Carrousel氧化溝的脫氮除磷工藝設(shè)計(jì)

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簡(jiǎn)介： 設(shè)置厭氧、缺氧段的Carrousel氧化溝(文中簡(jiǎn)稱(chēng)：A2/C氧 化溝)具有生物脫氮除磷功能，是目前城市生活污水處理的主流工藝之一。結(jié)合工程實(shí)例，從工作原理、工藝設(shè)計(jì)等方面對(duì)A2/C氧化溝進(jìn)行了詳細(xì)介紹，可供從事污水處理工程設(shè)計(jì)的技術(shù)人員參考。
關(guān)鍵字：脫氮除磷 厭氧 缺氧 Carrousel氧化溝

中圖分類(lèi)號(hào)：X703
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)01-0067-04

　　在污水脫氮除磷的工藝設(shè)計(jì)中必須具備厭氧、缺氧、好氧3個(gè)基本條件，但是在實(shí)施過(guò)程中由于所需的處理構(gòu)筑物多、污泥回流量大，從而造成投資大、能耗多、運(yùn)行管理復(fù)雜。A2 /C氧化溝將厭氧、缺氧、好氧過(guò)程集中在一個(gè)池內(nèi)完成，各部分用隔墻分開(kāi)自成體系，但彼此又有聯(lián)系。該工藝充分利用污水在氧化溝內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的特性，把好氧區(qū)和缺氧區(qū)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)無(wú)動(dòng)力回流，節(jié)省了去除硝酸鹽氮所需混合液回流的能量消耗。

1 工藝流程及設(shè)計(jì)

