Carrousel氧化沟内特性参数的分布

中国环境科学 2007,27(6)：792~796 China Environmental Science Carrousel 氧化沟内特性参数的分布 刘艳臣 1,范 茏 1,王志强 1,陈大方 2,施汉昌 1*,罗 彬 3,王颖哲 3 (1.清华大学环境科学与工程系,环境模拟 与污染控制国家重点联合实验室,北京 100084；2.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083；3.安徽国 祯环保节能科技股份有限公司,安徽 合肥 230088) 摘要：为提高 Carrousel 氧化沟的脱氮能力,对长沙第二污水处理厂的 Carrousel 氧化沟工艺进行了现场测试,研究了氧化沟中流速、溶解氧 以及污泥浓度在不同曝气机开启条件下的分布变化特征,并分析了其对同步硝化反硝化过程发生的环境条件的影响.结果表明,流速、溶解 氧以及污泥浓度的空间分布特征受曝气机的开启条件影响显著,沟内溶解氧浓度随时间变化较大.开启 5 台曝气机时,溶解氧和流速均偏高, 污泥混合更加均匀,开启 3 台曝气机时中沟段存在流速过低区域(<0.15m/s);适当降低曝气机开启台数,并根据系统条件变化动态调节,可以 为实现氧化沟同步硝化反硝化过程创造较好的工艺条件. 关键词：Carrousel 氧化沟；溶解氧；流速；污泥浓度；同步硝化反硝化 中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2007)06-0792-05 The distribution of key parameters in Carrousel oxidation ditch. LIU Yan-chen1, FAN Long1, WANG Zhi-qiang1, CHEN Da-fang2, SHI Han-chang1*, LUO Bin3, WANG Ying-zhe3 (1.State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, Department of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Beijing 100083, China; 3.Guozhen Environmental Protection Company, Hefei 230088, China).China Environmental Science, 2007,27(6)：792~796 Abstract：To enhance nitrogen removal, a systemic monitoring of the biological and hydrological parameters of Carrousel oxidation ditch in Changsha second wastewater treatment plant was carried out to study the feasibility of simultaneous nitrification and denitrification (SND). The variation and distribution of parameters such as flow velocity, the concentration of dissolved oxygen(DO) and mixed liquor suspended solids (MLSS) in oxidation ditch were measured and analysed, which were major control factors for SND. The dimensional distribution of flow velocity, DO and MLSS were affected markedly by the open condition of the fans, DO along the ditch changed obviously with time. DO and flow velocity were higher and the mixing of MLSS was sufficient when five fans were opened, while there was lower flow velocity (<0.15m/s) in middle ditch when three fans were opened. The feasible operation conditions for SND were lower dissolved oxygen concentration, lower flow velocity and higher concentration of MLSS. Key words：Carrousel oxidation ditch；dissolved oxygen；velocity；MLSS；simultaneous nitrification and denitrification 氧化沟污水处理工艺自20世纪50年代由荷 兰卫生工程研究所研制成功以来,对其研究主要 集中在增强氧化沟的处理能力、降低土建及运行 成本及其曝气方式、运行方式等方面[1-2].对工艺 运行内部环境控制条件的优化研究则相对较少, 如曹瑞钰等[3]曾研究了改善氧化沟局部的流态 特征的方法.对于已建或新建的氧化沟系统,尚存 在如何通过运行控制实现优化运行的问. 氧化沟具有较好的同步硝化反硝化(SND) 过程的发生条件 [4-6],一些学者对氧化沟内的 SND 过程进行了研究[7-9].如何通过控制氧化沟 内微环境提高SND过程发生效率,以及考虑进水 影响的动态 SND 过程,至今还没有相关研究.