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氧化溝的設(shè)計(jì)方法討論

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簡(jiǎn)介: 本文關(guān)于氧化溝的設(shè)計(jì)方法討論.
關(guān)鍵字:氧化溝 硝化反應(yīng)

  目前,我國(guó)氧化溝技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比差距很大。究其原因,是我國(guó)還未系統(tǒng)地研究氧化溝技術(shù)與設(shè)備,對(duì)國(guó)際上氧化溝技術(shù)跟蹤也不夠。故對(duì)氧化溝技術(shù)的掌握尚不夠全面,在工程上還缺乏系統(tǒng)和科學(xué)的設(shè)計(jì)方法,對(duì)氧化溝新工藝、新池型、新配套設(shè)備了解甚少。我國(guó)現(xiàn)已引進(jìn)數(shù)種氧化溝技術(shù),應(yīng)有條件來(lái)分析比較和吸收消化。
  首先,氧化溝屬延時(shí)曝氣活性污泥工藝,其原理和參數(shù)已有大量文獻(xiàn)報(bào)道。氧化溝設(shè)計(jì)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(wèn)題。去除不同的污染物,設(shè)計(jì)參數(shù)和方法是不同的。例如,考慮污泥穩(wěn)定的氧化溝設(shè)計(jì),其設(shè)計(jì)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(fù)荷,這時(shí)氧化溝的停留時(shí)間事實(shí)上是一個(gè)導(dǎo)出的參數(shù)。其次氧化溝最重要的特點(diǎn)之一是,專(zhuān)用的曝氣設(shè)備需要同時(shí)滿(mǎn)足池內(nèi)充氧和推動(dòng)水沿溝渠流動(dòng)的要求。全面了解和掌握氧化溝的水力學(xué)特性尤為需要。有關(guān)設(shè)備的水力學(xué)特性,是廠(chǎng)家產(chǎn)品的特性。大部分設(shè)計(jì)單位恰恰掌握不夠,致使在設(shè)計(jì)中由于設(shè)備型號(hào)和參數(shù)不準(zhǔn),常常導(dǎo)致設(shè)計(jì)沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果。這也與大多數(shù)氧化溝工藝及其擁有的專(zhuān)利和設(shè)備密切相關(guān)。由于國(guó)外公司對(duì)專(zhuān)有技術(shù)保密,因此出現(xiàn)了氧化溝技術(shù)不斷發(fā)展,可是用于了解基本工藝的公開(kāi)技術(shù)資料未見(jiàn)增加的現(xiàn)象。由此就更需要加強(qiáng)創(chuàng)新性的研究,才能提高我國(guó)在氧化溝工藝上的技術(shù)水平。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外資料的綜合分析,提出氧化溝一般的設(shè)計(jì)方法以供國(guó)內(nèi)同行在設(shè)計(jì)中參考。
1 氧化溝的設(shè)計(jì)方法
1.1 BOD的去除
  氧化溝中碳源基質(zhì)去除動(dòng)力學(xué)與活性污泥法動(dòng)力學(xué)是完全一致的。對(duì)于完全混合系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下有以下公式[1]

   

式中?。╔V)——參與反應(yīng)的污泥量
   Q——處理污水量
   V——參與反應(yīng)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
   θc——污泥齡
   S0——進(jìn)水基質(zhì)BOD5濃度
   Ks——半飽和常數(shù)
   Kd——內(nèi)源代謝常數(shù)
   μ?max——比基質(zhì)利用率
1.2 硝化反應(yīng)
  氨氮的硝化反應(yīng)涉及到亞硝化毛桿菌和硝化桿菌兩種不同的硝化細(xì)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(yīng):
   NH4++2O2NO3-+2H++H2O
  因此從化學(xué)計(jì)量學(xué)角度,1.0 kg氮需要4.6 kg的氧,實(shí)際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)較小,為3.9~4.3 kgO2/kgN。這是因?yàn)橐徊糠值糜诩?xì)菌合成,并且硝化細(xì)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(yīng)產(chǎn)生氫離子,所以會(huì)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(xiàn)可知氧化1 mg BOD產(chǎn)生0.3 mg/L的堿度[2]。
  據(jù)報(bào)道硝化反應(yīng)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(guò)程也可在低溶解氧的條件下發(fā)生,但是硝化菌的生長(zhǎng)速率較低。為了避免氧的限制,反應(yīng)池中的溶解氧最好控制在3~4 mg/L。溫度對(duì)生長(zhǎng)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(duì)于城市污水可以采用表1中污泥齡θc[2]

