同行在設計中參考。
1　氧化溝的設計方法
1.1　BOD的去除
　　氧化溝中碳源基質(zhì)去除動力學與活性污泥法動力學是完全一致的。對于完全混合系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下有以下公式^［1］：

式中　（XV）——參與反應的污泥量
　　　Q——處理污水量
　　　V——參與反應的好氧區(qū)體積
　　　S——出水基質(zhì)BOD₅濃度
　　　Y——污泥產(chǎn)率系數(shù)
　　　X——污泥濃度
　　　θ_c——污泥齡
　　　S₀——進水基質(zhì)BOD₅濃度
　　　K_s——半飽和常數(shù)
　　　K_d——內(nèi)源代謝常數(shù)
　　　μ_?max——比基質(zhì)利用率
1.2　硝化反應
　　氨氮的硝化反應涉及到亞硝化毛桿菌和硝化桿菌兩種不同的硝化細菌。
　　在水的作用下：2NH₃NH⁺₄
　　在亞硝化毛桿菌作用下：
　　　2NH⁺₄+3O₂2NO^-₂+2H₂O+8H⁺
　　在硝化桿菌作用下：
　　　2NO^-₂+O₂2NO^-₃
　　總的反應：
　　　NH₄⁺+2O₂NO₃^-+2H⁺＋H₂O
　　因此從化學計量學角度，1.0 kg氮需要4.6 kg的氧，實際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)較小，為3.9～4.3 kgO₂/kgN。這是因為一部分氮用于細菌合成，并且硝化細菌可以從污水中二氧化碳和重碳酸鹽獲得一部分氧。由于上述反應產(chǎn)生氫離子，所以會消耗堿度，每氧化1 mg NH₃-N消耗7.14 mg/L的堿度。另外從文獻可知氧化1 mg BOD產(chǎn)生0.3 mg/L的堿度^［2］。
　　據(jù)報道硝化反應的溫度范圍是(5～45) ℃,但是(25～32) ℃是最佳溫度范圍。最佳的pH范圍是7.8～9.2。雖然硝化過程也可在低溶解氧的條件下發(fā)生，但是硝化菌的生長速率較低。為了避免氧的限制，反應池中的溶解氧最好控制在3～4 mg/L。溫度對生長速度的影響公式可以用阿倫繆斯公式表示，其中溫度常數(shù)θ=1.12(5 ℃～20 ℃)。對于城市污水可以采用表1中污泥齡θ_c^［2］

表1　硝化工藝在不同溫度下采用的污泥齡

　　在冬季水溫低于10 ℃，如果θ_c＜10 d，硝化反應一般進行較差。若θ_c>10 d，只要氧化溝的曝氣能力可滿足總的氧化需求，并且保持較高的溶解氧，即可取得很好的硝化率。在北歐國家，硝化負荷階段一般選在0.05～0.10 kgBOD₅/kgMLSS，硝化速率大約為1.6 mgNH₃-N/(gVSS*d)(10　℃)。
1.3　污泥穩(wěn)定性
　　在氧化溝設計中考慮的第二個因素是污泥的穩(wěn)定性問題。理論上講氧化溝污泥齡的選取應該使得所有的揮發(fā)性固體通過內(nèi)源呼吸全部被降解，無論是厭氧消化還是好氧消化。如果反應時間足夠長，細胞降解過程中有23%的殘余物為不可生物降解。因為每天VSS產(chǎn)量為YQ(S₀－S)，其中可生物降解部分是0.77YQ(S₀－S)。如果系統(tǒng)中可以生物降解部分的固體物質(zhì)是f_bX(f_b為VSS可生物降解系數(shù))，則在穩(wěn)定狀態(tài)：
　　　0.77YQ(S₀－S)=K_df_b(XV)　　　　　　　　(5)

　　從而按照污泥齡的定義：
　　　

　　Adams和Eckenfelder給出了混合液VSS可以生物降解部分的比值f_b的計算公式^［3］：
　　　

　　也可推算出污泥負荷(F/M)的比值：
　　　

　　方程(6)和(8)是考慮污泥穩(wěn)定性問題時污泥齡和有機負荷計算公式。無疑溫度對于上述公式中參數(shù)Y、K_d的影響是十分重要的。對于延時曝氣氧化溝溫度常數(shù)(θ=1.01～1.03)數(shù)值較小，因此對溫度的影響不大。污泥穩(wěn)定化要求的有機負荷和污泥齡一般遠遠超過完全硝化所要求的數(shù)值。
1.4　脫氮反應
　　在沒有溶解氧(缺氧)條件下，雖然在氧化溝的主體溶液中存在溶解氧，但缺氧條件事實上是指微生物生長的微環(huán)境(即生物絮體中或生物膜中)。除碳的異養(yǎng)微生物可以利用硝酸鹽和亞硝酸鹽作為電子受體，將其還原成氮。還原1.0 mg N₂產(chǎn)生2.86 kgO₂。污水如需脫氮，需要去除的氮量 ΔN(kg/d)為：
　　　ΔN=Q(N₀－N)－ΔX×f_N(9)

