改進Orbal氧化溝工藝污水處理廠脫氮效果研究

張 揚,李子富,宋英豪,陳 豪,趙 媛 (.北京科技大學土木與環境工程學院,北京 0008；2.北京化工大學,北京 00029；.無錫城北污水處理廠,江蘇 無錫 24000)

氧化溝自20世紀50年代發明以來,由于其結構簡單、運行操作簡便和穩定的處理效果[1]在世界各地被廣泛研究與應用.我國應用較多的有Orbal氧化溝、Passver型氧化溝、和Carrousel氧化溝[2].Orbal氧化溝可以看作是由3個Passver型氧化溝串聯組成的多級氧化溝,典型的Orbal氧化溝是多溝式橢圓型結構,污水直接進入到外溝,通過水下輸入口連續依次進入到中溝和內溝,每一條溝道都是一個閉路連續循環的完全混合反應器,污水在每條溝道中都循環了數百次,最后污水通過內溝流入二沉池,進行固液分離,剩余污泥回流到外溝[3].Orbal氧化溝在降解有機物的同時,可以去除氮磷等營養物,并且剩余污泥已經好氧穩定,無需再進行污泥消化處理,對污泥的后處理要求簡單,特別適合我國國情[4].

但是隨著污染物排放標準越來越嚴格,對處理效果要求越來越高,原有的Orbal氧化溝設計、運行和管理方式則顯得滯后,急需更加深入地進行 Orbal氧化溝營養物去除機理的研究,在此基礎上開發節能降耗和優化處理效果的深度控制策略.本文以無錫城北污水處理廠 4號氧化溝為研究對象深入研究了導致氧化溝脫氮效果差的原因.并提出了相應的改進措施,以期為Orbal氧化溝的實際工程設計、運行和管理提供指導依據和改進方法.

1 實驗方法與儀器

無錫城北污水處理廠采用Orbal氧化溝工藝,與傳統的Orbal氧化溝工藝不同,其中心島被改造成了厭氧區同時借鑒了A2/O工藝的運行模式,為氧化溝增加了內循環系統,即內溝出水部分回流到外溝,從而提高了 Orbal氧化溝的脫氮除磷能力.與傳統的Orbal氧化溝工藝相比經改造后的氧化溝雖然在脫氮除磷方面有了改進,但其出水總氮還是難以達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》[5]相關指標.

為此,詳細監測了 4號氧化溝內的溶解氧、溝內流速、氨氮、總氮、硝酸鹽氮等指標.并結合燒杯小試試驗,分析造成 Orbal氧化溝脫氮效果差的原因.監測指標與監測方法見表1.

表1 監測指標與分析方法Table 1 Monitoring indexes and analyzing method

圖1 溶解氧監測點Fig.1 DO monitoring site

2 結果與討論

2.1 Orbal氧化溝運行狀況分析

由于Orbal氧化溝其獨特的封閉無終端的池型,污水在池中進行著無數次的循環,使其對氨氮和有機物有著比較穩定和高效的去除效果.系統出水CODCr和氨氮也很穩定,遠低于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》[5]中規定的一級A標準規定的50mg/L和5mg/L.

通過對城北污水處理廠近年來的運行數據進行分析發現,該系統脫氮效果差.2007全年出水總氮達標率較低(圖2).以運行效果最好的九月份的總氮運行數據為例,可以清楚地看出 9月份總氮的達標天數只有40%.9月份總氮的進水濃度在38.2～20.5之間,平均進水濃度為29.48mg/L,平均出水濃度為15.12mg/L總氮的平均去除率為49%,總氮的平均去除量為10.77t(圖3).由此可見,如何提高Orbal氧化溝系統的脫氮問題已成為該系統面臨的主要問題.

生物脫氮過程中,污水中的有機氮及氨氮經過微生物的同化作用、氨化作用、硝化反應、反硝化反應,最后轉化為氮氣.在 Orbal氧化溝系統中,主要的脫氮過程是在占總體積 50%的外溝道中完成的,在外溝道中溶解氧接近零,為同步硝化反硝化脫氮創造了有利條件,大量的報道表明在氧化溝系統中氮的去除主要是由同步硝化反硝化過程完成[6-10].

