改进Orbal氧化沟工艺污水处理厂脱氮效果研究

张 扬,李子富,宋英豪,陈 豪,赵 媛 (.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 0008；2.北京化工大学,北京 00029；.无锡城北污水处理厂,江苏 无锡 24000)

氧化沟自20世纪50年代发明以来,由于其结构简单、运行操作简便和稳定的处理效果[1]在世界各地被广泛研究与应用.我国应用较多的有Orbal氧化沟、Passver型氧化沟、和Carrousel氧化沟[2].Orbal氧化沟可以看作是由3个Passver型氧化沟串联组成的多级氧化沟,典型的Orbal氧化沟是多沟式椭圆型结构,污水直接进入到外沟,通过水下输入口连续依次进入到中沟和内沟,每一条沟道都是一个闭路连续循环的完全混合反应器,污水在每条沟道中都循环了数百次,最后污水通过内沟流入二沉池,进行固液分离,剩余污泥回流到外沟[3].Orbal氧化沟在降解有机物的同时,可以去除氮磷等营养物,并且剩余污泥已经好氧稳定,无需再进行污泥消化处理,对污泥的后处理要求简单,特别适合我国国情[4].

但是随着污染物排放标准越来越严格,对处理效果要求越来越高,原有的Orbal氧化沟设计、运行和管理方式则显得滞后,急需更加深入地进行 Orbal氧化沟营养物去除机理的研究,在此基础上开发节能降耗和优化处理效果的深度控制策略.本文以无锡城北污水处理厂 4号氧化沟为研究对象深入研究了导致氧化沟脱氮效果差的原因.并提出了相应的改进措施,以期为Orbal氧化沟的实际工程设计、运行和管理提供指导依据和改进方法.

1 实验方法与仪器

无锡城北污水处理厂采用Orbal氧化沟工艺,与传统的Orbal氧化沟工艺不同,其中心岛被改造成了厌氧区同时借鉴了A2/O工艺的运行模式,为氧化沟增加了内循环系统,即内沟出水部分回流到外沟,从而提高了 Orbal氧化沟的脱氮除磷能力.与传统的Orbal氧化沟工艺相比经改造后的氧化沟虽然在脱氮除磷方面有了改进,但其出水总氮还是难以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》[5]相关指标.

为此,详细监测了 4号氧化沟内的溶解氧、沟内流速、氨氮、总氮、硝酸盐氮等指标.并结合烧杯小试试验,分析造成 Orbal氧化沟脱氮效果差的原因.监测指标与监测方法见表1.

表1 监测指标与分析方法Table 1 Monitoring indexes and analyzing method

图1 溶解氧监测点Fig.1 DO monitoring site

2 结果与讨论

2.1 Orbal氧化沟运行状况分析

由于Orbal氧化沟其独特的封闭无终端的池型,污水在池中进行着无数次的循环,使其对氨氮和有机物有着比较稳定和高效的去除效果.系统出水CODCr和氨氮也很稳定,远低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》[5]中规定的一级A标准规定的50mg/L和5mg/L.

通过对城北污水处理厂近年来的运行数据进行分析发现,该系统脱氮效果差.2007全年出水总氮达标率较低(图2).以运行效果最好的九月份的总氮运行数据为例,可以清楚地看出 9月份总氮的达标天数只有40%.9月份总氮的进水浓度在38.2～20.5之间,平均进水浓度为29.48mg/L,平均出水浓度为15.12mg/L总氮的平均去除率为49%,总氮的平均去除量为10.77t(图3).由此可见,如何提高Orbal氧化沟系统的脱氮问题已成为该系统面临的主要问题.

生物脱氮过程中,污水中的有机氮及氨氮经过微生物的同化作用、氨化作用、硝化反应、反硝化反应,最后转化为氮气.在 Orbal氧化沟系统中,主要的脱氮过程是在占总体积 50%的外沟道中完成的,在外沟道中溶解氧接近零,为同步硝化反硝化脱氮创造了有利条件,大量的报道表明在氧化沟系统中氮的去除主要是由同步硝化反硝化过程完成[6-10].

