卡魯塞爾2000型氧化溝生物除磷的效果分析

郝曉光

(太原市城市排水管理中心,山西 太原 030021)

某市污水處理廠采用的工藝為卡魯塞爾2000型及2000改進型氧化溝,工藝流程為:粗格柵→污水提升泵→細格柵→旋流沉砂池→卡魯賽爾2000/改進型氧化溝→二沉池→高效沉淀池→轉(zhuǎn)盤過濾→接觸池出水。

污水廠在2021年5月—6月期間,根據(jù)化驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),二沉池出水總磷能穩(wěn)定在0.5 mg/L以下,達到了國家一級A標準。可以得出在此期間的除磷效果主要來自于氧化溝的生化作用。

污水廠進水總磷約為7 mg/L～8 mg/L,按傳統(tǒng)理論的生物除磷的效率70%計,生物段出水應(yīng)在2 mg/L～3 mg/L之間。從2020年和2021年1月—3月份的運行數(shù)據(jù)來看,與這個結(jié)論大致相符,說明某市污水處理廠生物處理除磷的作用效果是符合現(xiàn)階段的理論結(jié)果的。

但是在2021年的5月以后出現(xiàn)的二沉池出水總磷達標,從傳統(tǒng)的除磷理論難以解釋,為了進一步分析生物除磷的效果,從2021年6月22日到7月28日,開展了污水處理廠的生物階段除磷的實驗。

1 實驗?zāi)康?/h2>

1)通過一系列的化驗和數(shù)據(jù),對生物處理的各個工藝階段總磷的去除降解情況進行統(tǒng)計分析,探尋在系統(tǒng)沒有投加化學(xué)除磷藥劑的情況下,總磷達標的具體原因和環(huán)節(jié)。2)針對三種生物除磷的途徑,在生物反應(yīng)的主要構(gòu)筑物卡魯賽爾2000型(改良型)氧化溝內(nèi),進行總磷的數(shù)據(jù)檢測,觀察在各個功能性區(qū)域內(nèi)總磷數(shù)值的變化,尋找總磷去除的主要位置和階段。3)通過試驗發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段生物除磷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1],尋找規(guī)律及重現(xiàn)的可能性,尋找生物除磷的最佳工況和工藝運行參數(shù),建立除磷工藝的數(shù)據(jù)體系,為摸索和建立可實際操作的工藝調(diào)控措施提供依據(jù)。4)在現(xiàn)有的條件下,通過工藝調(diào)控手段最大程度的重現(xiàn)該階段總磷達標工況,有效利用氧化溝的微生物處理能力,充分發(fā)揮其生物除磷作用,從而降低后續(xù)深度處理加藥成本,降低運行費用。

2 實驗方案設(shè)計

2.1 取樣點原因分析

該污水處理廠的生物處理段為卡魯塞爾2000和卡魯塞爾改良型氧化溝,其中2000型為1號、2號溝,改良型為3號溝,根據(jù)現(xiàn)階段工藝調(diào)控,估算為1號、2號溝處理水量在1萬m3/d～2萬m3/d,3號溝處理水量為2萬m3/d～3萬m3/d。3號溝承擔了一半以上的處理負荷。因此在實驗方案實施過程中,對3號的化驗要求是每次化驗都要進行,1號、2號溝初期化驗(1周)期間全部化驗,中后期每次化驗輪換單取某一條溝進行化驗。

聚磷菌的作用是在厭氧環(huán)境下釋放磷,在好氧環(huán)境下吸收磷[2],作用機理是:對生存環(huán)境有嚴格厭氧和好氧的需求,該污水處理廠的卡魯賽爾氧化溝有前置選擇區(qū),作為厭氧環(huán)境,在氧化溝內(nèi)有好氧缺氧的交替環(huán)境,為聚磷菌的反應(yīng)提供了有利的生存環(huán)境[3],因此實驗的設(shè)計,針對不同的氧氣提供段設(shè)置取樣點,進行總磷的化驗分析,研究總磷的去除效果。同時聚磷菌過量聚集的磷會隨著剩余污泥排出系統(tǒng)外,因此在實驗設(shè)計中,對剩余污泥的排放處,污泥調(diào)節(jié)池上清液,污泥脫水機房也做了取樣設(shè)計點位。