由于氧化溝具有特殊的池型,使系統對氨氮去除有著其他工藝難以比擬的效果,城北污水處理廠全年大部分時間內出水的氨氮都在 1.0mg/L以下,表明該工藝在脫氮過程中硝化過程進行很徹底.脫氮效果不佳可能是由于反硝化過程進行的不徹底導致.另外,從對硝酸鹽氮的監測發現(表2),總氮中硝酸鹽氮的含量很高,其中內回流液中硝酸鹽氮的平均值為8.82mg/L,占總氮的73%.

可見該系統總氮去除效果不佳的主要原因是由于反硝化過程進行不完全造成的.影響反硝化過程的因素很多,如溫度、pH值、碳源、溶解氧等.但由于所處理的污水大部分為生活污水,其pH值和水溫都適合于反硝化反應的進行.通過對總氮和CODCr的監測發現,城北污水處理廠C/N在4.5～16.3之間,平均值為8.6.對于一般的污水處理系統而言當廢水中的可生化有機物量與總氮的比值大于2.86時反硝化能正常進行[11].也有學者研究發現,當碳氮比在6～11[12-15]時可滿足脫氮要求,由此可見此系統中碳源充足,不是反硝化反應主要的限制性因子.Orbal氧化溝中氮的脫除主要是基于同步硝化反硝化脫氮機理去除的,因此選取溶解氧作為主要的研究對象與控制 因素進行研究[16-18].

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

圖2 2007年全年進出水總氮Fig.2 Total nitrogen in influent and effluent in 2007

圖3 2007年9月份進出水總氮Fig.3 TN in influent and effluent in September 2007

2.2 溶解氧對 Orbal氧化溝系統反硝化脫氮的影響

采用便攜式溶解氧儀對氧化溝溶解氧進行測定,監測點位于液面以下 1m,具體的監測點見圖1.外溝道內的溶解氧(圖4),值是一個月內監測的算數平均值.改進前Orbal氧化溝在2號監測點的溶解氧濃度平均值為0.56mg/L,15號監測點濃度最低,其值為0.27mg/L.外溝道內 14個監測點的平均溶解氧濃度為0.51mg/L,這一濃度對要靠大量同步硝化反硝化來脫氮的外溝道來說是偏高的.

圖4 改進前后氧化溝內溶解氧情況Fig.4 DO concentration before and after the improving progress

由于Orbal氧化溝的外溝道體積占整個系統的50%以上,是脫氮和去除有機物的主要場所,如果不能在整個溝道內形成穩定的缺氧區,則會嚴重影響反硝化反應高效進行,進而導致整個系統的脫氮效果低下.同時過高的溶解氧不僅導致反硝化速率低,還消耗了大量的能源.

通過燒杯試驗測定了不同溶解氧濃度下的最大反硝化速率.取氧化溝中的活性污泥將其沉淀,并去除上清液,用蒸餾水反復清洗以去除其所含雜質.并向其中加入一定量的硝酸鹽.可通過含有飽和溶解氧的蒸餾水和加亞硫酸鈉消氧的蒸餾水來控制反應過程的溶解氧.將其置于磁力攪拌器上,反應半小時并定時取樣測其硝酸鹽含量,為了使有機物不成為限制因素,向燒杯中加入過量醋酸鹽,反應結束測 MLVSS,最后核算反硝化速率,結果見圖5.根據對硝酸鹽濃度的擬合結果,可以計算出,在溶解氧為0.5mg/L時,反硝化速率為0.03gNO3-N/(gMLVSS·d),溶解氧在 0.2mg/L時,反硝化速率為0.06 gNO3-N/(gMLVSS·d).由此可見 DO=0.2mg/L時的反硝化速率是 DO=0.5mg/L時反硝化速率的2倍.

圖5 溶解氧對反硝化速率的影響Fig.5 Effect of DO concentration on denitrification rate

因此對于無錫城北污水處理廠來說,由于其單溝的體積不能增加,污泥濃度不變的情況下,降低其外溝溶解氧濃度將大大提高反硝化速率,從而提高系統脫氮效率.

2.3 改進方法的系統動力學模擬

通過對氧化溝的大量監測,以及上述分析發現造成城北污水處理廠總氮去除不穩定的主要原因是,由于氧化溝系統中轉碟配置不合理導致生產運行方式不靈活,使得現有曝氣轉碟運行方式所提供的能量遠遠超出實際需要,從而致使氧化溝內過分充氧,轉速高使得溶解氧成為了反硝化反應的主要抑制因素.

