氧化溝工藝的運行與運行

氧化溝工藝的運行與運行

1u3000系統(tǒng)模型氧化溝法是一種變形活性污泥法的過程，屬于延長接觸時間的活性污水法。1954年，荷蘭第一個氧化槽污水處理廠開始生產(chǎn)。隨著工業(yè)技術(shù)和水處理技術(shù)的快速發(fā)展和廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，氧化槽的技術(shù)和結(jié)構(gòu)得到了極大的發(fā)展。氧化溝工藝一般都采用封閉的環(huán)狀溝,污水和活性污泥在溝內(nèi)進行幾十圈甚至更多的循環(huán)后排出系統(tǒng).這種池型構(gòu)造和運行方式,使氧化溝在流態(tài)上兼具推流式和完全混合式的雙重特點;采用低負(fù)荷(污泥負(fù)荷為0.05~0.15kgBOD/kgMLSS·d;在考慮硝化的情況下,污泥負(fù)荷一般小于0.10kgBOD/kgMLSS·d)和高污泥齡(SRT=15~30d,在要求完全硝化的情況下,一般污泥齡大于20d),污泥在氧化溝內(nèi)充分好氧穩(wěn)定,不需要厭氧消化;通常氧化溝均采用表曝設(shè)備,如轉(zhuǎn)刷、轉(zhuǎn)碟和表曝機等,曝氣設(shè)備同時滿足充氧、混合、推動混合液循環(huán)運動以及防止活性污泥沉淀等多方面要求.防止活性污泥沉積的混合液的平均流速要求不小于0.3m/s.供氧量的控制通常通過改變曝氣設(shè)備的運行臺數(shù)、轉(zhuǎn)動速度和調(diào)節(jié)浸水深度來實現(xiàn).由于具有基建和運行費用較低,操作技術(shù)相對簡單和處理效果穩(wěn)定等優(yōu)點,氧化溝污水處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在我國城市污水處理廠的建設(shè)中.2一般氧化溝2.1持續(xù)工作的氧化溝連續(xù)工作式氧化溝是氧化溝只作為曝氣池使用,不具有沉淀功能,而且進出水的流向不發(fā)生改變.1氧化溝工藝.在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計上的應(yīng)用.Pasveer氧化溝,見圖1.是同傳統(tǒng)活性污泥法最為接近的氧化溝工藝.構(gòu)型上根本性的變化來自于曝氣設(shè)備和池體構(gòu)造的改變上:采用轉(zhuǎn)刷曝氣和環(huán)形溝道.受當(dāng)時曝氣設(shè)備的限制,氧化溝的設(shè)計有效水深一般在1.5m以下,因而占地面積大.2sel2000氧化溝系統(tǒng)為了彌補轉(zhuǎn)刷式氧化溝占地大的缺點,20世紀(jì)60年代,立式低速表曝機被應(yīng)用于氧化溝,形成了Carrousel氧化溝.標(biāo)準(zhǔn)Carrousel氧化溝池型如圖2,主要設(shè)計用于有機物去除、硝化及延時曝氣.Carrousel2000氧化溝是一種反硝化脫氮工藝,通過預(yù)反硝化區(qū)(前置缺氧段,其所需要的容積取決于進水水質(zhì)及所要求的氮去除率,一般占氧化溝體積的15%)的設(shè)計,在缺氧條件下進水與一定量的混合液混合進行反硝化脫氮.溝內(nèi)配有相當(dāng)數(shù)量的表曝機,實現(xiàn)對混合液的充氧、推流和混合作用,同時從節(jié)能和控制角度出發(fā),溝內(nèi)還裝有一定數(shù)量的推進器,保證低負(fù)荷停曝時,混合液與進水充分混合和保持懸浮狀態(tài).Carrousel3000氧化溝是進行一體化設(shè)計的集選擇器、厭氧區(qū)和好氧區(qū)為一體的新系統(tǒng).其突出特點是專利設(shè)計的Oxyrator表曝機的應(yīng)用,使池深加大,占地更小,運行方式靈活.