（环境工程专业论文）carrousel2000氧化沟do运行控制的研究.pdf

贵： 竹大学2 0 0 7 届硕士论文 摘要 我国人均水资源十分贫乏，在全世界1 4 9 个国家中居第1 0 9 位，属于人均 水量最低的国家之列，被联合国列为1 3 个贫水国之一。缺水造成了生态环境 的严重恶化，水污染又加剧了水资源的供求矛盾。2 0 0 4 年国家环保总局对全 国5 0 0 个城市的统计结果显示，中国城市生活污水处理率平均仅为3 2 3 3 ， 有1 9 3 个城市的生活污水集中处理率为零。改善环境、治理污水已经刻不容 缓! 本文针对c a r r o u s e l 2 0 0 0 氧化沟工艺，采用理论分析、现场测试及数学模 型相结合的方法，首次从工艺技术机理与运行控制技术的结合点，系统研究 了污水处理厂各工段运行控制机理，重点研究氧化沟中有机污染物去除与溶 解氧、回流污泥和剩余污泥量的变化规律。对于表曝机、回流泵、剩余污泥 泵分别提出了相应的运行控制方案。通过研究得出以下主要结论： l 、对定速表曝机的运行，创造性地提出了“溶解氧十时问”控制思想。 氧化沟曝气区溶解氧维持在3 o 一3 5 m g l ，使整个氧化沟溶解氧水平保持在 1 5 m g l ，最大程度地保证氧化沟系统的正常运转。 2 、对于回流污泥泵和剩余污泥泵的控制，提出了“液位高低+ 时间” 控制思想。 3 、通过优化氧化沟内溶解氧分布、污泥回流量和剩余污泥量，避免因 曝气过量而出现污泥腐化和污泥上浮现象。 4 、运行结果显示该控制策略能够满足出水水质达标排放的要求，氧化 沟单元月均节约能耗达1 0 。 关键字：氧化沟：溶解氧：运行控制；时间控制：节能降耗 费州大学2 0 0 7 届硕士论文 a b s t r a t t h ea v e r a g eo fw a t e rr e s o u r c e sp e rp e r s o ni no u rc o u n t r yi se x t r e m e l yd e f i c i e n t , w h i c h o c c u p i e st h e1 0 9 t ho ft h ew o r l d s1 4 9c o u n t r i e s i tb e l o n g st ot h ec o u n t r i e sw h o s ea v e r a g e w a t e rv o l u m ep e rp e r s o na r el o w e s t ，s ot h a ti ti sl i s t e da so n eo ft h e1 3p o o rw a t e r yr e g i o n sb y t h eu n i t e dn a t i o n s l a c k i n gw a t e rc a u s e st h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tb e i n gs e r i o u s l yw o r s e n e d ， a n dt h ew a t e rp o l l u t i o ni n t e n s i f i e dt h ec o n t r a d i c t o r yo fs u p p l ya n dd e m a n do fw a t e rr e s o u r c e s i nv i e wo ft h ec a r r o u s e l 2 0 0 0o x i d a t i o nd i t c hc r a f t ，t h i sa r t i c l eu s e st h em e t h o di nw h i c h t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h es c e n et e s t ，t h ea c t u a lo p e r a t i o na n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l s i m u l a t i o na r eu n i f i e d i th a ss t u d i e dt h eo p e r a t i n gc o n t r o lm e c h a n i s mo fv a r i o u sw o r k s h o p s e c t i o n si nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tb yt h en u m b e r sf r o mt h ec o m b i n i n gs i t eo ft h e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ym e c h a n i s m a n dt h eo p e r a t i n gc o n t r o lt e c h n o l o g yf o rt h ef i r s tt i m e i