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Carrousel氧化溝的脫氮除磷工藝設計
摘要： 設置厭氧、缺氧段的Carrousel氧化溝(文中簡稱：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。結合工程實例，從工作原理、工藝設計等方面對A2/C氧化溝進行了詳細介紹，可供從事污水處理工程設計的技術人員參考。
關鍵詞： 脫氮除磷 厭氧 缺氧 Carrousel氧化溝
中圖分類號：X703
文獻標識碼：C
文章編號：1000-4602(2002)01-0067-04
在污水脫氮除磷的工藝設計中必須具備厭氧、缺氧、好氧3個基本條件，但是在實施過程中由于所需的處理構筑物多、污泥回流量大，從而造成投資大、能耗多、運行管理復雜。A2 /C氧化溝將厭氧、缺氧、好氧過程集中在一個池內完成，各部分用隔墻分開自成體系，但彼此又有聯(lián)系。該工藝充分利用污水在氧化溝內循環(huán)流動的特性，把好氧區(qū)和缺氧區(qū)有機結合起來，實現(xiàn)無動力回流，節(jié)省了去除硝酸鹽氮所需混合液回流的能量消耗。
1 工藝流程及設計
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氧化溝內設置的圓形混合井進行充分混合后進入?yún)捬鯀^(qū)Ⅰ。該區(qū)分為3格，每格都設有水下攪拌器 以防止污泥沉淀。經(jīng)厭氧反應后的混合液進入缺氧區(qū)Ⅱ，并與由氧化溝Ⅲ 經(jīng)回流 通道Ⅳ進入缺氧區(qū)的回流液充分混合，進行反硝化脫氮和除磷反應。缺氧區(qū)Ⅱ的中間部位設導流隔墻，并在適當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、缺氧反應后的混合液流入氧化溝Ⅲ 進行氧化、硝化、反硝化反應，氧化溝Ⅲ的充氧機械采用倒傘形曝氣葉輪，可根據(jù)池內DO測定儀控制調節(jié)堰出水、改變曝氣葉輪浸水深度以達到調節(jié)供氧的目的。處理后的水經(jīng)排出口Ⅴ進入二沉池沉淀，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位置投加混凝劑。
1.2 工藝設計
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、計算方法、設計參數(shù)、容積大小等因素的確定是設計中要解決的主要問題。
1.2.1 厭氧區(qū)Ⅰ
在沒有溶解氧和硝態(tài)氮存在的厭氧條件下，兼性細菌將溶解性BOD轉化成低分子發(fā)酵產物，生物聚磷菌將優(yōu)先吸附這些低分子發(fā)酵產物，并將其運送到細胞內、同化成胞內碳源存貯物，所需能量來源于聚磷的水解以及細胞內糖的水解，并導致磷酸鹽的釋放。經(jīng)厭氧狀態(tài)釋放磷酸鹽的聚磷菌在好氧狀態(tài)下具有很強的吸磷能力，吸收、存貯超出生長需求的磷量，并合成新的聚磷菌細胞、產生富磷污泥，通過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的設計中分3格，第1 格的功能在于使混合液中的微生物利用進水中的有機物去除回流污泥中的硝態(tài)氮，消除硝態(tài)氮對厭氧區(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的主要設計參數(shù)是混合 液停留時間。泥水混合液在厭氧區(qū)的停留時間一般為1～2 h(釋磷量就已達到可釋磷總量的80%左右)，過長的厭氧停留時間可導致沒有低分子發(fā)酵產物的磷釋放，使得碳源貯存量不足，不能在好氧區(qū)產生足夠的能量來吸收所有釋放的磷。對一般城市生活污水(BOD /TP≥20～25 mg/L、出水磷濃度≤1.0 mg/L)，厭氧區(qū)的停留時間取1.5 h，據(jù)此可計算厭氧區(qū)的容積。
1.2.2 缺氧區(qū)Ⅱ
泥水混合液由厭氧區(qū)Ⅰ進入缺氧區(qū)Ⅱ，一部分聚磷菌利用后續(xù)工藝的混合液(內回流帶來的)中硝酸 鹽作為最終電子受體以分解細胞內的PHB(聚β羥基丁酸)，產生的能量用于磷的吸收和聚磷的合成，同時反硝化菌利用內回流帶來的硝酸鹽，以及污水中可生物降解的有機物進行反硝化，達到部分脫碳與脫硝、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物作反硝化碳源，但是其快速生物降解有機物在厭氧區(qū)已被利用，而在缺氧區(qū)所能 利用的大部分有機物只能是慢速生物降解有機物，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池兩者的特性，完成一次循環(huán)所需時間約為5～20 min，而總的停留時間卻很長。