论文部分内容阅读
摘要：氧化沟定义为传统活性污泥法污水处理技术的改良，外形呈封闭环状沟，其特点是混合液在沟内不中断地循环流动，形成厌氧、缺氧和好氧段，且将传统的鼓风曝气改为表面机械曝气，由活性污泥在闭合的曝气渠道中循环流动,通过活性污泥中的微生物对污水中的有机污染物不断地进行降解和去除，达到净化污水的目的。本文首先阐述了氧化沟工艺在污水处理中的应用, 其次, 以Carrousel氧化沟为例来阐述其处理污水的原理和氧化沟运行存在一些问题。
关键词：氧化沟污水处理 应用原理
1 氧化沟工艺在污水处理中的应用
从理论上讲,氧化沟既具有推流反应的特征,又具有完全混合反应的优势;前者使其具有出水优良的条件,后者使其具有抗冲击负荷的能力。正是因为有这个环流, 且有能量分区的缘故,使它具有其它许多污水生物处理技术所拥有的众多优势,其中最为显著的优势是工作稳定可靠。由于具有出水水质好,运行稳定,管理方便以及区别于传统活性污泥法的一系列技术特征, 氧化沟技术在污水处理中得到广泛应用。据不完全统计, 目前, 欧洲己有的氧化沟污水处理厂超过2000多座, 北美超过800座。氧化沟的处理能力由最初的服务人口仅360人, 到如今的500万～l000万人口当量。不仅氧化沟的数量在增长, 而且其处理规模也在不断扩大,处理对象也发展到既能处理城市污水又能处理石油废水、化工废水、造纸废水、印染废水及食品加工废水等工业废水。
2 Carrousel 氧化沟处理污水的原理
目前应用较为广泛的氧化沟类型包括:帕斯韦尔(Pas-veer)氧化沟、卡鲁塞尔(Carousel)氧化沟、奥尔伯(Orbal)氧化沟、T型氧化沟(三沟式氧化沟)、DE 型氧化沟和一体化氧化沟。本文以Carousel氧化沟为例来阐述其处理污水的原理。
为了取得更好的除磷脱氮的效果, Carousel 2000系统在普通Carousel氧化沟前增加了一个厌氧区和绝氧区(又称前反硝化区)。全部回流污泥和10～30% 的污水进人厌氧区, 可将回流污泥中的残留硝酸氮在缺氧和10～30% 碳源条件下完成反硝化,为以后的绝氧池创造绝氧条件。同时, 厌氧区中的兼性细菌将可溶性BOD 转化成VFA , 聚磷菌获得VFA将其同化成PHB ,所需能量来源于聚磷菌的水解并导致磷酸盐的释放。厌氧区出水进入内部安装有搅拌器的绝氧区,所谓绝氧就是池内混合液既无分子氧, 也无化合物氧(硝酸根),在此绝氧环境下,70～90% 的污水可提供足够的碳源,使聚磷菌能充分释磷!绝氧区后接普通Carousel氧化沟系统, 进一步完成去除BOD、脱氮和除磷!最后, 混合液在氧化沟富氧区排出,在富氧环境下聚磷菌过量吸磷,将磷从水中转移到污泥中,随剩余污泥排出系统。这样,在Carousel 2000系统内,较好的同时完成了去除BOD、COD和脱氮除磷。
3氧化沟运行存在一些问题
三沟污泥浓度分布不均匀,直道内曝气转刷易产生污泥沉积现象,出水中含有飘泥,氧化沟负荷过低等。经过分析和研究,逐步解决了这些问题,使氧化沟的处理能力进一步增强。现就这些问题产生的原因和解决办法与同行探讨。
3.1 污泥分布不均匀
