污水厂卡鲁塞尔氧化沟系统的设计.doc

污水厂卡鲁塞尔氧化沟系统的设计 设计水量3000m3d，设计最低水温10，（COD）350 mgL，（BOD5）140mgL，可采用卡鲁塞尔氧化沟进行污水的脱氰除磷处理。在分析、介绍卡鲁塞尔氧化沟设计的基础上，还得出以下设计经验：氧化沟中间隔墙与曝气机叶轮边缘的距离宜为80-100mm，氧化沟液面距曝气机基础平台的高度庄为1.45m，曝气机的防冻可采取保温房或通蒸汽加热的方法。随着出水水质标准的提高，越来越多的新建污水处理厂要求采用脱氮除磷工艺。本文针对北方某一污水处理工程采用Carrousel（卡鲁塞尔）氧化沟脱氮除磷，介绍了该厂工艺计算、设备、仪表选型等。1、设计参数及污水处理工艺流程的确定进出水水质参数见表1.表1 设计水质控制项目进水出水水量/（m3d-1)30000最低水温/10（COD）/（mgL-1）35060（BOD）/（mgL-1）14020（SS）/（mgL-1）20020（NH3-N）/（mgL-1）3015（TP）/（mgL-1）41该厂位于北纬38.5度，东经106.2度，海拔1100m.该地区一月份平均最高气温-1.2，最低气温-14.3，降雨量1.2mm；7月份平均最高气温29.3，最低气温17.7，降雨量42.2 mm，冬夏温差较大。由进水水质可知：m（BOD）m（COD）：0.40.3，生化性较好；理论上m（BOD）m（TN）2.86时反硝化过程才能进行，实际运行要求m（BOD）m（TN）应大于3.本工程m（BOD）m（NH3-N）=4.674，因此可采用脱氮工艺；进水中的BOD是作为营养物质供给聚磷菌活动的基质，故m（BOD）m（TP）是衡量能否达到除磷的重要指标，一般认为该值大于20，比值越大，除磷效果越明显。本工程m（BOD）m（TP）=30-45，可采用生物除磷工艺。处理工艺流程见图1。污水处理工艺流程图2、构筑物设计与技术说明设计采用两组脱氮除磷氧化沟系统。2.1选择池容积的确定由于选择池内基质浓度梯度大，菌胶团的基质利用速率要高于丝状菌，因此丝状微生物难以生存，数量逐渐减少。经过该部分的接触，可通过选择器对微生物进行选择性培养以防止污泥膨张娩枝生，污泥的沉降性能将会锝到很大提高。同时，在选样池中氧的质量浓度为零，二沉池回流污泥中的微量硝酸盐能很快地被去除，消除了对磷去除的不利影响。本工艺还具有将二沉池回流污泥按比例分配到选择池和厌氧池的功能，可有，效保证在实际运行中进水水质波动时除磷对有机物的需求。选择池工艺尺寸LBH=9.0m5.5m5.0m，超高1.0m。2.2厌氧池容积的确定泥水混合液由选择池进入厌氧池，在没有溶解氧和硝态氮存在的厌氧条件下，兼性细菌可将溶解性BOD转化成低分子发酵产物，聚磷菌将优先吸附这些低分子发酵物，并将其运送到细胞内、同化成细胞内碳源存储物、所需能量来源于聚磷的水解及细胞内糖的水解，并导致磷酸盐的释放。经厌氧状态释放磷酸盐的聚磷菌在好氧状态下具有很强的吸磷能力，吸收、存储超出生长需求的磷量，并合成新的聚磷菌细胞、产生富磷污泥，最终通过剩余污泥的排放将磷从系统中除去。一般污水在厌氧段停留1.02.0h就可以使磷的释放达约80，此后磷的释放将会很缓慢，因此本工程设计厌氧停留时间为1.5 h。厌氧池工艺尺寸：LBH=9.0m5.5m5.0m，超高0.5m。设计选择池与厌氧池合建。2.3氧化沟容积的确定以动力学计算方法为主，并用污泥龄法（德国目前使用的ATV标准中的计算公式）及污泥负荷法校核。2.3.1好氧区容积确定出水中溶解性BOD含量，使出水中BOD的质量浓度为20mgL.溶解性（BOD）=6.4mgL，其中设BOD速率常数为0.23d-1。则需要去除的BOD质量浓度S=140-6.4=133.6mgL。污泥龄c是根据理论同时参照经验确定。