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物外，主要是分解體內貯積的PHB，產生的能量可供自身生長繁殖，此外還可主動吸收周圍環(huán)境中的溶解磷，并以聚磷的形式在體內超量貯積。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。同時污水中的氨氮被亞硝酸菌、硝酸菌轉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)。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轉化為N2時消耗有機物(以BOD計)1.71 g，將1.0gNO3-N轉化為N2時消耗有機物(以BOD計)2.86 g，與此同時產生3.57 g堿度(以CaCO3計)。氧化溝區(qū)Ⅲ的容積由好氧區(qū)和缺氧區(qū)組成，通過計算好氧區(qū)有機物的去除速率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)有機物去除速率q0的確定
q0=(μ+k)/y (1)
式中 q0——有機物去除速率，kgBOD5/(kgVSS·d)
μ——硝化菌比增長率，d-1，μ=1/θ，θ為污泥齡，d
k——異養(yǎng)微生物內源衰減系數(shù)，一般取0.05d-1
y——異養(yǎng)微生物的產率系數(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——脫硝菌的生長率，d-1
y1——脫硝菌的產率系數(shù)，kgVSS/kgNO3-N
2 設計實例
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；設計出水水質為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
?、?好氧區(qū)容積
V1=好氧區(qū)需要的污泥量/混合液濃度
硝化菌的比增長速率可用下式計算：
μ=0.47 e0.098(T-15)×［N/(N+100.051T-1.158)］×［DO/(K0+DO)］ (3)
當最低溫度T=15 ℃、出水NH3-N=5.0 mg/L、DO=2.0 mg/L、K0=1.3時，μ=0.28d-1，θ=1/μ=3.6 d，安全系數(shù)取2.5，則設計污泥齡為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)有機物的去除速率
q0=(μ+k)/y=0.15 kgBOD5/(kgVSS·d)
通過計算，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
假設生物污泥含12.4%的氮，則每日用于生物合成的N合=每日產生的污泥量×12.4%，而污泥產量=y×Q×ΔBOD5/(1+kθ)=585 kg/d，則N合=72.54 kg/d，進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。
通過計算，缺氧區(qū)容積V2=3 214m3，氧化溝區(qū)Ⅲ容積=V1+V2=7857m3，水力停留時間t1
=12.57 h。
2.2 缺氧區(qū)Ⅱ容積的確定
?、?除磷所需容積V3：若缺氧區(qū)水力停留時間取40 min，則V3=417m3。
② 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%。
?、?內回流比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%，內回流量可以通過安裝在回流通道上的閘板控制。
通過上述計算可知，A2/C氧化溝總容積為10 016m3，水力停留時間為16 h，混合液濃度為4 000 mg/L，污泥負荷為0.05kgBOD5/(kgMLSS·d)，污泥齡為25d。污泥外回流比R=100%，混合液內回流比r=400%～600%。
3 結語
?、?A2/C氧化溝利用溝內的水力循環(huán)、無動力回流等特點，實現(xiàn)了類似于A2/O工藝，以達到脫氮除磷的目的。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，其他指標可達到GB 8978—1996的一級排放標準。
② 主要設計參數(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水力停留時間確定，脫硝量可按總脫硝量的15%～20%計算，反硝化速率計算可采用后續(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)有機物去除速率可用公式
q0=(μ+k)/y計算，反硝化區(qū)的脫硝速率可用公式q1= μ1/y1計算。
d.A2/C氧化溝混合液的濃度一般取3000～4 000 mg/L，污泥負荷為0.05～0.08kgBOD5/(kgMLSS·d)，污泥齡為15～30d。