由于氧化沟具有特殊的池型,使系统对氨氮去除有着其他工艺难以比拟的效果,城北污水处理厂全年大部分时间内出水的氨氮都在 1.0mg/L以下,表明该工艺在脱氮过程中硝化过程进行很彻底.脱氮效果不佳可能是由于反硝化过程进行的不彻底导致.另外,从对硝酸盐氮的监测发现(表2),总氮中硝酸盐氮的含量很高,其中内回流液中硝酸盐氮的平均值为8.82mg/L,占总氮的73%.

可见该系统总氮去除效果不佳的主要原因是由于反硝化过程进行不完全造成的.影响反硝化过程的因素很多,如温度、pH值、碳源、溶解氧等.但由于所处理的污水大部分为生活污水,其pH值和水温都适合于反硝化反应的进行.通过对总氮和CODCr的监测发现,城北污水处理厂C/N在4.5～16.3之间,平均值为8.6.对于一般的污水处理系统而言当废水中的可生化有机物量与总氮的比值大于2.86时反硝化能正常进行[11].也有学者研究发现,当碳氮比在6～11[12-15]时可满足脱氮要求,由此可见此系统中碳源充足,不是反硝化反应主要的限制性因子.Orbal氧化沟中氮的脱除主要是基于同步硝化反硝化脱氮机理去除的,因此选取溶解氧作为主要的研究对象与控制 因素进行研究[16-18].

表2 Orbal氧化沟中NO3-N, TN, CODCr, NH3-N含量(mg/L)Table2 Monitoring data of NO3-N, TN, CODCr, NH3-N(mg/L)

图2 2007年全年进出水总氮Fig.2 Total nitrogen in influent and effluent in 2007

图3 2007年9月份进出水总氮Fig.3 TN in influent and effluent in September 2007

2.2 溶解氧对 Orbal氧化沟系统反硝化脱氮的影响

采用便携式溶解氧仪对氧化沟溶解氧进行测定,监测点位于液面以下 1m,具体的监测点见图1.外沟道内的溶解氧(图4),值是一个月内监测的算数平均值.改进前Orbal氧化沟在2号监测点的溶解氧浓度平均值为0.56mg/L,15号监测点浓度最低,其值为0.27mg/L.外沟道内 14个监测点的平均溶解氧浓度为0.51mg/L,这一浓度对要靠大量同步硝化反硝化来脱氮的外沟道来说是偏高的.

图4 改进前后氧化沟内溶解氧情况Fig.4 DO concentration before and after the improving progress

由于Orbal氧化沟的外沟道体积占整个系统的50%以上,是脱氮和去除有机物的主要场所,如果不能在整个沟道内形成稳定的缺氧区,则会严重影响反硝化反应高效进行,进而导致整个系统的脱氮效果低下.同时过高的溶解氧不仅导致反硝化速率低,还消耗了大量的能源.

通过烧杯试验测定了不同溶解氧浓度下的最大反硝化速率.取氧化沟中的活性污泥将其沉淀,并去除上清液,用蒸馏水反复清洗以去除其所含杂质.并向其中加入一定量的硝酸盐.可通过含有饱和溶解氧的蒸馏水和加亚硫酸钠消氧的蒸馏水来控制反应过程的溶解氧.将其置于磁力搅拌器上,反应半小时并定时取样测其硝酸盐含量,为了使有机物不成为限制因素,向烧杯中加入过量醋酸盐,反应结束测 MLVSS,最后核算反硝化速率,结果见图5.根据对硝酸盐浓度的拟合结果,可以计算出,在溶解氧为0.5mg/L时,反硝化速率为0.03gNO3-N/(gMLVSS·d),溶解氧在 0.2mg/L时,反硝化速率为0.06 gNO3-N/(gMLVSS·d).由此可见 DO=0.2mg/L时的反硝化速率是 DO=0.5mg/L时反硝化速率的2倍.

图5 溶解氧对反硝化速率的影响Fig.5 Effect of DO concentration on denitrification rate

因此对于无锡城北污水处理厂来说,由于其单沟的体积不能增加,污泥浓度不变的情况下,降低其外沟溶解氧浓度将大大提高反硝化速率,从而提高系统脱氮效率.

2.3 改进方法的系统动力学模拟

通过对氧化沟的大量监测,以及上述分析发现造成城北污水处理厂总氮去除不稳定的主要原因是,由于氧化沟系统中转碟配置不合理导致生产运行方式不灵活,使得现有曝气转碟运行方式所提供的能量远远超出实际需要,从而致使氧化沟内过分充氧,转速高使得溶解氧成为了反硝化反应的主要抑制因素.