在有硝化的污水处理厂，泥龄必须大于硝化菌的世代周期，设计通常采用一个安全系数，以应付高峰流量，确保硝化作用的进行，其计算式为：c=S.F（10） （1）式中：0硝化菌比生长速率，d-1，0=0.47e0.098（t-15）（N）+10（0.05T-1.158）（DO）（Ko+（DO），其中（N）=15mgL、溶解氧（D0）=2mgL、氧的半速常数Ko取1.3。S.F安全系数，取值范围2.0-3.0，考虑北方地区气温较低，本设计取3.0.计算得出设计污泥龄c为17.5 d（10 ），本工程确定污泥龄为18d。污泥自身氧化速率Kd取0.05，污泥产率系数Y=0.6kgVSS/kgBOD，混合液悬浮固体的质量浓度X=MISS=4000mgL，f=MLVSSMLSS=0.75，则好氧区容积V1=（YcQS）/MLVSS（1+Kdc）=3797m3，其中Q为水量。水力停留时间t1=V1Q=6.08h。2.3.2缺氧区容积缺氧区容积V2=脱硝需要的污泥量（VX）dn混合液中MLVSS。需要去除的氮量N为：N=（NO）-（Ne）-XN=9.77mgL式中：（NO），（Ne）进、出水总氮的质量浓度，mgL；X生物污泥产量，X=QSY/（1+Kdc）=632.84kgdN生物污泥中氮的质量分数，取12.4。由需要去除的氮量，确定反硝化污泥量：（VX）dn=NQqdn=1750.6kgd式中：（VX）dn参与脱氮反应的污泥量，kgd；qdn脱氮负荷，kgNO3-NkgMLVSSd；T=10时，qdn=0.021.08（T-20）=0.0093kgNO3-NkgMLVSSd；由此计算出缺氧区的容积V2=（VX）dn/MLVSS=5251.9m3，水力停留时间t2=V2Q=8.40h；则氧化沟好氧区加缺氧区之和V总=V1+V2=9048.9m3，水力停留时间t=V总Q=14.48h.前置反硝化区容积V3按完成20反硝化和取40min除磷所需容积计算，即V3=1467 m3，占氧化沟池容的16，水力停留时间t3=2.35 h.内回流比取100-400。氧化沟总池容为9203m3，水力停留时间t=14.7 h，污泥负荷=0.0726 kgBODkgVSSd.2.3.3氧化沟池容校核污泥龄法由德国目前使用的ATV标准中的计算公式可知剩余污泥产率（每去除1kgBOD产生的剩余污泥量）取决于曝气池进水SS与BOD的质量比、水温、污泥泥龄等因素：污泥产率系数Y=K0.6m（SS）m（DOD）+1（O.0720.6cX1.072（T-15）（1+0.08c1.072（T-15）=1.055kgSSkg（BODd其中修正系数K取0.9，c=18d.（MISS）=4000mgL，T=10，则V=24QcYS（MLSS）=9371m3，水力停留时间t=14.9h（包括缺氧区）。污泥负荷=0.071kgBODksVSSd，在0.05-0.15kg（BOD）kgVSSd范围内。由污泥龄法计算出的污泥负荷与动力学计算方法基本一致，故此设计合理。2.3.4氧化沟需氧量的确定在氧化沟系统中，考虑以下几个过程的需氧量：总需氧量（D）=氧化有机物需氧+细胞内源呼吸需氧+硝化过程需氧脱氮过程产氧计算得出需氧量AOR=205kgh，利用下列公式转化为标准状态需氧量（SOR）。SOR=AORCs（20）Cs（T）-C1.024（T-20）式中：不同污水的氧转移速率参数，对生活污水取值0.5-0.95，取0.9；不同污水的饱和溶解氧参数，对生活污水取值0.90-0.97，取0.97；大气压修正参数，海拔1100m时大气压为88300Pa；（=88300101300=0.8715）Cs（T）温度T时饱和溶解氧。计算得出SOR=358KgO2h.曝气机动力效率取：2.1kgO2kW；需配置功率数（N）=358/2.1=170.4KW.3、设备选型及说明3.1选择池及厌氧池为满足选择池内污水与二沉池回流污泥快速混合的需求，设计搅拌功串密度为13Wm3（一般在10-15Wm3）。