表1 硝化工藝在不同溫度下采用的污泥齡

污水溫度(℃)完全硝化的θc(d)5
10
15
2012
9.5
6.5
3.5


  在冬季水溫低于10 ℃,如果θc<10 d,硝化反應(yīng)一般進(jìn)行較差。若θc>10 d,只要氧化溝的曝氣能力可滿(mǎn)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(guó)家,硝化負(fù)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(shè)計(jì)中考慮的第二個(gè)因素是污泥的穩(wěn)定性問(wèn)題。理論上講氧化溝污泥齡的選取應(yīng)該使得所有的揮發(fā)性固體通過(guò)內(nèi)源呼吸全部被降解,無(wú)論是厭氧消化還是好氧消化。如果反應(yīng)時(shí)間足夠長(zhǎng),細(xì)胞降解過(guò)程中有23%的殘余物為不可生物降解。因?yàn)槊刻霽SS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fbX(fb為VSS可生物降解系數(shù)),則在穩(wěn)定狀態(tài):
   0.77YQ(S0-S)=Kdfb(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fb的計(jì)算公式[3]
   

  也可推算出污泥負(fù)荷(F/M)的比值:
   

  方程(6)和(8)是考慮污泥穩(wěn)定性問(wèn)題時(shí)污泥齡和有機(jī)負(fù)荷計(jì)算公式。無(wú)疑溫度對(duì)于上述公式中參數(shù)Y、Kd的影響是十分重要的。對(duì)于延時(shí)曝氣氧化溝溫度常數(shù)(θ=1.01~1.03)數(shù)值較小,因此對(duì)溫度的影響不大。污泥穩(wěn)定化要求的有機(jī)負(fù)荷和污泥齡一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)完全硝化所要求的數(shù)值。
1.4 脫氮反應(yīng)
  在沒(méi)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(shí)上是指微生物生長(zhǎng)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×fN            (9)

式中 N0、N——進(jìn)、出水總氮濃度
   ΔX——剩余污泥量
   fN——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(xì)胞的氮含量。按照細(xì)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(lài)于污泥齡(θc),污泥齡越長(zhǎng),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/Kdn                (10)

式中 (VX)?dn——參與脫氮反應(yīng)的污泥量,kg
   Kdn——污泥脫氮負(fù)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?cè)莘e計(jì)算如下:
   (VX)T=[(XV)+(VX)dn]/fa         (11)

   VT=(XV)T/(fa.X)            (12)

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

式中 XS1,2——邊溝MLSS濃度
   Xm——中溝MLSS濃度
   tS——邊溝一個(gè)周期的時(shí)間
   tS1,2——邊溝一個(gè)周期內(nèi)的工作時(shí)間
   tm——中溝在一個(gè)周期內(nèi)的工作時(shí)間
  假設(shè)污泥在氧化溝內(nèi)分布均勻,t為三個(gè)溝一周期總停留時(shí)間(包括沉淀)之和,則:
   fa=(tS1+tm+tS1)/t         (14)

1.6 剩余污泥
  雖然動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)能確定生物污泥產(chǎn)量,應(yīng)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(jì)算:
   

式中 ΔS——去除BOD5
   Xi——進(jìn)水懸浮固體中惰性部分
   Xe——出水TSS
  氧化溝以常規(guī)模式運(yùn)行時(shí),會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的剩余污泥,應(yīng)在處置前加以穩(wěn)定,氧化溝以延時(shí)曝氣模式運(yùn)行時(shí),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(shè)備
  在氧化溝系統(tǒng),考慮以下幾個(gè)過(guò)程的需氧量:總需氧量(D)=氧化有機(jī)物需氧+細(xì)胞內(nèi)源呼吸需氧+硝化過(guò)程需氧-脫氮過(guò)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NO3
  需氧量D(AOR)確定之后,并轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)需氧量(SOR)。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)需氧量確定之后,根據(jù)不同設(shè)備廠(chǎng)家的表曝機(jī)樣本和手冊(cè),計(jì)算出氧化溝系統(tǒng)的總能耗。總能耗一旦確定,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(duì)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(duì)生活污水取值0.90~0.97
   ρ——大氣壓修正參數(shù)
   CS——溫度T時(shí)飽和溶解氧
2 設(shè)計(jì)結(jié)果和問(wèn)題討論
2.1 設(shè)計(jì)對(duì)比
  為了說(shuō)明氧化溝的設(shè)計(jì)過(guò)程,以邯鄲三溝式氧化溝的數(shù)據(jù)為例,說(shuō)明幾個(gè)設(shè)計(jì)上的問(wèn)題。根據(jù)下列數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)處理生活污水的交替式氧化溝(三溝):
  進(jìn)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(jì))
  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(gè)系列,每個(gè)系列流量Q1=33 000 m3/d,主要設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。
2.2 原設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題
  清華大學(xué)周律等人[4、5]對(duì)邯鄲氧化溝進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定工作,總結(jié)起來(lái)也是以下三個(gè)問(wèn)題:
  ① 停留時(shí)間與反應(yīng)時(shí)間問(wèn)題:出水NH3-N偏高,通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)延長(zhǎng)硝化停留時(shí)間,可以降低出水的NH3-N。這說(shuō)明原設(shè)計(jì)的停留時(shí)間雖然對(duì)于BOD的去除充分,但對(duì)于脫氮其停留時(shí)間是不夠的。上述問(wèn)題可能也與污泥齡和運(yùn)行方式有關(guān)。
  ② 污泥停留時(shí)間問(wèn)題:通過(guò)污泥耗氧速率和懸浮物干重?fù)p失率等評(píng)價(jià)污泥穩(wěn)定化實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)其污泥進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)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(wèn)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(cè)得三溝中MLSS為5.3 、2.0、5.0 kg/m3。fa=0.40與上述的理想狀態(tài)相差很大。三條溝的MLSS分布與設(shè)計(jì)的分布情況有較大差距,這是三溝式氧化溝運(yùn)行及設(shè)計(jì)的一個(gè)主要問(wèn)題。

