（环境工程专业论文）基于cfd的新型一体化氧化沟流态模拟研究及能量配置优化.pdf

中文摘要 摘要 迄今为止，国内外有关污水处理能量投入的研究非常有限，人们长期以来都 将水质指标作为城市污水处理工艺评价的标准，而将能耗作为参考指标。本文结 合目前城市污水处理技术的发展趋势，认为研究能量配置的优化是一个关系污水 处理全局的问题，是解决污水处理技术问题的关键，同时还涉及污水处理技术的 发展，是一个根本性的和具有长期效益的问题。 通过试验测量发现，新型一体化氧化沟厌氧区、缺氧区和好氧区内各断面的 流速分布存在着不同韵问题，厌氧区内侧流速偏低，中侧和外侧流速过高，缺氧 区整体流速偏大，好氧区整体流速偏低。本文运用c f d 模拟软件f l u e n t 对厌氧 区、缺氧区和好氧区内各断面的流态进行数值模拟，并用实测流速进行验证，结 果表明，模拟计算数据所显示的规律与实测数据所表现的特征是一致的。 通过减小厌氧区内混合推动能量的投入和调整水下推进器的安装位置，实现 了厌氧区内流态的优化；通过减小缺氧区内混合推动能量的投入，降低了缺氧区 的整体流速，使流态趋于稳定；通过适当加大好氧区内的混合推动能量的投入， 提高了好氧区的整体流速，保证污泥不沉积。 研究认为，针对试验新型一体化氧化沟工艺来说，厌氧区投入2 2 1 w m 3 ( 以 电机功率计，下同) 的混合推动功率密度即可使沟内各断面流速达到0 2 m s 以上， 缺氧区内投入1 8 8 w m 3 的混合推动功率密度即可使沟内各断面流速达到0 2 1 6 m s 以上，好氧区内投入1 9 9 w m 3 的混合推动功率密度即可使沟内各断面流速达到 0 2 3 2 m s 以上。 r n gk s 湍流模型在流态模拟中的应用，为今后的水力试验大大的节省了所 需的人力、物力和时间，并对试验结果的整理和规律的得出起到了很好的指导作 用，为解决实际的工程问题开辟了道路。本文所做试验均是在山东省枣庄新城污 水处理厂内完成的，本文所得混合推动能量的优化配置，为污水处理厂的运行以 及类似工艺的设计和设备选型提供了参考。 关键词：新型一体化氧化沟，f l u e n t 软件，流态模拟，能量配置 英文摘要 a b s t r a c t s of a r , t h er e s e a r c ho nt h ee n e r g yi n p u to fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti sv e r yl i m i t e da t h o m ea n da b r o a d t h eq u a l i t yi n d i c a t o r sh a v eb e e nl o o k e d 弱t h ec r i t e r i ao fu r b a n w a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g ye v a l u a t i o nf o ral o n gt i m e ，b u tt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n a l w a y ss e r v e sa sar e f e r e n c ei n d i c a t o r c o m b i n i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n tt r e n do f p r e s e n tw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y , t h ep a p e rc o n s i d e r st h a tt h er e s e a r c ho nt h e o p t i m i z a t i o no fe n e r g ya l l o c a t i o ni s aq u e s t i o no fv i t a li m p o r t a n c ef o rw a s t e w a t e r t r e a t m e n ta saw h o l e ，a n di sa l s ot h ek e yo fi n v o l v i n gt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t p r o b l e m s i ta l s or e f e r st ot h ed e v e l o p m e n to f w a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y , a n di sa f u n d a m e n t a la n dl o n g t e r me f f e c t i v e n e s si s s u e t h r o u g he x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s ，w ec a l lf i n dt h a tt h e r ea r ed i f f e r e n