采用2台型号为GQT015325（功率=1.5kW）的潜水高速推进器，有效搅拌混合和防止颗粒状杂物在池壁或池底沉积。在选择池中还配置有型号为L3100的全不锈钢污泥分配槽，调节范围20-100（以20为一档），采用手动控制方式。厌氧池为防止污泥沉降及保证0.3ms的流速，设汁搅拌功率密度为8.5Wm3（一般在7.0-9.0Wm3），采用2台GOT040480（功率=4.0kW）的潜水高速推进器。3.2氧化沟前置反硝化段该段对搅拌器功能要求以推流为主，设计采用2台DOT0551800（功率=5.5kW）的潜水低速推进器，功率密度7.4Wm3（一般在6.58.5Wm3）。混合液回流至氧化沟主体内采用LB4.01.2型的内回流控制闸门，控制范围：100=600。3.3氧化沟主体反应区3.3.1根据计算，本工程选用90kW，DS350型大倒伞表面曝气机两台，总供氧量（以O2计，下同）902.12=378kgh，氧富余20kgh.从节能方面考虑采用一台变速曝气机（充氧量90-189中h）、一台恒速曝气机（充氧量189 kgh）。根据水力模型数据，氧化沟沟宽与倒伞直径的最佳比例为2.2-2.4倍，沟深与直径的比例约为1.1-1.2倍，在此条件下，曝气机可达到最佳的椎流及曝气效果。本工程曝气机叶轮直径D=3500mm，确定氧化沟最佳沟宽：B=8.0m、有效水深h=4.2m.则氧化沟主体工艺尺寸为LW=74.032m（分4廊道），超高600mm。3.3.2在氧化沟中，弯道的水头损失占全部水头损失的90以上，为防止外沟弯道发生污泥沉淀，确定在该处设置DQT0551800型潜水低速推进器2台，功率5.5kW，位于出水堰下游，为避免由于底部水流搅动带动较高浓度的污水上翻，影响出水水质，采用DY5000型出水堰，可调范围500mm。校核氧化沟内功率密度=NV=（180+5.54）10009203=21.9kWm3，在15-25kWm3范围内，可同时满足充氧及推流、搅拌的功能。氧化沟平面布置见图2。氧化沟平面布置结构示意图4、仪表选型及说明4.1选择池设置一台MLSS在线检测仪，用于控制并保证进入氧化沟系统的污泥质量浓度在2500-4500msL范围内，并与二沉池回流污泥管道上的电磁流量计组成控制回路。4.2厌氧池设置一台DO计及ORP仪，对厌氧进行在线检测，分析是否存在磷的释放和吸收；同时通过厌氧段的ORP（氧化还原电位）值的变化及NO3N的质量浓度来调整污泥回流比，使厌氧池处于厌氧环境。4.3前置反硝化区设置一台MISS计用于在线检测缺氧区的污泥浓度；一台ORP仪与内回流控制闸门组成闭环控制，通过ORP检测数值确定内回流闸门的开启角度，从而有效保证反硝化处理效果。4.4氧化沟主体区根据工艺要求，氧化沟前置反硝化区应保证为缺氧状态才能达到预期的反硝化处理效果，因此，进水端的曝气机在进行充氧的同时应尽量避免对内回流混合液溶解氧的影响，奉工程在该处设置一台DO计，可根据其测得的溶解氧数据，与变频曝气机组成闭环控制回路，通过改变曝气机的转速使其达到最佳工况。出水端为有效保证溶解氧2 mgL以防止二沉池污泥厌氧放磷，该处曝气机为恒速，并设置在线检测DO计一台。同时，氧化沟中还设置了一台MISS计，在线检测污泥浓度。5、注意事项对曝气机进行平面布置时，若氧化沟中间隔墙与叶轮边缘间距设计过小，则在实际运行过程中容易导致曝气机电流不稳、波动较大；间距过大，则会在空隙间产生二次回水，造成充氧利用率降低。结合理论与工程实际，应采用80-150mm之间，以改善水流流态。为保证氧化沟系统在寒冷条件下能够稳定运行，防止曝气机叶轮和轴在严寒气候下产生冰棱，可对曝气机设备平台底部通人蒸汽管道进行局部加温。氧化沟工艺一般设计方法讨论1 氧化沟的设计方法1.1 BOD的去除氧化沟中碳源基质去除动力学与活性污泥法动力学是完全一致的。