th a s a l s os t u d i e dt h er u l eo fo r g a n i cp o l l u t a n te l i m i n a t i o na n dd i s s o l v e do x y g e n ，b a c l d l o ws l u d g e a n ds u r p l u ss l u d g eq u a n t i t yi nt h eo x i d a t i o nd i t c he m p h a t i c a l l y t h ec o r r e s p o n d i n go p e r a t i n g c o n t r o lp l a no fs u r f a c ea e r a t i n gm a c h i n e ，t h er e f l u xp u m pa n dt h es u r p l u ss l u d g ep u m pa r c s e p a r a t e l yp r o p o s e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa b o u t t h er e s e a r c ha r ed r a w na sf o l l o w i n g ： 1 f o rt h ec o n s t a n ts p e e do ft h es u r p l u ss l u d g e so p e r a t i n g , ”d o + t i m e ”t h o u g h ti s c r e a t i v e l yp r o p o s e d ，t h ed od e n s i t yo f t h eo da e r a t i o na r e am a i n t a i n s3 0 3 5 m kt ok e e p t h ee n t i r eo x i d a t i o no d sd ol e v e la b o v e1 5 m g l u n d e rt h ep r e m i s et h a tw a t e rl e a k a g e r e a c h e st h es t a n d a r d s ，t h en o r m a lw o r ko ft h eo x i d a t i o nd i t c hs y s t e m ，t h ee c o n o m i c a le n e r g y c o n s u m p t i o na r eg u a r a n t e e da tm a x i m u ml i m i t 2 r e g a r d i n gt h er e f l u xs l u d g ep u m pa n dt h es u r p l u ss l u d g ep u m pc o n t r o l ，t h et h o u g h to f i t sb e i n gc o n t r o l e db y “t h ef l u i dh e i g h t + t i m e ”i sp r o p o s e d 3 t h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o no ft h ed i s s o l v e do x y g e nd i s t r i b u t i o n , t h es l u d g eb a c k f l o w q t m n t i t ya n dt h es u r p l u ss l u d g eq u a n t i t yi nt h eo x i d a t i o nd i t c h ，t h ep h e n o m e n o no ft h es l u d g e p u t r e f i c a t i o na n dt h es l u d g es u r f a c i n gt h eb o a tc a u s e db yt h ea e r a t i o ne x c e s s i v ec a nb e a v o i d e d 4 t h er e s u l to ft h es y s t e mo p e r a t i n gs h o w e dt h a tt h i sc o n t r o ls t r a t e g yc a nm a k et h ew a t e r q u a l i t yo ft h ew a t e rl e a k a g ea c h i e v et h ee m i s s i o n ss t a n d a r d ，t h eo du n i t se n e r g yc o n s u m p t i o n c a nb es a v e da b o u t1 0 o n a v e r a g em o n t h l y k e yw o r d s ：o x i d a t i o n d i t c h ；d o ；o 畔r t 吨呲伽崦咖叫；n e e e n 叼c 瞅m 蜥f 挑c o n s a m e s 贵州大学2 0 0 7 届硕士论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果对本文的研究在做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识 到本声明的法律责任由本人承担。 