Carrousel氧化沟的脱氮除磷工艺设计 摘要:设置厌氧、缺氧段的 Carrousel氧化沟(文中简称:A2/C氧化沟)具有生物脱氮除磷 功能,是目前城市生活污水处理的主流工艺之一。结合工程实例,从工作原理、工艺设计等 方面对A2/C氧化沟进行了详细介绍,可供从事污水处理工程设计的技术人员参考 关键词:脱氮除磷厌氧缺氧 Carrousel氧化沟 中图分类号:X703 文献标识码:C 文章编号:1000-4602(2002)01-0067-04 在污水脱氮除磷的工艺设计中必须具备厌氧、缺氧、好氧3个基本条件,但是在实施过 程中由于所需的处理构筑物多、污泥回流量大,从而造成投资大、能耗多、运行管理复杂。 A2/C氧化沟将厌氧、缺氧、好氧过程集中在一个池内完成,各部分用隔墙分开自成体系, 但彼此又有联系。该工艺充分利用污水在氧化沟内循环流动的特性,把好氧区和缺氧区有机 结合起来,实现无动力回流,节省了去除硝酸盐氮所需混合液回流的能量消耗 1工艺流程及设计 1.1工艺流程 A2C氧化沟的平面布置如图1所示 回流污泥 I厌氧区Ⅲ氧区■奸氧区(氧化,反硝化区,Ⅳ混合雒冋入Ⅴ贸北沟出水口 图1AC氧化沟平面布置图
Carrousel 氧化沟的脱氮除磷工艺设计 摘要： 设置厌氧、缺氧段的 Carrousel 氧化沟(文中简称：A2/C 氧 化沟)具有生物脱氮除磷 功能，是目前城市生活污水处理的主流工艺之一。结合工程实例，从工作原理、工艺设计等 方面对 A2/C 氧化沟进行了详细介绍，可供从事污水处理工程设计的技术人员参考。 关键词： 脱氮除磷 厌氧 缺氧 Carrousel 氧化沟 中图分类号：X703 文献标识码：C 文章编号：1000-4602(2002)01-0067-04 在污水脱氮除磷的工艺设计中必须具备厌氧、缺氧、好氧 3 个基本条件，但是在实施过 程中由于所需的处理构筑物多、污泥回流量大，从而造成投资大、能耗多、运行管理复杂。 A2 /C 氧化沟将厌氧、缺氧、好氧过程集中在一个池内完成，各部分用隔墙分开自成体系， 但彼此又有联系。该工艺充分利用污水在氧化沟内循环流动的特性，把好氧区和缺氧区有机 结合起来，实现无动力回流，节省了去除硝酸盐氮所需混合液回流的能量消耗。 1 工艺流程及设计 1.1 工艺流程 A2/C 氧化沟的平面布置如图 1 所示
流经沉砂池的生活污水与二沉池回流污泥在A2/C氧化沟内设置的圆形混合井进行充分 混合后进入厌氧区Ⅰ。该区分为3格,每格都设有水下搅拌器以防止污泥沉淀。经厌氧反 应后的混合液进入缺氧区Ⅱ,并与由氧化沟Ⅲ经回流通道Ⅳ进入缺氧区的回流液充分混 合,进行反硝化脱氮和除磷反应。缺氧区Ⅱ的中间部位设导流隔墙,并在适当位置安装水下 搅拌器,使该区具有良好的混合与循环条件。经厌氧、缺氧反应后的混合液流入氧化沟Ⅲ 进行氧化、硝化、反硝化反应,氧化沟Ⅲ的充氧机械采用倒伞形曝气叶轮,可根据池内D 测定仪控制调节堰出水、改变曝气叶轮浸水深度以达到调节供氧的目的。处理后的水经排出 口Ⅴ进入二沉池沉淀,其出水中氨氮含量<15mg/L,磷含量<1.0mg/L。如果要求出水磷 含量<0.5mg/L,需在工艺流程的适当位置投加混凝剂 1.2工艺设计 A2/C氧化沟主要由3部分组成,即厌氧区Ⅰ、缺氧区ⅡⅠ、氧化沟区Ⅲ。