式中　N₀、N——進、出水總氮濃度
　　　ΔX——剩余污泥量
　　　f_N——剩余污泥的含氮量，一般為0.07 kgN/kgMLVSS
　　脫氮需要考慮排放污泥中細胞的氮含量。按照細胞合成的碳氮磷的比例為C∶N∶P=106∶16∶1，即污泥中最多包含12.3％的N和2.6％的P。一般在內(nèi)源呼吸階段，不可生物降解部分僅僅包含7％的N和1％的P，剩余污泥中的其他N、P回到主體溶液中。因此污泥中的含氮量依賴于污泥齡(θ_c)，污泥齡越長，污泥中的含氮量越小。由需要去除的氮量，確定反硝化的污泥量：
　　　(VX)_dn=ΔN/K_dn(10)

式中　(VX)_?dn——參與脫氮反應的污泥量，kg
　　　K_dn——污泥脫氮負荷，kgNO^-₃-N/(kgMLSS^.d)
1.5　氧化溝的總污泥量
　　氧化溝的總污泥量(VX)_T和總容積計算如下：
　　　(VX)_T=［(XV)＋(VX)_dn］/f_a(11)

　　　V_T=(XV)_T/(f_a^.X)　　　　　　　　　　　　(12)

　　對于不同類型的氧化溝，需要引入有效性系數(shù)f_a，其中帶有體外沉淀池的氧化溝f_a=1.0，而其他類型的氧化溝f_a是不同的。以三溝式氧化溝為例，如果假設三溝是等體積的，則f_a如下計算：
　　　

式中　X_S1,2——邊溝MLSS濃度
　　　X_m——中溝MLSS濃度
　　　t_S——邊溝一個周期的時間
　　　t_S1，2——邊溝一個周期內(nèi)的工作時間
　　　t_m——中溝在一個周期內(nèi)的工作時間
　　假設污泥在氧化溝內(nèi)分布均勻，t為三個溝一周期總停留時間(包括沉淀)之和，則：
　　　f_a=(t_S1＋t_m＋t_S1)/t　　　　　　　　　(14)

1.6　剩余污泥
　　雖然動力學設計能確定生物污泥產(chǎn)量，應考慮沉淀池的固體流失量和存在的惰性物質(zhì)，可以采用下式計算：
　　　

式中　ΔS——去除BOD₅
　　　X_i——進水懸浮固體中惰性部分
　　　X_e——出水TSS
　　氧化溝以常規(guī)模式運行時，會產(chǎn)生不穩(wěn)定的剩余污泥，應在處置前加以穩(wěn)定，氧化溝以延時曝氣模式運行時，污泥量少且穩(wěn)定。根據(jù)回流污泥量和剩余污泥量可以選擇水泵和污泥處理系統(tǒng)。
1.7　氧化溝需氧量和曝氣設備
　　在氧化溝系統(tǒng)，考慮以下幾個過程的需氧量：總需氧量（D）=氧化有機物需氧＋細胞內(nèi)源呼吸需氧＋硝化過程需氧－脫氮過程產(chǎn)氧
　　　D=a′Q(S₀-S)＋b′ΔX.f＋4.6(N₀－N)－0.07ΔX.f-2.6ΔNO^-₃（16）

式中　f——MLVSS/MLSS
　　　ΔNO^-₃——被還原的NO^－₃
　　需氧量D(AOR)確定之后，并轉(zhuǎn)化為標準狀態(tài)需氧量(SOR)。在標準狀態(tài)需氧量確定之后，根據(jù)不同設備廠家的表曝機樣本和手冊，計算出氧化溝系統(tǒng)的總能耗?？偰芎囊坏┐_定，就可以確定氧化溝曝氣器的數(shù)目、氧化溝外形和分組情況。
　　　