黧文作者签名：= j 亭扛红日期：上业皿 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名 贵州大学2 0 0 7 届硕士论文 第一章序言 1 1 水体污染现状 当今，由于经济的高速发展和人口的持续增长，造成水需求量在不断增加，但地球上的水资源却 在萎缩。可利用的水源特别是城市周围水源污染等因素使得水资源缺乏和水体污染已经成为各国面临 的重要问题之一。水资源的缺乏将是2 1 世纪人类面临的最大挑战之，中国是一个水资源匮乏的国 家，人均水资源占有量仅为世界人均占有量的四分之一，而且在时空分布上极不均匀，约3 0 0 个城市 缺水，其中严重缺水城市有5 0 个。2 0 世纪8 0 年代以来，人口膨胀、工业的迅猛发展使水体受到严重污 染，这就加剧了水资源的短缺。我国人均水资源十分贫乏，在全世界4 9 个国家中居第1 0 9 位，属于人 均水量最低的国家之列，被联合国列为1 3 个贫水国之一。我国平均每天缺水1 6 0 0 万立方米，因缺水年 工业经济损失达2 3 0 0 多亿元人民币。缺水造成了生态环境的严重恶化，水污染又加剧了水资源的供嚣 矛盾。水污染主要是由工业废水和城市污水的过渡排放造成的。我国目前的工业废水治理不足7 0 ， 达标率不到5 0 。在九十年代，我国每年废水排放量1 8 9 亿立方米其中8 噼未经处理直接排入水体， 造成严重的水源污染。有关资料表明，全国污水日排放量为1 亿立方米，全国各类水体8 2 的河段受到 污染，其中3 溉的河段已受到严重污染。据调查，7 0 的饮用水永源不符合卫生标准，使我国城市供水 水源受到严重威胁。随着我国的城市化步伐加快，水体质量正逐步恶化，如果不采取行之有效的措施， 恶化的水体必将对人类的生存造成威胁。改善环境、治理污水已经刻不容缓。 因此，治理污水具有重要的意义“如何更好地减少水污染及加强污水的回收利用，已经成为科 学家们研究的课题。各国政府都十分重视污水处理，六、七十年代以来，欧洲各国都将环境保护列为 政府的一项重要职能。1 9 2 6 年，第一座现代意义的污水处理厂在瑞士苏黎世l i m m a t 河畔的w e r d h o l z l i 建成投入使用。1 9 4 9 年苏黎世又在g l a t t 建成第二个污水处理厂，使该市的污水处理率达到1 0 0 。1 9 8 5 年w e r d h o l z l i 污水厂又完成扩建，并首先建了一座污水博物馆，以提高公众的节水意识。由于国外发 达国家经济发展较早，水资源不足和污染的问题较早得到重视。现在一些发达国家经过数十年的努力， 城市污水处理率达到8 0 - - 9 0 以上，城市水污染大大缓解，水体水质明显改善。 1 2 水体污染源及危害 我们在日常生活和生产中每天都要使用水，在使用过程中，水被加入了其他物质，使其物理性质 和化学性质发生了变化，水就受到了污染。城市污水包括生活污水、工业废水和一部分城市地表径流。 生活污水来自住宅、商业、机关、学校、服务业及其他城市公用设施，包括厕所冲洗水、厨房洗涤水、 洗衣排水、沐浴排水及其他排水等生活污水含纤维素、淀粉、糖类、脂肪、蛋白质等有机物，还有 氮、磷等物质，其成分和城市居民的生活习惯及季节有关。 工业废水来自工业生产过程，由于生产工艺、原料、设备不同，产生的种类繁多，性质复杂，一 般可分为工艺废水、设备冷却水、原料或成品洗涤水、场地和设备冲洗水以及设备滴漏产生的废水， 具有废水量大，污染物浓度高，成分复杂不易净化的特点。工业废水在排入城市市政管网前，应经过 贵州大学2 0 0 7 届硕士论文 一定的处理，达到规定的下水道标准。 城市地表径流是由于降雨及降雪落至地面形成的，其中含有淋洗大气及冲洗建筑物、地面、废渣、 垃圾所带来的各种污染物。城市污水中的污染物种类繁多，可分为八类，即耗氧污染物、植物营养物 质、人工合成的有机物、有毒无机物非沉淀化合物、病原体污染物、放射性污染物和热污染 污水中所含的耗氧污染物有碳水化合物、蛋白质、油脂、木质素等有机物，排入水体后这些有机 物会消耗水中的溶解氡，待水中的氧消耗完时，会造成水体缺氧，水体中动植物就会因缺氧死亡面逐 渐腐败。植物和微生物的主要营养物质是指污水中的氮和磷，当水体中含有过多的氮、磷( 特别是磷) 时，就会促进藻类大量繁殖，引起水华( 湖泊) 或赤潮( 海洋) 。 人工合成的有机物主要指一些酚类化舍物、多氯联苯化合物、取代苯类、稠环芳烃化合物、农药 等有毒，难生物降解物质。有毒无机物主要指汞、锡、铅、铬等重金属元素，非金属元素砷、硒、填 等以及各种酸、碱、盐等各种无机化合物。这些金属及非金属物质具有较强的毒性，两且在食物链中 可富集，从而对鱼类、家畜、人的健康造成极大的危害。 