其工作原理、 计算方法、设计参数、容积大小等因素的确定是设计中要解决的主要问题 1.2.1厌氧区I 在没有溶解氧和硝态氮存在的厌氧条件下,兼性细菌将溶解性BO转化成低分子发酵产 物,生物聚磷菌将优先吸附这些低分子发酵产物,并将其运送到细胞内、同化成胞内碳源存 贮物,所需能量来源于聚磷的水解以及细胞内糖的水解,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、存贮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,通过剩余污泥的排放将磷从系统中除去。根据其工 作原理,在A2/C氧化沟厌氧区Ⅰ的设计中分3格,第1格的功能在于使混合液中的微生物 利用进水中的有机物去除回流污泥中的硝态氮,消除硝态氮对厌氧区的不利影响,保证第 2、3格中磷酸盐的正常释放。厌氧区Ⅰ的主要设计参数是混合液停留时间。泥水混合液在 厌氧区的停留时间一般为1~2h(释磷量就已达到可释磷总量的80%左右),过长的厌氧停留 时间可导致没有低分子发酵产物的磷释放,使得碳源贮存量不足,不能在好氧区产生足够的 能量来吸收所有释放的磷。对一般城市生活污水(BOD/TP≥20~25mg/L、出水磷浓度≤1 0mg/L),厌氧区的停留时间取1.5h,据此可计算厌氧区的容积 1.2.2缺氧区Ⅱ 泥水混合液由厌氧区Ⅰ进入缺氧区Ⅱ,一部分聚磷菌利用后续工艺的混合液(内回流带 来的)中硝酸盐作为最终电子受体以分解细胞内的PHB(聚β羟基丁酸),产生的能量用于 磷的吸收和聚磷的合成,同时反硝化菌利用内回流带来的硝酸盐,以及污水中可生物降解的 有机物进行反硝化,达到部分脱碳与脱硝、除磷的目的。缺氧区容积包括脱硝、除磷两部分
流经沉砂池的生活污水与二沉池回流污泥在 A2/C 氧化沟内设置的圆形混合井进行充分 混合后进入厌氧区Ⅰ。该区分为 3 格，每格都设有水下搅拌器 以防止污泥沉淀。经厌氧反 应后的混合液进入缺氧区Ⅱ，并与由氧化沟Ⅲ 经回流 通道Ⅳ进入缺氧区的回流液充分混 合，进行反硝化脱氮和除磷反应。缺氧区Ⅱ的中间部位设导流隔墙，并在适当位置安装水下 搅拌器，使该区具有良好的混合与循环条件。经厌氧、缺氧反应后的混合液流入氧化沟Ⅲ 进行氧化、硝化、反硝化反应，氧化沟Ⅲ的充氧机械采用倒伞形曝气叶轮，可根据池内 DO 测定仪控制调节堰出水、改变曝气叶轮浸水深度以达到调节供氧的目的。处理后的水经排出 口Ⅴ进入二沉池沉淀，其出水中氨氮含量＜15 mg/L，磷含量＜1.0 mg/L。如果要求出水磷 含量＜0.5 mg/L，需在工艺流程的适当位置投加混凝剂。 1.2 工艺设计 A2/C 氧化沟主要由 3 部分组成，即厌氧区Ⅰ、缺氧区Ⅱ、 氧化沟区Ⅲ。其工作原理、 计算方法、设计参数、容积大小等因素的确定是设计中要解决的主要问题。 1.2.1 厌氧区Ⅰ 在没有溶解氧和硝态氮存在的厌氧条件下，兼性细菌将溶解性 BOD 转化成低分子发酵产 物，生物聚磷菌将优先吸附这些低分子发酵产物，并将其运送到细胞内、同化成胞内碳源存 贮物，所需能量来源于聚磷的水解以及细胞内糖的水解，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、存贮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，通过剩余污泥的排放将磷从系统中除去。根据其工 作原理，在 A2/C 氧化沟厌氧区Ⅰ的设计中分 3 格，第 1 格的功能在于使混合液中的微生物 利用进水中的有机物去除回流污泥中的硝态氮，消除硝态氮对厌氧区的不利 影响，保证第 2、3 格中磷酸盐的正常释放。厌氧区Ⅰ的主要设计参数是混合 液停留时间。泥水混合液在 厌氧区的停留时间一般为 1～2 h(释磷量就已达到可释磷总量的 80%左右)，过长的厌氧停留 时间可导致没有低分子发酵产物的磷释放，使得碳源贮存量不足，不能在好氧区产生足够的 能量来吸收所有释放的磷。