tp r o b l e m s o nt h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o no f e a c hc r o s s s e c t i o ni nt h ea n a e r o b i cz o n e ，a n o x i cz o n ea n d o x i cz o n eo ft h en e wt y p e di n t e g r a t e do x i d a t i o nd i t c h t h ef l o wv e l o c i t yi n s i d et h e a n a e r o b i cz o n ei sl o w , b u tt h eo n ei nt h em i d d l es i d ea n dt h el a t e r a ls i d ea r eh i g h t h e o v e r a l lf l o wv e l o c i t yi nt h ea n o x i cz o n ei st o oh i g ha n di nt h eo x i cz o n ei st o ol o w i n t h ep a p e r , t h ef l o ws t a t eo fe a c hc r o s s s e c t i o ni nt h ea n a e r o b i cz o n e ，a n o x i cz o n ea n d o x i cz o n ei ss i m u l a t e du s i n gt h ef l u e n t , ak i n do fc f ds i m u l a t i o ns o f t w a r e t h et h e s i m u l a t i o ni sv e r i f i e db yt h ea c t u a lf l o wv e l o c i t y , a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h ed i s c i p l i n e o ft h es i m u l a t i o nd a m si sc o n s i s t e n tw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ea c t u a ld a t a s b yr e d u c i n gt h em i x i n ga n dp u s h i n ge n e r g yi n p u ta n da d j u s t i n gt h ei n s t a l l a t i o n p o s i t i o no fu n d e r w a t e rp r o p e l l e ri nt h ea n a e r o b i cz o n e ，t h eo p t i m i z a t i o no ff l o w s t a t ei n t h ea e r ai sc a r d e do u t ；b yr e d u c i n gt h et h em i x i n ga n dp u s h i n ge n e r g yi n p u ti nt h e a n o x i cz o n e ，t h eo v e r a l lf l o wv e l o c i t yi sr e d u c e da n dt h ef l o ws t a t ei ss t a b l e ；b y p r o m o t i n gm em em i x i n ga n dp u s h i n ge n e r g yi n p u ti nt h eo x i cz o n e ，t h eo v e r a l lf l o w v e l o c i t yi sh i g h e r , w h i c he n s u r e st h en o n d e p o s i t i o no f t h es l u d g e f o rt h en e wt y p e di n t e g r a t e do x i d a t i o nd i t c h ，t h es t u d ys u g g e s t st h a t ，i n p u t t i n gt h e m i x i n ga n dp u s h i n gp o w e rd e n s i t yo f 2 。