表2 三溝式氧化溝主要設(shè)計(jì)項(xiàng)目比較

序號(hào)項(xiàng)目本例設(shè)計(jì)邯鄲丹麥krüger設(shè)計(jì)備注1總池容(m3)3×27 4403×20 0002水深(m)3.53.53污泥濃度(kgMLSS/m3)4.04.04水力停留時(shí)間(h)2014.5問(wèn)題15固體停留時(shí)間(d)25(好氧)54(全溝)12(好氧)26(全溝)問(wèn)題26動(dòng)力效率[kgO2/(kW.h)]2.01.647標(biāo)準(zhǔn)需氧量(kg/h)2 436—8曝氣轉(zhuǎn)刷φ1 m×9.0 m共27臺(tái),32 kW24(單速,45 kW)+
18(雙速,45/30 kW)9剩余活性污泥(kgSS/d)6 1006 200

2.3 討論
  通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算的比較可見(jiàn),邯鄲污水處理廠(chǎng)的設(shè)計(jì)中存在兩個(gè)問(wèn)題:首先是停留時(shí)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(shí)際容積利用率低也是一大問(wèn)題。
 ?、佟”纠O(shè)計(jì)水力停留時(shí)間為20 h,這可保證污水的完全硝化反應(yīng)。
 ?、凇】偟耐A魰r(shí)間是20 h,但反應(yīng)時(shí)間僅為11.6 h。帶有二沉池的沉淀時(shí)間一般2.0~3.0 h,但需增加回流污泥和刮泥機(jī)等機(jī)械設(shè)備。這意味著運(yùn)行操作方便、流程簡(jiǎn)化的結(jié)果是用較長(zhǎng)的停留時(shí)間取得的。因此所謂三溝式氧化溝的優(yōu)點(diǎn)也是有一定代價(jià)的,其經(jīng)濟(jì)性是需要仔細(xì)、全面考慮的。
  ③ 設(shè)計(jì)中可看出對(duì)于污泥穩(wěn)定化,原設(shè)計(jì)的污泥齡明顯不足。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也充分證實(shí)了上述的分析。這也說(shuō)明交替運(yùn)行式氧化溝原設(shè)計(jì)的方法,在污泥齡的計(jì)算上是不正確的。從設(shè)計(jì)結(jié)果看,對(duì)于本例非常低的BOD濃度,根據(jù)穩(wěn)定性要求的停留時(shí)間(20 h)是相當(dāng)長(zhǎng)的,因此這種系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性是需要探討的。我國(guó)大部分氧化溝設(shè)計(jì)中不考慮硝化和污泥穩(wěn)定化問(wèn)題,今后設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中是否應(yīng)考慮是需要討論的問(wèn)題。
 ?、堋√岣咴O(shè)備利用率的方法之一是采用Gruger公司的動(dòng)態(tài)順序沉淀(DSS)系統(tǒng)。筆者建議在三溝式氧化溝的設(shè)計(jì)中擴(kuò)大中溝的比例,中溝的容積可占50%~70%或更多(在邊溝較小時(shí),需要校核其沉淀功能可否滿(mǎn)足)。中溝可采用一個(gè)溝或等體積兩個(gè)溝。有效性系數(shù)計(jì)算可采用下面修正公式:
  

式中 Xmi、XS1,2——中溝、邊溝1,2參與反應(yīng)的MLSS濃度
   f——邊溝反應(yīng)時(shí)間與一個(gè)周期時(shí)間比值
   Vmi——中溝的體積
   Vsi——邊溝的體積
  采用上述數(shù)據(jù),則fa分別為0.69和0.80。設(shè)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(hù)科學(xué)研究院

參考文獻(xiàn)

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發(fā)布:2007-07-30 09:40    編輯:泛普軟件 · xiaona    [打印此頁(yè)]    [關(guān)閉]
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