Carrousel氧化溝脫氮除磷工藝設計探討

Corrousel氧化溝工藝設計中所涉及的主要參數是：硝化速率、各反應單元的汙泥齡及總汙泥齡、反硝化速率或能力、汙泥產(chan) 率、汙泥負荷、汙泥回流比、大除磷能力、異養(yang) 菌體(ti) 比例、活性汙泥濃度、活性汙泥需氧量、去除BOD5需氧量等。對以上參數計算得正確與(yu) 否將直接影響設計精度及碳化、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 汙泥齡
　　經研究發現，影響除磷效果的因素是活性汙泥中聚磷菌的含量及其對磷的吸收能力，當總汙泥齡為(wei) 8～10d時活性汙泥中的大磷含量為(wei) 其幹汙泥量的4%，為(wei) 異養(yang) 菌體(ti) 質量的11%，但當汙泥齡超過15d時汙泥中大含磷量明顯下降，反而達不到大除磷效果。因此，一味延長汙泥齡(例如20d、25d、30d)是沒有必要的，宜在8～15d範圍內(nei) 選用，終應以各反應階段汙泥齡的計算公式進行校核，當兩(liang) 者接近時說明假定是合理的，反之則需重新假定，直至結果相近為(wei) 止。除磷效果與(yu) 異養(yang) 菌體(ti) 質量和汙泥齡、BOD5去除的關(guan) 係可用下式表示： 

　　　　　　　P0-Pe=0.11ZaLC0·η(1-e-0.24tST)　　　(1)
　　式中 P0-Pe——進、出水磷濃度之差，mg/L
　　　LC0、η——分別為(wei) 進水BOD5濃度及其去除率，mg /L、%
　　　　tST——汙泥齡，d
　　　a——汙泥產(chan) 率，kg TS/kg BOD5
　　　a=0.6(TS0/BOD5+1)-0.072×0.60×1.072(T-15)／［1/tST+0.08×1.072(T-15)］　　　　(2)
　　式中　Z——活性汙泥中異養(yang) 菌體(ti) 重量所占比例，%
　　　　Z=［B-B2-8.33Ns·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負荷，kgBOD5/(kgMLSS·d)
　　　　　　　　　Ns=1/a·tST　　　　　　　　　(5)
　　式中 TS0——進水中懸浮固體(ti) 濃度，mg/L
　　顯而易見除磷效果與(yu) 多項因素有關(guan) ，決(jue) 非為(wei) 假定厭氧區HRT=1.5 h那樣輕而易舉(ju) 可以確定的，且汙泥產(chan) 率也受多項因子的製約，不同的進水水質及汙泥齡和水溫得出的汙泥產(chan) 率不同，因此不是簡單地假定a=0.6所能概括的。
1.1.2 硝酸鹽及基質濃度
　　前置厭氧池有利於(yu) 聚磷菌對汙水中易於(yu) 降解的有機基質的儲(chu) 備和對磷的釋放，加強了在好氧條件下對汙水中磷的吸收。
　　研究同時發現，未進行反硝化或反硝化不充分的高濃度NO3-N的存在將阻礙對磷的釋放，聚磷菌將直接利用有機酸呼吸，由其他異養(yang) 細菌降解有機物，其關(guan) 係式為(wei) ： 

　PF=［a0LC0-2.9(NO3-Np)］f/(1+Rp)　　(6)
　Ｐ0-Pe=1.55e0.2038PF　　(7) 