21 嘲| 醚( m o t o rp o w e r , t h es a m eb e l o w ) t ot h e a n a e r o b i cz o n ec a nm a k es u r et h a tt h ef l o wv e l o c i t yo fe a c hc r o s s - s e c t i o nr e a c hm o r e t h a n0 2m s ，i n p u t t i n gt h em i x i n ga n dp u s h i n gp o w e rd e n s i t yo f1 8 8w m 3 t ot h ea n o x i c z o n ec a nm a k es u r et h a tt h ef l o wv e l o c i t yo fe a c hc r o s s - s e c t i o nr e a c hm o r et h a n0 216 r r g s ，i n p u t t i n gt h em i x i n ga n dp u s h i n gp o w e rd e n s i t yo f1 9 9w m 3 t ot h eo x i cz o n ec a n m a k es u r et h a tt h ef l o wv e l o c i t yo fe a c hc r o s s - s e c t i o nr e a c hm o r et h a n0 2 3 2 m s 1 i i 重庆大学硕士学位论文 t h eu s eo fr n gt u r b u l e n c em o d e li nt h es i m u l a t i o no ff l o ws t a t es a v e st h e r e q u i r e dh u m a n ，m a t e r i a la n dt i m eo ft h eh y d r a u l i ce x p e r i m e n t sl a r g e l y , a n dp l a y sa g o o dg u i d ef o rc o l l a t i o no fr e s u l t sa n dd i s c i p l i n e ，a n da l s oo p e n st h ew a yo fs o l v i n g p r a c t i c a le n g i n e e r i n gi s s u e s t h ee x p e r i m e n t sa r ea l ld o n ei nt h ex i n c h e n gw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n to fz a o z h u a n g ，s h a n d o n g t h eo p t i m a la l l o c a t i o no fm i x i n ga n dp u s h i n g p o w e rp r o v i d e sar e f e r e n c ef o r t h eo p e r a t i o no f t h et r e a t m e n tp l a n t ，弱w e l la st h ed e s i g n a n dt h ee q u i p m e n ts e l e c t i o no fp l a n tu s i n gt h es i m i l a rp r o c e s s k e y w o r d s ：n e wt y p e di n t e r c h a n n e lc l a r i f i e ro x i d a t i o nd i t c h ，f l u e n ts o f t w a r e ， f l o ws t a t es i m u l a t i o n ，e n e r g ya l l o c a t i o n i v 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的且士学位论文基王g 里旦鳆堑型二签丝氢丝渔逋查撞拯 硒究丞篚量醒量位丝是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己 经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 石犯、 导师始铆哮钆 签字日期： 签字日期： 沙i ) 夕v l c s 。| 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的且士学位论文基王g 里旦的莸型二佳丝氢丝渔 逋查撞塑班究丞能量醒量优丝提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及 重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体 形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论 文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承 担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文， 可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：导师签名： 矽 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是j 塑l ，涉密期限至年- 月一日。 