（环境工程专业论文）三沟式氧化沟污泥浓度变化的研究.pdf

中文摘要 摘要 自从三沟式氧化沟污水处理工艺于二十世纪八十年代被引进我国后，其工艺 流程简单、能连续处理污水而不需设置二沉池，所需附属构( 建) 筑物少，管理 少，采用序批式处理流程控制对进出水水质指标适应性强，占地少，具有较好的 脱氮效果等优点，在污水处理工程中应用较广。 为了进一步探索三沟式氧化沟在污水处理工程中的应用，国内一些学者对三 沟式氧化沟设计计算方面存在的问题进行了研究，一些使用单位也对实际运行情 况进行了测定，指出了三条沟中污泥浓度的分布在原设计计算与实际情况存在着 重大差异，对有效污泥量的取值也需进行重新界定。一些研究文章还提出了污泥 浓度分布与运行模式有关的观点，并提出将剩余污泥的排放由中沟改在边沟的建 议。 作者结合我国现有采用三沟式氧化沟工艺进行城市污水处理的最大规模的城 市污水处理厂深圳市罗芳污水处理厂工程设计的需要，查阅了大量的有关三 沟式氧化沟工艺介绍、设计计算、工程实例、运行测定等方面的资料，认为在目 前对该工艺研究的基础上，还应该对工艺的基础问题污泥浓度的分布情况， 特别是不同运行模式对污泥浓度分布的影响，进行更为详细的研究。 为了更好地指导深圳市罗芳污水处理厂的工程设计，也为了提高三沟式氧化 沟设计的整体水平，j - r 展了三沟式氧化沟污泥浓度分布情况的研究，本研究采用 数学分析的方法建立了三淘式氧化沟污泥浓度变化的数学模型，根据数学模型编 写了计算机程序，对三沟式氧化沟内的污泥浓度变化情况进行动态模拟。 本研究确定了三沟式氧化沟的有效活性污泥量，确定了影响中沟及边沟污泥 浓度均匀性的阕素，确定了好氧和缺氧活性污泥数量，研究了1 i 同运行模式对污 泥浓度分前i 的影响，总结了将剩余污泥排放点由中沟改至边沟的有利因素等。 经过研究奉论文得出如下主要结论： 1 总体上讲三沟式氧化沟内污泥浓度呈指数曲线变化，可以用一个通式 s = a e 。d + b t e 。d + c 表示，其中的系数町以由本文采用比较系数法确定。 2 可以采用一些新的运行模式米降低三沟式氧化沟现有运行模式的沉淀污泥 缺氧反硝化风险。 3 三沟式氧化沟中沟和边沟的污泥浓度比值不是固定的，与运行模式有关， 只要运行时段的划分发生了改变，边沟与中沟的污泥浓度的比值也就随之改变， 其比值的变化范围为2 3 5 2 9 l 。 重庆大学硕i ：学仿论文 4 三沟式氧化沟的设备利用率介于5 0 5 3 之间，与运行模式有关。 5 i 沟式氧化沟的有效活性污泥量大约在4 3 4 4 左右，一般可取4 4 。 6 好氧活性污泥占整个有效活性污泥的比例约为2 3 ，缺氧活性污泥约占 1 3。 7 将剩余污泥的排放点改在边沟足十分必要的。 关键词：三沟式氧化沟，污泥浓度，数学模型，运行模式，剩余污泥排放点 英文摘要 a b s t r a c t t h eo x i d a t i o nd i t c hth a sb e e na p p l i e dw i d e l yi nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t e n g i n e e r i n g ，s i n c ei n t r o d u c e di n t oc h i n ai nt h e8 0 o f2 0 t h o w et ot h em u c ha d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l ep r o c e s st r e a ta b i l i t yc o n t i n u o u s l y ，n o m o r ef i n a ls e d i m e n t a t i o nt a n ka n dc o r r e s p o n d i n g l yt h el e s sa c c e s s o r i a lb u i l d i n g sa n d t a n k sw i t hm a n a g e m e n tc o u l db ef o u l e d i ti sa d a p t i v et oc o n t r o lt h eq u a l i t yi n d e xo f i n f l u e n ta n de f f l u e n tb ya d o p t i n gt h es b r p r o c e s s ，t h ea c r e a g en e e d e di ss m a l l e r ；a n d t h ee f f e c to fn i t r o g e nr e m o v a li so b v i o u s ， f o rt h es a k eo ff u r t h e ra p p l i c a t i o no ft h eo x i d a t i o nd i t c hti nt h ee n g i n e e r i n go f w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ；s