在实际运行中,三沟式氧化沟三沟中的污泥浓度相差较大,中间沟与侧边沟污泥浓度的比值( Xm/Xs) 运行初期仅为0.133 ,这与设计值不符。因设计中假设氧化沟中污泥分布均匀,并设定氧化沟的平均污泥浓度为4 g/ L 。我们认为这对于设置二沉池及污泥回流系统的氧化沟工艺如DE 型氧化沟、Or2bal 氧化沟是适用的。而三沟式氧化沟普遍存在污泥浓度侧边沟远高于中间沟的情况。经观察和研究认为这是三沟式氧化沟运行模式的必然结果。以某厂为例,采用硝化/ 反硝化运行模式,8 h 为一个运行周期,每个运行周期分为8 个阶段,各阶段运行情况见图2 。在一个运行周期中(480 min) ,侧边沟进水并进行反硝化反应,混合液从侧边沟流向中间沟,时间为90 min。经过硝化和沉淀阶段后,侧边沟开始出水,混合液从中间沟流向侧边沟(同时污泥回流) ,时间为210 min。阶段4 和阶段6 为过渡阶段,各沟以调整水位为主,可认为不发生污泥交换。设氧化沟进水量为Q ,侧边沟反硝化阶段污泥平均浓度为Xs ,中间沟的污泥平均浓度为Xm ,根据物料守恒定律,正常运行时,侧边沟的污泥量应该守恒。即:
出泥量=进泥量
又因为
因此:
式中Q ———氧化沟进水量,m3/ h ;
XS ———侧边沟反硝化阶段平均污泥浓度,g/ L ;
Xm ———中间沟平均污泥浓度,g/ L ;
t1 ———反硝化阶段时间,min ;
T ———運行周期,min ;
t4 ———过渡阶段时间,min。
由此可见,三沟式氧化沟污泥分布由反硝化阶段即侧边沟进水时间所决定。污泥分布不均匀根本改善的办法是延长反硝化阶段的时间。该厂自动控制系统采用微机-PLC 二级控制,通过微机的PDS管理程序改变各运行阶段的时间,把反硝化反应阶段时间从设定的90 min 调整到120 min ,硝化阶段调整为45 min , 则Xm/ Xs 由通常的0.4 上升到0.53 ,处理效果大为改进。
3.2 污泥沉积
运行初期,在氧化沟直道内曝气转刷的后面一定区域内产生了大量的污泥沉积,而在弯道内,污泥
图2 同时脱氮的三沟式氧化沟运行阶段
沉积现象几乎没有。经过1 年的运行,该处沉积区最高处达110 cm。
大量的污泥沉积减少了氧化沟的有效容积,降低了氧化沟的处理能力,这种现象的根源在于氧化沟的曝气方式。该厂采用的是Manmmoth 曝气机,曝气机长9 m ,直径1 m ,安装在氧化沟表面,叶片浸入水中20～30 cm。工作时,叶轮转动,叶片拨动混合液前进,同时向水中充氧。表面混合液被加速后,能量向沟内部扩散,产生较大的速度梯度。根据流体力学定律,就会在扩散区下方产生回流。进入此区的混合液流动缓慢,污泥容易沉积并致使污泥越积越多,越积越高。转刷后端即使安装了导流板也不能消除沉积,只是有所改善。在弯道处,由于弯道作用产生了二次流,即外侧水流由水面流向内侧底部,内侧水流由底部流向外侧表面,
在明渠横断面上形成了环流,改善了混合状态。因此,在弯道处没有发现类似的沉积区。对于中间沟,由于该厂进水指标偏低,需氧量相应较小,因此中间沟曝气转刷开启数较少,特别是直道转刷,几乎不能自动开启。所以,中间沟污泥沉积现象不明显。
侧边沟直道上的沉积区通过改变直道上曝气转刷控制方式,即增加侧边沟溶解氧控制,并在直道曝气转刷增加时间控制,使之交替运行,减轻了污泥沉积。曝气转刷突然停止造成的水流冲击甚至使已经沉积的污泥发生上浮。
3.3 出水悬浮物
