Carrousel氧化溝脫氮除磷工藝設(shè)計(jì)探討

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簡介： 對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)污水中易于降解的有機(jī)基質(zhì)的儲(chǔ)備和對(duì)磷的釋放，加強(qiáng)了在好氧條件下對(duì)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(duì)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(duì)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：
　　　?。跱O₃-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(duì)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(duì)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：
　　① 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；
　?、?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(duì)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