o m eh o m es c h o l a r sc a r r i e do u tt h er e s e a r c ho nt h ep r o b l e mo f t h eo x i d a t i o nd i t c htd e s i g na n dc a l c u l a t i o n s o m ed o m e s t i cu n i t so p e r a t i n go x i d a t i o n d i t c hta l s oh a v em a d et h em e a s u r e m e n ta b o u tt h ea c t u a lr u n n i n gs t a t u s ，a n dp o i n t e d o u tt h eg r e a td i f f e r e n c eb e t w e e nt h eo r i g i n a ld e s i g nc a l c u l a t i o na n da c t u a lc i r c u m s t a n c e i nt h es l u d g ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fo x i d a t i o nd i t c ht t h ev a l u eo fv a l i ds l u d g e n e e d st ob el i m i t e da g a i n s t a n d p o i n t so nt h es l u d g ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na n do p e r a t i o nm o d e lh a v e b e e np u tf o r w a r di ns o m er e s e a r c ha r t i c l e s ，a n ds o m es c h o l a r ss u g g e s t e dt od i s c h a r g e t h ee x c e s ss l u d g ei nt h es i d ed i t c hb u tn o tt h es i d ed i t c h i no r d e rt od e s i g nl u o f a n gw w t pi ns h e n z h e n t h em o s tl a r g e s c a l eo n ea m o n g t h ec i t yw w t pw i t ha d o p t i n gt h eo x i d a t i o nd i t c ht t h ea u t h o rr e f e r r e dt ol a r g ed a t ao n t h ep r o c e s si n t r o d u c t i o n ，d e s i g na n dc a l c u l a t i o n ，t h em e a s u r e m e n to fo p e r a t i o n p a r a m e t e r b a s e do nt h ec u r r e n tr e s e a r c ho nt h i sp r o c e s s ，t h ea u t h o rp o i n t e do u tt h a ti t i s n e c e s s a r yt ow o r ko v e rt h ed i s t r i b u t i o nc o n d i t i o no ft h es l u d g ec o n c e n t r a t i o n ，w h i c hi s t h ef o u n d a t i o n a lp r o b l e mo ft h ep r o c e s s ，e s p e c i a l l yt h ee f f e c to fs l u d g ec o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o no nt h ec o n d i t i o no f v a r i o u sr u n n i n gm o d e l ， f o rt h es a k eo fi n s t r u c t i n gt h ed e s i g nf o rt h el u o f a n gw w t pi ns h e n z h e na n da l s o t h eo t h e rp r o j e c t s ，t h i sr e s e a r c hi sf o c u s e do nt h ed i s t r i b u t i o no fs l u d g ec o n c e n t r a t i o ni n t h ed i t c h ，w i t hs e