氧化溝的設(shè)計(jì)方法討論
氧化溝的設(shè)計(jì)方法討論
目前，我國氧化溝技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平相比差距很大。究其原因，是我國還未系統(tǒng)地研究氧化溝技術(shù)與設(shè)備，對(duì)國際上氧化溝技術(shù)跟蹤也不夠。故對(duì)氧化溝技術(shù)的掌握尚不夠全面，在工程上還缺乏系統(tǒng)和科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)氧化溝新工藝、新池型、新配套設(shè)備了解甚少。我國現(xiàn)已引進(jìn)數(shù)種氧化溝技術(shù)，應(yīng)有條件來分析比較和吸收消化。
首先，氧化溝屬延時(shí)曝氣活性污泥工藝，其原理和參數(shù)已有大量文獻(xiàn)報(bào)道。氧化溝設(shè)計(jì)中除了要考慮碳源污染物的去除，還要考慮污水硝化和污泥穩(wěn)定化問題。去除不同的污染物，設(shè)計(jì)參數(shù)和方法是不同的。例如，考慮污泥穩(wěn)定的氧化溝設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)參數(shù)主要考慮污泥齡和內(nèi)源呼吸速率，而不是傳統(tǒng)活性污泥工藝中的污泥負(fù)荷，這時(shí)氧化溝的停留時(shí)間事實(shí)上是一個(gè)導(dǎo)出的參數(shù)。其次氧化溝最重要的特點(diǎn)之一是，專用的曝氣設(shè)備需要同時(shí)滿足池內(nèi)充氧和推動(dòng)水沿溝渠流動(dòng)的要求。全面了解和掌握氧化溝的水力學(xué)特性尤為需要。有關(guān)設(shè)備的水力學(xué)特性，是廠家產(chǎn)品的特性。大部分設(shè)計(jì)單位恰恰掌握不夠，致使在設(shè)計(jì)中由于設(shè)備型號(hào)和參數(shù)不準(zhǔn)，常常導(dǎo)致設(shè)計(jì)沒有達(dá)到預(yù)期效果。這也與大多數(shù)氧化溝工藝及其擁有的專利和設(shè)備密切相關(guān)。由于國外公司對(duì)專有技術(shù)保密，因此出現(xiàn)了氧化溝技術(shù)不斷發(fā)展，可是用于了解基本工藝的公開技術(shù)資料未見增加的現(xiàn)象。由此就更需要加強(qiáng)創(chuàng)新性的研究，才能提高我國在氧化溝工藝上的技術(shù)水平。本文通過對(duì)國內(nèi)外資料的綜合分析，提出氧化溝一般的設(shè)計(jì)方法以供國內(nèi)同行在設(shè)計(jì)中參考。
1氧化溝的設(shè)計(jì)方法
1.1BOD的去除
氧化溝中碳源基質(zhì)去除動(dòng)力學(xué)與活性污泥法動(dòng)力學(xué)是完全一致的。對(duì)于完全混合系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下有以下公式：
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式中（XV）——參與反應(yīng)的污泥量
Q——處理污水量
V——參與反應(yīng)的好氧區(qū)體積
S——出水基質(zhì)BOD5濃度
Y——污泥產(chǎn)率系數(shù)
X——污泥濃度
θc——污泥齡
S0——進(jìn)水基質(zhì)BOD5濃度
Ks——半飽和常數(shù)
Kd——內(nèi)源代謝常數(shù)
μmax——比基質(zhì)利用率
1.2硝化反應(yīng)
氨氮的硝化反應(yīng)涉及到亞硝化毛桿菌和硝化桿菌兩種不同的硝化細(xì)菌。
在水的作用下：2NH3NH+4
在亞硝化毛桿菌作用下：
2NH+4+3O22NO-2+2H2O+8H+
在硝化桿菌作用下：
2NO-2+O22NO-3
總的反應(yīng)：
NH4++2O2NO3-+2H+＋H2O
因此從化學(xué)計(jì)量學(xué)角度，1.0kg氮需要4.6kg的氧，實(shí)際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)較小，為3.9～4.3kgO2/kgN。這是因?yàn)橐徊糠值糜诩?xì)菌合成，并且硝化細(xì)菌可以從污水中二氧化碳和重碳酸鹽獲得一部分氧。由于上述反應(yīng)產(chǎn)生氫離子，所以會(huì)消耗堿度，每氧化1mgNH3-N消耗7.14mg/L的堿度。另外從文獻(xiàn)可知氧化1mgBOD產(chǎn)生0.3mg/L的堿度［2］。
據(jù)報(bào)道硝化反應(yīng)的溫度范圍是(5～45)℃,但是(25～32)℃是最佳溫度范圍。最佳的pH范圍是7.8～9.2。雖然硝化過程也可在低溶解氧的條件下發(fā)生，但是硝化菌的生長速率較低。為了避免氧的限制，反應(yīng)池中的溶解氧最好控制在3～4mg/L。溫度對(duì)生長速度的影響公式可以用阿倫繆斯公式表示，其中溫度常數(shù)θ=1.12(5℃～20℃)。對(duì)于城市污水可以采用表1中污泥齡θc