該池型能夠在滿足有機物去除、反硝化脫氮的基礎(chǔ)上,兼具除磷的功能.3調(diào)節(jié)好內(nèi)溝和外溝的溶解氧Orbal氧化溝是一種多級氧化溝,其特點是:曝氣設(shè)備是有水平軸的豎直轉(zhuǎn)碟,碟片經(jīng)過水力學(xué)設(shè)計達到最佳的充氧和推流作用;由同心圓形的多溝槽構(gòu)成(多為三溝道),見圖3.各溝道均表現(xiàn)為單個反應(yīng)器的特征,這使得Orbal氧化溝的推流特征更加突出.在各個溝道之間存在明顯溶解氧梯度,對于有機物的去除、高效脫氮、防止污泥膨脹和節(jié)約能耗等,都是非常有意義的.對于三溝道的Orbal氧化溝,外溝、中溝和內(nèi)溝的溶解氧一般控制在0~0.5mg/L、0.5~1.5mg/L以及1.5~2.5mg/L,體積比為50∶33∶17;供氣量之比為65∶25∶10.轉(zhuǎn)碟后設(shè)導(dǎo)流板以防止污泥沉淀,有效水深可達4.5m.外溝內(nèi)供氣量通常占總氣量的65%左右,但是由于外溝容積大,同時發(fā)生了高度的生化反應(yīng),溶解氧一般在0.5mg/L以下,這種虧氧條件下的供氧方式使氧利用率和充氧效率更高.Orbal氧化溝進水進入外溝,同回流污泥進行混合,使回流污泥中的硝態(tài)氮能利用原水中的有機碳源,在外溝整體較低的溶解氧濃度下進行反硝化,這種脫氮方式能同時節(jié)省用于硝化和碳化的曝氣量,同時可以不必考慮反硝化外加碳源.中溝作為擺動溝道,使系統(tǒng)更為穩(wěn)定,內(nèi)溝保持較高的溶解氧,以保證碳化和硝化完全.4沉池一體化氧化溝設(shè)計也稱為合建式氧化溝.以上介紹的Pasveer、Carrousel以及Orbal氧化溝都是設(shè)有獨立的二沉池,而一體化氧化溝是集曝氣、沉淀、泥水分離和污泥回流功能為一體,無需建造單獨的二沉池的一類氧化溝.處理流程更為簡化,占地面積省,是一體化氧化溝的突出特點.一體化氧化溝同時也存在一些問題,如沉淀效果不同程度上受溝內(nèi)水流態(tài)影響;排泥濃度低,相應(yīng)的泥區(qū)構(gòu)筑物增大;同時滿足曝氣和沉淀工況較困難等.bmts沉淀器BurnsandMcDonnell技術(shù)咨詢公司研究開發(fā)了BMTS沉淀器并應(yīng)用于氧化溝中.如圖4所示.設(shè)有沉淀區(qū)的一側(cè)的溝寬明顯大于另一側(cè),混合液被強制從沉淀區(qū)底部流過,部分混合液均勻進入沉淀區(qū),澄清水通過溢流堰或穿孔管外排,污泥自動返回混合液中.3海洋一體化氧化溝船式沉淀器被放置在氧化溝中,所占氧化溝容積通常在8%~11%左右.進入沉淀器的混合液仍處于好氧狀態(tài),沉淀污泥能迅速回流.側(cè)溝固液分離器由于在氧化溝中內(nèi)置的BMTS以及船式沉淀器等不僅影響氧化溝的斷面尺寸及容積大小,同時沉淀效果受氧化溝內(nèi)水流態(tài)影響較大.基于此開發(fā)的外置分離裝置(如圖5所示的側(cè)溝固液分離器),具有占據(jù)氧化溝斷面小,阻力損失小,水力條件好等優(yōu)點,克服了內(nèi)置分離器的許多弊端.2.2化溝系統(tǒng)的交替交替工作式氧化溝一般不單獨設(shè)二沉池,采用在不同時間段內(nèi)設(shè)計氧化溝系統(tǒng)的一部分交替作為沉淀池使用;溝內(nèi)水流方向一般會發(fā)生改變.這種設(shè)計使交替工作式氧化溝基建費用低,運行管理方便.交替工作式氧化溝主要有A型、VR型、D型/DE型和T型4種形式.1組合結(jié)構(gòu)設(shè)計A型氧化溝是單溝交替工作式氧化溝,系統(tǒng)由單溝構(gòu)成,分別設(shè)計曝氣、沉淀(整個氧化溝作為沉淀區(qū))、排水3個工況.一般適于水量較小、間歇排水的條件下使用.2曝氣池和沉淀池VR型氧化溝是實現(xiàn)了連續(xù)進出水的單溝交替式氧化溝.