改良Carrousel氧化沟工艺处理矿区污水效果研究

王京春,田涤尘,王玉军*,赵爱霞

1.山东农业大学资源与环境学院,山东泰安271018 2.泰安市城市排水管理处,山东泰安271000

改良Carrousel氧化沟工艺处理矿区污水效果研究

王京春1,田涤尘2,王玉军1*,赵爱霞1

1.山东农业大学资源与环境学院,山东泰安271018 2.泰安市城市排水管理处,山东泰安271000

为研究泰安市某污水处理厂采用改良Carrousel氧化沟工艺处理矿区污水的效果，本文比较分析了该污水处理厂改造前后进出水中COD、BOD、氨氮和SS的浓度大小，并得出如下结论：改造后污水处理厂对COD、BOD、氨氮和SS的去除率分别在72.5%、65.9%、55.8%和84.6%左右，与改造前的49.1%、56.0%、6.4%和86.8%相比，除SS的去除率基本不变外，COD、BOD、氨氮的去除率均有所提高，出水整体能够达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B标准，即COD≤60 mg/L，BOD≤20 mg/L，SS≤20 mg/L，氨氮≤15 mg/L；氨氮去除效果与改造前相比得到明显改善，去除率提高了49.4%。

矿区污水;Carrousel氧化沟;初沉池

我国迅速的工业化导致了生活和工业废水排放的增长，加之不当的环境规划和管理、对基础设施投入的不足，对废水的处理已经迫在眉睫，尤其是矿区污水。矿区污水处理效果的优劣事关矿区周边自然环境和社会环境的发展，如不采用合理方法进行处理，必将对周边生态环境及居民的身体健康产生不利影响。目前国内外对生活污水的处理通常采用生物处理法，生物处理方法有多种，我国矿区使用较多的是活性污泥法和生物膜法[1]。李福勤等[2]在2000年进行了矿区生活污水采用物理化学法、生物絮凝吸附法强化一级处理实验研究；张爱青[3]、刘永磊[4]等分别研究了A/A/O法、A/O法处理矿区污水；尚少鹏，赵玉仑[5]在2003年对煤矿生活污水处理模式进行了探讨，总结出采用氧化沟处理法、氧化塘处理法、污水土地处理系统、生物接触氧化处理技术、活性污泥法和生物转盘处理法处理矿区污水。

氧化沟是一种首尾相连的循环流曝气沟渠，又名连续循环曝气池，是活性污泥法的一种变型[6][7]。此工艺是在20世纪50年代由荷兰卫生工程研究所研制成功。自1954年在荷兰首次投入使用以来，由于其出水水质好、运行稳定、管理方便等技术特点，已经在国内外广泛的应用于生活污水和工业废水的治理[8]。鉴于数量庞大的中小城市在城市污水水量、水质和经济发展程度等方面具有共性，根据现有的中小城市处理经验显示，氧化沟工艺更适合被我国中小城市污水处理厂采用[9]。位于泰安市矿区的污水处理厂采用改良的Carrousel氧化沟工艺，本文采用对比法，分别以其2008年10月和2009年5月所测数据为依据，对其改造前（未加初沉池）和改造后（加初沉池）的污水水质进行分析。对比分析COD、BOD、氨氮、SS在改造前后的去除效果，分析其变化原因，试图从中探索规律，更好的指导实践。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 实验污水以位于泰安市矿区的污水处理厂改良前后（即2008年10月和2009年5月）的进出水为实验污水。该区城市污水为工业和生活混合污水，以工业废水为主，进水采自粗格栅前，出水采自滤池后。