说明：本声明及授权书些缝装订在提交的学位论文最后一页。 学位论文使用授权书 本人完全同意中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全 文数据库出版章程( 以下简称“章程 ) ，愿意将本人的硕士学位论文基于 c f d 的新型一体化氧化沟流态模拟研究及能量配置优化提交中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士 学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。 中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以 电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库， 在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义务。 作者签名： 垒堑一导师签名：j 嘤淫七 论文题目：基于c f d 的新型一体化氧化沟流态模拟研究及能量配置优化 加研年丁月纠日 论文级别：博士口 硕士影所属学院： 垫皇垄堡量堑望三堡堂堕 毕业院校：重庆大学 毕业年月： 2 0 0 9年0 6 月 作者联系电话： 1 5 8 0 3 0 5 6 1 5 7 作者通信地址( 邮编) ：重庆市重庆大学b 区3 舍2 2 0 室4 0 0 0 4 5 作者em a i1 ： ! 垒翌g 垒i 垒q 圣呈圣堡! 鱼：呈q 婴 研究生学号： 2 0 0 6 1 7 0 2 1 3 1 备注：本人承诺该学位论文不涉密，否则后果自负。 说明：本授权书单页一式三份，由学校研究生管理部门、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社和作者本人各保存一份。 c n k i 联系电话：0 1 0 - 6 2 7 9 1 9 5 1 、6 2 7 9 3 1 7 6 、6 2 7 9 4 9 9 4 传真；0 1 0 6 2 7 9 1 8 1 4 网址：螋：曼凸壁i ：旦鲢，w w w c h i n a j o u r n a l n e t a n 通信地址：北京清华大学邮局8 4 4 8 信箱采编中心 邮编：1 0 0 0 8 4 1 绪论 1 绪论 1 1 城市污水处理厂建设运行概况 从上世纪8 0 年代开始至今，我国城市污水处理厂逐步进入全面建设时期。据 统计，截至2 0 0 8 年6 月底，全国设市城市、县及部分重点建制镇共建成污水处理 厂1 3 7 8 座，处理能力达8 1 9 1 万立方米日；正在建设中的城镇污水处理项目8 8 5 个，设计能力约3 2 7 4 万立方米日；仍有1 8 6 个城市未建成污水处理厂，其中地级 市3 5 个，县级市1 5 1 个。随着城市污水处理厂的全面建设，污水的处理量明显增 加，污水处理厂发挥着更大的环境效益。污水处理厂的运行效率也有所提高，平 均运行负荷率约为7 5 ，体现了污水管网配套建设力度加大，污染物削减量进一 步提高，主要污染物c o d 、氨氮削减量均比往年有明显提高【1 】。 截至2 0 0 8 年6 月份，在我国城镇污水处理厂的建设运行过程中，仍存在着一 些问题。一是，有4 5 座已投入运行一年以上的城镇污水处理厂运行负荷率不足 3 0 。其中约1 0 的污水厂因设计规模偏大造成能力闲置。二是，有约7 的城镇 污水处理厂进水c o d 浓度低于1 5 0m g l ，污染物削减效率偏低，雨污分流管网建 设滞后；三是，有近5 的污水处理厂不具备基本化验能力，化验和报表制度不健 全：四是，有3 0 余座城镇污水处理厂因工业废水超标排入，进水c o d 浓度超过 8 0 0 m g l ，高于正常生活污水浓度一倍以上，给安全达标运行带来严重隐患。五是， 3 6 个重点城市污水全收集和处理的目标亟需进一步落实，重视程度亟待提高。 就城市污水处理厂建设运行现状而言，“建不起 或“用不起”的现象仍比较 普遍。目前，不管是已列入计划还是自行发展，我国尚有1 8 6 个城市需筹建城市 污水处理厂，有些中小城市污水处理厂由于运行费用不足，在调试、验收后就停 止运行或运行不正常，发挥不了污水处理厂应有的效益。随着当前国际金融风暴 波及面越来越广，中央四万亿投资计划为城市基础设施的建设注入了强心剂，全 国范围内又掀起了基础设施建设的新高潮，虽然建设资金得到了进一步保障，但 建成后运行成本过高，能量浪费现象严重仍是我国绝大部分城市污水处理厂面临 的重要问题，这些问题从表面上看是资金问题，但从实质上分析是技术问题，是 污水处理节能技术和措施的研究力度不够的问题。 1 2 城市污水处理技术概况 1 2 1 城市污水处理工艺发展 自然界的水是维持人类生存的必要物质，是发展科学技术、改善生活水平的 必要条件。人类防治水污染的历史主要是伴随着工业化革命和城市化的急剧发展 重庆大学硕士学位论文 而开始的，大致经历了近百年的发展史。总体概括来说，城市污水生物处理技术 经历了以下三个发展阶段【2 j ： 第一阶段：在污水生物处理初期，人们意识到有机污染对环境生态的危害， 从而把好氧性有机污染物( b o d ) 和悬浮固体( s s ) 作为污水处理的主要目标。 