卡鲁塞尔2000型氧化沟生物除磷的效果分析

郝晓光

(太原市城市排水管理中心,山西 太原 030021)

某市污水处理厂采用的工艺为卡鲁塞尔2000型及2000改进型氧化沟,工艺流程为:粗格栅→污水提升泵→细格栅→旋流沉砂池→卡鲁赛尔2000/改进型氧化沟→二沉池→高效沉淀池→转盘过滤→接触池出水。

污水厂在2021年5月—6月期间,根据化验数据发现,二沉池出水总磷能稳定在0.5 mg/L以下,达到了国家一级A标准。可以得出在此期间的除磷效果主要来自于氧化沟的生化作用。

污水厂进水总磷约为7 mg/L～8 mg/L,按传统理论的生物除磷的效率70%计,生物段出水应在2 mg/L～3 mg/L之间。从2020年和2021年1月—3月份的运行数据来看,与这个结论大致相符,说明某市污水处理厂生物处理除磷的作用效果是符合现阶段的理论结果的。

但是在2021年的5月以后出现的二沉池出水总磷达标,从传统的除磷理论难以解释,为了进一步分析生物除磷的效果,从2021年6月22日到7月28日,开展了污水处理厂的生物阶段除磷的实验。

1 实验目的

1)通过一系列的化验和数据,对生物处理的各个工艺阶段总磷的去除降解情况进行统计分析,探寻在系统没有投加化学除磷药剂的情况下,总磷达标的具体原因和环节。2)针对三种生物除磷的途径,在生物反应的主要构筑物卡鲁赛尔2000型(改良型)氧化沟内,进行总磷的数据检测,观察在各个功能性区域内总磷数值的变化,寻找总磷去除的主要位置和阶段。3)通过试验发现现阶段生物除磷的关键环节[1],寻找规律及重现的可能性,寻找生物除磷的最佳工况和工艺运行参数,建立除磷工艺的数据体系,为摸索和建立可实际操作的工艺调控措施提供依据。4)在现有的条件下,通过工艺调控手段最大程度的重现该阶段总磷达标工况,有效利用氧化沟的微生物处理能力,充分发挥其生物除磷作用,从而降低后续深度处理加药成本,降低运行费用。

2 实验方案设计

2.1 取样点原因分析

该污水处理厂的生物处理段为卡鲁塞尔2000和卡鲁塞尔改良型氧化沟,其中2000型为1号、2号沟,改良型为3号沟,根据现阶段工艺调控,估算为1号、2号沟处理水量在1万m3/d～2万m3/d,3号沟处理水量为2万m3/d～3万m3/d。3号沟承担了一半以上的处理负荷。因此在实验方案实施过程中,对3号的化验要求是每次化验都要进行,1号、2号沟初期化验(1周)期间全部化验,中后期每次化验轮换单取某一条沟进行化验。

聚磷菌的作用是在厌氧环境下释放磷,在好氧环境下吸收磷[2],作用机理是:对生存环境有严格厌氧和好氧的需求,该污水处理厂的卡鲁赛尔氧化沟有前置选择区,作为厌氧环境,在氧化沟内有好氧缺氧的交替环境,为聚磷菌的反应提供了有利的生存环境[3],因此实验的设计,针对不同的氧气提供段设置取样点,进行总磷的化验分析,研究总磷的去除效果。同时聚磷菌过量聚集的磷会随着剩余污泥排出系统外,因此在实验设计中,对剩余污泥的排放处,污泥调节池上清液,污泥脱水机房也做了取样设计点位。

2.2 取样点分布及化验频次

根据卡鲁塞尔氧化沟工艺各段在生物除磷脱氮的作用不同[4],在各个工艺段设置取样点,详细取样点及每周化验频次见表1。

表1 取样点位及化验频次

其中氧化沟内总磷化验取混合液,沉淀30 min后,取上清液化验,污泥泥饼采用磨碎后溶解过滤进行总磷化验。

3 实验过程

经过6月22日—6月24日的第一周的化验分析,看到除磷数据有明显的变化趋势,其中在好氧段有非常强的过量吸磷作用,为了深入的检测好氧过量吸磷的作用,第二周6月28日—6月30日在好氧段增加一个取样点,通过一周的污泥化验准备,第二周开始对污泥泥饼、污泥脱水机上清液进行总磷的化验,为了更进一步的检验污水中总磷的最终去向,对污泥段增加一个取样点,对脱水机外排的水进行取样,过滤后化验水中总磷的含量。