1.1.2 测定项目COD、BOD、氨氮、SS。

1.1.3 实验仪器主要为电子分析天平、紫外可见分光光度计、COD智能回流消解仪、可见分光光度计、鼓风干燥箱、BOD培养箱等。

1.1.4 工程概况

1.1.4.1 污水处理厂概况及设计要求泰安市某污水处理厂位于矿区，厂区总占地面积69269 m3，设计污水处理规模5×104m3/d，目前采用改良型Carrousel氧化沟工艺，主要处理污水处理厂附近城市污水。该区城市污水以工业废水为主，生活污水与工业废水约为1:2.27。该污水处理厂于2006年9月正式投入运行，原工艺未建初沉池，由于污水处理厂所在区域属于山东省重要的煤矿产区，有很多煤矿企业，排放污水中含有煤炭颗粒等矿物成分，这些矿物的存在不利于活性污泥中微生物的生长，且容易造成构筑物的淤积，导致污水处理厂出水水质不理想。为消除污水中粉煤灰等物质对氧化沟系统的影响，该厂于2008年9月底开始改造，在原基础上加设初沉池，2009年1月投入运行。改造后污水处理工艺流程

见图1，污水处理厂设计进出水水质如表1所示，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B标准。

表1 设计进出水水质Table 1 Designed influent and effluent quality

图1 工艺流程Fig.1 Technological process with improved oxidation ditch

1.1.4.2 主要处理单元及设备此污水处理厂总体工艺流程可分为：预处理工段（机械处理工段）、二级生化处理段、污泥处理段。各段处理设备如下：

（1）预处理工段污水进入生物处理之前都必须进行预处理，以保证后续处理构筑物的稳定运行。所谓预处理工段也就是机械处理段，包括粗格栅、进水提升泵、细格栅、旋流沉砂池、初沉池等。

a.粗格栅粗格栅渠道共两条，在每条渠道中安装一台机械清污格栅，保证污水提升泵正常运行。栅条间隙20 mm，栅槽宽度1.3 m，安装倾角75°，栅前水深1.00 m，过栅流速0.5～1.0 m/s，过栅最大水头损失0.2 m，过水能力1459 m3/h。根据格栅前后的水位差或根据设定的时间，实现机械格栅的运行。

b.进水泵房进水泵房设有潜水离心泵4台（3用1备），安装于集水池内，检修时由一台单轨吊车将泵提出集水池。为了适应流量变化，选用1台泵为变频调速控制。水泵的开停由PLC根据水位自动控制。

c.细格栅间细格栅间1座，为地上式构筑物，内部设2条栅槽，共安装2台机械细格栅。栅条间隙6 mm，宽度1.0 m，栅前水深1.00 m，安装倾角65°，过栅流速0.8 m/s，过栅最大水头损失0.2 m。细格栅后安装螺旋输送脱水机1台，槽体长度6 m，输送量3 m3/h。在细格栅的前后均设有渠道闸门，以便于设备检修。细格栅后安装螺旋输送脱水机1台，根据液位差或定时控制，实现细格栅和输送脱水机联动运行。

d.旋流沉砂池共设2座沉砂池，单池设计流量1459 m3/h，池体直径3.65 m。沉砂池采用气提输送。在沉砂池内安装有旋流搅拌器2台，搅拌转速10.2 r/min。与沉砂池配套设有1台砂水分离器（螺旋直径320 mm，转速5.7 r/min），用来分离砂水混合液。

e.初次沉淀池初次沉淀池呈长方形，共2座，长32 m，宽8 m，深4.4 m。从初沉池进水井内流来的污水经过进水闸门，在配渠内通过向下的淹没孔口进入池内，以消能稳流。污水在初沉池内按水平方向流过沉降区，并完成沉降过程。沉淀池末端设有带溢流堰的集水槽，澄清水溢过堰口，经集水槽排出。池体下部靠近进水端有集泥槽。池底以0.01的坡度坡向集泥槽。池底设有TGN-8型行车式刮泥机1台，功率0.55 kW。当刮泥机的链带由电机驱动缓慢转动时，嵌在链带上的刮泥板就将池底的沉泥向前推入集泥槽。当集泥较多时则人工操作集泥槽上方的电动抓泥斗将集泥槽内的沉泥抓出。