結合城北污水處理廠的實際情況,最經濟實用的方法就是改變現有曝氣轉碟的運行方式,即根據實際情況適當的停開部分曝氣轉碟,或拆除每臺曝氣轉碟上的部分碟片,以控制整個氧化溝系統的溶解氧處于一個較低的水平,同時采用系統動力學對停開部分曝氣轉碟后的的實際情況進行了模擬.模擬過程依據國際水協會的推薦值確定相關動力學參數及化學計量參數.相關模型初始值選自2007年8月份實際進水水質的加權平均值,穩態模擬的初始水量為19970m3/d,水質參數為CODCr=524mg/L,BOD5=176mg/L,TSS=345mg/L,TN=38.5mg/L.

圖6 減少曝氣轉碟后的模擬結果Fig.6 Result of modelling

分別模擬了同時開6個轉碟、4個轉碟、3個轉碟的TN去除情況.由圖6可以看出,隨著轉碟開啟數量的降低,出水總氮的濃度明顯降低,開啟3個轉碟時,TN的達標率明顯高于其他兩種工況,因此減少轉碟的運轉數量可以提高系統對TN的去除效果.

2.4 改進后Orbal氧化溝系統運行效果

在計算機模擬的基礎上,選取了城北污水處理廠的4號氧化溝進行了生產性試驗,試驗中停開了外溝道6組轉碟中的2組,為了防止混合效果受到影響在溝道內安裝了兩臺功率為5.0kW的水下推進器.改進后的溶解氧比改進前有了明顯的下降,其最大值為0.44mg/L最小值僅為0.06mg/L,平均值在0.20mg/L.從圖4所示結果可以看出在整個外溝道內形成了一個交替好氧缺氧的宏觀環境,通過在外溝道內形成的交替的缺氧好氧環境可使得硝酸鹽得到更充分的去除,提高整體系統的脫氮效率.

改造后氧化溝內混合液流速有所下降,但仍處于較好的完全混合狀態.由圖7可見,流速比改進前有了明顯的下降,但在同一位置不同深度下,流速相差不大.這說明通過停開部分轉碟并開啟水下推進器的運行方式沒有影響混合液的流態,也沒有發生因動力不足造成的污泥沉降現象.

圖7 改進后混合液流速Fig.7 Velocity of mixed liquid in Oxidation ditch after the improving progress

由圖8可見,對曝氣方式的改變并沒有對系統出水的CODCr的有機物去除能力產生影響,其處理效果仍然十分穩定,進一步顯示了氧化溝系統對有機物高效去除率.

綜上所述,通過停開部分曝氣轉碟并配合水下推進器的運行,可以使氧化溝外溝形成較低的溶解氧環境,同時并沒有影響溝內混合液的流態從而為提高脫氮效果創造了良好的環境.由圖9可見,將原有的曝氣運行方式改為停開部分曝氣轉碟并結合水下推進器的運行方式后,系統對總氮的去除效果有了明顯的提升,總氮去除率達到了70%,比2007年同時期提高了30%.其中進水最高濃度為36.1mg/L,最低濃度為26.1mg/L,平均濃度為31.82mg/L,出水最高濃度為12.7mg/L,最低為7.47,平均為9.37mg/L.改進后的平均去除率為22.45mg/L,優于2007年同時期的14.36mg/L.除此之外,改進后8月的運行數據還表明總氮的去除率十分穩定,總氮的一級A達標率為100%.

圖8 改進后進出水CODCrFig.8 Concentration of CODCr after the improving progress

圖9 改進后進出水總氮Fig.9 Concentration of total nitrogen after the improving progress

3 結論

3.1 通過現場對Orbal氧化溝的實際監測與分析發現,外溝道溶解氧過高是造成氧化溝脫氮效果不佳的主要原因.應用系統動力學模擬了減少曝氣轉碟數量后Orbal氧化溝的運行狀態,結果顯示減少轉碟數量可以降低溝道內溶解氧水平顯著提高系統脫氮效果.

3.2 停開部分轉碟并加裝水下推進器后,氧化溝內溶解氧水平有了明顯的下降,從改進前的0.51mg/L下降到改進后的0.20mg/L.脫氮效果有了顯著提高,總氮去除率達到了70%,比去年同期提高了30%.轉碟數量的減少未造成溝內污泥沉降.

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