表1硝化工藝在不同溫度下采用的污泥齡
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在冬季水溫低于10℃，如果θc＜10d，硝化反應(yīng)一般進(jìn)行較差。若θc>10d，只要氧化溝的曝氣能力可滿足總的氧化需求，并且保持較高的溶解氧，即可取得很好的硝化率。在北歐國家，硝化負(fù)荷階段一般選在0.05～0.10kgBOD5/kgMLSS，硝化速率大約為1.6mgNH3-N/(gVSS*d)(10℃)。
1.3污泥穩(wěn)定性
在氧化溝設(shè)計(jì)中考慮的第二個(gè)因素是污泥的穩(wěn)定性問題。理論上講氧化溝污泥齡的選取應(yīng)該使得所有的揮發(fā)性固體通過內(nèi)源呼吸全部被降解，無論是厭氧消化還是好氧消化。如果反應(yīng)時(shí)間足夠長，細(xì)胞降解過程中有23%的殘余物為不可生物降解。因?yàn)槊刻霽SS產(chǎn)量為YQ(S0－S)，其中可生物降解部分是0.77YQ(S0－S)。如果系統(tǒng)中可以生物降解部分的固體物質(zhì)是fbX(fb為VSS可生物降解系數(shù))，則在穩(wěn)定狀態(tài)：
0.77YQ(S0－S)=Kdfb(XV)(5)
從而按照污泥齡的定義：
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Adams和Eckenfelder給出了混合液VSS可以生物降解部分的比值fb的計(jì)算公式［3］：
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也可推算出污泥負(fù)荷(F/M)的比值：
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方程(6)和(8)是考慮污泥穩(wěn)定性問題時(shí)污泥齡和有機(jī)負(fù)荷計(jì)算公式。無疑溫度對(duì)于上述公式中參數(shù)Y、Kd的影響是十分重要的。對(duì)于延時(shí)曝氣氧化溝溫度常數(shù)(θ=1.01～1.03)數(shù)值較小，因此對(duì)溫度的影響不大。污泥穩(wěn)定化要求的有機(jī)負(fù)荷和污泥齡一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過完全硝化所要求的數(shù)值。
1.4脫氮反應(yīng)
在沒有溶解氧(缺氧)條件下，雖然在氧化溝的主體溶液中存在溶解氧，但缺氧條件事實(shí)上是指微生物生長的微環(huán)境(即生物絮體中或生物膜中)。除碳的異養(yǎng)微生物可以利用硝酸鹽和亞硝酸鹽作為電子受體，將其還原成氮。還原1.0mgN2產(chǎn)生2.86kgO2。污水如需脫氮，需要去除的氮量ΔN(kg/d)為：
ΔN=Q(N0－N)－ΔX×fN(9)
式中N0、N——進(jìn)、出水總氮濃度
ΔX——剩余污泥量
fN——剩余污泥的含氮量，一般為0.07kgN/kgMLVSS
脫氮需要考慮排放污泥中細(xì)胞的氮含量。按照細(xì)胞合成的碳氮磷的比例為C∶N∶P=106∶16∶1，即污泥中最多包含12.3％的N和2.6％的P。一般在內(nèi)源呼吸階段，不可生物降解部分僅僅包含7％的N和1％的P，剩余污泥中的其他N、P回到主體溶液中。因此污泥中的含氮量依賴于污泥齡(θc)，污泥齡越長，污泥中的含氮量越小。由需要去除的氮量，確定反
硝化的污泥量：
(VX)dn=ΔN/Kdn(10)
式中(VX)dn——參與脫氮反應(yīng)的污泥量，kg
Kdn——污泥脫氮負(fù)荷，kgNO-3-N/(kgMLSS.d)
1.5氧化溝的總污泥量
氧化溝的總污泥量(VX)T和總?cè)莘e計(jì)算如下：
(VX)T=［(XV)＋(VX)dn］/fa(11)
VT=(XV)T/(fa.X)(12)
對(duì)于不同類型的氧化溝，需要引入有效性系數(shù)fa，其中帶有體外沉淀池的氧化溝fa=1.0，而其他類型的氧化溝fa是不同的。以三溝式氧化溝為例，如果假設(shè)三溝是等體積的，則fa如下計(jì)算：
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式中XS1,2——邊溝MLSS濃度
Xm——中溝MLSS濃度
tS——邊溝一個(gè)周期的時(shí)間
tS1，2——邊溝一個(gè)周期內(nèi)的工作時(shí)間
tm——中溝在一個(gè)周期內(nèi)的工作時(shí)間
假設(shè)污泥在氧化溝內(nèi)分布均勻，t為三個(gè)溝一周期總停留時(shí)間(包括沉淀)之和，則：
fa=(tS1＋tm＋tS1)/t(14)
1.6剩余污泥
