北方某一污水廠卡魯塞爾氧化溝系統(tǒng)的設(shè)計

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　　北方某城市污水處理廠，設(shè)計水量3000m3／d，設(shè)計最低水溫10℃，ρ（COD）≤350mg／L，ρ（BOD5）≤140mg／L，可采用卡魯塞爾氧化溝進(jìn)行污水的脫氰除磷處理。在分析、介紹卡魯塞爾氧化溝設(shè)計的基礎(chǔ)上，還得出以下設(shè)計經(jīng)驗：氧化溝中間隔墻與曝氣機(jī)葉輪邊緣的距離宜為80-100mm，氧化溝液面距曝氣機(jī)基礎(chǔ)平臺的高度莊為1.45m，曝氣機(jī)的防凍可采取保溫房或通蒸汽加熱的方法。

　　隨著出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，越來越多的新建污水處理廠要求采用脫氮除磷工藝。本文針對北方某一污水處理工程采用Carrousel（卡魯塞爾）氧化溝脫氮除磷，介紹了該廠工藝計算、設(shè)備、儀表選型等。

　　1、設(shè)計參數(shù)及污水處理工藝流程的確定

　　進(jìn)出水水質(zhì)參數(shù)見表1.

　　                             表1設(shè)計水質(zhì)

　　該廠位于北緯38.5度，東經(jīng)106.2度，海拔1100m.該地區(qū)一月份平均最高氣溫-1.2℃，最低氣溫-14.3℃，降雨量1.2mm；7月份平均最高氣溫29.3℃，最低氣溫17.7℃，降雨量42.2mm，冬夏溫差較大。

　?、儆蛇M(jìn)水水質(zhì)可知：m（BOD）／m（COD）：0.4＞0.3，生化性較好；

　?、诶碚撋蟤（BOD）／m（TN）＞2.86時反硝化過程才能進(jìn)行，實際運(yùn)行要求m（BOD）／m（TN）應(yīng)大于3.本工程m（BOD）／m（NH3-N）=4.67＞4，因此可采用脫氮工藝；

　?、圻M(jìn)水中的BOD是作為營養(yǎng)物質(zhì)供給聚磷菌活動的基質(zhì)，故m（BOD）／m（TP）是衡量能否達(dá)到除磷的重要指標(biāo)，一般認(rèn)為該值大于20，比值越大，除磷效果越明顯。本工程m（BOD）／m（TP）=30-45，可采用生物除磷工藝。處理工藝流程見圖1。

污水處理工藝流程圖
 

 　2、構(gòu)筑物設(shè)計與技術(shù)說明

　　設(shè)計采用兩組脫氮除磷氧化溝系統(tǒng)。

　　2.1選擇池容積的確定

　　由于選擇池內(nèi)基質(zhì)濃度梯度大，菌膠團(tuán)的基質(zhì)利用速率要高于絲狀菌，因此絲狀微生物難以生存，數(shù)量逐漸減少。經(jīng)過該部分的接觸，可通過選擇器對微生物進(jìn)行選擇性培養(yǎng)以防止污泥膨張娩枝生，污泥的沉降性能將會锝到很大提高。同時，在選樣池中氧的質(zhì)量濃度為零，二沉池回流污泥中的微量硝酸鹽能很快地被去除，消除了對磷去除的不利影響。本工藝還具有將二沉池回流污泥按比例分配到選擇池和厭氧池的功能，可有，效保證在實際運(yùn)行中進(jìn)水水質(zhì)波動時除磷對有機(jī)物的需求。

　　選擇池工藝尺寸L×B×H=9.0m×5.5m×5.0m，超高1.0m。

　　2.2厭氧池容積的確定

　　泥水混合液由選擇池進(jìn)入?yún)捬醭?，在沒有溶解氧和硝態(tài)氮存在的厭氧條件下，兼性細(xì)菌可將溶解性BOD轉(zhuǎn)化成低分子發(fā)酵產(chǎn)物，聚磷菌將優(yōu)先吸附這些低分子發(fā)酵物，并將其運(yùn)送到細(xì)胞內(nèi)、同化成細(xì)胞內(nèi)碳源存儲物、所需能量來源于聚磷的水解及細(xì)胞內(nèi)糖的水解，并導(dǎo)致磷酸鹽的釋放。經(jīng)厭氧狀態(tài)釋放磷酸鹽的聚磷菌在好氧狀態(tài)下具有很強(qiáng)的吸磷能力，吸收、存儲超出生長需求的磷量，并合成新的聚磷菌細(xì)胞、產(chǎn)生富磷污泥，最終通過剩余污泥的排放將磷從系統(tǒng)中除去。一般污水在厭氧段停留1.0—2.0h就可以使磷的釋放達(dá)約80％，此后磷的釋放將會很緩慢，因此本工程設(shè)計厭氧停留時間為1.5h。