（2）生物处理工段

a.厌氧池共分2组，每组长74 m，宽12 m，深4.6 m，水力停留时间3.9 h，回流污泥比100%，主要设备有潜水推进器4台，单机功率3.1 kW。

b.氧化沟该厂生物处理工段采用卡鲁塞尔氧化沟工艺，池数2个。氧化沟单池设计参数为：设计有效容积24193 m3，有效水深4.5 m，污泥浓度3.1 g/L，水力停留时间23.2 h，污泥龄15 d，污泥负荷0.06 kgBOD5/kgMLSS·d。主要设备包括FDZC7500型转刺曝气机16台（单速功率30 kW，8台；双速功率26/32 kW，8台）、潜水推进器8台（单机功率4 kW）、电动调节堰门、手动调节堰门等。

c.沉淀池设置2座辐流式沉淀池完成氧化沟出水的泥水分离过程，沉淀在池底的污泥由刮、吸泥桥通过虹吸作用将污泥排入污泥泵站，回流污泥由回流污泥泵提升至氧化沟，剩余污泥泵将剩余污泥输送至污泥处理系统作进一步浓缩脱水处理。二沉池单池设计参数为：平均小时流量1459 m3/h，池体直径42 m，有效水深4.0 m，有效容积5540 m3。主要设备SSP-II45型全桥式周边传动刮吸泥机2台，单机功率0.75 kW。

（3）污泥处理部分本厂污泥处理工艺仅包括污泥的浓缩与脱水，剩余污泥经浓缩池浓缩后再进行机械脱水。采用带式脱水机进行污泥的机械脱水。

1.2 方法

1.2.1 各水质指标测定方法COD：重铬酸盐法；BOD：五日生化需氧量法；氨氮：钠氏试剂分光光度法；SS：重量法

1.2.2 数据处理方法以时间为横轴（以天为单位），分别以COD、BOD、氨氮、SS的进出水浓度和去除率为纵轴（以mg／L为单位），进行数据分析。

2 结果与讨论

现以该污水处理厂2008年10月和2009年5月所测数据为依据，以COD、BOD、氨氮、SS为重点分析讨论其改造前后的污水处理效果。

2.1COD去除效果分析

污水处理工艺对有机物的去除能力是表征工艺效能的主要指标之一，COD的大小直接反映污水中有机物含量的多少。污水处理厂改造前后对COD的去除效果见图2。

图2 两种工艺对COD的去除Fig.2 Two kinds of COD removal processes

由图2可以看出，改造前后进出水COD浓度变化都不大。改造后出水COD浓度均达《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B标准，即COD≤60 mg/L。从COD去除率曲线可以看出，改造前COD去除效果不稳定，变化幅度较大，COD去除率整体保持在19.1%～78.9%之间，平均去除率为49.1%；改造后COD去除率曲线较平缓，COD去除率整体稳定在63.2%～88.9%之间，平均去除率为72.5%，去除效果较好。

这主要是因为该污水处理厂进水中含有较多的粉煤灰等大量的无机矿物成分，不但不利于后续氧化沟中微生物的生长，而且也会在Carrousel氧化沟中沉积下来形成污泥，影响Carrousel氧化沟的正常运行。改造前污水不经初沉池直接进入氧化沟内，虽然系统本身抗冲击负荷能力较强，但整体还是受影响，污泥负荷过高，溶解氧浓度不足，排泥不畅等易引发丝状菌性污泥膨胀，使污水处理效率降低。改造后进水先经过初沉池，大部分无机矿物物质被沉淀去除，为后续Carrousel氧化沟稳定运行奠定基础，COD去除率明显提高，且趋于稳定。

2.2BOD去除效果分析

污水处理厂改造前后对BOD的去除效果见图3。

图3 两种工艺对BOD的去除Fig.3 Two kinds of BOD removal processes

由图3可以看出，改造前后进出水BOD浓度变化不大。改造前出水BOD最大浓度为13.7 mg/L；改造后BOD浓度在8.50 mg/L左右，最大浓度为14.3 mg/L。该项目在改造前后BOD均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B标准，即BOD≤20 mg/L。