t t i n gu pt h em a t h e m a t i cm o d e lo f o x i d a t i o nd i t c ht b ym a t h sa n a l y s e t h ec o m p u t e rp r o g r a m mi sw r i t t e no nt h eb a s i so ft h em o d e lb ya u t h o rw i t hd y n a m i c s i m u l a t i n go no x i d a t i o nd i t c ht i nt h i sr e s e a r c h t h ea u t h o rh a sm a d es u r et h eq u a n t i t yo fv a l i da c t i v es l u d g ei nt h ed i t c h ，a n de f f e c t 重庆大学硕十学位论文 f a c t o r so fi sa l s oa s c e r t a i n e do nt h ee q u a l i t yo fo x i d a t i o na n da e r o b i cs l u d g e t h r o u g h r e s e a r c h i n gt h ev a r i o u so p e r a t i o nm o d e l s ，t h es l u d g ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni sm a d e s u r ei nt h i sr e s e a r c h ，a n dt h e nt h ea u t h o ra l s op o i n t e do u tt h ea d v a n t a g e o u sf a c t o r so f o p e r m i n gw i t ht r i p l ed i t c h s u c ha sm o v i n gt h ed i s c h a r g ep l a c eo fe x c e s ss l u d g ef r o m t h em i d d l et os i d ed i t c h t h em a i nc o n c l u s i o na sf o i l o w e d ： t h r o u g h t h es t u d ym a i nc o n c l u s i o no ft h et h e s i sf o l l o w sa st h a t ： 1a saw h o l et h es l u d g ec o n c e n t r a t i o ni nt h r e e d i t c ht y p eo x i d a t i o nd i t c hc h a n g e s w i t h e x p o n e n t i a lc u r v e ，w h i c hc o u l db ed e n o t e db y ag e n e r a l e q u a t i o n ： s = a e 一。1 + b t e 。“c c o e f f i c i e n t s a m o n gt h ee q u a t i o n c o u l db ei d e n t i f i e db y c o m p a r a t i v ec o e f f i c i e n tm e a n sp r o p o s e di nt h et h e s i s 2 s o m en e wo p e r a t i o ns c e n a r i o sw o u l db ea d o p t e dt or e d u c er i s ko fa n o x i c d i g e s t i o no fs l u d g es e t t l e du n d e rc u r r e n to p e r a t i o nm o d e 3 t h er a t i oo fs l u d g ec o n c e n t r a t i o ni nm i d d l ed i t c ha n ds i d ed i t c h e si sn o tf i x e d ， w h i c hi sr e l a t i v ew i t ho p e r a t i o nm o d e i fo n l yc o m p a r t m e n t a l i z a t i o no fo p e r a t i o n d u r a t i o nc h a n g e s ，t h er a t i oo fs l u d g ec o n c e n t r a t i o ni nm i d d l ed i t c ha n ds i d ed i t c h e s w o u l dc h a n g et o