热污染主要是工矿企业排放的热废水( 主要为熟电站) 进入水体造成的。其结果导致水体温度局部 升高，重金属离子的毒性加强。水体的化学和生化反应速度加快。破坏水体生态系统结构嗍。放射性 污染物主要来源于开采和加工放射性矿石、核电站、核武器试验和医院等排放的污水。该种污染物可 在生物体表面附着，也可在生物体内富集，引起细胞变性，产生癌变，对生物和人体危害极大。病原 体污染物主要来源于人类的捧泄物和进入水体的各种病原微生物如病毒、细菌、寄生虫，传播途径为 水媒型传播。 城市污水处理的目的是采用各种技术措施将污水中所含的各种形态的污染物从水中分离出来或 将其分解、转化为无害和稳定的物质，使污水得到净化。由于污水中污染物种类很多，存在的形态不 同，不能仅用一种方法去除所有污染物，因此处理城市污水通常需要几种方法的组合，才能达到处理 要求。城市污水处理按其作用原理和去除的对象分为物理法、化学法、生物法；按照处理程度可分为 一级、二级、三级处理。一级处理主要是去除水中呈悬浮状态的固体污染物质，主要采用物理处理方 法，不能去除水中的溶解状态和胶体状态的有机性物质，污水的净化程度不高。二级处理能大幅度去 除污水中溶解状态和胶体状态的有机性物质，主要采用生物处理法，b o d 去除率可达9 0 以上，污水 经过二级处理大部分指标一般可以达到国家规定的向水体排放的标准。三级处理即深度处理，目的在 于进一步去除污水中二级处理未能除去的污染物质，包括微生物未能降解的有机物和氦、磷等。 从二十世纪七十年代起，水体中氮、磷的控制己引起世界各国的广泛注意，欧洲及南非在新建 污水厂均考虑脱氮除磷要求，同时还对老厂迸行改造，使出水达到排放要求。我国是水资源匮乏的国 家，人均水资源占有量仅为世界人均占有量的1 4 ，在分布上又很不均匀，严重缺水城市有5 0 多个。随 着我国经济的迅速发展和城市规模的扩大，城市污水排放量增加很快，我国水污染控制重点已经从工 业点源为主的控制逐步转变为以城市污水污染为主的控制。截止到2 0 0 3 年底，全国城镇污水年排放量 为2 4 7 6 亿吨，七大江河水系均受到不同程度的污染，仅3 8 1 j j 6 的监测断面满足i i i 类水质要求，3 2 2 9 6 的断面属v 类水质，2 9 7 的断面属劣v 类水质”1 。城镇生活污水中氨氮排放堑为8 9 3 7 y 吨，比上年增 2 贵州大学2 0 0 7 届硬士论文 加3 o 影响我国近岸海域水质的主要污染因子是无机氮和活性磷酸盐沿海水体发生赤潮和富营养化 现象增多为了解决我国水资源短缺、水污染和水体富营养化日益严重等问题，对城市污水处理程度 的要求也在提高，2 0 0 3 年开始实行的国家城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 对城镇 污水处理厂提出了去除污水中氮、磷的要求，需对城市污水进行脱氮除磷的三级处理。因此寻求适合 我国国情的污水处理新技术，保护水环境将是目前迫切需要解决的问题。 1 3 国内外污水处理厂发展、现状及趋势 1 3 1 国外污水处理厂发展现状 如何更好地减少水污染，以及污水的回收利用，已经成为科学家们研究的课题。各国政府都十分 重视污水处理，现在一些发达国家经过数十年的努力。城市污水处理率达到8 0 一9 0 以上，城市水 污染大大缓解，水体水质明显改善。 欧美一些发达国家对污水处理的开展比较早，现阶段二级处理就已经大规模普及，并投入了大量 鲰瓷金和科研力量加强可污水处理设旖的检测、运行和管理，实现了计算机控制、报警、计算和记录。 例如瑞典r y a 污水处理厂，该厂采用自动控制操作，在夜间、周末实行无人操作运行，可以利用便携 式计算机和移动电话，通过国际互联网拉的帮助，使得操作人员在任何时候对厂区进水情况进行控制， 该厂设有在线式计算机模拟装置，可提前6 小时预测进水流量，对系统进行调整。且前，国外污水处 理厂自动控制具有以下特点： ( 1 ) 采用分布式计算机控制系统，根据实际情况设立一定数量的现场控制站，并设由中央控制室， 操作人员通过控制通讯网络管理的生产过程。控制系统采用冗余化设计，提高系统的安全性和可靠性。 ( 2 ) 生产过程中不同程度地采用智能化控制，可以根据生产工艺情况自动调整。 ( 3 ) 控制要求相对较高，污水处理工艺趋于复杂，但控制的精度要求高。 ( 4 ) 大量地采用先进的在线水质分析仪表和智能化仪表，提高了数据精确性和准确性。 l i3 2 国内污水处理发展现状 随着城市污水处理厂的大规模兴建，污水处理工艺也不断完善和复杂化。2 0 世纪9 0 年代以来，为 了适应经济发展和人民生活水平的不断提高，我国水污染治理工作取得了较大进展。已有一大批城市 和工业企业建设了污水处理厂。据统计，1 9 9 6 - 1 9 9 7 年治理废水的资金投入为1 2 0 2 亿元，截至1 9 9 7 年底，共建设污水治理设施4 3 0 1 1 套。在全国城市建设的1 6 0 座污水处理厂中，近半数采用了二级生物 处理，还有一大批城市污水处理厂在建设中。 我国的污水处理自动化控制开始较晚，在七、八十年代以热工仪表和应用分析仪表为主，主要采 用集中巡检的方式。