在运行中发现有一侧边沟污泥沉淀性能不好,出水中常常带有细碎漂泥,在出水初期和末期尤其严重。这是由于中间沟向侧边沟通水时,水流中含有较大的能量,推动侧边沟中的一侧混合液缓慢流动,而另一侧则基本静止,只有半边沟参与换水。因此造成沉淀区部分区域表面负荷过大,污泥不能得到充分沉淀,造成污泥流失,降低了出水水质。污泥流失又会使两侧边沟污泥不均衡而使氧化沟运行不稳定。而且氧化沟换水不均匀,会使污泥浓度分布不均匀,降低了处理能力。对于有三级处理的污水处理厂,则会加重三级处理工艺的负担。因中间沟水流为环形,对两侧边沟的推动方向不同,推向侧边沟弯道方向因受弯道阻力,影响较小,而在另一侧边沟推向出水堰方向,影响较大,出水悬浮物高于前者。这个问题从三个方面解决:一是减小氧化沟整体曝气强度,增加缺氧反应时间,降低溶解氧水平,以改进活性污泥的形态,使之形体较大,结构紧密,易于沉淀;二是控制氧化沟侧边沟中的污泥浓度,使之维持在较低水平;三是在侧边沟与中间沟间底部的连通口安装导流栅板。导流栅板有固定式和活动式两种,可酌情选用。其中固定式见图3 。当水流通过导流栅板时,受到栅板的作用改变了水流方向,从而减轻了对侧边沟混合液的推动作用,使侧边沟换水均匀。
图3 固定式导流栅板示意
4 结束语
(1)氧化沟由于其出水水质好、运行稳定、管理方便等技术特点,在我国污水处理厂中有着较为广泛的应用。Carousel氧化沟由于具有良好的除磷脱氮能力、抗冲击负荷能力和运行管理方便等优点, 已经得到了广泛的应用!但由于科技的发展和社会的进步, 该工艺必将得到进一步的提高, 如膜理论的应用、深池水力条件和工艺性能的研究为降低工程造价、提高耐寒耐毒性能等提供了可能的方向。
(2)污水处理厂的运行,往往会因为某些原因与设计意图出现偏差,严重时甚至不能正常运行。这就要求工艺技术人员善于发现问题,勇于实践,在理解设计意图,吃透技术要求的前提下,充分挖掘工艺潜力,改进工艺缺点,合理调整运行参数,使处理系统经济、高效地运行。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：氧化沟污水处理 应用原理
1 氧化沟工艺在污水处理中的应用
从理论上讲,氧化沟既具有推流反应的特征,又具有完全混合反应的优势;前者使其具有出水优良的条件,后者使其具有抗冲击负荷的能力。正是因为有这个环流, 且有能量分区的缘故,使它具有其它许多污水生物处理技术所拥有的众多优势,其中最为显著的优势是工作稳定可靠。由于具有出水水质好,运行稳定,管理方便以及区别于传统活性污泥法的一系列技术特征, 氧化沟技术在污水处理中得到广泛应用。据不完全统计, 目前, 欧洲己有的氧化沟污水处理厂超过2000多座, 北美超过800座。氧化沟的处理能力由最初的服务人口仅360人, 到如今的500万～l000万人口当量。不仅氧化沟的数量在增长, 而且其处理规模也在不断扩大,处理对象也发展到既能处理城市污水又能处理石油废水、化工废水、造纸废水、印染废水及食品加工废水等工业废水。
2 Carrousel 氧化沟处理污水的原理
目前应用较为广泛的氧化沟类型包括:帕斯韦尔(Pas-veer)氧化沟、卡鲁塞尔(Carousel)氧化沟、奥尔伯(Orbal)氧化沟、T型氧化沟(三沟式氧化沟)、DE 型氧化沟和一体化氧化沟。本文以Carousel氧化沟为例来阐述其处理污水的原理。
