北方某污水厂卡鲁塞尔氧化沟系统的设计

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简介： 北方某城市污水处理厂，设计水量3000m3／d，设计最低水温10℃，ρ(COD)≤350 mg／L，ρ(BOD5）≤140mg／L，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。
关键字：污水厂 卡鲁塞尔氧化沟

北方某城市污水处理厂，设计水量3000m³／d，设计最低水温10℃，ρ(COD)≤350 mg／L，ρ(BOD₅）≤140mg／L，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

　　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。

　　①由进水水质可知：m(BOD)／m(COD)：0.4＞0.3，生化性较好；

　　②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）=4.67＞4，因此可采用脱氮工艺；

　　③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L×B×H=9.0m×5.5m×5.0m,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[1]，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1.0—2.0h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：L×B×H=9.0m×5.5m×5.0m,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^[2]

　　①确定出水中溶解性BOD含量，使出水中BOD的质量浓度为20mg／L。

　　溶解性ρ(BOD)=6.4mg／L，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=133.6mg／L。

　　②污泥龄θ_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：θ_c=S.F(1／μ₀) (1)

　　式中：μ_0——硝化菌比生长速率，d^-1，μ₀=0.47×e^{0.098（t-15)}×[ρ(N)+10^{（0.05×T-1.158）})×[ρ(DO)／(Ko+ρ(DO)）]，其中ρ(N)=15mg／L、溶解氧ρ(D0)=2mg／L、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θ_c为17.5 d(10 ℃)，本工程确定污泥龄为18d。

　　污泥自身氧化速率K_d取0.05，污泥产率系数Y=0.6kg[VSS]/kg[BOD]，混合液悬浮固体的质量浓度X=ρ[MISS]=4000mg／L，f=ρ[MLVSS]／ρ[MLSS]=0.75，则好氧区容积V1=(Y×θ_c×Q×△S)/ρ[MLVSS]×(1+Kd×θ_c)]=3797m³，其中Q为水量。

　　水力停留时间t₁=V₁／Q=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ρ[MLVSS]。

　　需要去除的氮量△N为：

　　△N=ρ(N_O)-ρ(Ne)-△X×ψ_N=9.77mg／L

　　式中：ρ(N_O)，ρ(Ne)——进、出水总氮的质量浓度，mg／L；

　　△X——生物污泥产量，△X=Q×△S×[Y/（1+K_d×θ_c)]=632.84kg／d

　　ψ_N——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=△NQ／q_dn=1750.6kg／d

　　式中：(VX)dn——参与脱氮反应的污泥量，kg／d；

　　　　 q_dn——脱氮负荷，kg[NO3-N]／[kg[MLVSS]·d]；

　　T=10℃时，q_dn=0.02×1.08^（T-20）=0.0093kg[NO₃-N]／[kg[MLVSS]·d]；

　　由此计算出缺氧区的容积V2=（VX）_dn/ρ[MLVSS]=5251.9m³，水力停留时间t₂=V₂／Q=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 kg[BOD]／[kg[VSS]·d]。

　　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^[3](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=K×0.6[m(SS)／m(DOD)+1]—(O.072×0.6×θ_cX×1.072^（T-15）)／(1+0.08θ_c×1.072^(T-15)）=1.055kg[SS]／[kg(BOD]·d]

　　其中修正系数K取0.9，θ_c=18d。ρ(MISS)=4000mg／L，T=10℃，则V=24×Q×θ_c×Y×△S／ρ(MLSS)=9371m³，水力停留时间t=14.9h(包括缺氧区)。污泥负荷=0.071kg[BOD]／[ks[VSS]·d]，在0.05-0.15kg(BOD)／[kg[VSS]·d]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^[4]：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=205kg／h，利用下列公式转化为标准状态需氧量(SOR)。

　　SOR=AOR×Cs₍₂₀₎／[α×β×ρ×Cs_(T)-C×1.024^(T-20)]

　　式中：α——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；

　　　　　β——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；

　　　　 ρ——大气压修正参数，海拔1100m时大气压为88300Pa；(ρ=88300／101300=0.8715)

　　　　　Cs_(T)——温度T时饱和溶解氧。

　　计算得出SOR=358Kg[O₂]／h。曝气机动力效率取：2.1kg[O₂]／kW；

　　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13W／m³(一般在10-15W／m³)。采用2台型号为GQT015×325(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≥0.3m／s的流速，设汁搅拌功率密度为8.5W／m³(一般在7.0-9.0W／m³)，采用2台GOT040×480(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DOT055×1800(功率=5.5kW)的潜水低速推进器，功率密度7.4W／m³(一般在6.5—8.5W／m³)。混合液回流至氧化沟主体内采用LB4.0×1.2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)90×2.1×2=378kg／h，氧富余20kg／h。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 kg／h)。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L×W=74.0×32m(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DQT055×1800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=N／V=(180+5.5×4)×1000／9203=21.9kW／m³,在15-25kW／m³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2500-4500ms／L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NO₃^--N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 mg／L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。

　　参考文献：

　　[1] 刘长荣.Carrousel氧化沟的脱氮除磷工艺设计[J].中国给水排水，2002， 18(1)：67—70.

　　[2] GBJ 14—87，室外排水设计规范[S].

　　[3] 周雹，周丹，张札文，等.活性污泥工艺的设计计算方法探讨[J].中国给水排水，2001.18(5)：40—50.

　　[4] 米克尔C曼特(美)，布鲁斯A贝尔.污水处理的氧化沟技术[M]北京：中国建筑工业出版社，1988.1—135