其特點是將曝氣溝渠分成容積相等的2部分,定時改變曝氣器的旋轉(zhuǎn)方向來改變溝內(nèi)水流方向,使兩部分池體交替地作為曝氣池和沉淀池使用,不設(shè)二沉池和污泥回流系統(tǒng).如圖6所示:①、②為單向活拍門,③、④為可起閉的出水堰.當(dāng)曝氣器順時針旋轉(zhuǎn)時,拍門①通過水流壓力自動關(guān)閉,拍門②會被水流沖開,外側(cè)池體作為曝氣池,內(nèi)側(cè)池體作為沉淀池使用,出水堰③工作;當(dāng)曝氣器逆時針旋轉(zhuǎn)時,內(nèi)側(cè)池體作為曝氣池,外側(cè)池體作為沉淀池使用,出水堰④工作.3de型氧化溝.D型氧化溝由池容完全相同的2個氧化溝組成,兩池串聯(lián)運行,交替作為曝氣池和沉淀池,控制運行工況可以實現(xiàn)硝化和一定的反硝化,見圖7.在兩個池交替作為曝氣池和沉淀池的過程中,存在一個過渡輪換期,在過渡輪換期內(nèi),轉(zhuǎn)刷全部停止工作.轉(zhuǎn)刷的實際利用率低,是D型氧化溝的一個主要缺點.DE型氧化溝是在D型氧化溝基礎(chǔ)上為強化生物脫氮而開發(fā)的新工藝.DE型氧化溝為半交替式氧化溝,兼具連續(xù)工作式和交替工作式的特點.DE型氧化溝設(shè)有獨立的二沉池和污泥回流系統(tǒng),可以實現(xiàn)曝氣和沉淀的完全分離;氧化溝內(nèi)交替進行硝化和反硝化.兩個氧化溝相互連通,串聯(lián)運行,可交替進出水,溝內(nèi)曝氣轉(zhuǎn)刷一般為雙速,高速工作時曝氣充氧,低速工作時以推動水流為目的.通過兩溝內(nèi)轉(zhuǎn)刷交替處于高速和低速運行,可使兩溝交替處于好氧和缺氧狀態(tài),從而達到脫氮的目的.在DE型氧化溝前增設(shè)一厭氧池,可以實現(xiàn)強化生物除磷.4典型工藝與設(shè)備由于D型氧化溝的設(shè)備閑置率高,在此基礎(chǔ)上開發(fā)了T型(三溝式)氧化溝.T型氧化溝為三溝交替工作式氧化溝系統(tǒng).在三溝中,有一溝一直作為曝氣池使用,因而提高了轉(zhuǎn)刷的利用率.通過工況設(shè)計,設(shè)備利用率大大提高.典型工藝見圖8,氧化溝前設(shè)置配水井,每溝之間相互貫通,兩側(cè)溝上設(shè)有可調(diào)出水堰,剩余污泥一般從中間溝道排出.T型氧化溝運行靈活,曝氣沉淀均在溝內(nèi)完成,無需設(shè)二沉池和污泥回流.T型氧化溝中存在三溝道污泥濃度不均勻的現(xiàn)象,即普遍存在側(cè)邊溝污泥濃度遠(yuǎn)大于中間溝的情況,這是三溝式氧化溝硝化/反硝化運行模式的必然結(jié)果.可以通過延長反硝化階段的時間來改善污泥濃度分布不均的情況.采用側(cè)溝沉淀,由于受反應(yīng)器流態(tài)的影響,出水中懸浮物較多,沉淀效果不好.可以通過控制運行工況和改善沉淀環(huán)境來解決沉淀問題.3污水處理及脫氮除磷運行改造研究隨著水體富營養(yǎng)化程度的日益加劇,國家對于氮、磷等植物營養(yǎng)性物質(zhì)的排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格(《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918—2002)》),針對已建成的城市污水處理廠的脫氮除磷運行改造的研究成為熱點.3.1同時硝化反硝化技術(shù)根據(jù)傳統(tǒng)的生物脫氮理論,硝化反應(yīng)在好氧條件下進行,反硝化反應(yīng)在缺氧條件下完成.傳統(tǒng)生物脫氮工藝一般是硝化和反硝化在兩個獨立的具有不同DO質(zhì)量濃度的反應(yīng)器中(如A/O工藝)進行,或者在同一個反應(yīng)器內(nèi)造成DO質(zhì)量濃度在時間或者空間上(如SBR,間歇曝氣的各類反應(yīng)器等)的梯度變化,以營造生物脫氮的條件.傳統(tǒng)脫氮工藝的缺點是流程長,運行操作繁瑣,設(shè)備設(shè)施龐大,占地大,投資及運行費用高等.