对于完全混合系统在稳定状态下有以下公式1： 式中（XV）参与反应的污泥量 Q处理污水量 V参与反应的好氧区体积 S出水基质BOD5浓度 Y污泥产率系数 X污泥浓度 c污泥龄 S0进水基质BOD5浓度 Ks半饱和常数 Kd内源代谢常数 max比基质利用率1.2 硝化反应氨氮的硝化反应涉及到亚硝化毛杆菌和硝化杆菌两种不同的硝化细菌。在水的作用下：2NH3NH+4在亚硝化毛杆菌作用下：2NH+4+3O22NO-2+2H2O+8H+在硝化杆菌作用下：2NO-2+O22NO-3总的反应：NH4+2O2NO3-+2H+H2O因此从化学计量学角度，1.0 kg氮需要4.6 kg的氧，实际生产中的数据较小，为3.94.3 kgO2/kgN。这是因为一部分氮用于细菌合成，并且硝化细菌可以从污水中二氧化碳和重碳酸盐获得一部分氧。由于上述反应产生氢离子，所以会消耗碱度，每氧化1 mg NH3-N消耗7.14 mg/L的碱度。另外从文献可知氧化1 mg BOD产生0.3 mg/L的碱度2。据报道硝化反应的温度范围是(545) ,但是(2532) 是最佳温度范围。最佳的pH范围是7.89.2。虽然硝化过程也可在低溶解氧的条件下发生，但是硝化菌的生长速率较低。为了避免氧的限制，反应池中的溶解氧最好控制在34 mg/L。温度对生长速度的影响公式可以用阿伦缪斯公式表示，其中温度常数=1.12(5 20 )。对于城市污水可以采用表1中污泥龄c2表1硝化工艺在不同温度下采用的污泥龄污水温度()完全硝化的c(d)512109.5156.5203.5在冬季水温低于10 ，如果c10 d，硝化反应一般进行较差。若c10 d，只要氧化沟的曝气能力可满足总的氧化需求，并且保持较高的溶解氧，即可取得很好的硝化率。在北欧国家，硝化负荷阶段一般选在0.050.10 kgBOD5/kgMLSS，硝化速率大约为1.6 mgNH3-N/(gVSS*d)(10)。 1.3 污泥稳定性在氧化沟设计中考虑的第二个因素是污泥的稳定性问题。理论上讲氧化沟污泥龄的选取应该使得所有的挥发性固体通过内源呼吸全部被降解，无论是厌氧消化还是好氧消化。如果反应时间足够长，细胞降解过程中有23%的残余物为不可生物降解。因为每天VSS产量为YQ(S0S)，其中可生物降解部分是0.77YQ(S0S)。如果系统中可以生物降解部分的固体物质是fbX(fb为VSS可生物降解系数)，则在稳定状态：0.77YQ(S0S)=Kdfb(XV)(5) 从而按照污泥龄的定义：Adams和Eckenfelder给出了混合液VSS可以生物降解部分的比值fb的计算公式3：也可推算出污泥负荷(F/M)的比值：方程(6)和(8)是考虑污泥稳定性问题时污泥龄和有机负荷计算公式。无疑温度对于上述公式中参数Y、Kd的影响是十分重要的。对于延时曝气氧化沟温度常数(=1.011.03)数值较小，因此对温度的影响不大。污泥稳定化要求的有机负荷和污泥龄一般远远超过完全硝化所要求的数值。1.4 脱氮反应在没有溶解氧(缺氧)条件下，虽然在氧化沟的主体溶液中存在溶解氧，但缺氧条件事实上是指微生物生长的微环境(即生物絮体中或生物膜中)。除碳的异养微生物可以利用硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体，将其还原成氮。还原1.0 mg N2产生2.86 kgO2。污水如需脱氮，需要去除的氮量 N(kg/d)为：N=Q(N0N)XfN(9)式中N0、N进、出水总氮浓度X剩余污泥量fN剩余污泥的含氮量，一般为0.07 kgN/kgMLVSS脱氮需要考虑排放污泥中细胞的氮含量。按照细胞合成的碳氮磷的比例为CNP=106161，即污泥中最多包含12.3的N和2.6的P。一般在内源呼吸阶段，不可生物降解部分仅仅包含7的N和1的P，剩余污泥中的其他N、P回到主体溶液中。因此污泥中的含氮量依赖于污泥龄(c)，污泥龄越长，污泥中的含氮量越小。