对一般城市生活污水(BOD /TP≥20～25 mg/L、出水磷浓度≤1. 0 mg/L)，厌氧区的停留时间取 1.5 h，据此可计算厌氧区的容积。 1.2.2 缺氧区Ⅱ 泥水混合液由厌氧区Ⅰ进入缺氧区Ⅱ，一部分聚磷菌利用后续工艺的混合液(内回流带 来的)中硝酸 盐作为最终电子受体以分解细胞内的 PHB(聚 β 羟基丁酸)，产生的能量用于 磷的吸收和聚磷的合成，同时反硝化菌利用内回流带来的硝酸盐，以及污水中可生物降解的 有机物进行反硝化，达到部分脱碳与脱硝、除磷的目的。缺氧区容积包括脱硝、除磷两部分
a.除磷所需容积:在缺氧条件下聚磷菌吸收磷的速度大于好氧区的速度,为充分利用这一 有利条件,在缺氧区磷被吸收所需停留时间一般为0.5~1.0h:b.脱硝所需容积:缺氧区 反硝化菌利用污水中的有机物作反硝化碳源,但是其快速生物降解有机物在厌氧区已被利 用,而在缺氧区所能利用的大部分有机物只能是慢速生物降解有机物,因此其反硝化速率 可参照后续氧化沟中所采用的数据。通过反硝化速率和确定的混合液 MLVSS浓度及要去除的 量,可求得脱硝所需容积。 1.2.3氧化沟区Ⅲ 氧化沟兼有推流型和完全混合型反应池两者的特性,完成一次循环所需时间约为5~20 min,而总的停留时间却很长。氧化沟中有好氧、缺氧交替出现的区域,具有硝化、生物除 磷、反硝化的条件。在氧化沟好氧区聚磷菌除了吸收、利用污水中的可生物降解有机物外, 主要是分解体内贮积的PHB,产生的能量可供自身生长繁殖,此外还可主动吸收周围环境中 的溶解磷,并以聚磷的形式在体内超量贮积。在剩余污泥中含有大量能超量聚磷的聚磷菌, 大大提高了AC氧化沟系统的除磷效果。同时污水中的氨氮被亚硝酸菌、硝酸菌转化为亚 硝酸盐和硝酸盐,氧化1.0gNH4ˆ-N为№3-N共耗氧4.57g,消耗碱度为7.14g(以CaCO3 计)。在缺氧区反硝化菌利用亚硝酸盐和硝酸盐中的N3+和N5+(被还原为№)作为能量代谢 中的电子受体,O-作为受氢体生成B20和OH-碱度,有机物作为碳源及电子供体提供能量并 得到氧化稳定。将1.0gNO2N转化为N时消耗有机物(以BOD计)1.71g,将1.0gNO-N转化 为N2时消耗有机物(以BO计)2.86g,与此同时产生3.57g碱度(以CaCO3计)。氧化沟区 Ⅲ的容积由好氧区和缺氧区组成,通过计算好氧区有机物的去除速率q0和缺氧区的反硝化 速率q1,并根据已确定的MSS浓度可求得好氧和缺氧区所需容积。 ①好氧区有机物去除速率q0的确定 q0=(u+k)/y (1) 式中q0——有机物去除速率, kgbOd/( kgVSs·d μ—一硝化菌比增长率,d-1,μ=1/0,θ为污泥龄,d k—一异养微生物内源衰减系数,一般取0.05d y—一异养微生物的产率系数,一般取0.6 kgVss/ kgBOD3 ②缺氧区反硝化速率q1的确定 q1=u1/y1 式中q1—一反硝化速率,一般取0.02kgNO3-N/ kgVSS·d
a.除磷所需容 积：在缺氧条件下聚磷菌吸收磷的速度大于好氧区的速度，为充分利用这一 有利条件，在缺氧区磷被吸收所需停留时间一般为 0.5～1.0 h；b.脱硝所需容积：缺氧区 反硝化菌利用污水中的有机物作反硝化碳源，但是其快速生物降解有机物在厌氧区已被利 用，而在缺氧区所能 利用的大部分有机物只能是慢速生物降解有机物，因此其反硝化速率 可参照后续氧化沟中所采用的数据。通过反硝化速率和确定的混合液 MLVSS 浓度及要去除的 NO3-N 量，可求得脱硝所需容积。 