微孔曝气Carrousel氧化沟脱氮除磷效果研究.pdf

微孔曝气 Carrousel 氧化沟脱氮除磷效果研究 * 张华1， 2张学洪1， 2郭周芳2郑少庭2 1. 广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530004; 2. 桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 541004 摘要 七里店污水净化厂采用微孔曝气 Carrousel 氧化沟工艺。在日处理量约为改造工程设计规模的 2 倍条件下， 氧 化沟水力停留时间仅为 5 h， 系统出水各项指标均达到 GB 189182002 城镇污水处理厂污染物排放标准 的二级标 准。氧化沟内存在同步硝化反硝化过程， 但硝化不彻底， 脱氮效率不高， 氧化沟内没有严格的厌氧分区， 但生物除磷效 率高。系统存在二沉池尾水氮磷含量增高问题。通过改变运行条件， 增加氧化沟水力停留时间， 调整曝气分区， 辅助 投药除磷等手段可以进一步提高出水水质， 实现高标准排放。 关键词 Carrousel 氧化沟; 脱氮除磷; 微孔曝气 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201406014 STUDY ON NITＲOGEN AND PHOSPHOＲUS ＲEMOVAL EFFICIENCY OF MICＲOPOＲOUS AEＲATION CAＲＲOUSEL OXIDATION DITCH Zhang Hua1， 2Zhang Xuehong1， 2Guo Zhoufang2Zheng Shaoting2 1． College of Light Industry and Food Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China; 2． College of Environmental Science and Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China AbstractThe microporous aeration Carrousel oxidation ditch process is used for Qilidian Wastewater Treatment Plant． At the hydraulic retention time HＲT of 5 h，a daily wastewater treatment capacity is about the double of the designed treatment capacity of the reconstructed project． The effluent quality meets the second grade of“Discharge Standard of Urban Sewage Treatment Plant Pollutant” GB 189182002 ． The simultaneous nitrification and denitrification in the reactor is found， however，the nitrification is incomplete and the nitrogen removal efficiency is lower． There is no strict anaerobic zone in the oxidation ditch，but the efficiency of removing phosphorus is higher． The issue of process is the increase of clarifier effluent nutrient． The increase of HＲT，the change of operation condition，the adjustment of aeration zone and chemical dephosphorization can improve the effluent quality． KeywordsCarrousel oxidation ditch;nitrogen and phosphorus removal;microporous aeration * 广西科学研究与技术攻关项目 桂科攻 10124002- 2 ; “八桂学者” 建 设工程专项经费资助。 