o a n di t sv a r i e t ys c o p ei sb e t w e e n2 3 5a n d2 9 1 4 t h ee q u i p m e n t su t i l i z a t i o nr a t eo ft h r e e - d i t c ht y p eo x i d a t i o nd i t c hi sb e t w e e n 5 0 a n d5 3 ，w h i c hi sr e l a t e dw i t hr u n n i n gm o d e 5 t h ev a l i da c t i v a t e ds l u d g ei nt h r e e - d i t c ht y p eo x i d a t i o nd i t c hi sa b o u t4 3 - 4 4 g e n e r a l l y4 4 w o u l db ea d o p t e d 6 a e r o b i ca c t i v a t e ds l u d g ei nw h o l ev a l i da c t i v a t e ds l u d g eo c c u p i e s2 3 ，a n d a n a e r o b i ca c t i v a t e ds l u d g e1 3 7 i t sn e c e s s a r yt os e td i s c h a r g et u b eo f e x c e s ss l u d g ei nt h es i d ed i t c h k e y w o r d s ：o x i d a t i o nd i t c ht ，s l u d g ec o n c e n t r a t i o n ，m a t hm o d e l ，o p e r a t i o nm o d e l e x c e s ss l u d g ed i s c h a r g et u b e 1 概述 1概述 1 1 三沟式氧化沟及其类似工艺的应用状况 氧化沟义名连续环状反应器( c o n t i n u o u sl o o pr e a c t o r ) ，是在传统活性污泥法 基础卜，完善、发展并灵活运用硝化、反硝化技术的典型工艺之一，开创于5 0 年 代的荷兰的巴斯维尔，其特点为混合液循环流动的沟状生物反应器和机械曝气设 备相结合。 由于氧化沟内的循环流量高于进水流量数十倍，产生了巨大的稀释均化能力， 带来运行稳定、耐受冲击负荷等系列优越的工艺特性。因此，氧化沟技术的发 展很快，已经在各种规模的污水处理工程中得到了十分广泛的应用，取得并积累 了丰富的经验。特别是近年来，氧化沟技术得到了迅速的发展，出现了许多新型 的氧化沟系统，吸收融合了其它处理技术的优点，池型更加丰富，曝气设备多样， 去除污染物的功能得到极大的提高。 随着氧化沟技术的发展，已经在传统的氧化沟基础上派生出了多种形式的氧 化沟，例如c a r r o u s e l 氧化沟、o r b a l 氧化沟、d e 型氧化沟、一体化氧化沟、三沟 式氰化沟( t 型氧化沟) 等，可以根据不同的建设条件及进出水水质情况在工程中 加以选用。 三沟式氧化沟系丹麦心a g e r 公司发明，可在不另设二沉池的条件下连续运行。 这种连续循环完全混合流程，既有完全混合曝气的优点，又与序批反应系统有着 异曲同工之妙。由于具有出水水质好、投资省、用地少、工艺简洁、运行管理方 便、能耗低、脱氮除磷效果好等优点，现已成为世界范围内城市污水和有机工、l t 废水处理的主要工艺之。 在我国城市污水处理领域，三沟式氧化沟工艺最早用于邯郸市东郊污水处理 厂”，总处理规模为1 0 万m 3 d ，一期工程为6 6 万m 3 d ，系利i j 丹麦政府赠款 建成，由于投入运行后效果很好而很快在全国推广应用，并且在工程实践中还不 断进行了多种改进。 如存张家港f 污水处理厂( 总规模为6 0 万m 3 d ， 期为3 o 万m 3 d ) 设计中， 将氧化沟进水端池边拉平，用池外二个三角形池子代替原先分设的配水井直接配 水，使平面布置更加简洁，投资更省。 又如在常熟市城北污水处理厂的设计中，还创新设计了改进型的新池型，使 除磷效率得到了显著的提高。 啊庆大学硕十学位论文 深圳市滨河污水处理厂将三沟式氧化沟作为a b 法工艺的b 段处理单元”“， 成功地对高浓度城市污水( c o d c ，超过4 0 0m g l ) 进行了处理。 在深圳市罗芳污水处理厂二期工程中成功地将三沟式氧化沟进行了深型化处 理，使得三沟式氧化沟的有效水深达到了5 8 0 米，节约了用地，降低了能耗，优 化了出水水质。 与三沟式氧化沟较为类似的新型一体化活性污泥法工艺i n i t a n kt 艺 1 2 2 ，由比利时s e g h e r s 环境工程集团公司推出。尽管u n i t a n kl ：艺现在也派 生出了多种形式，但基本最初丌发的构架也是山三个池体单元组成，其运行方式 与三沟式氧化沟最大的区别在于侧边的单元( a 、c 单元，类似 二三沟式氧化沟的 边沟) 在每个循环中是以曝气方式丌始运行，而三沟式氧化沟是以缺氧搅拌的方 式开始运行。 