　　厭氧池工藝尺寸：L×B×H=9.0m×5.5m×5.0m，超高0.5m。設(shè)計選擇池與厭氧池合建。

　　2.3氧化溝容積的確定

　　以動力學(xué)計算方法為主，并用污泥齡法（德國目前使用的ATV標(biāo)準(zhǔn)中的計算公式）及污泥負(fù)荷法校核。

　　2.3.1好氧區(qū)容積

　　①確定出水中溶解性BOD含量，使出水中BOD的質(zhì)量濃度為20mg／L.

　　溶解性ρ（BOD）=6.4mg／L，其中設(shè)BOD速率常數(shù)為0.23d-1。

　　則需要去除的BOD質(zhì)量濃度△S=140-6.4=133.6mg／L。

　?、谖勰帻gθc是根據(jù)理論同時參照經(jīng)驗確定。在有硝化的污水處理廠，泥齡必須大于硝化菌的世代周期，設(shè)計通常采用一個安全系數(shù)，以應(yīng)付高峰流量，確保硝化作用的進(jìn)行，其計算式為：θc=S.F（1／μ0）（1）

　　式中：μ0——硝化菌比生長速率，d-1，μ0=0.47×e0.098（t-15）×[ρ（N）+10（0.05×T-1.158））×[ρ（DO）／（Ko+ρ（DO））]，其中ρ（N）=15mg／L、溶解氧ρ（D0）=2mg／L、氧的半速常數(shù)Ko取1.3。

　　S.F——安全系數(shù)，取值范圍2.0-3.0，考慮北方地區(qū)氣溫較低，本設(shè)計取3.0.

　　計算得出設(shè)計污泥齡θc為17.5d（10℃），本工程確定污泥齡為18d。

　　污泥自身氧化速率Kd取0.05，污泥產(chǎn)率系數(shù)Y=0.6kg[VSS]/kg[BOD]，混合液懸浮固體的質(zhì)量濃度X=ρ[MISS]=4000mg／L，f=ρ[MLVSS]／ρ[MLSS]=0.75，則好氧區(qū)容積V1=（Y×θc×Q×△S）/ρ[MLVSS]×（1+Kd×θc）]=3797m3，其中Q為水量。

　　水力停留時間t1=V1／Q=6.08h。

　　2.3.2缺氧區(qū)容積

　　缺氧區(qū)容積V2=脫硝需要的污泥量（VX）dn／混合液中ρ[MLVSS]。

　　需要去除的氮量△N為：

　　△N=ρ（NO）-ρ（Ne）-△X×ψN=9.77mg／L

　　式中：ρ（NO），ρ（Ne）——進(jìn)、出水總氮的質(zhì)量濃度，mg／L；

　　△X——生物污泥產(chǎn)量，△X=Q×△S×[Y/（1+Kd×θc）]=632.84kg／d

　　ψN——生物污泥中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取12.4％。

　　由需要去除的氮量，確定反硝化污泥量：（VX）dn=△NQ／qdn=1750.6kg／d

　　式中：（VX）dn——參與脫氮反應(yīng)的污泥量，kg／d；

　　qdn——脫氮負(fù)荷，kg[NO3-N]／[kg[MLVSS]·d]；

　　T=10℃時，qdn=0.02×1.08（T-20）=0.0093kg[NO3-N]／[kg[MLVSS]·d]；

　　由此計算出缺氧區(qū)的容積V2=（VX）dn/ρ[MLVSS]=5251.9m3，水力停留時間t2=V2／Q=8.40h；

　　則氧化溝好氧區(qū)加缺氧區(qū)之和V總=V1+V2=9048.9m3，水力停留時間t=V總／Q=14.48h.前置反硝化區(qū)容積V3按完成20％反硝化和取40min除磷所需容積計算，即V3=1467m3，占氧化溝池容的16％，水力停留時間t3=2.35h.內(nèi)回流比取100％-400％。

　　氧化溝總池容為9203m3，水力停留時間t=14.7h，污泥負(fù)荷=0.0726kg[BOD]／[kg[VSS]·d].