收稿日期 2013 －08 －31 近年来， 随着桂林城市规模的扩大及国家节能减 排政策实施， 桂林市七里店污水净化厂面临增加处理 水量、 提高处理效果、 降低能耗的技术需求。2009 年、 2011 年桂林市七里店污水净化厂分别完成了 1 号、 2 号氧化沟的技术改造， 由原来表曝气机推流供 氧 Carrousel 氧化沟工艺改为微孔曝气氧化沟工艺。 本文研究改造后微孔曝气 Carrousel 氧化沟脱氮除磷 过程， 分析了氧化沟及系统的有机物、 氮和磷等主要 污染物的去除特征。 1运行概况 桂林市七里店污水净化厂改造后设计处理规模 为 60 000 m3/d， 出水执行 GB 189182002城镇污 水处理厂污染物排放标准 二级排放标准， 工艺流程 见图 1。系统设 1 号和 2 号两座氧化沟， 容积约为 12 500 m3， 氧化沟长 90 m， 宽 50 m， 池深 3. 1 m， 共 8 个廊道， 其中 4 个廊道为曝气区， 非曝气区设 7 台 大叶轮推进器推动水流。改造后单沟设计处理能力 由原来的 20 000 m3/d 增加到 30 000 m3/d。 实验期间， 污水厂采用 1 号氧化沟 4 座沉淀池 运行， 平均进水量为63 819 m3/d， 污泥回流比约 80; 氧化沟水力停留时间约 5 h， 水温为 20 5℃。 75 水污染防治 Water Pollution Control 一级处理出水 70 从进水点 1 进入氧化沟， 30 的 污水与回流污泥混合后分别从回流点 1 和回流点 2 进入氧化沟。 图 1改造后污水处理厂工艺流程 Fig． 1Flow chart of the revamped wastewater treatment process 2实验方法 氧化沟取样位置见图 2， 共 18 个断面 包括出水 口 ， 每 4 d 检测 1 次， 各项指标共监测 11 次。进水 取自细格栅前， 尾水取自二沉池出水口。COD、 硝酸 氮、 亚硝酸氮、 氨氮、 总磷等控制项目均按水和废水 监测分析方法 第四版 ［1 ］标准分析方法测定， 进水 量直接读取， DO、 水温在实验现场测定， 其余项目均 测定水样的上清液。 图 2氧化沟取样点的布置 Fig． 2Distrbution of the sampling points of oxidation ditch 3氧化沟内脱氮除磷特征研究 3. 1氧化沟内 DO 浓度变化 DO 是有机物去除、 生物脱氮和除磷的重要影响 因素。典型的去除有机污染物和硝化活性污泥系统 要求溶解氧浓度不低于 2 mg/L。如果要求生物除 磷， 反应器内厌氧区 DO 浓度必须低于 0. 2 mg/L， 并 不含硝酸盐氮 ［1 ］。 七里店污水净化厂氧化沟断面沿程 DO 浓度变 化规律见图 3。氧化沟曝气区 5 ～11 断面 DO 平均浓 度由 0. 85 mg/L 升至 3. 83 mg/L。非曝气区断面浓 度较低， 断面 12、 14 和 1 的 DO 浓度分别为 0. 86， 1. 12， 0. 6 mg/L， 其余断面均在 0. 5 0. 1mg/L 上下 波动。断面 12、 14 和 1 分别有污水或回流污泥混合 液跌水形式进入氧化沟系统， 可能导致这三个断面监 测的 DO 浓度突然增高。氧化沟出水口处 DO 浓度 均值为 0. 51 mg/L。基于宏观的溶解氧分布情况， 氧 化沟内并没有严格的厌氧区， 反应器内部可分为好氧 区和缺氧区。 图 3氧化沟内 DO 变化 Fig．3Variations in dissolved oxygen in oxidation ditch 3. 2COD 的去除特性 COD 是反映污水中有机物含量的常用综合指 标。生物脱氮反硝化过程和生物除磷聚磷菌放磷都 需要有机物作为能源， 活性污泥系统中生物脱氮、 除 磷和去除 COD 是协同完成的。七里店污水净化厂氧 化沟内断面 COD 平均浓度的沿程变化规律见图 4。 图 4 COD 平均浓度的变化 Fig．4Variations in mean concentration of COD 进水口 COD 浓度平均为 233. 9 mg/L， 氧化沟内 的 COD 浓度平均值低于 90 mg/L， 这是因为污水进 入氧化沟内以后， 先与沟中的活性污泥充分混合， 然 后在水力搅拌与机械推流的共同帮助下形成完全混 合的状态， 使得污水在进入氧化沟内之后污染物的浓 度迅速下降 ［2- 3 ］。 85 环境工程 Environmental Engineering 曝气区 断面 5 ～11 在活性污泥微生物的吸附 降解 作 用 下， COD 平 均 浓 度 由 91. 9 mg/L 降 至 71. 4 mg/L， 曝气区初始断面 5 的 COD 浓度低而断面 6 升高现象可能是初期吸附去除作用 ［4 ］。