2.2 取樣點分布及化驗頻次

根據(jù)卡魯塞爾氧化溝工藝各段在生物除磷脫氮的作用不同[4],在各個工藝段設(shè)置取樣點,詳細取樣點及每周化驗頻次見表1。

表1 取樣點位及化驗頻次

其中氧化溝內(nèi)總磷化驗取混合液,沉淀30 min后,取上清液化驗,污泥泥餅采用磨碎后溶解過濾進行總磷化驗。

3 實驗過程

經(jīng)過6月22日—6月24日的第一周的化驗分析,看到除磷數(shù)據(jù)有明顯的變化趨勢,其中在好氧段有非常強的過量吸磷作用,為了深入的檢測好氧過量吸磷的作用,第二周6月28日—6月30日在好氧段增加一個取樣點,通過一周的污泥化驗準備,第二周開始對污泥泥餅、污泥脫水機上清液進行總磷的化驗,為了更進一步的檢驗污水中總磷的最終去向,對污泥段增加一個取樣點,對脫水機外排的水進行取樣,過濾后化驗水中總磷的含量。

通過6月份兩周的化驗后,數(shù)據(jù)表明在高密池的出水和總出水,二沉出水的變化不大,表明在未加藥的前提下,高密池對總磷去除作用基本沒有,因此從7月開始起不再化驗高密池出水。

到7月20日,經(jīng)過第一周—第四周的化驗分析,從氧化溝階段除磷數(shù)據(jù)可以看到明顯的變化趨勢,其中在硝化段和好氧段有非常強的過量吸磷作用,為了深入檢測脫氮過程中過量吸磷的作用,7月20日增加取樣點的總氮化驗,實驗在有限的分析條件下,是否能發(fā)現(xiàn)反硝化菌DPBs的除磷作用。在氧化溝進水,反硝化區(qū),二沉出水做總氮化驗。

4 實驗數(shù)據(jù)整理及曲線分析

除磷實驗從6月22日起,到7月28日結(jié)束,共采樣分析6周,每周化驗3次,共取得有效化驗數(shù)據(jù)366個。總磷的化驗方法為××科技的總磷分析儀,匯總實驗數(shù)據(jù)見表2—表6。

表2 1號、2號氧化溝各處理階段總磷平均值 mg/L

表3 3號氧化溝各處理階段總磷平均值 mg/L

表4 氧化溝內(nèi)污泥濃度平均值 mg/L

表5 3月—8月進水、二沉池出水總磷濃度 mg/L

表6 進水量統(tǒng)計表(2021年) m3

4.1 實驗數(shù)據(jù)圖表分析

表5的運行數(shù)據(jù)反映了這次實驗的起因,根據(jù)表5的運行數(shù)據(jù)做出3月—8月某市污水處理廠的總磷進出水數(shù)據(jù),如圖1所示。

為了更清晰的說明出水總磷在3月—8月的變化情況,對出水總磷又做了圖2,縮短了縱向坐標軸體系,更明顯的體現(xiàn)了出水總磷的變化情況。

從圖1的進出水散點圖做的10 d移動平均值可以看出,在3月1日到8月31日期間,進水的總磷變化相對穩(wěn)定,出水總磷在3月開始逐步下降,在5月—6月達到谷底,基本保持在0.500 mg/L以下,在7月份又開始逐漸回升,到8月份最高上升到2.500 mg/L,恢復(fù)到平常的出水總磷水平。從曲線圖可以看到,在4月—7月份期間,生物除磷出現(xiàn)了一個非常良好的處理效果,僅靠生物處理就達到了GB 18918一級A的水平,這也是在廠內(nèi)啟動總磷分析實驗起因,通過實驗分析研究出現(xiàn)總磷下降的生物反應(yīng)機理,從而為今后的工藝運行及工藝調(diào)整做好數(shù)據(jù)準備。