此时人们主要采取传统的活性污泥法和生物膜法，降解有机污染物，去除b o d 、 c o d 和s s 等，但不具备脱氮除磷的功能。 第二阶段：到六七十年代，随着常规二级生物处理技术在工业化国家的普及， 人们发现仅仅去除c o d 和s s 是不够的。氨氮( n i t 3 - n ) 的存在依然导致水体的 恶臭和d o 的降低，这一问题的出现使常规二级生物处理从单纯的有机物的去除 发展到有机物和氨氮的联合去除，即污水的硝化处理。 第三阶段：到七、八十年代，由于水体富营养化问题日益严重，污水中氮、 磷去除的实际需要使污水处理技术进入了具有脱氮除磷功能的二级生物处理阶 段。现在的城市污水处理厂的处理对象，包括c o d 、b o d 、s s 和氮、磷等营养物 质。这就要求在同一污水处理系统中同时具备多种功能，从而推动污水处理技术 进一步发展，发展了以a 2 o 等为代表的脱氮除磷新工艺，从而满足了对n 、p 指 标的控制要求。 目前，国内外城市污水处理仍以活性污泥法的各种变形工艺占主导地位，其 特点是出水水质较好，可控性较强，膜法也有应用，但相对较少。自脱氮除磷工 艺出现之后，人们意识到该类工艺在脱氮除磷方面所变现出来的突出优势，因此 针对生物脱氮除磷技术的研究更加活跃。 脱氮系统的基本工艺组成是2 0 世纪6 0 年代得到开发的，脱氮的基本原理简 单来讲就是硝化反硝化，在此基础上形成了多种处理方法，一种方法称为分级脱 氮系统，是用一系列独立的悬浮生长式系统以分步方式完成去除有机物和脱氮过 程，第一步是去除有机物，第二步是进行硝化，第三步是进行反硝化脱氮。这种 三步脱氮系统由于其投资和运行费用高而没有在实际中得到应用。另一种方法称 为单级污泥脱氮系统，将好氧硝化和缺氧反硝化结合成一个系统，两个区同时又 进行碳氧化过程。在单级污泥方法中引入了内循环等一些概念，即将硝态氮回流 到首段的缺氧区，利用易生物降解基质进行反硝化，同时，在第二级缺氧区利用 缓慢降解基质和微生物衰减进一步反硝化p j 。 近年来脱氮理论也有了新的发展，其中有代表性的有： 同时硝化反硝化 当同一反应器中同时存在好氧和缺氧环境，硝化和反硝化同时进行的现象就 是同时硝化反硝化【4 1 ，目前可有两种理论对这一现象进行解释，一是微环境理论【5 】， 所谓微环境是指影响微生物个体生存的微小环境，该理论认为，宏观环境的变化 2 1 绪论 会导致微环境的变化，其微环境分布也不均匀，从而影响微生物群体的活动状态 并在某种程度上出现表里不一的现象。该理论解释了好氧、缺氧环境同时存在的 现象，当宏观环境为好氧而发生硝化时，微观环境可以缺氧发生反硝化。但该理 论不能解释碳源需求问题，需用另一非平衡增长理论【6 】解释，该理论认为如果控制 适当的条件，污水中的有机碳源可在很短的时间内大部分储存在细胞中，既可消 除有机碳源对硝化过程中的抑制，又可用于作为反硝化的电子供体。同时硝化反 硝化理论与传统硝化反硝化理论明显的不同在于【7 j ：同时硝化反硝化的发生是生物 絮体内外环境的不同，并认为存在异氧硝化菌和好氧反硝化菌，可见同时硝化反 硝化理论是对传统理论的补充。 短程硝化和反硝化 短程硝化反硝化包括两种，一是亚硝酸硝化反硝化，二是厌氧氨氧化。亚硝 酸硝化反硝化的原理是在同一个反应器内先经过好氧条件，通过亚硝酸菌作用， 使氨氧化成亚硝酸盐，然后在缺氧条件下以有机物作为电子供体将亚硝酸盐反硝 化，进而实现脱氮。利用这一原理的典型工艺为s h a r o n 工艺【剐。厌氧氨氧化【4 ，9 - 1 0 】的基本原理是在厌氧条件下以硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体，将氨氮氧化成氮 气。利用这一原理的典型工艺是a n a m m o x 工艺。 在脱氮系统发展的同时，在一些生产性活性污泥系统中观察到了强化除磷过 程，总结出了在厌氧条件下磷释放和在好氧条件下磷吸收的除磷机理，并在2 0 世 纪6 0 年代产生了第一个商业性的生物除磷工艺。 在这样的背景下，相关的一些概念经过整合，形成了单级生物脱氮除磷系统， 最初主要的一步是由b a m a r d 提出的，完成了两个重要的概念性飞跃，一是将好氧 区和缺氧区集成，同时将硝态氮内回流，形成了有效和经济的单级脱氮系统，现 称之为四阶段b a r d e n p h o 工艺。第二个是发现在首端缺氧区硝酸根耗尽时系统发生 了生物除磷现象。b a m a r d 将这种现象与实际处理厂强化除磷时的运行条件进行了 比较，在其脱氮系统首端又加了一个厌氧区，形成了五阶段b a r d c n p h o 工艺，能够 同时脱氮除磷。自此，关于生物脱氮除磷系统的机理、微生物学、化学计量法和 动力学等方面都得到了大量的研究，开发了多种工艺【1 1 1 。 基于对生物脱氮除磷机理的现有认识，生物脱氮除磷工艺大都以a 2 o 工艺方 法为基本流程。通过大量的生产实践，人们发现传统的a 2 o 工艺存在一些较难解 决的问题，主要体现在脱氮效率无法提高，脱氮和除磷之间存在碳源竞争，导致 氮磷去除效果不能同时兼顾。为此，许多工艺针对这问题进行了改进。其中最 优代表性的有u c t 、v i p 工艺，两种工艺通过改变回流系统，增加缺氧区级数等 措施强化了脱氮效果，一些研究表明，v t p 和u c t 工艺的除磷能力远远大于o 和a 2 o 工艺【1 1 1 。