从BOD去除率曲线可以看出，改造前BOD去除率不稳定，变化较大，在25.6%～75.9%之间，平均去除率为56.0%；改造后BOD去除率比较稳定，平均去除率为65.9%，去除率曲线与进水BOD浓度曲线具有较好的一致性，这是因为BOD的去除与污水的可生化性有关，即与BOD/COD比值有关。BOD/COD比值越大，说明污水可生化性越好，即污水中可生物降解的部分占总COD比例越大。反之，BOD/COD比值越小，污水的可生化性也越低，BOD越难被微生物降解[10]。该污水处理厂进水中含有较多的无机矿物成分，氧化沟中微生物难以去除，且这些矿物的存在不利于活性污泥中微生物的正常生长。通过在污水生物处理区前增加初沉池，将大部分无机矿物物质沉淀预先去除，使COD浓度降低，氧化沟中污水可生化性增强，BOD去除效果也会得到提高。

2.3 氨氮去除效果分析

污水处理厂改造前后对NH3-N的去除效果见图4。

图4 两种工艺对NH3-N的去除Fig.4 Two kinds of NH3-N removal processes

由图4可以看出，改造后进水氨氮浓度比改造前偏高。改造前出水氨氮浓度除个别天外，保持在3.19～45.1 mg/L之间；改造后出水氨氮平均浓度13.7 mg/L，除个别天数外，基本能够保证达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B标准，即氨氮≤15 mg/L。

从氨氮去除率曲线可以看出，改造前氨氮去除效果很差，甚至出水氨氮浓度要高于进水，氨氮浓度绝大多数时间不能达到标准；改造后氨氮去除率曲线与进水氨氮浓度具有较好的一致性，但去除率不稳定，变化较大，在17.4%～99.5%之间，平均去除率为55.8%。生物处理法处理污水中氨氮主要是通过硝化过程完成，即在好氧条件下，通过亚硝酸盐菌和硝酸盐菌的作用，将氨氮氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮[11,12]，其影响因素主要有pH值、温度、污泥龄、溶解氧以及BOD负荷等。结合污水处理厂实际，改造前出水氨氮浓度比进水高的原因可能与氧化沟好氧区溶解氧含量偏低有关，溶解氧含量不足，污水中被厌氧区污泥同化的氨氮可能会被重新释放；改造后好氧区COD浓度降低，有利于硝化菌的生长繁殖[13]，进而提高氨氮去除率。为进一步提高污水氨氮去除率及出水氨氮浓度的稳定性，建议采取以下措施：（1）提高污水pH值；当pH值为8.0～8.4时，硝化作用速度最快。该污水处理厂出水pH值在6.95～7.45之间，由于硝化过程中pH将下降，当废水碱度不足时，可投加石灰，维持pH值在7.5以上。（2）适当提高污泥停留时间；为了维持池内一定量的硝化菌群，污泥停留时间必须大于硝化菌的最小世代时间。（3）适当加大好氧段曝气量或延长曝气时间。

2.4SS去除效果分析

污水处理厂改造前后对SS的去除效果见图5。

图5 两种工艺对SS的去除Fig.5 Two kinds of SS removal processes

由图5可以看出，与改造前相比改造后进水SS浓度有所降低。改造前出水SS浓度较稳定，平均浓度11.0 mg/L，除个别天外，其它均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B标准，即SS≤20 mg/L；改造后出水SS浓度在1.0～13.7 mg/L之间，平均浓度6.5 mg/L，均能达到排放标准，出水浓度较改造前变小。

从SS去除率曲线可以看出，改造前后SS去除效果均较好，且去除效果差别不大，平均去除率分别为86.8%和84.6%。这是因为：改造前，SS靠格栅、沉砂池去除一部分，进入氧化沟中的SS靠剩余污泥的排放去除；改造后，由于在氧化沟前增加了初沉池，增设的初沉池去除了部分剩余的SS。说明增设初沉池后，对污水SS去除有所提高，但效果不明显，这可能与氧化沟系统本身对污水SS抗冲击负荷能力强，去除效率高有关。