由需要去除的氮量，确定反硝化的污泥量：(VX)dn=N/Kdn(10)式中(VX)dn参与脱氮反应的污泥量，kgKdn污泥脱氮负荷，kgNO-3-N/(kgMLSS.d)1.5 氧化沟的总污泥量氧化沟的总污泥量(VX)T和总容积计算如下：(VX)T=(XV)(VX)dn/fa(11)VT=(XV)T/(fa.X)(12)对于不同类型的氧化沟，需要引入有效性系数fa，其中带有体外沉淀池的氧化沟fa=1.0，而其他类型的氧化沟fa是不同的。以三沟式氧化沟为例，如果假设三沟是等体积的，则fa如下计算：式中XS1,2边沟MLSS浓度Xm中沟MLSS浓度tS边沟一个周期的时间tS1，2边沟一个周期内的工作时间tm中沟在一个周期内的工作时间假设污泥在氧化沟内分布均匀，t为三个沟一周期总停留时间(包括沉淀)之和，则：fa=(tS1tmtS1)/t(141.6 剩余污泥虽然动力学设计能确定生物污泥产量，应考虑沉淀池的固体流失量和存在的惰性物质，可以采用下式计算： 式中S去除BOD5Xi进水悬浮固体中惰性部分Xe出水TSS氧化沟以常规模式运行时，会产生不稳定的剩余污泥，应在处置前加以稳定，氧化沟以延时曝气模式运行时，污泥量少且稳定。根据回流污泥量和剩余污泥量可以选择水泵和污泥处理系统。1.7 氧化沟需氧量和曝气设备在氧化沟系统，考虑以下几个过程的需氧量：总需氧量（D）=氧化有机物需氧细胞内源呼吸需氧硝化过程需氧脱氮过程产氧D=aQ(S0-S)bX.f4.6(N0N)0.07X.f-2.6NO-3（16） 式中fMLVSS/MLSSNO-3被还原的NO3需氧量D(AOR)确定之后，并转化为标准状态需氧量(SOR)。在标准状态需氧量确定之后，根据不同设备厂家的表曝机样本和手册，计算出氧化沟系统的总能耗。总能耗一旦确定，就可以确定氧化沟曝气器的数目、氧化沟外形和分组情况。式中不同污水的氧转移速率参数，对生活污水取值0.50.95不同污水的饱和溶解氧参数，对生活污水取值0.900.97大气压修正参数CS温度T时饱和溶解氧2 设计结果和问题讨论 2.1设计对比为了说明氧化沟的设计过程，以邯郸三沟式氧化沟的数据为例，说明几个设计上的问题。根据下列数据设计处理生活污水的交替式氧化沟(三沟)：进水：BOD5=130 mg/LNH3N=22 mg/L(T=10 )TN=42 mg/LSS=160 mg/L碱度=280 mg/L(以CaCO3计)出水：BOD515 mg/LNH3N 23 mg/L(T=10)TN 1012 mg/L(T=10)TN=68 mg/L(T=25 )TSS 20 mg/L最低温度=10 （最高温度=25 ）邯郸氧化沟是按三个系列，每个系列流量Q1=33 000 m3/d，主要设计结果见表2。2.2原设计存在的问题清华大学周律等人4、5对邯郸氧化沟进行了大量的现场测定工作，总结起来也是以下三个问题： 停留时间与反应时间问题：出水NH3N偏高，通过实验发现延长硝化停留时间，可以降低出水的NH3N。这说明原设计的停留时间虽然对于BOD的去除充分，但对于脱氮其停留时间是不够的。上述问题可能也与污泥龄和运行方式有关。 污泥停留时间问题：通过污泥耗氧速率和悬浮物干重损失率等评价污泥稳定化实验方法，对其污泥进行测定的结果表明：经过处理的污泥尚未得到稳定。 三沟式氧化沟的容积利用率问题：从前面的讨论可知三沟式氧化沟本身的容积利用率较低(58)。在邯郸测得三沟中MLSS为5.3 、2.0、5.0 kg/m3。fa=0.40与上述的理想状态相差很大。三条沟的MLSS分布与设计的分布情况有较大差距，这是三沟式氧化沟运行及设计的一个主要问题。表2三沟式氧化沟主要设计项目比较序号项目本例设计邯郸丹麦krger设计备注1总池容(m3)327 440320 0002水深(m)3.53.53污泥浓度(kgMLSS/m3)4.04.04水力停留时间(h)2014.5问题1