为了取得更好的除磷脱氮的效果, Carousel 2000系统在普通Carousel氧化沟前增加了一个厌氧区和绝氧区(又称前反硝化区)。全部回流污泥和10～30% 的污水进人厌氧区, 可将回流污泥中的残留硝酸氮在缺氧和10～30% 碳源条件下完成反硝化,为以后的绝氧池创造绝氧条件。同时, 厌氧区中的兼性细菌将可溶性BOD 转化成VFA , 聚磷菌获得VFA将其同化成PHB ,所需能量来源于聚磷菌的水解并导致磷酸盐的释放。厌氧区出水进入内部安装有搅拌器的绝氧区,所谓绝氧就是池内混合液既无分子氧, 也无化合物氧(硝酸根),在此绝氧环境下,70～90% 的污水可提供足够的碳源,使聚磷菌能充分释磷!绝氧区后接普通Carousel氧化沟系统, 进一步完成去除BOD、脱氮和除磷!最后, 混合液在氧化沟富氧区排出,在富氧环境下聚磷菌过量吸磷,将磷从水中转移到污泥中,随剩余污泥排出系统。这样,在Carousel 2000系统内,较好的同时完成了去除BOD、COD和脱氮除磷。
3氧化沟运行存在一些问题
三沟污泥浓度分布不均匀,直道内曝气转刷易产生污泥沉积现象,出水中含有飘泥,氧化沟负荷过低等。经过分析和研究,逐步解决了这些问题,使氧化沟的处理能力进一步增强。现就这些问题产生的原因和解决办法与同行探讨。
3.1 污泥分布不均匀
在实际运行中,三沟式氧化沟三沟中的污泥浓度相差较大,中间沟与侧边沟污泥浓度的比值( Xm/Xs) 运行初期仅为0.133 ,这与设计值不符。因设计中假设氧化沟中污泥分布均匀,并设定氧化沟的平均污泥浓度为4 g/ L 。我们认为这对于设置二沉池及污泥回流系统的氧化沟工艺如DE 型氧化沟、Or2bal 氧化沟是适用的。而三沟式氧化沟普遍存在污泥浓度侧边沟远高于中间沟的情况。经观察和研究认为这是三沟式氧化沟运行模式的必然结果。以某厂为例,采用硝化/ 反硝化运行模式,8 h 为一个运行周期,每个运行周期分为8 个阶段,各阶段运行情况见图2 。在一个运行周期中(480 min) ,侧边沟进水并进行反硝化反应,混合液从侧边沟流向中间沟,时间为90 min。经过硝化和沉淀阶段后,侧边沟开始出水,混合液从中间沟流向侧边沟(同时污泥回流) ,时间为210 min。阶段4 和阶段6 为过渡阶段,各沟以调整水位为主,可认为不发生污泥交换。设氧化沟进水量为Q ,侧边沟反硝化阶段污泥平均浓度为Xs ,中间沟的污泥平均浓度为Xm ,根据物料守恒定律,正常运行时,侧边沟的污泥量应该守恒。即:
出泥量=进泥量
又因为
因此:
式中Q ———氧化沟进水量,m3/ h ;
XS ———侧边沟反硝化阶段平均污泥浓度,g/ L ;
Xm ———中间沟平均污泥浓度,g/ L ;
t1 ———反硝化阶段时间,min ;
T ———運行周期,min ;
t4 ———过渡阶段时间,min。
由此可见,三沟式氧化沟污泥分布由反硝化阶段即侧边沟进水时间所决定。污泥分布不均匀根本改善的办法是延长反硝化阶段的时间。该厂自动控制系统采用微机-PLC 二级控制,通过微机的PDS管理程序改变各运行阶段的时间,把反硝化反应阶段时间从设定的90 min 调整到120 min ,硝化阶段调整为45 min , 则Xm/ Xs 由通常的0.4 上升到0.53 ,处理效果大为改进。
3.2 污泥沉积
运行初期,在氧化沟直道内曝气转刷的后面一定区域内产生了大量的污泥沉积,而在弯道内,污泥
图2 同时脱氮的三沟式氧化沟运行阶段
沉积现象几乎没有。经过1 年的运行,该处沉积区最高处达110 cm。