非曝气区 COD 浓度整体呈下降趋势， 断面13 ～17， COD 平均浓 度由68. 1 mg/L 降至55. 8 mg/L， 断面17 后注入污水 COD 浓度增加， 但由于混合稀释作用， 增加并不明 显; 断面 1 ～4 的 COD 浓度也呈下降趋势。污水进入 二沉池中， COD 浓度继续降低， 尾水 COD 平均浓度 为 40 mg/L， 说明二沉池中仍发生了生物反应。 3. 3氮的去除特性 污水中氮包括有机氮、 氨氮、 亚硝酸盐和硝酸盐 等， 其中氨氮和有机氮为主要形式。生物处理过程 中， 氨氮在亚硝酸菌、 硝酸菌的作用下进行亚硝化反 应和硝化反应， 转化为 NO － 2 －N 和 NO － 3 －N; NO － x－N 最 后通过反硝化作用转化成氮气。 七里店污水净化厂氧化沟断面氨氮平均浓度的 沿程变化规律见图 5。氧化沟进水和出水氨氮平均 浓度分别为 29 mg/L 和 5. 4 mg/L。污水与回流污泥 混合液进入氧化沟， 由于稀释作用， 氨氮浓度迅速降 低。在曝气区 断面 5 至断面 11 氨氮的浓度逐渐从 11. 2 mg/L 降低到6. 2 mg/L， 说明好氧区发生了硝化 反应。非曝气区氨氮浓度变化可分为两个阶段， 第一 阶段 断面 12 至出水口 氨氮浓度继续降低， 出水口 处氨氮浓度达到最低值5. 4 mg/L; 第二阶段 断面13 至断面 4 ， 氨氮浓度逐渐增高， 其中断面 1 处提高较 明显， 主要是受进水点进水的影响。污水厂尾水的氨 氮平均浓度为 10. 1 mg/L， 高于氧化沟出水口。 图 5氨氮平均浓度的变化 Fig．5Variations in mean concentration of NH 4－N 氧化沟进出水及各监测断面硝酸盐、 亚硝酸盐的 平均浓度变化规律见图 6。曝气区初始段断面 5 的 NO － 3 －N 和 NO － 2 －N 浓度分别为 0. 1 mg/L 和 0. 2 mg/ L， 出水处 NO － 3 －N 和 NO － 2 －N 浓度分别为 0. 43 mg/L 和 3. 81 mg/L。氧化沟内亚硝酸氮浓度远高于硝酸 氮的浓度， 造成这一现象的原因是进水量远大于设计 值， 好氧区水力停留时间短， 使得氨氮转化为亚硝酸 氮后没有再进一步转化为硝酸氮， 氧化沟系统硝化不 彻底。出水口后非曝气区各断面 NO － 3 －N 和 NO － 2 －N 浓度逐渐降低， 断面4 降低到0. 1 mg/L 和0. 09 mg/L， 为最低值， 反硝化作用明显。 图 6硝酸氮、 亚硝酸氮平均浓度的变化 Fig．6Variations in mean concentration of NO － 3－N and NO － 2－N 溶解氧分布情况以及氧化沟内氨氮、 硝酸盐和亚 硝酸盐变化规律说明， 氧化沟内部局部好氧、 局部缺 氧为同步硝化反硝化生物脱氮构建了宏观的环境条 件， 但氧化沟内水力停留时间短， 导致系统硝化不彻 底， 残留氨氮浓度较高。 3. 4磷的去除特性 活性污泥生物除磷过程， 是设置厌氧/好氧的交替 环境， 选择性地富集聚磷菌。利用聚磷菌类微生物过 量地从污水中摄取磷， 以聚合的形态贮藏在生物细胞 内， 然后通过排除高磷剩余污泥除磷。一般认为， 厌氧 段 ρ DO＜0. 2 mg/L 和好氧段 ρ DO＞1. 5 mg/L方 可实现聚磷菌的释磷环境和吸磷环境 ［ 5- 6 ］。 七里店污水净化厂氧化沟内断面总磷平均浓度 的沿程变化规律见图 7。氧化沟进出水总磷浓度分 别为9. 17 mg/L 和0. 48 mg/L。曝气区沿断面5 至断 面 11 混合液总磷浓度不断下降， 从 3. 81 mg/L 降低 到 0. 67 mg/L， 氧 化 沟 出 水 口 断 面 达 到 最 低 值 0. 48 mg/L。曝气区处于好氧状态， 聚磷菌通过主动 输送的方式将污水中的 PO3 － 4 摄入体内， 摄入的 PO3 － 4 一部分用于合成 ATP， 另一部分则用于合成聚磷酸 95 水污染防治 Water Pollution Control 盐， 形成高磷污泥。 图 7总磷平均浓度变化 Fig．7Variations in mean concentration of TP 非曝气区自氧化沟出水口到断面 4， 总磷浓度逐 渐增加到 4. 09 mg/L。分析沿水流总磷变化特征， 出 水口至 断 面 14， 总 磷 浓 度 由 0. 48 mg/L 上 升 到 1. 59 mg/L; 断面 1 到断面 5， 总磷浓度从 3. 81 mg/L 逐渐上升到 4. 09 mg/L， 数据显示这两段非曝气区存 在明显的释磷现象。