1.2.3 氧化沟区Ⅲ 氧化沟兼有推流型和完全混合型反应池两者的特性，完成一次循环所需时间约为 5～20 min，而总的停留时间却很长。氧化沟中有好氧、缺氧交替出现的区域，具有硝化、生物除 磷、反硝化的条件。在氧化沟好氧区聚磷菌除了吸收、利用污水中的可生物降解有机物外， 主要是分解体内贮积的 PHB，产生的能量可供自身生长繁殖，此外还可主动吸收周围环境中 的溶解磷，并以聚磷的形式在体内超量贮积。在剩余污泥中含有大量能超量聚磷的聚磷菌， 大大提高了 A 2 /C 氧化沟系统的除磷效果。同时污水中的氨氮被亚硝酸菌、硝酸菌转化为亚 硝酸盐和硝酸盐，氧化 1.0gNH4+ -N 为 NO3-N 共耗氧 4.57 g，消耗碱度为 7.14 g(以 CaCO3 计)。在缺氧区反硝化菌利用亚硝酸盐和硝酸盐中的 N3+和 N5+(被还原为 N2) 作为能量代谢 中的电子受体，O2-作为受氢体生成 H2O 和 OH-碱度，有机物作为碳源及电子供体提供能量并 得到氧化稳定。将 1.0gNO2-N 转化为 N2 时消耗有机物(以 BOD 计)1.71 g，将 1.0gNO3-N 转化 为 N2 时消耗有机物(以 BOD 计)2.86 g，与此同时产生 3.57 g 碱度(以 CaCO3 计)。氧化沟区 Ⅲ的容积由好氧区和缺氧区组成，通过计算好氧区有机物的去除速率 q0 和缺氧区的反硝化 速率 q1，并根据已确定的 MLVSS 浓度可求得好氧和缺氧区所需容积。 ① 好氧区有机物去除速率 q0 的确定 q0=(μ+k)/y (1) 式中 q0——有机物去除速率，kgBOD5/(kgVSS·d) μ——硝化菌比增长率，d-1，μ=1/θ，θ 为污泥龄，d k——异养微生物内源衰减系数，一般取 0.05d-1 y——异养微生物的产率系数，一般取 0.6kgVSS/kgBOD5 ② 缺氧区反硝化速率 q1 的确定 q1=μ1/y1 (2) 式中 q1——反硝化速率，一般取 0.02 kgNO3-N/kgVSS·d
u1—一脱硝菌的生长率,d-1 1——脱硝菌的产率系数, kgvSs/kgNO3-N 2设计实例 某城市生活污水量Q=15000m3/d,原水COD=300mg/L、BD5=150mg/L、SS=200mg/L TKN=30mg/L、TP=4.0mg/L、pH=7~9;设计出水水质为COD=60mg/L、BOD5=20mg/L、S 20mg/L、NH+4-N≤5.0mg/L、NO3-N≤10.0mg/L、TP≤1.0mg/L 2.1氧化沟区Ⅲ容积的确定 ①好氧区容积 Vl=好氧区需要的污泥量/混合液浓度 硝化菌的比增长速率可用下式计算: u=0.47e001×[N/(N+106:51×[Do/(K+D0)](3) 当最低温度T=15℃、出水NH3-N=5.0mg/L、D0=2.0mg/L、K0=1.3时, θ=1/μ=3.6d,安全系数取2.5,则设计污泥龄为9.0d。为保证污泥稳定,确定污泥龄 为25d,u=0.04d。 好氧区有机物的去除速率 g0=(u+k)/y=0. 