　　式中　PF——當有NO3-N存在時所能除磷的期望值
　　　　　NO3-Np——[ZK(]進入厭氧池的NO3-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(wei) 進、出水中的NO3-N濃度，mg/L
　　　　f——容積比係數，%
　　　　f=Vp/(Vp+Ｖn+Va)　　　(9)
　　式中　Vp、Vn、Va——分別為(wei) 厭氧區、缺氧區、好氧區反應池容積，m3
　　　　　Rp——至厭氧區之汙泥回流比，%
　　　　a0——進水中易降解BOD5所占比例，
　　　　a0=0.30
　　從(cong) 上述公式可知，在低基質汙水、高NO3-N及高汙泥回流比的條件下，為(wei) 達到同等除磷效果必須通過加大厭氧區容積的措施予以解決(jue) ，因而隨意確定厭氧區的HRT(例如1.0 h、1.5 h等)將事與(yu) 願違。
1.2 影響生物脫氮效果的因素
1.2.1 DO
　　盡管人們(men) 對好氧區中伴隨反硝化作用的發生具有濃厚的興(xing) 趣，但並不認為(wei) 當好氧區的DO達2～4mg/L時以及在強烈的空氣擾動下阻礙活性汙泥絮體(ti) 直徑的增大也會(hui) 帶來反硝化作用。同時研究結果表明，當好氧區DO保持在0.5～0.7mg/L時才會(hui) 產(chan) 生有限的反硝化作用(總氮去除率達65%左右)。這一發現與(yu) 以往的研究成果一致，即活性汙泥在DO存在時異養(yang) 細菌將優(you) 先利用DO作為(wei) 終電子受體(ti) ，隻有在缺氧環境中(僅(jin) 有NO3-存在時)才有可能利用NO3-被降解時釋放出的氧來降解有機物。
　　 因A2/O係統大量的內(nei) 回流而導致缺氧區DO增高影響脫氮效果的事實已被大家認同。因此，在前置缺氧區的氧化溝內(nei) 設置適當的(不宜過大)反硝化段(見圖1)以預先削減來自好氧段的DO，再以無動力回流至前置缺氧區是必要的。 

1.2.2 碳源及硝酸鹽含量
　　當有足夠的碳源存在時(前置反硝化)脫氮反應過程迅速，所需反硝化容積小；但當內(nei) 源呼吸時(同步反硝化)脫氮反應過程緩慢，所需反硝化容積大，其關(guan) 係可用增速係數K=［Vn/(Va+Vn)］-0.235表示。
　　從(cong) 有機物的降解反應和活性汙泥的脫氮反應式可以看出，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(hui) 影響反硝化能力。為(wei) 達到設計脫氮量，在不另加碳源的情況下，在有限的範圍內(nei) 可加大反硝化容積來解決(jue) (反硝化速度決(jue) 不單是水溫的函數)，其關(guan) 係可用下式表示：
[NO3-Nn］/[BODs］=0.75×0.80Oc／2.9 ×(Vn/Va+Vn)　　　(10)
　　或：
　　　　［NO3-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)適用於(yu) 同步反硝化，式(11)適用於(yu) 前置反硝化。
　　　　　Oc=OR/Ns　　　(12)
　　式中 OR——單位活性汙泥需氧量，kgO2/(kgMLSS·d)
　　　　OR=0.5η·Nv+0.24Z·MLSS·1.072(T-15)　　　(13)
　　式中Nv——ＢＯＤ5容積負荷，kgBOD5/(m3·d)
　　　　NO3Nn——能提供給反硝化區的硝酸鹽濃度，mg/L
　　　　　NO3-Nn=TN0-TNe-Nus-Nes　　　(14)
　　式中 TN0、TNe——分別為(wei) 進、出水中總氮濃度，mg/L
　　　　Nus、Nes——分別為(wei) 排出剩餘(yu) 汙泥中氮合成濃度和出水懸浮濃度中含氮量，mg/L
　　　　　Nus=0.12Z(Lc0-Lr)　　　(15)
　　　　　Nes=0.125Z·Lse　　　　　(16)
　　式中 LC0、Lse——分別為(wei) 出水中BOD5懸浮物濃度，mg/L
　　　　　Lr=Lce=se·1.42(1-e-k1t)　　　　(17) 
1.3 影響好氧硝化效果的因素
1.3.1 硝化速率與(yu) 水溫、堿度關(guan) 係
　　研究表明，硝化速率不僅(jin) 是汙水水溫的單一函數，且受DO、堿度的影響。通常情況下硝化反應池內(nei) 保持DO在2mg/L左右是可以實現的，不會(hui) 對硝化速率產(chan) 生明顯的影響，主要問題是當進水溫度＜20℃、堿度低(pH＜8.0～8.4)時將會(hui) 對硝化速率構成影響，其關(guan) 係可用下式表示：
　　　　　μn(T·pH)=［μmax(20℃)·100.033(T-20)］／［1+0.04(10pH0-pH-1)］　　　　　　(18)
　　式中 μmax(20℃)——當水溫為(wei) 20℃時的大硝化速率，d-1；取μmax(20℃)=0.3～0.4d-1
　　　　　　pH、pH0——分別為(wei) 進水和佳酸堿度，當pH0=8.0～8.4時μmax(pH0)=1d-1
　　按式(18)計算的硝化速率即為(wei) 設計采用值，無需按假定的汙泥齡推算硝化速率，以避免假定不合理而產(chan) 生任意性。
1.3.2 硝化汙泥齡及NH3-N與(yu) 硝化速率的關(guan) 係
　　通常當硝化速率確定之後取其倒數作為(wei) 硝化汙泥齡似乎是合理的，但由於(yu) 目前均采用單一水溫函數關(guan) 係推求μn，一旦不能滿足設計者的要求時，甚至會(hui) 出現以穩定汙泥為(wei) 理由無限加大汙泥齡(例如25、30d等)的問題，這將意味著無限製地增大氧化溝好氧區容積，故推薦采用下列公式推算硝化汙泥齡：
　　　　E=1-[100.051T-1.156／(NH3-N)0［tSN·μ n(T·pH)-1］　　　　(19)
　　式中　tSN——硝化汙泥齡，d
　　　　E——NH3-N去除率，%
　　　　　(NH3-N)0——進水中NH3-N濃度，mg/L 