式中　α——不同污水的氧轉(zhuǎn)移速率參數(shù)，對生活污水取值0.5～0.95
　　　β——不同污水的飽和溶解氧參數(shù)，對生活污水取值0.90～0.97
　　　ρ——大氣壓修正參數(shù)
　　　C_S——溫度T時飽和溶解氧
2　設計結果和問題討論
2.1　設計對比
　　為了說明氧化溝的設計過程，以邯鄲三溝式氧化溝的數(shù)據(jù)為例，說明幾個設計上的問題。根據(jù)下列數(shù)據(jù)設計處理生活污水的交替式氧化溝(三溝)：
　　進水：
　　BOD₅=130 mg/L
　　NH₃－N=22 mg/L(T=10 ℃)
　　TN=42 mg/L
　　SS=160 mg/L
　　堿度=280 mg/L(以CaCO₃計)
　　出水：
　　BOD₅<15 mg/L
　　NH₃－N< 2～3 mg/L(T=10℃)
　　TN< 10～12 mg/L(T=10℃)
　　TN=6～8 mg/L(T=25 ℃)
　　TSS< 20 mg/L
　　最低溫度=10 ℃（最高溫度=25 ℃）
　　邯鄲氧化溝是按三個系列，每個系列流量Q₁=33 000 m³/d，主要設計結果見表2。
2.2　原設計存在的問題
　　清華大學周律等人^{［4、5］}對邯鄲氧化溝進行了大量的現(xiàn)場測定工作，總結起來也是以下三個問題：
　?、佟⊥Ａ魰r間與反應時間問題：出水NH₃－N偏高，通過實驗發(fā)現(xiàn)延長硝化停留時間，可以降低出水的NH₃－N。這說明原設計的停留時間雖然對于BOD的去除充分，但對于脫氮其停留時間是不夠的。上述問題可能也與污泥齡和運行方式有關。
　?、凇∥勰嗤Ａ魰r間問題：通過污泥耗氧速率和懸浮物干重損失率等評價污泥穩(wěn)定化實驗方法，對其污泥進行測定的結果表明：經(jīng)過處理的污泥尚未得到穩(wěn)定。
　?、邸∪郎鲜窖趸瘻系娜莘e利用率問題：從前面的討論可知三溝式氧化溝本身的容積利用率較低(58％)。在邯鄲測得三溝中MLSS為5.3 、2.0、5.0 kg/m³。f_a=0.40與上述的理想狀態(tài)相差很大。三條溝的MLSS分布與設計的分布情況有較大差距，這是三溝式氧化溝運行及設計的一個主要問題。

表2　三溝式氧化溝主要設計項目比較

2.3　討論
　　通過設計計算的比較可見，邯鄲污水處理廠的設計中存在兩個問題：首先是停留時間上存在較大的差別；其次是按照三溝式氧化溝污泥齡的概念核算，其好氧部分的污泥齡偏低；另外前面的討論可知三溝式氧化溝的實際容積利用率低也是一大問題。
　　①　本例設計水力停留時間為20 h，這可保證污水的完全硝化反應。
　　②　總的停留時間是20 h，但反應時間僅為11.6 h。帶有二沉池的沉淀時間一般2.0～3.0 h，但需增加回流污泥和刮泥機等機械設備。這意味著運行操作方便、流程簡化的結果是用較長的停留時間取得的。因此所謂三溝式氧化溝的優(yōu)點也是有一定代價的，其經(jīng)濟性是需要仔細、全面考慮的。
　?、邸≡O計中可看出對于污泥穩(wěn)定化，原設計的污泥齡明顯不足。實驗結果也充分證實了上述的分析。這也說明交替運行式氧化溝原設計的方法，在污泥齡的計算上是不正確的。從設計結果看，對于本例非常低的BOD濃度，根據(jù)穩(wěn)定性要求的停留時間(20 h)是相當長的，因此這種系統(tǒng)的經(jīng)濟性是需要探討的。我國大部分氧化溝設計中不考慮硝化和污泥穩(wěn)定化問題，今后設計標準中是否應考慮是需要討論的問題。
　?、堋√岣咴O備利用率的方法之一是采用Gruger公司的動態(tài)順序沉淀(DSS)系統(tǒng)。筆者建議在三溝式氧化溝的設計中擴大中溝的比例，中溝的容積可占50％～70％或更多(在邊溝較小時，需要校核其沉淀功能可否滿足)。中溝可采用一個溝或等體積兩個溝。有效性系數(shù)計算可采用下面修正公式：
　　

式中　X_mi、X_S1,2——中溝、邊溝1，2參與反應的MLSS濃度
　　　f——邊溝反應時間與一個周期時間比值
　　　V_mi——中溝的體積
　　　V_si——邊溝的體積
　　采用上述數(shù)據(jù)，則f_a分別為0.69和0.80。設備的利用率和污泥分布均勻性均可提高，從而提高三溝式氧化溝的容積利用率。

　　作者通訊處：100037　北京市阜外北二巷　北京市環(huán)境保護科學研究院

參考文獻

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2　Mikkel G,Mandt,Bruce　A Bell. Oxidation Ditches in
Wastewater Treatment.1982
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4　周律，錢易　.淺議三溝式氧化溝的設計　.給水排水，1988；24(1)：6～9
5　周律等　.三溝式氧化溝處理城市污水的效應.中國給水排水，1997；13(5)：4～7