到了九十年代，污水处理自动化应用水平有了较大的提高，开始广泛采用先进的 工艺流程和设备，且系统运行和工艺过程等方面达到了相当的水准。且前，我国的污水处理自动控制 系统具有以下特点： 3 贵州大学2 0 0 7 届硕士论文 ( 1 ) 先进的控制系统和控制方式与传统的控制系统相并存。许多污水厂采用了计算机控制系统， 但是也有相当大一部分污水处理厂采用人工巡检和管理的控制方式。 ( 2 ) 大量采用各种先进的检测和分析仪表，但是由于这类仪表的国产化程度不高，对污水处理厂 的维护和使用存在相当多的问题。急需检测和分析等智能设备的国产化 ( 3 ) 开始应用各种控制方式( 如曝气控制、生物池控制) 以提高处理过程效率和质量，但是并没有 形成大规模应用趋势。 ( 4 ) 远程控制和无人管理等高度集中控制应用比较缺乏。 对于城市生活污水来讲，其处理过程是一个生物过程，具有机理复杂，高度非线形等特点，因此， 为了保证污水处理过程的良好运行和提高出水水质，控制策略的精心设计就显得尤为重要。具体来说， 在污水处理过程系统中应用过程控制主要存在以下难点： ( 1 ) 反应过程复杂。整个处理过程由多个操作单元组成，在同一单元内又发生多个性质完全不同 的反应，包括化学反应、物理反应和生物反应。 ( 2 ) 许多影响系统的参数难以控制，如瞬间流量、有机物输入变化、有毒物质的输入和进水温度 等 ( 3 ) 系统高度动态化，并且很少在稳态情况下运行，缺乏一个有效和精确描述过程动态的数学模 型。 ( 4 ) 污水处理系统的目标是使出水水质达到国家排放标准的前提下尽量降低成本和环境影响，而 不像其他工业控制中给出一个精确的控制目标值。 ( 5 ) 多数信息非量化。定性的指标如出水的气味和颜色、微生物质量等等对于操作人员至关的重 要信息不能在常规的控制技术中使用。 对污水处理过程进行控制不仅可以提高系统的性能和可靠性，还可以降低操作成本 。人工控 制策略在污水处理过程中的应用已经有比较长的历史，最优化控制簸略逐步在污水处理过程中得到应 用：目前，智能应用控制策略以理论研究为主，由于其独有的智能化优势，它势必将成为今后污水处 理过程控制中控制策略的主要发展方向。 从控制回路分析，常规控制策略主要对污水处理过程中进水流量控制，回流量、迸水流量大小决 定了有机污水在系统中的平均滞留时间，而有机污水同曝气池中微生物之间的新陈代谢活动主要在水 中的滞留时间内发生，故系统中所有的组分都受进水量的变化影响。常见的控制方法有d o 浓度控制等、 o p , p 控制、p l i 值控制。污水水处理过程中，对溶解氧的控制具有重要意义，这是由于： 1 ) 经济要求：由于曝气而造成的能耗占污水处理厂能耗的绝大部分，这样可以使溶解氧保持在一 个相对低的“运行点”上，能够降低能耗。 2 ) 投入较小：由于在线溶解氧仪的价格己经可以被人们所接受，所以容易实现。 3 ) 涉及面广：由于污水中各种组分的反应都几乎和溶解氧有关系，通过控制溶解氧可以达到“牵 一发而动全身”的目的。 但是也存在缺点： 4 贵州大学2 0 0 7 届硬士论文 1 ) 污泥状况可能变得不是很好。 2 ) 当。运行点”过低的时候可能使反应器的混合状态不好。 3 ) 氨氮的氧化可能会生成很多n 2 0 ，即增加了温室气体。 1 4 选题依据及意义 随着人口的增加，经济的发展以及工业化步伐的加快，我国城市污水的排放量也与日俱增，导致 水体污染较为严重。为了改善水环境，保护水资源，促进城市污水处理设旌建设及相关产业的发展。 建设部、国家环保总局、科技部联合颁布了 o 1 3 m s ) 水流由臻气区的湍流状态变成之后的平流状态，从 而改善了污泥的沉降性能，提高了出水质量。在普通c a r r o u s e l 系统中，p o d 降解是一个连续过程，硝化 作用和反硝化作用发生在同一池中，使用设备并不超过一种。实际上，该c a r r o u s e l 系统就是一个模糊 的a o 工艺。表面曝气机使混合液中溶解氧d o 的浓度增加到大约2 - 3 m g l ，在这种充分掺氧的条件下， 混合液处于有氧状态，微生物得到足够的溶解氧来去除b o d ：同时，氨也被氧化成硝酸盐和亚硝酸盐( 硝 化作用) 。生物的氧化过程消耗了水中溶解氧，直到d 0 值降为零，混合液星缺氧状态。经过缺氧区的反 硝化作用，混合液进入有氧区，完成一次循环。 2 1 - 2c a r r o u s e l 2 0 0 0 氧化沟除磷原理 c a r r o u s e l 2 0 0 0 氧化沟有个单独的除磷处理单元，它在普通c a r r o u s e l 氧化沟前增加了一个厌氧区 和缺氧区( 又称前反硝化区) 。原水和回流污泥在厌氧池中搅拌混合，此时在厌氧池中完成下列反应： 厌氧池中的兼性反硝化菌异化原水和回流污泥中的硝酸盐和亚硝酸盐，得以脱氮：厌氧池中的兼性细 菌将可溶性b o d 转化成v f a ，聚磷菌获得v f a 将其同化成p h b ，所需能量来源于聚磷的水解并导致磷酸盐 的释放。