通过6月份两周的化验后,数据表明在高密池的出水和总出水,二沉出水的变化不大,表明在未加药的前提下,高密池对总磷去除作用基本没有,因此从7月开始起不再化验高密池出水。

到7月20日,经过第一周—第四周的化验分析,从氧化沟阶段除磷数据可以看到明显的变化趋势,其中在硝化段和好氧段有非常强的过量吸磷作用,为了深入检测脱氮过程中过量吸磷的作用,7月20日增加取样点的总氮化验,实验在有限的分析条件下,是否能发现反硝化菌DPBs的除磷作用。在氧化沟进水,反硝化区,二沉出水做总氮化验。

4 实验数据整理及曲线分析

除磷实验从6月22日起,到7月28日结束,共采样分析6周,每周化验3次,共取得有效化验数据366个。总磷的化验方法为××科技的总磷分析仪,汇总实验数据见表2—表6。

表2 1号、2号氧化沟各处理阶段总磷平均值 mg/L

表3 3号氧化沟各处理阶段总磷平均值 mg/L

表4 氧化沟内污泥浓度平均值 mg/L

表5 3月—8月进水、二沉池出水总磷浓度 mg/L

表6 进水量统计表(2021年) m3

4.1 实验数据图表分析

表5的运行数据反映了这次实验的起因,根据表5的运行数据做出3月—8月某市污水处理厂的总磷进出水数据,如图1所示。

为了更清晰的说明出水总磷在3月—8月的变化情况,对出水总磷又做了图2,缩短了纵向坐标轴体系,更明显的体现了出水总磷的变化情况。

从图1的进出水散点图做的10 d移动平均值可以看出,在3月1日到8月31日期间,进水的总磷变化相对稳定,出水总磷在3月开始逐步下降,在5月—6月达到谷底,基本保持在0.500 mg/L以下,在7月份又开始逐渐回升,到8月份最高上升到2.500 mg/L,恢复到平常的出水总磷水平。从曲线图可以看到,在4月—7月份期间,生物除磷出现了一个非常良好的处理效果,仅靠生物处理就达到了GB 18918一级A的水平,这也是在厂内启动总磷分析实验起因,通过实验分析研究出现总磷下降的生物反应机理,从而为今后的工艺运行及工艺调整做好数据准备。

4.2 1号、2号氧化沟各阶段总磷去除分析

为了分析卡鲁塞尔2000型氧化沟的各阶段的除磷效果,在氧化沟的各个阶段都设置了取样点,1号、2号沟池体结构一致,取样频次为互补型取样,因此对6月22日开始到7月28日的三条氧化沟的各阶段的总磷化验数据,取1号、2号氧化沟化验数据的平均值为分析对象,3号氧化沟为改良型,对3号氧化沟进行单独取样分析。

4.2.1 实验数据分析

图3为1号、2号氧化沟实验期间各取样点的总磷变化曲线,从图3可以看到1号、2号氧化沟总磷的变化在选择区有非常明显的下降,氧化沟进水到反硝化区有一个明显的下降,在好氧区完全下降到最低点,氧化沟出水开始又逐渐上升直到总出水升高到1.000 mg/L左右。原因分析是由于1号、2号氧化沟为卡鲁塞尔2000型的沟型设计[5],为了抑制污泥膨胀,在氧化沟前设置选择区,选择区为缺氧型选择池,不是聚磷菌PAOs所需要的严格的厌氧环境,因此聚磷菌在1号、2号氧化沟内没有实现磷的释放过程。

4.2.2 现场运行情况

从现场运行的情况分析原因为:三条氧化沟的配水工艺调控比例不平衡,1号、2号氧化沟合并承担一半进水量,3号沟单独承担一半进水量。在试验期间,该污水厂的平均进水量为40 160 m3/d,1号、2号氧化沟共承担约20 000 m3/d,3号氧化沟承担约20 000 m3/d。1号、2号氧化沟的单池设计负荷为20 000 m3/d,实际单池进水仅为10 000 m3/d,回流污泥的工艺操作仍以进水20 000 m3/d的水量进行控制回流量[6],因此1号、2号氧化沟的回流污泥和进水量的比例为2∶1,回流污泥中的总磷含量较低,大比例的污泥外回流使进水总磷的稀释作用也比较明显,通过大比例稀释导致了进水总磷的降低。