4.2 1號、2號氧化溝各階段總磷去除分析

為了分析卡魯塞爾2000型氧化溝的各階段的除磷效果,在氧化溝的各個階段都設(shè)置了取樣點,1號、2號溝池體結(jié)構(gòu)一致,取樣頻次為互補型取樣,因此對6月22日開始到7月28日的三條氧化溝的各階段的總磷化驗數(shù)據(jù),取1號、2號氧化溝化驗數(shù)據(jù)的平均值為分析對象,3號氧化溝為改良型,對3號氧化溝進行單獨取樣分析。

4.2.1 實驗數(shù)據(jù)分析

圖3為1號、2號氧化溝實驗期間各取樣點的總磷變化曲線,從圖3可以看到1號、2號氧化溝總磷的變化在選擇區(qū)有非常明顯的下降,氧化溝進水到反硝化區(qū)有一個明顯的下降,在好氧區(qū)完全下降到最低點,氧化溝出水開始又逐漸上升直到總出水升高到1.000 mg/L左右。原因分析是由于1號、2號氧化溝為卡魯塞爾2000型的溝型設(shè)計[5],為了抑制污泥膨脹,在氧化溝前設(shè)置選擇區(qū),選擇區(qū)為缺氧型選擇池,不是聚磷菌PAOs所需要的嚴格的厭氧環(huán)境,因此聚磷菌在1號、2號氧化溝內(nèi)沒有實現(xiàn)磷的釋放過程。

4.2.2 現(xiàn)場運行情況

從現(xiàn)場運行的情況分析原因為:三條氧化溝的配水工藝調(diào)控比例不平衡,1號、2號氧化溝合并承擔一半進水量,3號溝單獨承擔一半進水量。在試驗期間,該污水廠的平均進水量為40 160 m3/d,1號、2號氧化溝共承擔約20 000 m3/d,3號氧化溝承擔約20 000 m3/d。1號、2號氧化溝的單池設(shè)計負荷為20 000 m3/d,實際單池進水僅為10 000 m3/d,回流污泥的工藝操作仍以進水20 000 m3/d的水量進行控制回流量[6],因此1號、2號氧化溝的回流污泥和進水量的比例為2∶1,回流污泥中的總磷含量較低,大比例的污泥外回流使進水總磷的稀釋作用也比較明顯,通過大比例稀釋導(dǎo)致了進水總磷的降低。

4.2.3 1號、2號氧化溝情況總結(jié)

從圖3,表2可以看到,反硝化區(qū)對總磷的去除也有較大的降幅,1號、2號氧化溝的總磷反硝化區(qū)出水下降了約2.000 mg/L。但1號、2號氧化溝的好氧段總磷下降幅度不明顯,說明聚磷菌PAOs的反應(yīng)不明顯,沒有在好氧段實現(xiàn)過量吸磷的作用。

綜上所述,1號、2號氧化溝的總磷去除主要來自于低進水負荷的稀釋作用,還有反硝化反應(yīng)的吸磷作用[7],由于池型設(shè)計的厭氧池過小,聚磷菌的作用不明顯。

4.3 3號氧化溝各階段生物除磷的分析

圖4為3號氧化溝的總磷變化曲線。

4.3.1 總磷明顯下降情況分析

從圖4的曲線可以很明顯的看出在選擇池出水有一個明顯的磷的釋放過程,進水總磷平均在8.168 mg/L,選擇池出水的總磷達到了11.354 mg/L,這個變化符合聚磷菌在嚴格厭氧環(huán)境下降解BOD釋放磷的理論。同時3號氧化溝的進水負荷較高,1∶1的外回流污泥稀釋作用不明顯,從氧化溝進水到好氧區(qū)1有非常明顯的下降過程,這其中包含了反硝化區(qū)和好氧區(qū),應(yīng)該是聚磷菌和反硝化菌共同作用的過量吸附磷的作用,形成的3號溝總磷的明顯的下降過程。