结合城北污水处理厂的实际情况,最经济实用的方法就是改变现有曝气转碟的运行方式,即根据实际情况适当的停开部分曝气转碟,或拆除每台曝气转碟上的部分碟片,以控制整个氧化沟系统的溶解氧处于一个较低的水平,同时采用系统动力学对停开部分曝气转碟后的的实际情况进行了模拟.模拟过程依据国际水协会的推荐值确定相关动力学参数及化学计量参数.相关模型初始值选自2007年8月份实际进水水质的加权平均值,稳态模拟的初始水量为19970m3/d,水质参数为CODCr=524mg/L,BOD5=176mg/L,TSS=345mg/L,TN=38.5mg/L.

图6 减少曝气转碟后的模拟结果Fig.6 Result of modelling

分别模拟了同时开6个转碟、4个转碟、3个转碟的TN去除情况.由图6可以看出,随着转碟开启数量的降低,出水总氮的浓度明显降低,开启3个转碟时,TN的达标率明显高于其他两种工况,因此减少转碟的运转数量可以提高系统对TN的去除效果.

2.4 改进后Orbal氧化沟系统运行效果

在计算机模拟的基础上,选取了城北污水处理厂的4号氧化沟进行了生产性试验,试验中停开了外沟道6组转碟中的2组,为了防止混合效果受到影响在沟道内安装了两台功率为5.0kW的水下推进器.改进后的溶解氧比改进前有了明显的下降,其最大值为0.44mg/L最小值仅为0.06mg/L,平均值在0.20mg/L.从图4所示结果可以看出在整个外沟道内形成了一个交替好氧缺氧的宏观环境,通过在外沟道内形成的交替的缺氧好氧环境可使得硝酸盐得到更充分的去除,提高整体系统的脱氮效率.

改造后氧化沟内混合液流速有所下降,但仍处于较好的完全混合状态.由图7可见,流速比改进前有了明显的下降,但在同一位置不同深度下,流速相差不大.这说明通过停开部分转碟并开启水下推进器的运行方式没有影响混合液的流态,也没有发生因动力不足造成的污泥沉降现象.

图7 改进后混合液流速Fig.7 Velocity of mixed liquid in Oxidation ditch after the improving progress

由图8可见,对曝气方式的改变并没有对系统出水的CODCr的有机物去除能力产生影响,其处理效果仍然十分稳定,进一步显示了氧化沟系统对有机物高效去除率.

综上所述,通过停开部分曝气转碟并配合水下推进器的运行,可以使氧化沟外沟形成较低的溶解氧环境,同时并没有影响沟内混合液的流态从而为提高脱氮效果创造了良好的环境.由图9可见,将原有的曝气运行方式改为停开部分曝气转碟并结合水下推进器的运行方式后,系统对总氮的去除效果有了明显的提升,总氮去除率达到了70%,比2007年同时期提高了30%.其中进水最高浓度为36.1mg/L,最低浓度为26.1mg/L,平均浓度为31.82mg/L,出水最高浓度为12.7mg/L,最低为7.47,平均为9.37mg/L.改进后的平均去除率为22.45mg/L,优于2007年同时期的14.36mg/L.除此之外,改进后8月的运行数据还表明总氮的去除率十分稳定,总氮的一级A达标率为100%.

图8 改进后进出水CODCrFig.8 Concentration of CODCr after the improving progress

图9 改进后进出水总氮Fig.9 Concentration of total nitrogen after the improving progress

3 结论

3.1 通过现场对Orbal氧化沟的实际监测与分析发现,外沟道溶解氧过高是造成氧化沟脱氮效果不佳的主要原因.应用系统动力学模拟了减少曝气转碟数量后Orbal氧化沟的运行状态,结果显示减少转碟数量可以降低沟道内溶解氧水平显著提高系统脱氮效果.

3.2 停开部分转碟并加装水下推进器后,氧化沟内溶解氧水平有了明显的下降,从改进前的0.51mg/L下降到改进后的0.20mg/L.脱氮效果有了显著提高,总氮去除率达到了70%,比去年同期提高了30%.转碟数量的减少未造成沟内污泥沉降.

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