u n i t a n k 工艺在越南、马来西亚等国家都有运行实例，最著名的还是澳门的 凼仔污水处理厂，其处理规模为1 4 万m 3 d 。 1 2 三沟式氧化沟的研究状况 目前关于三沟式氧化沟所发表的研究文章基本上可以分为三大类，第一类是 有关机理的研究性文章，二类是关于设计方法的文章，第三类是关于运转管理方 面的文章。 第一类文章，如邯郸市市政公用事业管理局姚建国在中国给水排水1 9 9 5 年第1 1 期上发表的t 型氰化沟的生物除磷作用 2 3 1 ，该文根据生物除磷机理提 出了更改剩余污泥的排放地点和排泥时段以便提高生物除磷效率的思路，如果将 剩余污泥的排放安排在边沟的预沉时段，则可以提高1 7 的除磷率。 第二类关于设计年n i , - t 算方法文章的代表作包括羊寿生、王锡清发表于给水 排水1 9 9 1 年第4 期的三沟式氧化沟设计与计算1 3 1 5 u 周律、钱易发表于给 水排水1 9 9 8 年第1 期的浅议三沟式氧化沟的设计1 9 。羊寿生等在文章中以 举例的方式介绍了三沟式氧化沟的计算方法和计算过程。如果三沟式氧化沟以传 统的模式( 例如邯郸污水处理厂那样) 运行，则边沟的平均污泥浓度( m l s s ) 为 4 3 0 01 1 7 i g l ，中沟的平均污泥浓度为3 4 0 0m g l ，活性污泥所占比例为0 5 5 。周律 等在文章中从泥龄、污泥浓度在i 条沟中的分布、产泥率等级方面分析了三沟式 氧化沟设计取值。将活性污泥所占比例定义为参与工艺反应的污泥量系数( a f ) ， 其值理沦上( 设计值) 为o 5 5 ，但是根据实际运行测定结果计算出的a f 值仅为 o 4 8 ，中沟的平均污泥浓度仅为设计值的5 9 ，因此应该将剩余污泥排放点改在边 沟，以便缩小中沟与边沟的污泥浓度差，提高a f 值。 1 概述 第三类文章主要介绍了邯郸东郊污水处理厂的运行、管理以及一些实际运行 过程中的参数。周律等人发表于中国给水排水1 9 9 7 年第5 期的二沟式氧化 沟处理城市污水的效应一文中指出三沟式氧化沟在实际运行时，沟中污泥浓度 分配不均匀，观察发现边沟的污泥浓度较中沟大许多口。高嵩、张军发表于给 水排水1 9 9 4 年第2 期的三沟式氧化沟的运行及管理介绍了邯郸东郊污水处 理厂三沟式氧化沟实测三沟污泥浓度之比为2 ：l ：2 ，而不是设计的1 3 ：1 ：1 3 【7 j 。 周律等人的实测结果表明三沟式氧化沟三沟污泥浓度之比为2 6 ：1 ：2 6 【9 。 虽然国内的一些单位和个人对三沟式氧化沟的研究作了大量的工作，在研究 中也发现了一些问题以及对一些现象提出了疑问，对原设计不合理的部分或观点 提出了一定的见解，但是还是令人感觉到一些问题还是没能完全得到解决，或者 还不完伞清晰。例如： 一些文献提出设计的有效活性污泥比例为o 5 5 pj ，但根据实测值进行计算则只 有0 ，4 8 一j 。按照三沟式氧化沟运行工况进行理论上的推导，有效活性污泥比例究竟 应该是多少。 一些研究已经指出了三沟式氧化沟侧边沟运行模式具有时序性，与s b r 工艺 相似，污泥浓度随运行状态改变p 。但是三沟式氧化沟运行模式对污泥浓度变化 的影响究竟有多大，还缺乏定量的研究。 一些研究根据实测的各沟平均浓度计算有效活性污泥量，但是因为t 沟式氧 化沟污泥浓度变化是非线性的，采用平均污泥浓度计算有效活性污泥量误差较大， 有必要探讨采用更好的方法进行计算。 另外，一沟式氧化沟运行模式的变化怎样对设备利用牢造成影响，这涉及到 没计优化的问题。 卜述这些部是在设计t 作中会遇到的实际问题，有待于进一步研究解决。 2 本论文拟研究的课题 2 本论文拟研究的课题 2 1 课题的提出 深圳市岁芳污水处理厂期工程( 1 0 万m 3 d ) 的设计t 作开始于1 9 9 0 年，经 过多方案经济技术比较，结合当时深圳巾罗芳污水处理厂的实际情况，推荐的污 水处理流程为a b 法工艺，b 级曝气池采用了a a o 除磷、脱氮、硝化工艺。采 用a b 法的主要原因为： 当时罗芳污水处理厂主要是资金不足，采用a b 法一f 艺可先用少量资金施 工a 级，以减少对莲塘河的污染。初步设计审批后，市给水排水建设指挥部即着 手联系a 级所需t 程贷款和引进设备等工作； 在b 级不需除磷、脱氮的情况下，与标准活性污泥法相比，可节能 1 0 一2 0 、节省投资2 0 左右； a b 法工艺耐冲击力强，当污水厂服务区内的金威啤酒厂污水处理站发生 事故时，罗芳污水处理j 仍可保证有较好的处理效果和出厂水质； a b 法工艺运行稳定可靠，并且不会出现污泥膨胀现象。 一期工程十1 9 9 5 年底完成了旌工图设计，1 9 9 7 投入运行。 冈规划污水量和污水处理+ 服务范围的调整，2 0 1 0 年进入罗芳污水处理厂的 污水流量为3 5 万m 3 d ，大于原规划的3 0 万m 3 d ，因此罗芳污水处理二期工程 的设计规模由原来的2 0 万m 3 d 调整为2 5 万m 3 d 。但是由丁受到用地条件的限制， 在现有用地条件卜| 原a b 法1 ：艺已经不能满足2 5 万m 3 d 二期工程规模的需要。