15 kgBOD5/(kgVSS. d) 通过计算,则MLSS=4.0kg/m3, MLVSS=2.8kg/m3,好氧区需要的污泥量为13000kg 好氧区的容积V1=4643m3,水力停留时间t=V1/Q=7.4h ②缺氧区容积 V2=-脱硝需要的污泥量/混合液浓度 假设生物污泥含12.4%的氮,则每日用于生物合成的N合=每日产生的污泥量×12.4%, 而污泥产量=y×QX△BOD5/(1+k0)=585kg/d,则N合=72.54kg/d,进水中用于生物合成 的氮为48mg/L、被氧化的NH+4-N=30-4.8-5.0=20.2mg/L 脱硝所需NO3-N=20.2-10.0=10.2mg/L:在15℃时反硝化速率q1=0.02×10-5=0.013 6kgNO3N/( kiss·d),需还原的N3-N=10.2×0.8×(15000×103=122.4kg/d,脱硝所需 MLSS=122.4/0.0136=9000kg 通过计算,缺氧区容积V2=3214m3,氧化沟区Ⅲ容积=V1+V2=7857m,水力停留时间t1
μ1——脱硝菌的生长率，d-1 y1——脱硝菌的产率系数，kgVSS/kgNO3-N 2 设计实例 某城市生活污水量 Q=15 000m3 /d，原水 COD=300 mg/L、BOD5=150 mg/L、SS=200 mg/L、 TKN=30 mg/L、TP=4.0 mg/L、pH=7～9；设计出水水质为 COD=60 mg/L、BOD5=20 mg/L、SS= 20 mg/L、NH+4-N≤5.0 mg/ L、NO3-N≤10.0 mg/L、TP≤1.0 mg/L。 2.1 氧化沟区Ⅲ容积的确定 ① 好氧区容积 V1=好氧区需要的污泥量/混合液浓度 硝化菌的比增长速率可用下式计算： μ=0.47 e0.098(T-15)×［N/(N+100.051T-1.158)］×［DO/(K0+DO)］ (3) 当最低温度 T=15 ℃、出水 NH3-N=5.0 mg/L、DO=2.0 mg/L、K0=1.3 时，μ=0.28d-1， θ=1/μ=3.6 d，安全系数取 2.5，则设计污泥龄为 9 .0 d。为保证污泥稳定，确定污泥龄 为 25 d，μ=0.04d-1。 好氧区有机物的去除速率 q0=(μ+k)/y=0.15 kgBOD5/(kgVSS·d) 通过计算，则 MLSS=4.0kg/m3，MLVSS=2.8kg/m3，好氧区需要的污泥量 为 13 000 kg， 好氧区的容积 V1=4 643m3，水力停留时间 t=V1/Q =7.4 h。 ② 缺氧区容积 V2=脱硝需要的污泥量/混合液浓度 假设生物污泥含 12.4%的氮，则每日用于生物合成的 N 合=每日产生的污泥量×12.4%， 而污泥产量=y×Q×ΔBOD5/(1+kθ)=585 kg/d，则 N 合=72.54 kg/d，进水中用于生物合成 的氮为 4.8mg/L、被氧化的 NH+4-N=30-4.8-5.0=20.2 mg/L。 脱硝所需 NO3-N=20.2-10.0=10.2 mg/L；在 15 ℃时反硝化速率 q1=0.02×10-5=0.013 6kgNO3-N/(kgVSS·d)，需还原的 NO3-N=10.2×0.8×(15 000×10-3)=122.4 kg/d，脱硝所需 MLVSS=122.4/0.0136=9000 kg。 通过计算，缺氧区容积 V2=3 214m3，氧化沟区Ⅲ容积=V1+V2=7857m3，水力停留时间 t1
=12.57h 2.2缺氧区Ⅱ容积的确定 ①除磷所需容积V3:若缺氧区水力停留时间取40min,则V3=417m3 ②脱硝所需容积V4:若需还原的NO3-N=30.6kg/d,脱硝所需的 MLVSS=2250kg,则V 4=804m,缺氧区Ⅱ容积=V3+V4=1221m3,水力停留时间t2=1.95h 2.3厌氧区Ⅰ容积的确定 生物除磷系统的厌氧区水力停留时间取1.5h,所需容积V5=15000×X1.5/24=938m3 2.4污泥回流比的确定 ①外回流比R 假设二沉池排放污泥浓度XR=8000mg/L,A2/C氧化沟混合液浓度X=4000mg/L,则R= X/(XR-X)=100%。 ②内回流比r 由氧化沟Ⅳ的通道回流到缺氧区Ⅱ的回流量为Qr,通道宽度为1.0m、水深为4.0m、流 速为0.3m/s,则qr=1.2m/s,最大回流比r=(1.2×86400/15000)×100%=691%,内回流 量可以通过安装在回流通道上的闸板控制。 通过上述计算可知,A2/C氧化沟总容积为10016m,水力停留时间为16h,混合液浓 度为4000mg/几L,污泥负荷为0.05 kobOL3/( kgMLSS·d),污泥龄为25d。污泥外回流比R=1 00%,混合液内回流比r=400%~600% 3结语 ①A/C氧化沟利用沟内的水力循环、无动力回流等特点,实现了类似于A2/0工艺,以 达到脱氮除磷的目的。一般城市生活污水若采用A2/C氧化沟处理,可使出水磷浓度<1.0 mg/L,其他指标可达到GB8978-1996的一级排放标准。 ②主要设计参数的确定如下: a厌氧区容积一般按1.0~2.0h的水力停留时间确定。 b.缺氧区容积包括脱硝和除磷两部分,除磷所需容积一般按0.5~1.0h水力停留时间 确定,脱硝量可按总脱硝量的15%~20%计算,反硝化速率计算可采用后续好氧区的数据以 确定脱硝所需容积。 C.氧化沟区Ⅲ容积包括氧化、硝化、反硝化所需容积。好氧区有机物去除速率可用公式
=12.57 h。 2.2 缺氧区Ⅱ容积的确定 ① 除磷所需容积 V3：若缺氧区水力停留时间取 40 min，则 V3=417m3。 ② 脱硝所需容积 V4：若需还原的 NO3-N=30.6 kg/d，脱硝所需的 MLVSS=2250kg，则 V 4=804m3，缺氧区Ⅱ容积=V3+V4=1221 m3，水力停留时间 t2=1.95 h。 2.3 厌氧区Ⅰ容积的确定 生物除磷系统的厌氧区水力停留时间取 1.5 h，所需容积 V5=150000×1.5/24=938m3。 2.4 污泥回流比的确定 ① 外回流比 R 假设二沉池排放污泥浓度 XR=8 000 mg/L，A 2 /C 氧化沟混合液浓度 X=4000 mg/L，则 R= X/(XR-X)=100%。 ② 内回流比 r 由氧化沟Ⅳ的通道回流到缺氧区Ⅱ的回流量为 Qr，通道宽度为 1.0m、水深为 4.0m、流 速为 0.3 m/s，则 Qr=1.2m3 /s，最大回流比 r=(1.2×86 400/15 000)×100%=691%，内回流 量可以通过安装在回流通道上的闸板控制。 通过上述计算可知，A2/C 氧化沟总容积为 10 016m3，水力停留时间为 16 h，混合液浓 度为 4 000 mg/L，污泥负荷为 0.05kgBOD5/(kgMLSS·d)，污泥龄为 25d。污泥外回流比 R=1 00%，混合液内回流比 r=400%～600%。 3 结语 ① A2 /C 氧化沟利用沟内的水力循环、无动力回流等特点，实现了类似于 A 2 /O 工艺，以 达到脱氮除磷的目的。一般城市生活污水若采用 A2/C 氧化沟处理，可使出水磷浓度＜1.0 mg/L，其他指标可达到 GB 8978—1996 的一级排放标准。 ② 主要设计参数的确定如下： a.厌氧区容积一般按 1.0～2.0 h 的水力停留时间确定。 b.缺氧区容积包括脱硝和除磷两部分，除磷所需容积一般按 0.5～1.0 h 水力停留时间 确定，脱硝量可按总脱硝量的 15%～20%计算，反硝化速率计算可采用后续好氧区的数据以 确定脱硝所需容积。 c.氧化沟区Ⅲ容积包括氧化、硝化、反硝化所需容积。好氧区有机物去除速率可用公式