1.1 工藝流程
　　A2/C氧化溝的平面布置如圖1所示。

　　流經(jīng)沉砂池的生活污水與二沉池回流污泥在A2/C氧化溝內(nèi)設(shè)置的圓形混合井進(jìn)行充分混合后進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)Ⅰ。該區(qū)分為3格，每格都設(shè)有水下攪拌器 以防止污泥沉淀。經(jīng)厭氧反應(yīng)后的混合液進(jìn)入缺氧區(qū)Ⅱ，并與由氧化溝Ⅲ 經(jīng)回流 通道Ⅳ進(jìn)入缺氧區(qū)的回流液充分混合，進(jìn)行反硝化脫氮和除磷反應(yīng)。缺氧區(qū)Ⅱ的中間部位設(shè)導(dǎo)流隔墻，并在適當(dāng)位置安裝水下攪拌器，使該區(qū)具有良好的混合與循環(huán)條件。經(jīng)厭氧、缺氧反應(yīng)后的混合液流入氧化溝Ⅲ 進(jìn)行氧化、硝化、反硝化反應(yīng)，氧化溝Ⅲ的充氧機(jī)械采用倒傘形曝氣葉輪，可根據(jù)池內(nèi)DO測(cè)定儀控制調(diào)節(jié)堰出水、改變曝氣葉輪浸水深度以達(dá)到調(diào)節(jié)供氧的目的。處理后的水經(jīng)排出口Ⅴ進(jìn)入二沉池沉淀，其出水中氨氮含量＜15 mg/L，磷含量＜1.0 mg/L。如果要求出水磷含量＜0.5 mg/L，需在工藝流程的適當(dāng)位置投加混凝劑。
1.2 工藝設(shè)計(jì)
　　 A2/C氧化溝主要由3部分組成，即厭氧區(qū)Ⅰ、缺氧區(qū)Ⅱ、 氧化溝區(qū)Ⅲ。其工作原理、計(jì)算方法、設(shè)計(jì)參數(shù)、容積大小等因素的確定是設(shè)計(jì)中要解決的主要問(wèn)題。
1.2.1 厭氧區(qū)Ⅰ
　　在沒(méi)有溶解氧和硝態(tài)氮存在的厭氧條件下，兼性細(xì)菌將溶解性BOD轉(zhuǎn)化成低分子發(fā)酵產(chǎn)物，生物聚磷菌將優(yōu)先吸附這些低分子發(fā)酵產(chǎn)物，并將其運(yùn)送到細(xì)胞內(nèi)、同化成胞內(nèi)碳源存貯物，所需能量來(lái)源于聚磷的水解以及細(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、存貯超出生長(zhǎng)需求的磷量，并合成新的聚磷菌細(xì)胞、產(chǎn)生富磷污泥，通過(guò)剩余污泥的排放將磷從系統(tǒng)中除去。根據(jù)其工作原理，在A2/C氧化溝厭氧區(qū)Ⅰ的設(shè)計(jì)中分3格，第1 格的功能在于使混合液中的微生物利用進(jìn)水中的有機(jī)物去除回流污泥中的硝態(tài)氮，消除硝態(tài)氮對(duì)厭氧區(qū)的不利 影響，保證第2、3格中磷酸鹽的正常釋放。厭氧區(qū)Ⅰ的主要設(shè)計(jì)參數(shù)是混合 液停留時(shí)間。泥水混合液在厭氧區(qū)的停留時(shí)間一般為1～2 h(釋磷量就已達(dá)到可釋磷總量的80%左右)，過(guò)長(zhǎng)的厭氧停留時(shí)間可導(dǎo)致沒(méi)有低分子發(fā)酵產(chǎn)物的磷釋放，使得碳源貯存量不足，不能在好氧區(qū)產(chǎn)生足夠的能量來(lái)吸收所有釋放的磷。對(duì)一般城市生活污水(BOD /TP≥20～25 mg/L、出水磷濃度≤1.0 mg/L)，厭氧區(qū)的停留時(shí)間取1.5 h，據(jù)此可計(jì)算厭氧區(qū)的容積。
1.2.2 缺氧區(qū)Ⅱ
　　泥水混合液由厭氧區(qū)Ⅰ進(jìn)入缺氧區(qū)Ⅱ，一部分聚磷菌利用后續(xù)工藝的混合液(內(nèi)回流帶來(lái)的)中硝酸 鹽作為最終電子受體以分解細(xì)胞內(nèi)的PHB(聚β羥基丁酸)，產(chǎn)生的能量用于磷的吸收和聚磷的合成，同時(shí)反硝化菌利用內(nèi)回流帶來(lái)的硝酸鹽，以及污水中可生物降解的有機(jī)物進(jìn)行反硝化，達(dá)到部分脫碳與脫硝、除磷的目的。缺氧區(qū)容積包括脫硝、除磷兩部分。a.除磷所需容 積：在缺氧條件下聚磷菌吸收磷的速度大于好氧區(qū)的速度，為充分利用這一有利條件，在缺氧區(qū)磷被吸收所需停留時(shí)間一般為0.5～1.0 h；b.脫硝所需容積：缺氧區(qū)反硝化菌利用污水中的有機(jī)物作反硝化碳源，但是其快速生物降解有機(jī)物在厭氧區(qū)已被利用，而在缺氧區(qū)所能 利用的大部分有機(jī)物只能是慢速生物降解有機(jī)物，因此其反硝化速率可參照后續(xù)氧化溝中所采用的數(shù)據(jù)。通過(guò)反硝化速率和確定的混合液MLVSS濃度及要去除的NO₃-N量，可求得脫硝所需容積。
1.2.3 氧化溝區(qū)Ⅲ
　　氧化溝兼有推流型和完全混合型反應(yīng)池兩者的特性，完成一次循環(huán)所需時(shí)間約為5～20 min，而總的停留時(shí)間卻很長(zhǎng)。氧化溝中有好氧、缺氧交替出現(xiàn)的區(qū)域，具有硝化、生物除磷、反硝化的條件。在氧化溝好氧區(qū)聚磷菌除了吸收、利用污水中的可生物降解有機(jī)物外，主要是分解體內(nèi)貯積的PHB，產(chǎn)生的能量可供自身生長(zhǎng)繁殖，此外還可主動(dòng)吸收周?chē)h(huán)境中的溶解磷，并以聚磷的形式在體內(nèi)超量貯積。在剩余污泥中含有大量能超量聚磷的聚磷菌，大大提高了A²/C氧化溝系統(tǒng)的除磷效果。同時(shí)污水中的氨氮被亞硝酸菌、硝酸菌轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，氧化1.0gNH4⁺-N為NO₃-N共耗氧4.57 g，消耗堿度為7.14 g(以CaCO₃ 計(jì))。在缺氧區(qū)反硝化菌利用亞硝酸鹽和硝酸鹽中的N3+和N5+(被還原為N₂) 作為能量代謝中的電子受體，O₂-作為受氫體生成H2O和OH-堿度，有機(jī)物作為碳源及電子供體提供能量并得到氧化穩(wěn)定。將1.0gNO₂-N轉(zhuǎn)化為N2時(shí)消耗有機(jī)物(以BOD計(jì))1.71 g，將1.0gNO₃-N轉(zhuǎn)化為N2時(shí)消耗有機(jī)物(以BOD計(jì))2.86 g，與此同時(shí)產(chǎn)生3.57 g堿度(以CaCO₃計(jì))。氧化溝區(qū)Ⅲ的容積由好氧區(qū)和缺氧區(qū)組成，通過(guò)計(jì)算好氧區(qū)有機(jī)物的去除速率q0和缺氧區(qū)的反硝化速率q1，并根據(jù)已確定的MLVSS濃度可求得好氧和缺氧區(qū)所需容積。
　?、?好氧區(qū)有機(jī)物去除速率q0的確定
　　　　 q0=(μ+k)/y　　　　(1)
　　式中 q0——有機(jī)物去除速率，kgBOD₅/(kgVSS·d)
　　　　　μ——硝化菌比增長(zhǎng)率，d-1，μ=1/θ，θ為污泥齡，d
　　　　　k——異養(yǎng)微生物內(nèi)源衰減系數(shù)，一般取0.05d^-1
　　　　　y——異養(yǎng)微生物的產(chǎn)率系數(shù)，一般取0.6kgVSS/kgBOD₅
　　② 缺氧區(qū)反硝化速率q1的確定