另 外，国家污水综合排放标准也在1 9 9 6 年进行了修改。为此需要对二期j 程的 工艺方案从新进行设计。 为了做好罗芳污水处理厂? ：期工程的方案研究，我们于1 9 9 7 年卜半年即开始 收集资料。在这j 明i h j 研究了a b 法、a a o 法、o 型氧化沟、t 型氧化沟、美国“可 事达国际公司”的m s b r 系统( 即改良式序批反应器) 、标准形式的s b r 系统、 o c o 系统等工艺方案，并赴澳门调查了澳门凼仔污水处理的“单池( u n i t a n k ) ” 系统。 方案设计的要求是在不低于1 9 9 4 年初步设计的技术标准条件下，使污水处理 厂出水水质能够满足国家污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) ：能仵现有土地而 积上进行二期工程布置，要求技术先进、成熟；运行安全、可靠；基建投资经济 合理；运行费用低、节能；效果稳定、处理能力和耐冲击力强。 重庆大学硕十学位论文 根据多方安技术经济比较，最终推荐在罗芳污水处理厂二期工程采用三沟式 氧化沟作为污水处理工艺。深圳市规划国土局组织召开的方案评审会，唰意了这 一推荐方案。 在设计计算过程中，需要解决的问题包括： 有效活性污泥比例( 即参与生化反应的污泥量) 对于邯郸市东郊污水处理厂，设计的有效活性污泥比例为o 5 5 ，实测值只有 o 4 8 。这样的有效活性污泥比例是否适用于罗芳污水处理厂。 边沟和中沟污泥浓度的差值 实测的中沟与边沟中污泥浓度差值大于设讨值，在罗芳污水处理厂设计中，设 计应该采用什么值。 设备利用率 三沟式氧化沟的设备利用率较低，能否通过优化运行方式提高设备利用率。 不同种类污泥的数量 虽然些文献给出了三沟式氧化沟的有效活性污泥比例，但是对于好氧活性污 泥和厌氧活性污泥的确定还不够明确。 实际上，准确地确定活性污泥量，也就是确定参与生化反应的生物量，是污 水生物处理的基础，从式( 2 1 ) 看出这一点3 6 1 。 百d s = - k n x 。 式中： s 时刻的c o d 浓度 s ( r _ 0 时刻的c o d 浓度 x ，一活性污泥量 一时间 k r 系数 n 指数 另外，因为u n l t a n k 的工作过程于三沟式氧化沟类似，因此三沟式氧化沟 的一些研究成果也适用于u n i t a n k 工艺。 目前，采用计算机对污水处理工艺的处理效果进行模拟已经成为可能，般 采用国际水协( i a w q ) 活性污泥1 号模型( a s mi ) 或者活性污泥2 号模型 ( a s m l l ) 。与常规处理方法不同，三沟式氧化沟的污泥浓度随时问变化，只要找 出了污泥浓度变化规律就田以用上述模型进行编程计算，对污水处理结果进行模 拟。本研究也可以为今后污水生物处理结果的计算机模拟做准备。 2 本论文拟硼f 究的课题 2 2 研究内容及方法 2 2 1 研究内容 研究污泥浓度的变化规律 因为三沟式氧化沟在不同的时段分别由第一沟、第_ 沟和第三沟进水，而出 水则分别在第三沟和第一沟，活性污泥顺着水流在各沟中进行迁徙，因而造成各 沟内污泥浓度随时间变化，在不同的时间沟内的污泥浓度是不同的。但是，三沟 式氧化沟的运行是呈周期性变化的，在不同周期内的同时段，同一条沟内的污 泥浓度又是相同的。关键是找出沟式氧化沟的污泥浓度变化规律，就j = 1 _ 以确定 ，1 i 同时段每条沟内的污泥浓度。 确定影响巾沟及边沟污泥浓度均匀性的因素 因为混合液在各沟之间流动，携带着污泥存各沟之问迁徙。由此而引起的污 泥浓度变化是呈指数衰减( 流出) 或增加( 流入) ，衰减的快慢与进水量和反应器 容积有关，也就是说与氧化沟的水力停留时间有关。 三沟式氧化沟的实际运转周期以及各个时段的比例是可以调整的，不同的运 转模式必然会刈污泥浓度的均匀性带来影响。 好氧和缺氧活性污泥数量 与传统的按空间分割的连续流反应器不同，三沟式氧化沟内的污泥在不停地 迁移，污泥浓度随时问变化，因此不能单靠运行时间来确定厌氯活性污泥和好氧 活性污泥的数景。只能找出污泥浓度的变化规律，在此基础上进行分析研究。 一些文章提出对三沟式氧化沟的排泥地点及排泥时段进行优化，可以提高 磷的去除率。研究t 沟式氧化沟内污泥浓度的变化规律，以便确定排泥浓度。 2 2 2 研究方法 本课题所采用的研究方法为： 紧密结合工程实际，以深圳市岁芳污水处理j 。设计参数为例； 采用数学分析的方法建立三沟式氧化沟污泥浓度变化的数学模裂； 根掘数学模型进行计算机编程： 采用计算机模拟污泥浓度的变化； 对不同运 j ：模式进行分析，提出系统优化的方案。 3 _ 二沟式氧化沟污泥浓度变化的数学模犁 3 三沟式氧化沟污泥浓度变化的数学模型 3 1 三沟式氧化沟的工作过程 三沟式氧化沟的运行方式可以分为两大类：硝化运行方式和硝化反硝化运行 方式，木研究只涉及硝化反硝化运行方式。邯郸市东郊污水处理厂的三沟式氧化 沟是以按照时问循环控制的运行方式运行，一个循环周期被分为6 个时段，其中 的a c 和d f 分别构成半循环，一个循环的总持续时间是8 个小时| _ 3 】【4 1 ，见图3 1 。 