厌氧池后紧接缺氧池，微生物在缺氧池中完成下列反应：缺氧池中的兼性反硝化菌异化厌氧出 水和c a r r o u s e l 氧化沟中分流过来的硝酸盐和亚硝酸盐，使脱氮更为充分：缺氧池中的聚磷菌利用后续 c a r r o u s e l 氧化沟中分流而来的混合液中的硝酸盐和亚硝酸盐所提供的电子吸磷，避免同时反硝化和 吸磷时b o d 量的不足，而后的c a r r o u s e l 氧化沟完成了硝化、吸磷和去除有机物等过程。c a r r o u s e l 2 0 0 0 9 责州大学2 0 0 7 届硕士论文 氧化沟系统对b o d 。c o d ，n 的去除率分别可达9 8 ，9 5 ，9 5 ，出水p 可降到i 一2 = g l “”。 2 2 倒伞型表曝机在氧化沟的应用性能分析 活性污泥法属好氧生物处理，因此在处理过程中需不断向污水中充入氧气，以满足处理微生物 正常的新陈代谢活动和氧化分解污染物的需要。向水中充氧的过程就是曝气。 曝气需采用专门的曝气设备，可分为两大类。表2 一l 列出了两种曝气方式的对比。 表2 - 1 表面曝气与鼓风曝气的比较 表面曝气鼓风曝气 充氧效率高，但随着使用年限的加长( 2 3 年) ， 充氧效率低，但可长期保持稳定 曝气头出现老化破损，效率会逐步下降 系统复杂( 空气管路系统、阀门、为数众多的 系统简单，安装方便，投资较少 曝气头等) ，安装工作量大，投资稍大 调节控制容易，通过改变表曝机转速或调节控制较复杂，需设置复杂的气路控制设备 启停台数即可对充氧量进行控制( 如鼓风机进出口导叶，管路阀门等) 设备在水面，便于观察设备运行状况和 曝气头在水下，了解其运行状态较困难 进行管理 维修工作量少，且设备在水面以上，维 嚎气头完全淹没在水中，检修更换不易 护修理方便 。 水深较浅水深较浅 处理效果良好处理效果良好 卡鲁塞尔回系统不再使用卧式转刷曝气机，而采用d i n 公司为卡鲁塞尔。氧化沟专门研制的高性 能表面曝气机o h 啪r o 。它主要包抬电机、齿轮箱和曝气叶轮三个部分。由图2 - 5 中可以看到， 其结构非常简单。由于电机和齿轮箱均位于平台以上，非常容易进行操作和维护。 曝气叶轮通过中间轴与齿轮箱连接，与水面接触，其形状呈倒伞形，包括轴体和一个锥形头及焊 接在上面的八个竖直的叶片，叶片之间由斜板加固同时提高充氧效率。曝气机的封闭锥形头能保证长 期无误的水力运行。另外这种锥体形状可减低对整个单元的向上的推力。o x y r a t o r ”表曝机是专为卡 鲁塞尔系统设计的，它具有以下特点： 充氧效率高( 2 1 - 2 4k 9 0 2 k w h ) ，并且长期维持稳定，不随使用时间的延长而下降 可方便调整充氧能力以适应于不同的运行条件 1 0 贵州大学2 0 0 7 届硬士论文 将搅拌、推流及充氧功能在一台设备上有机结合起来 保养维护工作量极少，无堵塞( 而薄膜或陶瓷曝气头则需要这些工作) 曝气叶轮直径最大可达4 m ，电机功率最大为1 6 0 k 生物处理系统的供氧通过数量较少的设备即 可完成。与其它表面曝气工艺相比，设备数量减少。管理简单方便 朗：t - 4 立武袭曝规安燕圈 1 ) 特殊的水力流态 由于o x y r a t o r 的独特设计和升轮形状，其运行时就象一台水泵，通过叶轮旋转扬撒污水，打起 大量水花，增加水和空气的接触面积达到掺氧的目的。同时，叶轮的转动使水流受到剧烈搅拌，来增 加空气进水接触面积。刚刚进入池中的污水很快与池中的污水混合，在曝气区附近形成完全混合的流 态。而由于叶轮的特殊形状，在其旋转过程中会对水流产生一个向上的提升作用，使池底的水也可翻 到上方来，因此卡鲁塞尔”系统的沟深较大( 一般在4 5 - 5 m ) ，远高于p a s v e e r 氧化沟或其它采用水 平转刷转碟曝气机的工艺，减小了占池面积。水流上升到上部后，又被叶轮甩向四周，从而在卡鲁 塞尔。沟道中形成一种螺旋状推进的水流形态，这使得卡鲁塞尔。氧化沟中同时具备了完全混合和推 流的流态，使其兼具二者的优点，从水力角度为良好的处理效果提供了保证1 前文已提到，表曝机在系统中要完成充氧、搅拌和推流的功能。而表曝机输出的能量在这三者问 是有一定分配比例的，需要达到一种平衡( 例如，如果注重了充氧方面的能量输入，而在推流方面能 量不够的话，就会出现推流不足的情况，导致污泥在池中沉淀) 。经过多年的研究实践，d h v 公司成 功开发出专有的工艺及水力设计模型。该模型以o x y r a t o r 的动力特性为核心并充分考虑了沟道的 形状、导流墙的位置、尺寸以及表曝机自身特性等因素，实现了o x y r a t o r 表曝机在充氧、搅拌和推 流三个功能上能量分配的最优匹配。使卡备塞尔”系统的能力与表曝机性能完全匹配起来。从而保证 责州大学2 0 0 7 届硕士论文 了整个系统最低的能耗和最佳的处理效果。水力设计可以说是卡鲁塞尔。系统的核心和关键臼町 2 5 1 倒伞型表曝机充氧性能分析 倒伞型立式表曝机的转动轴与水面垂直，装有叶轮，当叶轮转动时，使曝气池表面产生水跃，把 大量的混合液水滴和膜状水抛向空气中，然后挟带空气形成水气混合物回到曝气池中，由于气水接触 界面大，从而使空气中的氧很快溶入水中。随着曝气机的不断转动，表面水层不断更新，氧气不断地 溶人，同时池底含氧量小的混合液向上环流和表面充氧区发生交换，从而提高了整个曝气池混合液的 溶解氧含量因为氧化沟内污水的流动状态同沟形有密切的关系，故曝气的效率不仅决定于曝气机的 性能，还同氧化沟的沟形有密切关系。 