大量的污泥沉积减少了氧化沟的有效容积,降低了氧化沟的处理能力,这种现象的根源在于氧化沟的曝气方式。该厂采用的是Manmmoth 曝气机,曝气机长9 m ,直径1 m ,安装在氧化沟表面,叶片浸入水中20～30 cm。工作时,叶轮转动,叶片拨动混合液前进,同时向水中充氧。表面混合液被加速后,能量向沟内部扩散,产生较大的速度梯度。根据流体力学定律,就会在扩散区下方产生回流。进入此区的混合液流动缓慢,污泥容易沉积并致使污泥越积越多,越积越高。转刷后端即使安装了导流板也不能消除沉积,只是有所改善。在弯道处,由于弯道作用产生了二次流,即外侧水流由水面流向内侧底部,内侧水流由底部流向外侧表面,
在明渠横断面上形成了环流,改善了混合状态。因此,在弯道处没有发现类似的沉积区。对于中间沟,由于该厂进水指标偏低,需氧量相应较小,因此中间沟曝气转刷开启数较少,特别是直道转刷,几乎不能自动开启。所以,中间沟污泥沉积现象不明显。
侧边沟直道上的沉积区通过改变直道上曝气转刷控制方式,即增加侧边沟溶解氧控制,并在直道曝气转刷增加时间控制,使之交替运行,减轻了污泥沉积。曝气转刷突然停止造成的水流冲击甚至使已经沉积的污泥发生上浮。
3.3 出水悬浮物
在运行中发现有一侧边沟污泥沉淀性能不好,出水中常常带有细碎漂泥,在出水初期和末期尤其严重。这是由于中间沟向侧边沟通水时,水流中含有较大的能量,推动侧边沟中的一侧混合液缓慢流动,而另一侧则基本静止,只有半边沟参与换水。因此造成沉淀区部分区域表面负荷过大,污泥不能得到充分沉淀,造成污泥流失,降低了出水水质。污泥流失又会使两侧边沟污泥不均衡而使氧化沟运行不稳定。而且氧化沟换水不均匀,会使污泥浓度分布不均匀,降低了处理能力。对于有三级处理的污水处理厂,则会加重三级处理工艺的负担。因中间沟水流为环形,对两侧边沟的推动方向不同,推向侧边沟弯道方向因受弯道阻力,影响较小,而在另一侧边沟推向出水堰方向,影响较大,出水悬浮物高于前者。这个问题从三个方面解决:一是减小氧化沟整体曝气强度,增加缺氧反应时间,降低溶解氧水平,以改进活性污泥的形态,使之形体较大,结构紧密,易于沉淀;二是控制氧化沟侧边沟中的污泥浓度,使之维持在较低水平;三是在侧边沟与中间沟间底部的连通口安装导流栅板。导流栅板有固定式和活动式两种,可酌情选用。其中固定式见图3 。当水流通过导流栅板时,受到栅板的作用改变了水流方向,从而减轻了对侧边沟混合液的推动作用,使侧边沟换水均匀。
图3 固定式导流栅板示意
4 结束语
(1)氧化沟由于其出水水质好、运行稳定、管理方便等技术特点,在我国污水处理厂中有着较为广泛的应用。Carousel氧化沟由于具有良好的除磷脱氮能力、抗冲击负荷能力和运行管理方便等优点, 已经得到了广泛的应用!但由于科技的发展和社会的进步, 该工艺必将得到进一步的提高, 如膜理论的应用、深池水力条件和工艺性能的研究为降低工程造价、提高耐寒耐毒性能等提供了可能的方向。
(2)污水处理厂的运行,往往会因为某些原因与设计意图出现偏差,严重时甚至不能正常运行。这就要求工艺技术人员善于发现问题,勇于实践,在理解设计意图,吃透技术要求的前提下,充分挖掘工艺潜力,改进工艺缺点,合理调整运行参数,使处理系统经济、高效地运行。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。