虽然u c t 和v i p 工艺在去除氮磷的效果上提高很大，但是以增 重庆大学硕士学位论文 加处理过程的复杂性为代价的。 国内张波【1 2 ，1 3 】等人曾进行过倒置a 2 o 工艺的脱氮除磷研究，把常规生物脱氮 除磷系统的厌氧、缺氧环境倒置过来，研究结果指出：( 1 ) 倒置a 2 o 工艺的氮磷 去除功能明显优于常规a 2 o 工艺，其c o d 去除能力则与常规a 2 o 工艺相当。( 2 ) 聚磷菌厌氧有效释磷水平的充分与否，并不是决定其后续曝气条件下过度吸磷能 力的充分必要条件。推进聚磷菌过度吸磷的本质动力与厌氧区h r t 和厌氧环境的 厌氧程度有关，在一定范围内，厌氧环境的h r t 越长，厌氧程度越充分，聚磷菌 的吸磷动力越强。 上述研究成果极大地丰富了生物脱氮除磷理论，使传统在两个独立的反应器 中完成的过程集合在一个反应器中，解决了传统工艺中的碳源问题，强化了脱氮 除磷效果，降低了曝气需求，既节约能耗又增加了设备的处理负荷，系统的设计 和操作也大大简化。 近年来污水处理工艺呈现出一体化【1 4 】的发展趋势，总体上看一体化工艺主要 有三类，一类是在同一反应器内按时间顺序完成各步处理工序的序批式活性污泥 法，如s b r 、i c e a s 、c a s s 等工艺；一类是安排多个空间进行调配、交替完成各 处理环节的工艺，如t 、d 、v r 型氧化沟和u n i t a n k 等；一类是不作时间和空 间调配，以连续流的运行方式在同一反应器的不同区段完成处理各过程，如一体 化氧化沟等。 我国现有城市污水处理厂中，绝大部分处理工艺采用的是活性污泥法及其变 形，对于有脱氮除磷要求的污水厂则多采用a 2 o 工艺。应用的工艺形式包括：传 统活性污泥法、u c t 工艺、p 工艺、a 2 o 工艺、a b 法工艺、b i o l a k e 工艺、 氧化沟系列工艺( 普通氧化沟、o r b a l 氧化沟、c a r r o u s e l 氧化沟、t 型、d 型、d e 型氧化沟、一体化氧化沟等) 、s b r 系列工艺( 普通s b r 、c a s s 、i c e a s 、d a t - i a t 和m s b r 、u n i t a n k 等) ，还有各种生态处理工艺( 慢速渗滤处理系统、快速渗 滤系统、人工湿地等) 【1 5 】。下面针对目前应用比较广泛的几种处理工艺做简单介 绍。 a 2 o 工型1 5 1 6 】 城镇污水处理厂通常需要在一个流程中同时完成脱氮除磷功能，a 2 o 工艺就 是依据脱氮除磷的理论而产生的最基本的工艺，是由美国气体产品与化学公司于 2 0 世纪7 0 年代发明的。a 2 o 工艺又称a a o 工艺，即厌氧一缺氧一好氧工艺是英 文a n a e r o b i c a n o x i c o x i c 第一个字母的简称，在一个处理系统中同时具有厌氧 区、缺氧区、好氧区，能够同时做到脱氮除磷和有机物的降解，其工艺流程见图 】。 4 1 绪论 混合液回流( 1 0 0 - 3 0 0 ) 堪刁 f 一 尽 一 厌氧区 缺氧区 。好氧区 i 回流污泥( 3 0 5 0 ) ； 剩余污泥 4 - - 一一一- 一- - 一- - - 一一一- - - 一一- 一- - - 一- 一一- - l - - 图1 1a 2 o 工艺流程图 f i g 1 1 t h ef l o wd i a g r a mo fa 2 0p r o c e s s e s 污水进入厌氧反应区，同时进入的还有从二沉池回流的活性污泥，聚磷菌在 厌氧环境条件下释磷，同时将易降解的c o d 、v f a 转化为p h b ，部分含氮有机物 进行氨化。污水经过第一个厌氧反应器后进入缺氧反应器，本反应器的首要功能 是进行脱氮。硝态氮通过混合液内循环由好氧反应器传输过来，通常内回流量为2 4 倍原污水流量，部分有机物在反硝化菌的作用下利用硝酸盐作为电子受体而得 到降解去除。混合液从缺氧反应区进入好氧反应区，混合液中的c o d 浓度已基本 接近排放标准，在好氧反应区除进一步降解有机物外，主要进行氨氮的亚硝化、 硝化和磷的吸收，混合液中硝态氮回流至缺氧反应区，污泥中过量吸收的磷通过 剩余污泥排除。 本工艺具有以下各项特点： 1 ) 本工艺在系统上可以称为最简单的同步脱氮除磷工艺，总的水力停留时间 少于其他同类工艺。 2 ) 在厌氧、缺氧和好氧交替运行条件下，丝状菌不能大量繁殖，无污泥膨胀 之虞，s v i 一般均低于1 0 0 。 3 ) 污泥中含磷浓度高，具有很高的肥效。 4 ) 运行中无需投药，两个a 段只用轻缓搅拌，以不增加溶解氧为度，运行费 用低。 o r b a l 氧化沟工艺【1 7 】 o r b a l 氧化沟就是在p 型氧化沟的基础上派生出的一种新工艺和新设备它原先 是南非研究成功，6 0 年代末转让给美国e n v i r e x 有限公司。图1 2 为典型o r b a l 氧 化沟。目前在美国已有3 0 0 多座奥尔伯氧化沟污水处理厂，处理规模已达 9 0 0 0 0 0 m a d 。在欧洲也有应用实例。 