　　　　　　q1=μ1/y1　　　　(2)
　　式中 q1——反硝化速率，一般取0.02 kgNO3-N/kgVSS·d
　　　　 μ1——脫硝菌的生長(zhǎng)率，d-1
　　　　 y1——脫硝菌的產(chǎn)率系數(shù)，kgVSS/kgNO₃-N

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

　　某城市生活污水量Q=15 000m³/d，原水COD=300 mg/L、BOD5=150 mg/L、SS=200 mg/L、TKN=30 mg/L、TP=4.0 mg/L、pH=7～9；設(shè)計(jì)出水水質(zhì)為COD=60 mg/L、BOD5=20 mg/L、SS=20 mg/L、NH+4-N≤5.0 mg/ L、NO₃-N≤10.0 mg/L、TP≤1.0 mg/L。
2.1 氧化溝區(qū)Ⅲ容積的確定
　　① 好氧區(qū)容積
　　V1=好氧區(qū)需要的污泥量/混合液濃度
　　硝化菌的比增長(zhǎng)速率可用下式計(jì)算：

　　μ=0.47 e^0.098(T-15)×［N/(N+10^{0.051T-1.158)}］×［DO/(K₀+DO)］　　(3)

　　當(dāng)最低溫度T=15 ℃、出水NH3-N=5.0 mg/L、DO=2.0 mg/L、K0=1.3時(shí)，μ=0.28d^-1，θ=1/μ=3.6 d，安全系數(shù)取2.5，則設(shè)計(jì)污泥齡為9 .0 d。為保證污泥穩(wěn)定，確定污泥齡為25 d，μ=0.04d^-1。
　　好氧區(qū)有機(jī)物的去除速率
　　q0=(μ+k)/y=0.15 kgBOD5/(kgVSS·d)