　　2.3.3氧化溝池容校核——污泥齡法

　　由德國目前使用的ATV標(biāo)準(zhǔn)中的計算公式可知剩余污泥產(chǎn)率（每去除1kgBOD產(chǎn)生的剩余污泥量）取決于曝氣池進(jìn)水SS與BOD的質(zhì)量比、水溫、污泥泥齡等因素：

　　污泥產(chǎn)率系數(shù)Y=K×0.6[m（SS）／m（DOD）+1]—（O.072×0.6×θcX×1.072（T-15））／（1+0.08θc×1.072（T-15））=1.055kg[SS]／[kg（BOD]·d]

　　其中修正系數(shù)K取0.9，θc=18d.ρ（MISS）=4000mg／L，T=10℃，則V=24×Q×θc×Y×△S／ρ（MLSS）=9371m3，水力停留時間t=14.9h（包括缺氧區(qū)）。污泥負(fù)荷=0.071kg[BOD]／[ks[VSS]·d]，在0.05-0.15kg（BOD）／[kg[VSS]·d]范圍內(nèi)。

　　由污泥齡法計算出的污泥負(fù)荷與動力學(xué)計算方法基本一致，故此設(shè)計合理。

　　2.3.4氧化溝需氧量的確定

　　在氧化溝系統(tǒng)中，考慮以下幾個過程的需氧量：總需氧量（D）=氧化有機(jī)物需氧+細(xì)胞內(nèi)源呼吸需氧+硝化過程需氧—脫氮過程產(chǎn)氧

　　計算得出需氧量AOR=205kg／h，利用下列公式轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)需氧量（SOR）。

　　SOR=AOR×Cs（20）／[α×β×ρ×Cs（T）-C×1.024（T-20）]

　　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，取0.9；

　　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，取0.97；

　　ρ——大氣壓修正參數(shù)，海拔1100m時大氣壓為88300Pa；（ρ=88300／101300=0.8715）

　　Cs（T）——溫度T時飽和溶解氧。

　　計算得出SOR=358Kg[O2]／h.曝氣機(jī)動力效率?。?.1kg[O2]／kW；

　　需配置功率數(shù)（N）=358/2.1=170.4KW.

　　3、設(shè)備選型及說明

　　3.1選擇池及厭氧池

　　為滿足選擇池內(nèi)污水與二沉池回流污泥快速混合的需求，設(shè)計攪拌功串密度為13W／m3（一般在10-15W／m3）。采用2臺型號為GQT015×325（功率=1.5kW）的潛水高速推進(jìn)器，有效攪拌混合和防止顆粒狀雜物在池壁或池底沉積。在選擇池中還配置有型號為L3100的全不銹鋼污泥分配槽，調(diào)節(jié)范圍20％-100％（以20％為一檔），采用手動控制方式。

　　厭氧池為防止污泥沉降及保證≥0.3m／s的流速，設(shè)汁攪拌功率密度為8.5W／m3（一般在7.0-9.0W／m3），采用2臺GOT040×480（功率=4.0kW）的潛水高速推進(jìn)器。

　　3.2氧化溝前置反硝化段

　　該段對攪拌器功能要求以推流為主，設(shè)計采用2臺DOT055×1800（功率=5.5kW）的潛水低速推進(jìn)器，功率密度7.4W／m3（一般在6.5—8.5W／m3）?；旌弦夯亓髦裂趸瘻现黧w內(nèi)采用LB4.0×1.2型的內(nèi)回流控制閘門，控制范圍：100％=600％。

　　3.3氧化溝主體反應(yīng)區(qū)