重庆大学硕士学位论文 图1 2 典型o r b a l 氧化沟示意图 f i g 1 2 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fat y p i c a lo r b a lo x i d a t i o nd i t c h o r b a l 氧化沟是一种多级氧化沟，它是由3 个( 三级) p 型氧化沟的组合，典型的 o r b a l 氧化沟是多沟式椭园型，椭园型内设有三个环沟，污水进入第一沟后，通过水下 输入口连续地从一条沟进入下一条沟，每一条沟都是一个闭路连续循环的完全混 合反应器，每沟中的水流在排出之前，污水及污泥( 混合液) 在沟内绕了数百圈的循 环后再流入下一沟，最后，污水由第三沟流入二沉池，进行固液分离。另外，在各沟道 横跨安装有不同数量水平转碟曝气机，进行供氧兼有较强的推流搅伴作用如图1 2 所示。 o r b a l 的基本特征如下： 1 ) o r b a l 氧化沟有较大的溶解氧梯度，第一沟d o - - 0 - - 0 5 m g l ，第二沟d o - - 0 5 - 1 5m g l ，第三沟d o = 1 5 - - 2 0m g l ，使占总容积5 0 以上的第一沟有较 大的溶解氧驱动力，提高了充氧的动力效率，而给仅占总容积1 0 - 2 0 的第三沟 混合液的溶解氧增加至2 m g l ，所以o r b a l 氧化沟比较省电，o r b a l 氧化沟的总能 耗较低，比常规硝化反硝化系统供氧能耗节约2 0 以上。 2 ) 出水水质好，且稳定。o r b a l 氧化沟能提供较好的缺氧反硝化条件，脱氮 效果较好。此外，o r b a l 氧化沟硝化脱氮的碱度平衡较好，o r b a l 氧化沟处理出水 水质比较稳定。 3 ) 能较好的避免二沉池污泥流失。由于三沟式设计，运行中可避免暴雨季节 造成的二沉池污泥流失，将污水引入第三沟，回流污泥进第一沟，则在3 4 h 内， 进出二沉池的污泥达到平衡。 4 ) 有利于有机物的去除，可减少污泥膨胀现象的发生。o r b a l 氧化沟具有推 6 1 绪论 流式和完全混合式两种流态的优点。对于每个沟道内来讲，混合液的流态基本为 完全混合式，具有较强的抗冲击负荷能力；对于三个沟道来讲，沟道与沟道之间 的流态为推流式，有着不同的溶解浓度和污泥负荷，兼有多沟道串联的特性，有 利于有机物的去除，并可减少污泥膨胀现象的发生。 一体化氧化沟工艺【l 7 】 一体化氧化沟的特点是将二次沉淀池与氧化沟建在同一构筑物中，英文称 i n t e r c h a n n e lc l a r i f i c ro x i d a t i o nd i t c h ，直译为沟内式沉淀氧化沟，英文缩写为 i c c o d ，是美国于7 0 年代末8 0 年代初至今一直在研究开发的一种新型氧化沟污 水处理技术，是氧化沟工艺发展中较有影响的研究成果之一。我国从1 9 8 6 年起， 对这一技术进行了消化吸收和开发研究，取得了一些成果。见图1 3 。 图1 3 一体化氧化沟示意图 f i g 1 3 t h es c h a m a t i cd i a g r a mo fi n t e r c h a n n e lc l a r i f i e ro x i d a t i o nd i t c h 一体化氧化沟在单一反应池中按照不同的处理功能将反应池分为：厌氧区、 缺氧区、好氧区和固液分离器等功能区，其空间顺序仍然为a o 方式，但在好氧 区中，由于曝气设备常位于氧化沟直段上的一侧，使好氧区中存在明显的缺氧段， 因此，实际好氧区中是好氧缺氧交替环境，且缺氧区比例较一般氧化沟大。 体化氧化沟工艺具有如下基本特点： 1 ) 工艺流程短、构筑物和设备少，不设初沉池、调节池和单独的二沉池、污 泥消化池，污泥自动回流，投资少、能耗低、占地少、管理简便； 2 ) 处理效果稳定可靠，其b o d 5 和s s 去除率均在9 0 - 9 5 或更高，c o d 的 去除率在8 5 以上，且硝化、脱氮作用明显； 3 ) 产生的剩余污泥量少，污泥不需消化，污泥性质稳定，易脱水，不会带来 二次污染； 4 ) 造价低，建造快，设备事故率低，运行管理工作量少； 5 ) 固液分离效果比一般的二沉池高，能使整个系统在较大的流量浓度范围内 重庆大学硕士学位论文 稳定运行； 6 ) 污泥回流及时，减少了污泥膨胀的可能。 1 2 2 城市污水处理能量配置及节能技术发展 城市污水处理能耗情况 污水处理是能量消耗型的综合技术。污水处理的能耗与所处理的污水水量、 水质、处理方法、处理程度及操作运行方式有关。概括而言，用于污水处理的能 源大多耗费于某些主要污染物的去除，尤其是有机污染物的稳定化、无害化。污 水处理的能耗按用途划分为直接能耗和间接能耗。直接能耗是指污水处理过程现 场消耗的能源，如电能等；而间接能耗是指生产处理过程所用的原料、建筑材料 等的生产耗能，如生产处理药剂等所消耗的能源。以下所讨论的能耗，主要是指 直接能耗【1 8 】。 城市污水处理厂的能耗集中在这几个方面：1 ) 提升污水和污泥；2 ) 生物处 理的供氧和推动混合；3 ) 污泥的稳定和处理；4 ) 专用机械设备的耗能；5 ) 附属 建筑、厂区的照明等。城市污水处理厂消耗的能源主要包括电、燃料及药剂等， 其中电耗占总能耗的6 0 - 9 0 ，具体电耗分布情况因工艺和管理水平的不同而 有所差异。表1 1 列出了我国部分城市污水处理厂的比能耗指标【l 卜2 2 j 。 