4.3.2 好氧區(qū)情況分析

從表3(3號氧化溝各處理階段總磷數(shù)據(jù))可以看到,3號氧化溝的氧化溝進水-反硝化區(qū)、好氧區(qū)-氧化溝出水階段對總磷的降解非常明顯。

從圖4中還可以看到,在3號氧化溝好氧區(qū)2的取樣點上有明顯的一個總磷數(shù)值回升的情況,從好氧區(qū)2號取樣點位和水流方向來看,好氧區(qū)2在表曝機充氧末端,在水流過程中微生物已經(jīng)完全將前一個表曝機充入的氧氣消耗完,并且還沒有進入到后一個表曝機的充氧區(qū)域,因此在這個點位處于一個厭氧環(huán)境,導(dǎo)致在前段好氧吸附的磷又出現(xiàn)了一個釋放過程,所以出現(xiàn)了總磷的回升現(xiàn)象。

4.3.3 厭氧區(qū)情況分析

以試驗期間的厭氧區(qū)域六次BOD化驗數(shù)值的平均值計算,實驗期間的BOD去除量(厭氧區(qū)進出水差值)為337 mg/L,以減少的這部分BOD全部被微生物吸收合成為自身的結(jié)構(gòu)物質(zhì)計算,同化作用下的微生物所需的BOD和總磷比例以100∶1計算,總磷在同化作用下去除量為:

考慮同化作用在3號溝內(nèi)的作用,對3號溝聚磷菌的總磷釋放量應(yīng)該加上同化作用的吸收量:

TP(釋放)=TP(進水)-TP(選擇)+TP(同化)=

11.354-8.168+3.370=6.556 mg/L。

計算可得3號溝聚磷菌的磷的釋放量達到了6.556 mg/L,表明聚磷菌在3號溝內(nèi)對磷的釋放和過量吸收作用非常明顯。

4.3.4 三種除磷方式效果比較

從上面分析可得出,3號溝對總磷的去除同化作用,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導(dǎo)作用,表明3號溝的生物除磷作用發(fā)揮的很充分,達到并超過了設(shè)計預(yù)期。氧化溝總磷去除對比表見表7。

表7 氧化溝總磷去除對比表 mg/L

從生物除磷的三種方式對1號、2號和3號氧化溝的平均運行數(shù)值作圖5進行比較,可以看出兩者中三種方式中占到主導(dǎo)地位的處理效果各有不同,1號、2號的同化作用高于3號,3號的反硝化和聚磷菌的好氧過量吸附高于1號、2號氧化溝。

以上內(nèi)容從污水中總磷的生物降解原理的方式進行了卡魯塞爾2000型和改良型氧化溝的去除效果分析,表明改良型的氧化溝內(nèi)存在著良好的生物過量吸磷反應(yīng)[8],再通過系統(tǒng)的剩余污泥及時排放出系統(tǒng)外,達到改良系統(tǒng)除磷的作用。

5 實驗結(jié)果分析總結(jié)

通過一個多月的現(xiàn)場實驗分析研究,對某市污水處理廠的主要的生物處理段的生物除磷進行了分析。通過分析認為在現(xiàn)階段的運行條件下,1號、2號氧化溝內(nèi)的外回流稀釋、反硝化作用的除磷效果較為明顯,3號溝的聚磷菌的除磷效果明顯。

通過本次實驗,針對現(xiàn)階段的生物除磷的效果顯著的運行工況,污水廠還可以通過其他方面研究除磷機制,總結(jié)經(jīng)驗,匯總各項運行數(shù)據(jù),通過可靠的數(shù)據(jù)監(jiān)控來發(fā)現(xiàn)并掌握這一工況及原理,得出生物除磷的運行參數(shù),實現(xiàn)二沉池出水總磷達標,從而降低深度處理的除磷藥劑投加量,降低一部分運行成本和簡化部分運行流程[9],長年累月可節(jié)約大量的藥劑費用。