　　3.3.1根據(jù)計算，本工程選用90kW，DS350型大倒傘表面曝氣機(jī)兩臺，總供氧量（以O(shè)2計，下同）90×2.1×2=378kg／h，氧富余20kg／h.從節(jié)能方面考慮采用一臺變速曝氣機(jī)（充氧量90-189中h）、一臺恒速曝氣機(jī)（充氧量189kg／h）。根據(jù)水力模型數(shù)據(jù)，氧化溝溝寬與倒傘直徑的最佳比例為2.2-2.4倍，溝深與直徑的比例約為1.1-1.2倍，在此條件下，曝氣機(jī)可達(dá)到最佳的椎流及曝氣效果。本工程曝氣機(jī)葉輪直徑D=3500mm，確定氧化溝最佳溝寬：B=8.0m、有效水深h=4.2m.則氧化溝主體工藝尺寸為L×W=74.0×32m（分4廊道），超高600mm。

　　3.3.2在氧化溝中，彎道的水頭損失占全部水頭損失的90％以上，為防止外溝彎道發(fā)生污泥沉淀，確定在該處設(shè)置DQT055×1800型潛水低速推進(jìn)器2臺，功率5.5kW，位于出水堰下游，為避免由于底部水流攪動帶動較高濃度的污水上翻，影響出水水質(zhì)，采用DY5000型出水堰，可調(diào)范圍500mm。

　　校核氧化溝內(nèi)功率密度=N／V=（180+5.5×4）×1000／9203=21.9kW／m3，在15-25kW／m3范圍內(nèi)，可同時滿足充氧及推流、攪拌的功能。

　　氧化溝平面布置見圖2。

氧化溝平面布置結(jié)構(gòu)示意圖
 

   4、儀表選型及說明

　　4.1選擇池

　　設(shè)置一臺MLSS在線檢測儀，用于控制并保證進(jìn)入氧化溝系統(tǒng)的污泥質(zhì)量濃度在2500-4500ms／L范圍內(nèi)，并與二沉池回流污泥管道上的電磁流量計組成控制回路。

　　4.2厭氧池

　　設(shè)置一臺DO計及ORP儀，對厭氧進(jìn)行在線檢測，分析是否存在磷的釋放和吸收；同時通過厭氧段的ORP（氧化還原電位）值的變化及NO3——N的質(zhì)量濃度來調(diào)整污泥回流比，使厭氧池處于厭氧環(huán)境。

　　4.3前置反硝化區(qū)

　　設(shè)置一臺MISS計用于在線檢測缺氧區(qū)的污泥濃度；一臺ORP儀與內(nèi)回流控制閘門組成閉環(huán)控制，通過ORP檢測數(shù)值確定內(nèi)回流閘門的開啟角度，從而有效保證反硝化處理效果。

　　4.4氧化溝主體區(qū)

　　根據(jù)工藝要求，氧化溝前置反硝化區(qū)應(yīng)保證為缺氧狀態(tài)才能達(dá)到預(yù)期的反硝化處理效果，因此，進(jìn)水端的曝氣機(jī)在進(jìn)行充氧的同時應(yīng)盡量避免對內(nèi)回流混合液溶解氧的影響，奉工程在該處設(shè)置一臺DO計，可根據(jù)其測得的溶解氧數(shù)據(jù)，與變頻曝氣機(jī)組成閉環(huán)控制回路，通過改變曝氣機(jī)的轉(zhuǎn)速使其達(dá)到最佳工況。出水端為有效保證溶解氧≥2mg／L以防止二沉池污泥厭氧放磷，該處曝氣機(jī)為恒速，并設(shè)置在線檢測DO計一臺。同時，氧化溝中還設(shè)置了一臺MISS計，在線檢測污泥濃度。

　　5、注意事項

　　對曝氣機(jī)進(jìn)行平面布置時，若氧化溝中間隔墻與葉輪邊緣間距設(shè)計過小，則在實際運(yùn)行過程中容易導(dǎo)致曝氣機(jī)電流不穩(wěn)、波動較大；間距過大，則會在空隙間產(chǎn)生二次回水，造成充氧利用率降低。結(jié)合理論與工程實際，應(yīng)采用80-150mm之間，以改善水流流態(tài)。

　　為保證氧化溝系統(tǒng)在寒冷條件下能夠穩(wěn)定運(yùn)行，防止曝氣機(jī)葉輪和軸在嚴(yán)寒氣候下產(chǎn)生冰棱，可對曝氣機(jī)設(shè)備平臺底部通人蒸汽管道進(jìn)行局部加溫。