3 结论

以氧化沟工艺处理以生活污水为主的城市污水时，可不设初次沉淀池，悬浮状有机物可在氧化沟中得到好氧稳定。但处理矿区污水时，由于污水中含有大量的无机矿物成分，其存在不利于后续Carrousel氧化沟的正常运行，因此需要在氧化沟前增设初沉池。泰安市矿区的污水处理厂采用改良Carrousel氧化沟污水处理工艺，在氧化沟之前增设初沉池。改造前COD、BOD、氨氮和SS的平均去除率分别为49.1%、56.0%、6.4%和86.8%，氨氮去除效果较差，改造后COD、BOD、氨氮和SS的平均去除率分别为72.5%、65.9%、55.8%和84.6%，氨氮去除效果得到明显改善。污水处理厂改造后出水COD、BOD、氨氮和SS整体能够满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B标准要求，该分析研究对城市污水处理厂的设计和运行具有一定的指导意义和实用价值。

[1]荣芳,周如禄,朱留生,等.活性污泥法处理矿区生活污水剩余污泥量探讨[J].能源环境保护,2007,21(2):41-42

[2]李福勤,华玉芝,孟文芳.矿区生活污水强化一级处理实验研究[J].矿业安全与环保,2000,27(6):3-4

[3]张爱青.大同煤矿生活污水资源化处理利用的途径[J].煤炭加工与综合利用,2005(5):51-53

[4]刘永磊,牛明华.A/O工艺处理某矿区生活污水运行实例[J].科技创新导报,2010(15):147

[5]尚少鹏,赵玉仑.煤矿生活污水处理模式探讨[J].煤炭工程,2003(10):64-66

[6]张自杰.排水工程[M].4版.北京:中国建筑工业出版社,1999

[7]邓荣森.氧化沟污水处理理论与技术[M].北京:化学工业出版社,2006

[8]Shibin Xia,Junxin Liu.An innovative integrated oxidation ditch with vertical circle for domestic wastewater treatment[J].Process Biochemistry,2004,(39):1111–1117

[9]庞学和.水泥混凝土路面病害的防治措施探讨[J].工程与建设,2008,22(3):422-424;436

[10]韩玮,何康林.污水可生化性的研究[J].中国环保产业,2004(6):37-39

[11]沈耀良,王宝贞.废水生物处理新技术[M].北京:中国环境科学出版社,1999:196-221

[12]张希衡.水污染控制工程[M].北京:冶金工业出版社,1993:282-286

[13]王歆鹏,陈坚,华兆哲,等.消化菌群在不同条件下的增殖速率和硝化活性[J].应用与环境生物学报,1999,5(1):64-68

Study on the Effect of Improved Carrousel Oxidation Ditch Process on the Treatment of Mine Wastewater

WANG Jing-chun1,TIAN Di-chen2,WANG Yu-jun1*,ZHAO Ai-xia1
1.College of Resources and Environment,Shandong Agricultural University,Tai′an 271018,China 2.Tai'an Urban Drainage Administration Office,Tai'an 271000,China

In order to study the wastewater treatment in mining area in Tai'an which used the improved Carrousel oxidation ditch process in a wastewater treatment plant,this paper compared and analyzed the concentration size of COD,BOD, NH3-N and SS before and after the sewage treatment plant improvement.And the paper drawn the following conclusions: after the sewage treatment plant using the improved sewage treatment process,the removal rate of COD、BOD、NH3-N and SS changed from 49.1%,56.0%,6.4%,86.8%to 72.5%,65.9%,55.8%,84.6%.The removal rate of SS remained unchanged basically.The removal efficiency of COD,BOD and NH3-N were improved.The effluent can reach the level of B standard of "town sewage treatment plant pollutant discharge standard"(GB18918-2002)on the whole,which is COD≤60 mg/L, BOD≤20 mg/L,SS≤20 mg/L,NH3-N≤15 mg/L.And the removal effect of NH3-N has changed obviously which removal rate increased by 49.4%.

Sewage in mining area;Carrousel oxidation ditch;primary settling tank

X703

A

1000-2324(2014)03-0437-06

2011-11-01

2012-03-14

王京春(1988-),女,硕士研究生,研究方向为水污染控制工程.E-mail:wjchungood@163.com

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail:wangyj@sdau.edu.cn