表1 1我国部分城市污水处理厂的比能耗 里坐! 曼! ：!坠曼坠垒丛曼望曼g y 壁q 望墅墨里仑垒! 坐q ! ! 曼! 曼翌! 整! 叟! 里! 垫塾i 望垒 厂名( t y 规吨尧) 篓蠢( 千黑水) 备注 “ 日) 等级( 千瓦时种污水) 1 羊寿生【2 3 】曾对我国典型一级、二级城市污水处理厂作了能耗估算，污水处理 规模按2 5 0 0 0 m 3 d 计，污水提升能耗占总能耗的1 0 2 0 ，污水生物处理能耗( 主 1 绪论 要用于曝气供氧) 占总能耗的5 0 一7 0 ，污泥处理占总能耗的1 0 2 5 ， 三者能耗之和占总直接能耗的7 0 以上。城市污水处理厂比能耗值平均为 0 2 6 6 k w h m 3 。 根据日本藤井【2 4 】研究成果显示，日本城市污水处理厂比能耗平均为0 2 6 0 k w h m 3 ，美国城市污水处理厂比能耗平均为0 2 0k w h m 3 。日本沉砂池普遍有洗砂、 通风、脱臭等，约耗电0 0 1k w h m 3 ；美日两国普遍对出水进行消毒处理，该项电 耗约0 0 0 2k w h m 3 ：美日两国对污泥都进行消化、脱水、焚烧处理，美国还进行 气浮处理，约耗电o 0 5 o 1k w h m 3 ，而回收的能源均未计算在内，若扣除上述能 耗，国外城市污水处理厂比能耗远远低于我国。 为了解我国城市污水厂目前的能耗情况，课题组专门组织调研十多座污水处 理厂，包括传统活性污泥法、水解+ 好氧法、a b 法、a 2 o 法、氧化沟法等多种工 艺，结果表明，调研的城市污水处理厂比能耗值平均为0 2 8 7 4 k w h m 3 。其中预处 理占2 3 5 ，二级处理占6 6 4 ，污泥处理占1 0 1 。这一实际的比能耗值高于 羊寿生的估算值。调研还发现，现有城市污水处理厂设备配置存在一定的空间剩 余。设计比能耗值比实际大2 0 ，设备利用率较低，在6 0 - 8 0 之间。 上述情况表明，我国城市污水处理厂所采用的处理工艺基本上都从国外引进， 拥有自主知识产权的技术相对较少，这些引进的工艺技术普遍的特点是工艺复杂， 符合欧美等工业化国家经济和技术状况，但与我国的国情相差较远，直接导致我 国城市污水处理厂能耗普遍较高，浪费较大。 城市污水处理能耗研究概况 污水处理是通过投入能量换取污水的净化，于是就有了能耗和能效的问题， 人们追求更高的能效，便自然地将目光投向如何节能，提高设备的效率固然是解 决问题的一方面，然而从反应器流态等方面去优化能量配置的研究较少，既然是 通过投入能量去换取污染物的净化，那么从整个系统的角度去研究能量的配置和 净化效果之间的关系十分重要。迄今为止，国内外有关能量问题的研究非常有限， 人们长期以来更多地将水质指标作为城市污水处理工艺评价的标准，而将能耗作 为参考指标。同时，涉及污水处理能量投配问题的因素很多，相对于工艺研究来 讲，能量研究难度较大。 迄今为止，国内外对城市污水处理能耗的研究还非常有限，这一领域的进展 大大滞后于与水质特性相关的机理和应用研究。一方面，水处理能量分析研究是 多门学科的综合与交叉，而处理工艺系统复杂、动态变化大，加之目前对能量处 理微观本质的了解还不够充分，进行相应的理论构建存在较大难度。另一方面， 对能耗的认识还存在较大的欠缺。根据相关研究，在发达国家中选择工艺系统时， 与水质有关的处理效率仍是考虑得最多的关键因素，而与能耗相关的运行费用则 9 重庆大学硕士学位论文 只是作为重要参考因素来对待。美国对处理厂的能耗调查较为深入，研究的学者 也相对较多。w e s n e r 【2 5 2 6 】对美国公共污水处理设施所采用的单元过程和单元操作 的直接和间接能量需求进行了调查，并给出了详细的能量需求分析。他们所调查 的单元过程和操作涵盖了当时美国几乎所有的城市污水物理、化学和生化处理方 法。w e s n e r 等人还将调查结果绘成图表，根据这些图表，可以计算出不同规模、 不同工艺的处理厂的总能量需求。 在欧洲，污水处理能耗研究采用了与美国大致相同的方式。i r n h o f f l 2 7 】2 0 世纪 8 0 年代初详细分析了当时联邦德国3 座大型污水处理厂的能源利用结构，指出德 国采用的处理工艺的生物处理工段( 主要是曝气系统) 所耗的能量占主导地位。 瑞典学者k a r l s s o n 2 8 】在2 0 世纪9 0 年代提出了一个“耗氧潜势 ( o x y g e n c o n s u m p t i op o t e n t i a l ，o c p ) 的概念，o c p 不仅考虑了有机物和氨氮分解的初级需 氧需求，而且还考虑了由于营养物排放导致藻类生长，这部分藻类在环境中分解 的次级氧需求。但是，o c p 定义是否缜密、化学处理方法是否普遍可行、化学污 泥处理的难易等值得研究和商榷。 我国对城市污水处理能量问题的研究尚处在耗能调查和提出一些零散的节能 措施的层次 2 l 2 2 , 2 9 ，3 0 1 ，其主要的结论表现在我国城市污水处理厂比能耗较高，能 量费占总运行费的5 0 以上，节约的空间较大。就节能措施方面，主要的措施集 中在处理设备的优选、曝气系统的节能、沼气能量回收等方面。而这些方面的措 施多数仍然来自于国外的经验。 对活性污泥系统来讲，耗能最大的是曝气系统，也是节能