4.2.3 1号、2号氧化沟情况总结

从图3,表2可以看到,反硝化区对总磷的去除也有较大的降幅,1号、2号氧化沟的总磷反硝化区出水下降了约2.000 mg/L。但1号、2号氧化沟的好氧段总磷下降幅度不明显,说明聚磷菌PAOs的反应不明显,没有在好氧段实现过量吸磷的作用。

综上所述,1号、2号氧化沟的总磷去除主要来自于低进水负荷的稀释作用,还有反硝化反应的吸磷作用[7],由于池型设计的厌氧池过小,聚磷菌的作用不明显。

4.3 3号氧化沟各阶段生物除磷的分析

图4为3号氧化沟的总磷变化曲线。

4.3.1 总磷明显下降情况分析

从图4的曲线可以很明显的看出在选择池出水有一个明显的磷的释放过程,进水总磷平均在8.168 mg/L,选择池出水的总磷达到了11.354 mg/L,这个变化符合聚磷菌在严格厌氧环境下降解BOD释放磷的理论。同时3号氧化沟的进水负荷较高,1∶1的外回流污泥稀释作用不明显,从氧化沟进水到好氧区1有非常明显的下降过程,这其中包含了反硝化区和好氧区,应该是聚磷菌和反硝化菌共同作用的过量吸附磷的作用,形成的3号沟总磷的明显的下降过程。

4.3.2 好氧区情况分析

从表3(3号氧化沟各处理阶段总磷数据)可以看到,3号氧化沟的氧化沟进水-反硝化区、好氧区-氧化沟出水阶段对总磷的降解非常明显。

从图4中还可以看到,在3号氧化沟好氧区2的取样点上有明显的一个总磷数值回升的情况,从好氧区2号取样点位和水流方向来看,好氧区2在表曝机充氧末端,在水流过程中微生物已经完全将前一个表曝机充入的氧气消耗完,并且还没有进入到后一个表曝机的充氧区域,因此在这个点位处于一个厌氧环境,导致在前段好氧吸附的磷又出现了一个释放过程,所以出现了总磷的回升现象。

4.3.3 厌氧区情况分析

以试验期间的厌氧区域六次BOD化验数值的平均值计算,实验期间的BOD去除量(厌氧区进出水差值)为337 mg/L,以减少的这部分BOD全部被微生物吸收合成为自身的结构物质计算,同化作用下的微生物所需的BOD和总磷比例以100∶1计算,总磷在同化作用下去除量为:

考虑同化作用在3号沟内的作用,对3号沟聚磷菌的总磷释放量应该加上同化作用的吸收量:

TP(释放)=TP(进水)-TP(选择)+TP(同化)=

11.354-8.168+3.370=6.556 mg/L。

计算可得3号沟聚磷菌的磷的释放量达到了6.556 mg/L,表明聚磷菌在3号沟内对磷的释放和过量吸收作用非常明显。

4.3.4 三种除磷方式效果比较

从上面分析可得出,3号沟对总磷的去除同化作用,反硝化聚磷作用、聚磷菌聚磷作用都存在,并且聚磷菌的聚磷作用起到主导作用,表明3号沟的生物除磷作用发挥的很充分,达到并超过了设计预期。氧化沟总磷去除对比表见表7。

表7 氧化沟总磷去除对比表 mg/L

从生物除磷的三种方式对1号、2号和3号氧化沟的平均运行数值作图5进行比较,可以看出两者中三种方式中占到主导地位的处理效果各有不同,1号、2号的同化作用高于3号,3号的反硝化和聚磷菌的好氧过量吸附高于1号、2号氧化沟。

以上内容从污水中总磷的生物降解原理的方式进行了卡鲁塞尔2000型和改良型氧化沟的去除效果分析,表明改良型的氧化沟内存在着良好的生物过量吸磷反应[8],再通过系统的剩余污泥及时排放出系统外,达到改良系统除磷的作用。

5 实验结果分析总结

通过一个多月的现场实验分析研究,对某市污水处理厂的主要的生物处理段的生物除磷进行了分析。通过分析认为在现阶段的运行条件下,1号、2号氧化沟内的外回流稀释、反硝化作用的除磷效果较为明显,3号沟的聚磷菌的除磷效果明显。

通过本次实验,针对现阶段的生物除磷的效果显著的运行工况,污水厂还可以通过其他方面研究除磷机制,总结经验,汇总各项运行数据,通过可靠的数据监控来发现并掌握这一工况及原理,得出生物除磷的运行参数,实现二沉池出水总磷达标,从而降低深度处理的除磷药剂投加量,降低一部分运行成本和简化部分运行流程[9],长年累月可节约大量的药剂费用。