雖然動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)能確定生物污泥產(chǎn)量，應(yīng)考慮沉淀池的固體流失量和存在的惰性物質(zhì)，可以采用下式計(jì)算：
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式中ΔS——去除BOD5
Xi——進(jìn)水懸浮固體中惰性部分
Xe——出水TSS
氧化溝以常規(guī)模式運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的剩余污泥，應(yīng)在處置前加以穩(wěn)定，氧化溝以延時(shí)曝氣模式運(yùn)行時(shí)，污泥量少且穩(wěn)定。根據(jù)回流污泥量和剩余污泥量可以選擇水泵和污泥處理系統(tǒng)。
1.7氧化溝需氧量和曝氣設(shè)備
在氧化溝系統(tǒng)，考慮以下幾個(gè)過程的需氧量：總需氧量（D）=氧化有機(jī)物需氧＋細(xì)胞內(nèi)源呼吸需氧＋硝化過程需氧－脫氮過程產(chǎn)氧
D=a′Q(S0-S)＋b′ΔX.f＋4.6(N0－N)－0.07ΔX.f-2.6ΔNO-3（16）
式中f——MLVSS/MLSS
ΔNO-3——被還原的NO－3
需氧量D(AOR)確定之后，并轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)需氧量(SOR)。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)需氧量確定之后，根據(jù)不同設(shè)備廠家的表曝機(jī)樣本和手冊，計(jì)算出氧化溝系統(tǒng)的總能耗？偰芎囊坏┐_定，就可以確定氧化溝曝氣器的數(shù)目、氧化溝外形和分組情況。
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式中α——不同污水的氧轉(zhuǎn)移速率參數(shù)，對(duì)生活污水取值0.5～0.95
β——不同污水的飽和溶解氧參數(shù)，對(duì)生活污水取值0.90～0.97
ρ——大氣壓修正參數(shù)
CS——溫度T時(shí)飽和溶解氧
2設(shè)計(jì)結(jié)果和問題討論
2.1設(shè)計(jì)對(duì)比
為了說明氧化溝的設(shè)計(jì)過程，以邯鄲三溝式氧化溝的數(shù)據(jù)為例，說明幾個(gè)設(shè)計(jì)上的問題。根據(jù)下列數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)處理生活污水的交替式氧化溝(三溝)：
進(jìn)水：
BOD5=130mg/L
NH3－N=22mg/L(T=10℃)
TN=42mg/L
SS=160mg/L
堿度=280mg/L(以CaCO3計(jì))
出水：
BOD5<15mg/L
NH3－N<2～3mg/L(T=10℃)
TN<10～12mg/L(T=10℃)
TN=6～8mg/L(T=25℃)
TSS<20mg/L
最低溫度=10℃（最高溫度=25℃）
邯鄲氧化溝是按三個(gè)系列，每個(gè)系列流量Q1=33000m3/d，主要設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。
2.2原設(shè)計(jì)存在的問題
清華大學(xué)周律等人［4、5］對(duì)邯鄲氧化溝進(jìn)行了大量的現(xiàn)場測定工作，總結(jié)起來也是以下三個(gè)問題：
①停留時(shí)間與反應(yīng)時(shí)間問題：出水NH3－N偏高，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)延長硝化停留時(shí)間，可以降低出水的NH3－N。這說明原設(shè)計(jì)的停留時(shí)間雖然對(duì)于BOD的去除充分，但對(duì)于脫氮其停留時(shí)間是不夠的。上述問題可能也與污泥齡和運(yùn)行方式有關(guān)。
②污泥停留時(shí)間問題：通過污泥耗氧速率和懸浮物干重?fù)p失率等評(píng)價(jià)污泥穩(wěn)定化實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)其污泥進(jìn)行測定的結(jié)果表明：經(jīng)過處理的污泥尚未得到穩(wěn)定。
③三溝式氧化溝的容積利用率問題：從前面的討論可知三溝式氧化溝本身的容積利用率較低(58％)。在邯鄲測得三溝中MLSS為5.3、2.0、5.0kg/m3。fa=0.40與上述的理想狀態(tài)相差很大。三條溝的MLSS分布與設(shè)計(jì)的分布情況有較大差距，這是三溝式氧化溝運(yùn)行及設(shè)計(jì)的一個(gè)主要問題。
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