表曝机叶轮的淹没深度一般在1 0 - - l o o m m ，可以调节。淹没深度大时提升水量大，但所需功率亦 会增大，叶轮转速一般为2 0 3 5 r m i n ，因而电机需通过齿轮箱变速，同时可以进行二挡和三挡调速， 以适应进水水量和水质的变化。 表曝机装置技术性能主要指标： i 氧的转移率：单位小时氧溶解到水中的量，m g l h 2 动力效率( b ) ：每消耗1 k w h 电能转移到混合液中的氧量计。 3 充氧能力( 盼：有两种方式来衡量曝气装置的充氧能力，准条件下单位容积氧的转移速率，单 位是以器计愚( 孰2 玩t 粕卿 式中c 指溶解氧的浓度：t 是充氧时间充氧对象为脱氧清水，溶解氧的起始浓度为零，k ( 2 0 ) 水 温2 0 时的氧转移系数，可以通过在一个标准大气压，2 0 下进行充氧实验测得，c ；t ，为2 0 时 清水的饱和溶解氧浓度。另一衡量方式是标注条件下氧转移的速率，即： 啪栝= ，c i ( 2 0 ) v 式中，m 为转移氧的重量，v 是池水的体积。通常所说的是指后一种，即标准条件下氧的转移速 率，以k g o2 伍计。 4 氧的转移效率( e l ) ：有的称利用效率或氧的利用率，指转移到混合液中的氧量占总氧量的百 分比。 2 3 污泥负荷 污泥负荷是污水生物处理中常用的一个指标，其定义为单位质量的活性污泥在单位时间里可得到 的营养物( 一般以b o d s 表示) 数量，所以也称为食料与微生物比( f m 比) 。 计算公式如下： 1 2 贵州大学2 0 0 7 届颈士论文 污泥负荷：鲎查塑苎! 竺：! ! ! ：整查呈q 里l g 生2 m l s s ( g l ) 氧化沟容积( m3 ) 由上述的计算公式可知，当进水水质和水量一定时，污泥负荷主要取决于系统的m i s s ( 氧化沟 容积一旦设计确定后即为定值) 。因此，污泥负荷的调整往往是与m i s s 联系起来的。 一般说来，处理系统的污泥负荷越低，出水水质越好，而对于市政污水的处理，卡鲁塞尔回氧化 沟往往采用低负荷的设计。吴忠市某污水厂卡鲁塞尔埘2 0 0 0 系统的设计污泥负荷为： o o64 0 073kg bod 。 百百了吾丁上 其中：m l s s 为3 5 - 4 o g 1 这样的低污泥负荷范围可保证良好的处理效果和非常好的出水水质，然而在污水处理厂运行过程 中，对于污泥负荷的调节，需考虑以下一些问题： i ) 水温的影响 + 在污水处理过程中，对外界环境最为敏感的是硝化菌。在冬季时，随着水温的降低，硝化菌的活 性会显著减弱，致使氨氮转化为硝酸盐氮的过程受到影响，氨氮的去除效果较差。另外，在水温较低 时，微生物的生化活动放慢，内源呼吸减少，对吸收入体内的物质分解减少，因而剩余污泥产量增大， 泥龄缩短。而硝化菌由于世代期较长( 在水温较低时更长) ，泥龄的缩短将不利于硝化菌的繁殖和积 累。 针对这种情况，对于水温较低的冬季，在卡鲁塞尔”2 0 0 0 系统中宜采用较高的活性污泥浓度 ( m l s s = 4 0 9 1 ) ，降低污泥负荷( o 0 6 4 k g b o d s k gm l s s d ) ，提高了系统的总污泥量。在这种情况 下，由于微生物总量增多，而食料并未增加，因此单位质量的微生物所能得到的食物量减少，微生物 将尽可能地吸收水中污染物作为食料，同时对自身体内营养物质的消耗也加大，因此剩余污泥产量减 少，泥龄增长。硝化反应效果得到改善，仍可保证出水对氨氮去除的要求。 而在夏季水温较高时，情况正好相反。微生物活性加强，内源呼吸程度加大，所需要的氧量也随 之增多。这时，出水效果很好，矛盾的主要方面转变为所供氧量是否足够满足微生物正常活动的需要。 所以，工艺运行在水温较高时，可降低卡鲁塞尔”2 0 0 0 系统中的活性污泥浓度( m l s s = 3 s g 1 ) ，在满 足出水要求的前提下，调整了系统所需的供氧量，使得所提供的曝气设备的供氧能力仍可满足处理工 艺的需要，同时降低了不必要的能耗。在其它中间过渡状态的情况下，污泥负荷m l s s 可在上述权限 值之间变化。 i i ) 污泥的稳定化 常规情况下，污泥负荷越小，微生物对污染物分解也越彻底，剩余污泥中的有机质含量越少( 通 过内源呼吸作用得到了分解) ，污泥龄越长。这种稳定化的污泥有两个去除：一是不需进一步的硝化 稳定，可直接浓缩脱水；二是脱水性能较好，化学药剂的消耗量较少，而脱水后污泥含固率较高。 污泥的稳定化还与水温有关。水温越高，微生物反应速率越大，对所吸附的有机物的分解也越多， 贵州大学2 0 0 7 届硕士论文 剩余污泥中的有机质含量就越少，污泥就越稳定，稳定化所需的污泥龄就越短；反之。水温越低，污 泥稳定化所需的泥龄就越长 表2 屹污泥达到稳定后所需的泥龄与水温的关系 l 水温9 1 2 1 5 1 8 2 l 2 4 2 5 l 污泥稳定化所需的泥龄 2 1 6 d1 7 3 d 1 4 o d1 i 4 d9 4 d7 6 d7 1 d 在污水厂运行过程中，需对此进行考虑。表2 - 2 所列数值为d h v 公司根据经验得出的。关于污泥。 