同時硝化反硝化理論突破了傳統(tǒng)的脫氮理論,使硝化和反硝化兩個過程在同一個反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn).其優(yōu)點是反應(yīng)器構(gòu)型更為簡化,節(jié)約碳源或者不需要外碳源投加,而碳源不足已成為困擾許多要求生物去除營養(yǎng)物質(zhì)的城市污水處理廠的一大問題.同時硝化反硝化為簡化生物脫氮工藝,降低投資和運行費用提供了可能.氧化溝工藝一般都采用點源表面曝氣設(shè)備,如轉(zhuǎn)刷、轉(zhuǎn)碟等.當(dāng)混合液從曝氣裝置中噴灑出來時,曝氣池水面會進行高速的氧傳質(zhì),發(fā)生硝化作用;而后混合液循環(huán)遠(yuǎn)離曝氣區(qū)域并進入池底部,隨著氧傳質(zhì)速率降低及微生物耗氧作用,引起溶解氧降低,這時在曝氣區(qū)域形成的硝態(tài)氮就會發(fā)生反硝化.污水處理廠的大量的運行數(shù)據(jù)顯示了在不設(shè)置獨立缺氧區(qū)的氧化溝內(nèi)存在同時硝化反硝化現(xiàn)象.1985年Rittmaun和Langelaud在工業(yè)規(guī)模的氧化溝內(nèi)成功的實現(xiàn)了同時硝化和反硝化.Littleton研究了美國7座日處理量從7000~45000m3不等的氧化溝,數(shù)據(jù)顯示同時硝化反硝化不同程度的發(fā)生在上述污水廠中.筆者在中試規(guī)模的Orbal氧化溝內(nèi),也成功獲得了低碳氮比生活污水的同時硝化反硝化高效脫氮.3.2基質(zhì)擴散的限制目前對于SND現(xiàn)象的解釋主要是來源于傳統(tǒng)的脫氮理論和生物學(xué)2方面.基于傳統(tǒng)的生物脫氮理論之上的SND現(xiàn)象機理有2方面內(nèi)容.①宏觀環(huán)境理論:由于充氧裝置充氧不均勻和反應(yīng)器的構(gòu)造原因,造成生物反應(yīng)器混合形態(tài)不均勻,在反應(yīng)器內(nèi)形成了缺氧區(qū)域而形成了SND.②微環(huán)境理論:受微生物種群結(jié)構(gòu)、基質(zhì)分布和生物代謝反應(yīng)的不均勻性,以及物質(zhì)傳遞變化等因素的相互作用,缺氧(或厭氧)段可以在活性污泥菌膠團內(nèi)部形成.許多研究以數(shù)學(xué)模型研究絮體結(jié)構(gòu)和基質(zhì)擴散對于缺氧段SND的形成影響.Bakti和Dick(1992)以及Du(1996)等都提出了在活性污泥絮體內(nèi)有關(guān)基質(zhì)擴散的限制模型.很多模型都很好的描述了溶解氧的擴散限制,但是對于作為電子供體和電子受體的有機物和硝態(tài)氮(或亞硝態(tài)氮)如何進入絮體中心部分的缺氧區(qū)都沒有令人滿意的解釋.生物學(xué)方面,近年來國內(nèi)外許多的研究和報道已經(jīng)充分證明了污水生物處理系統(tǒng)中新的菌種存在以及對于已知菌種功能的新認(rèn)識.已經(jīng)證實自養(yǎng)氨氧化菌(如Nitrosomonas)在沒有氧氣存在的條件下,能利用氨氮作為電子供體,利用亞硝態(tài)氮作為電子受體產(chǎn)生氮氣.一些異養(yǎng)菌(如Pantotrophaparacoccus等)能夠采用同Nitrosomonas類似的途徑氧化氨氮產(chǎn)生亞硝態(tài)氮;同時還有一些異養(yǎng)菌在氧氣存在的條件下仍然能夠進行反硝化.一些聚磷菌可以利用硝態(tài)氮作為最終的電子受體,在缺氧條件下進行吸磷,實現(xiàn)同時除磷脫氮.通過分析前人研究成果并結(jié)合模型試驗研究的數(shù)據(jù)分析,筆者認(rèn)為,點源曝氣方式及曝氣池構(gòu)型所導(dǎo)致的宏觀缺氧環(huán)境和微生物絮體微環(huán)境是氧化溝