2 反應池容積計算 

　　以生物除磷脫氮為(wei) 目標的反應池包括厭氧池、缺氧池和好氧池三部分(或區)，為(wei) 便於(yu) 比較，本文也按兩(liang) 個(ge) 缺氧區計算：一部分(完成80%的反硝化)設在氧化溝的後段，該部分容積按同步反硝化方法計算；另一部分(完成20%的反硝化)設在厭氧池之後，該部分容積按前置反硝化方式計算。各區段所需汙泥齡與(yu) 相應階段容積比的關(guan) 係可用以下聯合公式表示： 

　　　　tSR=tSN·［（Vn+Va）／Va]　　　　 　　　　　　　　　　(20)
　　　tSP=tSR·［（Vn+Va+VP）／（Vn+Va）］　　　　　(21)
　　　tST=tSP·［（Vn+Va+Vp+Vd）／（Vn+Va+Vp）］　　　(22)
　　式中 tSN、tSR、tSP、tST——分別為(wei) 硝化、反硝化、厭氧階段汙泥齡及總汙泥齡，d
　　　　　　　　　　　　Vd——二沉池容積，m3；HRT≤3.0 h
　　氧化溝好氧區容積也可按下式計算：
　　　　Va=［KaQ(LC0-Ｌr)／(Ns·MLSS)]　　　　　 (23)
　　式中 Q——處理汙水量，m3/d
　　　　 K——變化係數 

3 工程算例 

　　為(wei) 便於(yu) 比較，設計基本條件及工藝同引文。處理水量Q=15000m3/d(不考慮變化係數)，進、出水水質見表1。 

　　設計參數及結果見表2。 

4 工藝設計優(you) 化及討論 

　　從(cong) 表2可知，引文中總有效反應池容積為(wei) 10016m3(HRT=16.0h)，本文為(wei) 10394m3(HRT=16.6h)，即總反應池容積比較接近，但從(cong) 各功能反應區的容積來看則差別甚大，從(cong) 而可能導致好氧硝化、厭氧釋磷不*(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(wei) 避免此種結果的發生，提出以下幾點改進建議：
　　① 宜按照本文提出的公式，緊密結合進、出水質進行各項設計參數的計算，防止假定的任意性；
　　② 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，二是防止過多的汙泥回流至厭氧池；
　　③ 如果在氧化溝內(nei) 不設反硝化段，或者隻承擔反硝化的20%，將80%改由前置缺氧池承擔以得到充足的碳源，進一步減少缺氧池容積則有利於(yu) 降低出水NO3-N濃度；
　　④ 可將圖1工藝改為(wei) 60%的汙泥回流至厭氧池，40%回流至缺氧池，這樣既可同時滿足厭氧、好氧段對活性汙泥的需求，又能達到預期的處理效果；
　　⑤ 將表麵曝氣機改為(wei) 轉碟曝氣機，以提高溶氧效率和有效水深，並減小占地麵積。