要达到什么样的程度( 泥龄计算稳定化) ，目前尚无一致的结论，表2 2 仅供参考。一般的观点是， 对于二级生物处理的剩余污泥，泥龄为1 3 一1 5 天时，可基本达到稳定。 2 4 剩余污泥和污泥龄 剩余污泥的概念在前面已提到过，它是指处理系统在处理水中污染物的过程中，微生物自身不断 繁殖，在系统中所增加的部分污泥量，这部分污泥应捧出系统，以维持系统工艺的平衡状态在工程 实践中，剩余污泥一般用k g d 的单位表示。 图2 - 6 表示了活性污泥的增长曲线，增殖阶段污泥量和时间的关系可用图2 - 5 表示。污泥的主体 妇 o 时间 霄2 - 蕾性污花增鼍墁与有枧庶勃捧謦氯利用遣度一是景 嘲四瓣衄 贵州大学2 0 0 7 届硕士论文 是微生物，但这些微生物的品种繁多，构成复杂，它们之间存在着配合平衡的关系，其生长顶点是相 互错开的。比如，自养菌( 如硝化菌) 的生长顶点一般都比异养菌( 如b o d 降解菌群) 要滞后。不过 总的来说。把少量活性污泥加入污水曝气时。活性污泥的增长曲线同纯种细菌的生长曲线外形相似。 在一定水温下，控制活性污泥增长的决定因素是食料微生物之比( f m 比，即污泥负荷) 。 活性污泥的增长大致可以分为三个阶段。在第1 阶段( 生长率上升阶段) ，由于营养物质丰富， 微生物活性强，去除有机物能力大，污泥增长不受营养条件的限制。这种情况常出现在高负荷活性污 泥系统中，此时污泥产量( 剩余污泥量) 较大，处理效果不是很好。在第1 i 阶段( 生长率下降阶段) ， 活性污泥虽然继续保持增殖，但是开始受到营养的限制，增长速度下降，这是一般活性污泥法所采用 的工作阶段，此时，废水中的有机物基本都能去除，剩余污泥产量适中。到了第1 1 i 阶段( 内源代谢 阶段) ，水中可利用的营养物质基本耗尽，活性污泥开始进入内源呼吸期，开始消耗其体内所储存的 物质，这是低负荷活性污泥法，此时污染物去除效率很高，出水水质非常好，污泥产量较少。 污水处理厂正常运行时，氧化沟处于连续运转状态。沟中的活性污泥也不完全是自行生长起来。 而是有从终沉池沉淀后返回的回流污泥。此时的污泥增长情况就与图2 _ 6 所示的略有不同。在推流式 系统中，在氧化沟起端，由于进水中含有大量的营养物和新鲜碳源，污泥负荷较高，污泥可能处于生 长率上升价段；而随着流动的继续，营养物质不断被消耗，到池子末端时，视来水中有机物浓度和回 流污泥的数量以及系统停留时间，活性污泥生长可能进入生长率下降阶段或内源代谢阶段，污泥负荷 下降。氧化沟的工作情况，用污泥增长曲线来表示，则是一段线段( 如图2 - 0 曲线中的a 到b 点) 。 在完全混和式的氧化沟中，由于污泥与水形成的混合液基本上得到彻底混和，池内各点水质比较均匀， 微生物的数量和性质基本上也到处相同( 类似于卡鲁塞尔。2 0 0 0 中曝气区的状态) ，池内各部分的工 作情况几乎完全一致。用图形表示时，它的工作情况在污泥增长曲线上成为一个点( 如图2 - 6 中曲线 的c 点) 圉2 - 7 朝会游泥产量与永浸i i l 5 $ 的荚泰 1 5 贵州大学2 0 0 7 届硕士论文 由于剩余污泥的产量主要决定于污泥负荷和水温，而污泥负荷又与进水b o d 5 含量，系统池容和 1 4 l s s 等参数有关。图2 7 表示了吴忠市某污水厂卡鲁塞尔。2 0 0 0 系统在设计条件下的剩余污泥产量与 水温、1 4 l s s 的关系 从图2 - 6 中可发现如下规律： i ) 水温的影响 随着水温的升高，剩余污泥产量下降。这是由于水温高时，微生物活性增强。当水中可利用营养 物消耗殆尽后，仍不能满足其生物活动的需要，因此开始利用其体内储存的有机物，消耗自身。使污 泥产量下降。而水温低时，情况相反，微生物内源呼吸程度不大，致使很多储存于体内的有机物没有 得到降解，因此污泥产量较高。 i i ) m l s $ ( 污泥负荷) 的影响 m l s s 下降时，剩余污泥产量上升当污泥负荷较高时( - i l s s 较低) ，微生物的食料丰富，吸收入 体内的有机物被降解利用的少，因此，虽然卡鲁塞尔曰2 0 0 0 系统的总污泥量有所减少( 因为- 5 s 较 低) ，但剩余污泥产量却增大了相反，l 旺s s 较大时，污泥负荷降低，剩余污泥产量下降。 与剩余污泥相关的另一个参数是污泥龄。其计算公式如下： 一型怒瓣排出的污泥量( 剩余污泥+ 出水中携带的污泥) 由于出水中所携带出的s s 量很小，一股可忽略。污泥龄主要取决于剩余污泥的排放。 由污泥龄的定义和计算公式可知，污泥龄实际是指氧化沟中的全部污泥平均更换一次所需的时 间。剩余污泥排放量大时，污泥龄短，系统污泥更新快，污泥中多为生长旺盛的微生物，一般会减小 系统中肌s s 。形成较高的污泥负荷；剩余污泥排放置小时。污泥龄长，系统污泥更新慢，老化微生 物较多，一般会导致系统中m l s s 的升高，形成较低的污泥负荷。 在实际运行过程中，将以上关于剩余污泥和污泥龄的描述结合起来要注意以下几个方面： 1 ) 控制剩余污泥的排放。维持系统适宜的i 舡u s s 和污泥泥负荷，以保证工艺要求。 2 ) 由于硝化茵的世代期较长、系统的污泥龄不宜过短。如果剩余污泥排放量过大，使系统的污泥 龄小于硝化菌的世