断面 17 和断面 1 之间， 设进水 口， 70 污水进入氧化沟， 断面总磷平均浓度由 1. 48 mg/L升至 3. 81 mg/L。断面 13 至 14 间设混合 液入口， 断面 14 至断面 17 总磷浓度变化不大， 释磷 现象不明显。氧化沟出水经二沉池沉淀分离， 尾水总 磷浓度 1. 22 mg/L。 从七里店污水净化厂氧化沟内溶解氧分布情况 分析， 沟内没有严格意义上的厌氧区， 但除磷效果 良好， 这可能是因为活性污泥絮体内外溶解氧浓度 不同， 从而为聚磷菌提供了微观好氧、 厌氧环境， 有 利于生物除磷［7］。在非曝气区， 聚磷菌利用易降解 有机物， 分解体内的 ATP， 释放 PO3 － 4 和能量， 氧化 沟内总磷浓度升高规律与 COD 浓度降低规律呈现 一致性。尾水总磷浓度比氧化沟出水高近 1 倍， 说 明二沉池内聚磷菌存在释磷反应。氧化沟出水 DO 浓度过低， 是导致二沉池内含磷污泥产生释磷现象 的主要原因。 4结论与建议 1桂林市七里店污水净化厂采用污水厂采用 1 号氧化 沟 4 座 沉 淀 池 运 行， 进 水 量 平 均 为 63 819 m3/d， 氧化沟处理量超过设计值 30 000 m3/d 约 1 倍多。在进水 COD、 氨氮和总磷平均浓度分别 为 233. 9， 29， 9. 17 mg/L 情况下， 尾水氨氮、 总磷和 COD 质量浓度分别为 6. 6 ～ 16， 0. 73 ～ 1. 92， 36 ～ 49. 2 mg/L。采用氧化沟单沟高负荷、 低水力停留时 间运行方式出水可以达到 GB 189182002 二级 标准。 2氧化沟内氮的迁移转化过程说明沟内存在明 显同步硝化反硝化作用， 但由于单沟运行， 进水量为 设计水量的 2 倍， 使得水力停留时间过短， 系统硝化 不充分， 导致出水氨氮浓度偏高。 3氧化沟内没有严格的厌氧区， 但除磷效果好。 氧化沟进水总磷浓度9.17 mg/L、 出水口为0.48 mg/L， 氧化沟除磷受水力停留时间的影响较小。尾水总磷 浓度为 1. 22 mg/L， 二沉池存在明显释磷现象。 4尾水总磷、 氨氮的浓度高于氧化沟出水浓度， 二沉池出现释磷现象及氨化现象， 对系统脱氮除磷有 很大影响。为了进一步提高七里店污水净化厂排放 标准， 污水可改进运行方式， 采用双沟微孔曝气厌 氧 － 好氧工艺， 延长系统水力停留时间， 扩大好氧区 容积， 保证硝化反应彻底， 提高氨氮和 TN 去除率。 确保氧化沟出水溶解氧浓度高于 2 mg/L， 避免二沉 池释磷及氨化现象对出水水质的影响， 同时增加辅助 化学除磷系统， 确保出水达到高排放标准。 参考文献 ［1］Louzeiro N Ｒ， Mavinic D S， Oldham W K， et al． Methanol induced biological nutrient removal kinetics in a full- scale sequencing batch reactor［ J］ ． Water Ｒes， 2002， 36 11 2721- 2732. ［2］陆豪， 徐菲． Carrousel 氧化沟转子水动力学特性研究［J］ ． 水 利与建筑工程学报， 2008， 6 2 111- 117 ［3］CarlssonH， AspegrenH， HilmerA．Interactionsbetween wastewater quality and phosphorus release in the anaerobic reactor of the EBPＲ process［ J］ ． Water Ｒes， 1996， 30 6 1517- 1527. ［4］张自杰． 排水工程［M］ ． 4 版． 北京 中国建筑工业出版社， 2000. ［5］Shehab O，Deininger Ｒ，Porta F，et al． Optimising phosphorus removal at the Ann Arbor wastewater treatment plant［J］． Water Sci Technol， 1996， 34 1/2 493- 499. ［6］夏海波，雷明，崔松阳，等． Carrousel 氧化沟工艺的除磷效果 研究［ J］． 中国给水排水， 2012， 28 13 133- 135. ［7］郭昌梓，程飞，孙根行． 溶解氧对氧化沟生物脱氮除磷的影响 ［J］． 环境工程， 2011， 29 5 28- 31． 第一作者 张华 1974 － ， 男， 副教授， 博士研究生， 主要研究环境材料 制备及水污染控制技术。zhanghua5127163． com 06 环境工程 Environmental Engineering