a 阶段 】5 b l 缺氧蚶氧沉淀l c 阶段 1 0 h i 沉淀好氧沉淀 e 阶段 1 5 h j 沉淀壶，氧 好氧i b 阶段 1 、5 h l 好氧好氧沉淀 f 阶段 1 o h i 冬 3 1 三沟式氧化沟的硝化一反硝化运行方式l 剐 f i 9 3 it h eo p e r a t i o nc ) ，c l eo f o x i d a t i o nd i t c ht 见对其工作过程简述如卜： a 阶段：污水通过配水井进入i 沟，i 沟转刷低速运行。活性污泥中的反硝 化细菌，被迫使用i 亥沟在前一阶段运行时产生的硝酸盐中的氧柬分解有机物，即 完成反硝化作用，释放出氮气。i i i 沟起沉淀作用，完成泥水分离的过程。因为进 水中的悬浮物浓度很低，l 沟中的污泥向i i 沟和i i l 沟迁移，使得该阶段i 沟中的 污泥浓度逐渐降低，而污泥在i i i 沟中积累，使得i i i 沟中的污泥浓度逐渐于1 高。此 阶段持续时间1 5 小时。 b 阶段：污水由i i 沟进入氧化沟，i 沟以好氧方式运行，以保证i 沟中的有机 重庆人学硕士学位论文 物被分解。在本阶段t 沟中的污泥浓度保持不变，i i 沟中的污泥浓度降低，而i i i 沟中的污泥浓度继续升高。此阶段持续时问1 5 小时。 c 阶段：污水继续由i i 沟进入氧化沟，i 沟开始进入预沉阶段，以便为下阶段 的沉淀出水做准备，i i i 沟仍然起着沉淀作用。在此阶段i 沟中的污泥浓度仍然保 持不变，i i 沟中的污泥浓度持续降低，而i i i 沟中的污泥浓度继续升高，在本阶段 末污泥浓度达到最大值。此阶段持续时间1 0 小时。 d 阶段：污水通过配水井进入i i i 沟，i l i 沟转刷低速运行。活性污泥中的反硝 化细菌，被迫使用该沟在前一阶段运行时产生的硝酸盐中的氧来分解有机物，即 完成反硝化作用，释放出氮气。i 沟起沉淀作用，完成泥水分离的过程。因为进 水中的悬浮物浓度很低，i i i 沟中的污泥反过来向i i 沟和i 沟迁移，使得本阶段i i i 沟中的污泥浓度逐渐降低，而污泥在i 沟中积累，使得i 沟中的污泥浓度逐渐升 高。此阶段持续时间1 5 小时。 e 阶段：污水由i i 沟进入氧化沟，i i i 沟以好氧方式运行，以保证i i i 沟中的有机 物被分解。在本阶段i i i 沟中的污泥浓度保持不变，i i 沟中的污泥浓度降低，而i 沟中的污泥浓度继续升高。此阶段持续时间1 5 小时。 f 阶段：污水继续由i i 沟进入氧化沟，i i i 沟开始进入预沉阶段，以便为下阶段 的沉淀出水做准备，i 沟仍然起着沉淀作用。在此阶段i i i 沟中的污泥浓度仍然保 持不变，i i 沟中的污泥浓度持续降低，而i 沟中的污泥浓度继续升高，在本阶段 末污泥浓度达到最大值。此阶段持续时间1 0 小时。 以上a f 阶段就构成了三沟式氧化沟的一个循环。在下面的研究过程中我们 把上面的a f 阶段分别称为时段1 ( 用t 】表示) 时段6 ( 用t 6 表示) 。 3 2 三沟式氧化沟污泥迁移的数学模型 3 2 1 建模原则 一个数学模型的建立应该遵循如下原则： 先深入了解此物理场的充分内涵； 选择基本变量，依据是守恒原则和物理的性质： 选择特征变量，即这些变量便于测量，又与基本变量有明确的关系 应用守恒原理列出描述方程( 即基本模型方程) ： 考察方程是否满足此物理场的初始及边界条件； 满足则是数学模型，否则重选变量。 3 三沟式氧化沟污泥浓度变化的数学模型 3 2 2 假定条件 污泥总量保持恒定 三沟式氧化沟内污泥浓度的变化，受进水带入悬浮物、出水带出悬浮物、微 生物增殖等多种因素的影响。最简单的情况是不考虑上述因素的影响，只考虑由 于污泥在氧化沟运行过程中进行的迁徙所造成的氧化沟内污泥浓度随时间变化。 下面就不考虑进水带入悬浮物、出水带出悬浮物、微生物增殖等因素的影向 可能造成的计算误差进行估计。 进出水悬浮物浓度对氧化沟内m l s s 的影响程度可以进行估计。以深圳市罗 芳污水处理厂为例，进水s s 为2 0 0m g l ，出水s s 为2 0m g l ，其差值为1 8 0m g l 即0 1 8k g m 3 。如果将这部分悬浮物全部当着不可生物降解的，则当流量为2 5 万 m 3 d 时，由进出水悬浮物引起的污泥增量为4 5 0 0 0k d 。而三沟式氧化沟的单沟容 积为1 3 2 1 0m 3 ，4 序氧化沟的总容积为1 5 8 5 2 0m 3 ，平均m l s s 为4g l ，则氧化 沟内总活性污泥量为6 3 4 0 8 0k g 。l 天中由进出水悬浮物造成的污泥增量占氧化沟 内总污泥量的7 1 。然而，三沟式氧化沟的最长的运行周期为8h ，即1 天内至少 有3 个循环周期，每一个循环周期内的进水s s 所引起的污泥增长量为1 5 0 0 0k ， 约占氧化沟内总污泥量的2 4 。 对于由降解污水中b o d 5 引起的污泥增量，在罗芳污水处理厂处理水量为2 5 万m 3 d 、进水b o d 5 为2 0 0m g l 时，每天的剩余污泥景为3 5 4 1 2k g l ，这部分污 泥量占氧化沟内总污泥量的百分比为5 6 。 