　　通過(guò)計(jì)算，則MLSS=4.0kg/m³，MLVSS=2.8kg/m³，好氧區(qū)需要的污泥量 為13 000 kg，好氧區(qū)的容積V1=4 643m³，水力停留時(shí)間t=V1/Q =7.4 h。
　?、?缺氧區(qū)容積
　　V2=脫硝需要的污泥量/混合液濃度
　　假設(shè)生物污泥含12.4%的氮，則每日用于生物合成的N合=每日產(chǎn)生的污泥量×12.4%，而污泥產(chǎn)量=y×Q×ΔBOD5/(1+kθ)=585 kg/d，則N合=72.54 kg/d，進(jìn)水中用于生物合成的氮為4.8mg/L、被氧化的NH+4-N=30-4.8-5.0=20.2 mg/L。
　　脫硝所需NO3-N=20.2-10.0=10.2 mg/L；在15 ℃時(shí)反硝化速率q1=0.02×10-5=0.013 6kgNO₃-N/(kgVSS·d)，需還原的NO3-N=10.2×0.8×(15 000×10^-3)=122.4 kg/d，脫硝所需MLVSS=122.4/0.0136=9000 kg。
　　通過(guò)計(jì)算，缺氧區(qū)容積V2=3 214m³，氧化溝區(qū)Ⅲ容積=V1+V2=7857m³，水力停留時(shí)間t1=12.57 h。
2.2 缺氧區(qū)Ⅱ容積的確定
　　① 除磷所需容積V3：若缺氧區(qū)水力停留時(shí)間取40 min，則V3=417m³。
　?、?脫硝所需容積V4：若需還原的NO3-N=30.6 kg/d，脫硝所需的MLVSS=2250kg，則V4=804m³，缺氧區(qū)Ⅱ容積=V3+V4=1221 m³，水力停留時(shí)間t2=1.95 h。
2.3 厭氧區(qū)Ⅰ容積的確定
　　生物除磷系統(tǒng)的厭氧區(qū)水力停留時(shí)間取1.5 h，所需容積V5=150000×1.5/24=938m³。
2.4 污泥回流比的確定
　　 ① 外回流比R
　　假設(shè)二沉池排放污泥濃度XR=8 000 mg/L，A²/C氧化溝混合液濃度X=4000 mg/L，則R=X/(XR-X)=100%。
　　② 內(nèi)回流比r
　　由氧化溝Ⅳ的通道回流到缺氧區(qū)Ⅱ的回流量為Qr，通道寬度為1.0m、水深為4.0m、流速為0.3 m/s，則Qr=1.2m³/s，最大回流比 r=(1.2×86 400/15 000)×100%=691%，內(nèi)回流量可以通過(guò)安裝在回流通道上的閘板控制。
　　通過(guò)上述計(jì)算可知，A₂/C氧化溝總?cè)莘e為10 016m³，水力停留時(shí)間為16 h，混合液濃度為4 000 mg/L，污泥負(fù)荷為0.05kgBOD₅/(kgMLSS·d)，污泥齡為25d。污泥外回流比R=100%，混合液內(nèi)回流比r=400%～600%。

3 結(jié)語(yǔ)

　?、?A²/C氧化溝利用溝內(nèi)的水力循環(huán)、無(wú)動(dòng)力回流等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似于A²/O工藝，以達(dá)到脫氮除磷的目的。一般城市生活污水若采用A2/C氧化溝處理，可使出水磷濃度＜1.0 mg/L，其他指標(biāo)可達(dá)到GB 8978—1996的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。
　?、?主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定如下：
　　a.厭氧區(qū)容積一般按1.0～2.0 h的水力停留時(shí)間確定。
　　b.缺氧區(qū)容積包括脫硝和除磷兩部分，除磷所需容積一般按0.5～1.0 h水力停留時(shí)間確定，脫硝量可按總脫硝量的15%～20%計(jì)算，反硝化速率計(jì)算可采用后續(xù)好氧區(qū)的數(shù)據(jù)以確定脫硝所需容積。
　　c.氧化溝區(qū)Ⅲ容積包括氧化、硝化、反硝化所需容積。好氧區(qū)有機(jī)物去除速率可用公式q0=(μ+k)/y計(jì)算，反硝化區(qū)的脫硝速率可用公式q1= μ1/y1計(jì)算。
　　d.A²/C氧化溝混合液的濃度一般取3000～4 000 mg/L，污泥負(fù)荷為0.05～0.08kgBOD₅/(kgMLSS·d)，污泥齡為15～30d。

　　電　　話：(0931)8616711×4669 13619365851
　　收稿日期：2001-10-16