实际上，在计算氧化沟的剩余污泥量时，已经综合考虑了进水悬浮物浓度和 微生物增殖对剩余污泥量的影响，也就是说，进水悬浮物中有一部分是可以生物 降解的。因此综合考虑进水悬浮物和氧化沟内生物增长的影响，每天新增污泥量 占氧化沟内污泥总量的5 6 ，而每一个循环周期内的新增污泥量占氧化沟内污泥 总量的1 9 。 通过运行过程中的剩余污泥排泥管理，基本上可以保持氰化沟内污泥量在一 个相对稳定的范围内。三沟式氧化沟的循环周期在5 一v 8 小时，每天町以进行3 - 5 次循环，如果每天排泥2 次，则不计进水悬浮物、出水悬浮物和氧化沟内生物增 长的影响，粗略估计应在2 8 以内，也就是说污泥浓度的变化对每个循环所带来 的影响是很小的，在计算中假设污泥总量不变对对计算结果造成的影响也是很小 的。 因此假设微生物的生化反应引起的污泥量变化可忽略不计，同时进水、出水 中的悬浮物浓度也可忽略不计( s = s 。= 0 ) 。 三条沟a 、b 、c 为完全混合型 重庆人学硕十学位论文 虽然三沟式氧化沟流道的长度比深度和宽度要大的多，进水中污泥浓度与沟 内m l s s 不一敛，受其影响，实际上的污泥浓度是沿程变化的( 生化反应也会造 成污泥浓度沿程增加) 。但是因为氧化沟循环水最大、水流在沟内的循环周期短( 一 般水流存沟内完成一个循环只需1 0 1 5 分钟) ，同时在不考虑微生物的生化反应引 起的污泥量变化的情况下，这种污泥浓度的变化完全可以忽略1 i 计。 起始运 j ：时各沟浓度相等 首先假定各沟内初始污泥浓度相等，即( s 。o = s b o = s 。o = s o ) ，以利于公式推 导。经过多次循环汁算之后，将达到动态平衡，即存不同周期的相同时刻，相应 沟中的污泥浓度相同。 3 2 _ 3 时段划分 二三沟式氧化沟的循环周期一共分为6 个时段： 时段l ( t i ) ：即t o t 】时段，t 产t l t o 时段2 ( t 2 ) ：即t l t 2 时段，t 2 = t 2 一t 1 时段3 ( t 3 ) ：即t 2 t 3 时段，t ，= t 3 一t 2 时段4 ( 1 4 ) ：即t 3 t 4 时段，t 4 = t 4 一t 3 时段5 ( t 5 ) ：即t 4 t 5 时段，t 5 = t 5 一t 4 时段6 ( t 6 ) ：即t 5 t 6 时段，t 6 = t 6 一t 5 其中：t 。一循环的起始n j 刻 t 一时段l 的末了时刻，也是时段2 的起始时刻。余同。 3 2 4 物料平衡简图及符号 时段1 ：t 】= t o t l qs 2 ：! 。 a 沟b 沟c 沟 兰一q 3 三沟式氧化沟污泥浓度变化的数学模型 时段2 ：t 2 = t 】t 2 o 。s q 、s a 沟b 沟c 沟 时段3 ：t 3 = t 2 t 3 q s ， q 、s a 沟b 沟c 沟 时段4 ：t 4 = t 3 t 4 q s 。 生o s 。 ! 兰一q 慢 a 沟 b 沟c 沟 3 j 尘lq s 1 - 一 其中 时段5 ：t 5 = t 4 t 5 q s 。 q s 时段6 ：t 6 = t 5 t 6 q s 。 a 沟b 沟 c 沟 q s ， a 沟b 沟c 沟 q 流量，m 3 m i n v 氧化沟单沟容积，m 3 s i 进水s s 浓度，k g m 3 s 。出水s s 浓度，k g m 3 s 。a 沟内m l s s ，k g m s b b 沟内m l s s ，k g m 3 s 。c 沟内m l s s ，k g m 3 s n 起始运行m l s s 浓度，k g m 3 s a ，l 时段1 术a 沟内m l s s ，k g m 3 s a ，2 时段2 未a 沟内m l s s ，k g m 3 3 二沟式氧化沟污泥浓度变化的数学模型 因为在一些计算机程序里无法采用( j ，i ) 的下标形式，冈此也采用( j i ) 的方 式，即s 。_ l 也用s 1 表示，s 。2 用s a 2 表示，其余相同。 3 2 5 公式推导 时段1 ( t 1 = t o t 1 ) a 沟 根据连续流反应器物料平衡，得 反应器内积累的污泥量= 进入反应器的污泥量+ 在反应器内生成或消失的 污泥量一流出反应器的污泥量 即 v d d s 2 t _ = q s + v 卜q s 。 ( 3 1 ) 根据假设条件：r a = 0 ，则v r a = 0 ；s ，= 0 ，则q s = 0 ( 3 1 ) 式简化为 v 鲁一q s 。 旦：d 令v ， 些文献将d 称之为稀释速率，其量纲为t ，即为污水平均停 留时间的倒数，则 鲁枷s 。 ( 3 2 ) d s ：一d d c s 。 积分，得 i n s 。= 一d t + c 将仞始条件，t = 0 ，s 。= s o 代入上式，得 c = l n s o i n 兰：一d t s o 。s 。= s o e 。0 ( 3 3 ) b 沟 根据连续流反应器物料平衡，得 重庆人学硕十学何沦文 v 等- q s 。+ v r b _ q s b q 根掘假设条件，v r b = 0 ，上式简化为 v 鲁= q s a - q s 。 将s 。= s o e 。代入，得 v