本 研究以长沙第二污水处理厂氧化沟系统为例,着 重分析了 Carrousel 氧化沟运行特性,包括流速、 收稿日期：2007-03-09 基金项目：国家“863”项目(2004AA601060) * 责任作者, 教授, hanchang@mail.tsinghua.edu.cn 6 期 刘艳臣等：Carrousel 氧化沟内特性参数的分布 793 溶解氧及污泥浓度变化,研究利于SND等除氮过 程发生的条件,分析如何实现增强氧化沟去除有 机物能力的途径和方式. 1 材料与方法 1.1 Carrousel 氧化沟工艺 长沙市第二污水处理厂采用的是典型的四 廊道 Carrousel 氧化沟工艺(图 1),长(x)90m,宽 (y)7.4m,深(z)3.9m,有效容积约 1.2 万 m3.采用大 功率倒伞形表面曝气机曝气.全厂分 2 个系列运 行,日处理水量近 14 万 t,进水的 COD、NH3-N 以及 NO3--N 的日平均浓度分别为 272.3, 16.6,6.0mg/L,开启 4 台曝气机时,出水的 COD、 NH3-N 以及 NO3--N 的日平均浓度分别为 41.9,14.4,7.2mg/L,氧化沟的除氮效果并不理想. 3 2 x y z 4 5 1 f d a e b c 图 1 氧化沟结构及测试位置示意 Fig.1 Construct of oxidation ditch and test location 1~5 为测试位置编号, a~f 为曝气机编号 1.2 试验设计 适宜SND过程发生的环境条件,主要包括宏 观环境上的交替好氧缺氧条件,絮体微环境好氧 缺氧变化条件,以及完全的低溶解氧、低负荷环 境条件.2005年12月,对运行中的氧化沟进行了1 周的测试试验,试验期间水温约 20℃.试验分别 对氧化沟 5 个代表性断面位置(图 1)的流速、溶 解氧和MLSS进行了现场测试,进水口后(截面 1), 出水口前(截面 5),以及长沟、半沟的中间位置(截 面 2、截面 4)和流入表面曝气机处(截面 3),且每 个面均在深(z)0.5,2.0,3.2m 处及宽(y)1,4,6m 处取 不同的 9 个点进行测试. 本研究分别对 2 种不同的工况控制条件进 行测试,工况 1 为开启 3 台曝气机(开启编号 a、c、 e),工况 2 为开启 5 台曝气机(f 因故障未开).流速 采用 XZ-2 型通用智能流速仪计数器测定,溶解 氧采用 YSI-58 型溶氧仪进行测定,MLSS 采用 SOLIPAXTMsc 污泥浓度仪测定,并运用人工监 测结果对仪器监测结果进行校正. 2 结果与讨论 2.1 流速分布 流速变化对于氧化沟脱氮过程具有一定的 影响,以推流效果以及水平流速作为控制总氮去 除效果的控制变量[10],流速除了影响污泥沉积外, 还对氧化沟内的水力循环时间、好氧缺氧环境的 停留时间比例、溶解氧、有机物、污泥浓度分布 有着直接的影响.流速也可直接反映沟内的扰动 程度,直接对污泥絮体的形状和大小产生影响,这 些均是对氧化沟发生SND过程关键的影响因素. 由图 2 可见,氧化沟内的流速受曝气条件以及空 间位置变化的影响显著,开启 5 台曝气机时沟内 的平均流速(0.5m/s)比开启 3 台曝气机平均流速 (0.38m/s)高,宽度和深度方向的扰动也较大,大部 分区域均处于高流速(>0.3m/s).而开启 3 台曝气 机也有接近 60% 的空间区域处于高流速 (>0.3m/s),其中只有中沟段截面 2 和截面 4 位置 的局部区域流速<0.15m/s,存在污泥沉积的可能 性.每个截面流速随着深度有所下降,幅度不大且 规律并不明显.氧化沟内流速越低越有利于 SND 脱氮[10].2 种工况条件均存在较高流速区域,不仅 浪费能量,还会导致沟内有机物以及溶解氧的浓 度分布更加均匀,造成好氧缺氧交替变化周期变 短,不利于 SND 过程发生.所以,应该在满足曝气 需求的情况下,尽量降低曝气机开启的台数(低 于 3 台)和频率,同时在沟中段位置配合水下推流 器来防止局部区域的污泥沉积. 2.2 活性污泥浓度的分布 絮体颗粒尺寸是影响 SND 过程的一个重要 因素.一般活性污泥粒径范围为 20~2000µm[11], 污泥絮体粒径为 50~110µm 时即可发生高效的 SND 过程,而且以粒径在 60~80µm 以上为主[12]. 794 中 国 环 境 科 学 27 卷 在相同负荷条件下,污泥浓度高、扰动程度小更 有利于形成较大的污泥絮体颗粒,利于SND过程 发生.由图 3 可知,开启 5 台曝气机情况下,MLSS 在长度、宽度和深度上的变化均变小,整个沟内 宏观混合程度较高,说明此时沟内的相对扰动较 大,形成大粒径污泥絮体的比例会降低.而开启 3 台曝气机时,沟内污泥的混合度变差,但是扰动程 度变小,更有利于大粒径絮体的形成,促进 SND 过程发生.针对不同的进水负荷,提高污泥浓度, 尽量减少曝气机的开启台数,降低推流设备的运 行功率,减弱沟内的扰动程度,更利于 SND 过程 发生. 2 4 6 0.0 0.5 1.0 -3.2 m -2.0 m -0.5 m 5 432 1 2 4 60.0 0.5 1.0 2 4 60.0 0.5 1.0 2 4 60.0 0.5 1.0 2 4 6 0.0 0.5 1.0 2 4 6 0.0 0.5 1.0 2 4 60.0 0.5 1.0 2 4 60.0 0.5 1.0 2 4 60.0 0.5 1.0 2 4 6 0.0 0.5 1.0 2 4 6 0.0 0.5 1.0 2 4 60.0 0.5 1.0 2 4 60.0 0.5 1.0 2 4 60.0 0.5 1.0 2 4 6 0.0 0.5 1.0 流 速 (m /s ) 宽度(m) 截面编号 图 2 不同截面 2 种工况条件下流速变化 Fig.2 Velocity varies at different location 3 个曝气机 5 个曝气机 2 4 60.8 1.0 1.2 -3.2 m -2.0 m -0.5 m 5 432 1 2 4 60.8 1.0 1.2 2 4 60.8 1.0 1.2 2 4 60.8 1.0 1.2 2 4 6 0.8 1.0 1.2 2 4 60.8 1.0 1.2 2 4 60.8 1.0 1.2 2 4 60.8 1.0 1.2 2 4 60.8 1.0 1.2 2 4 6 0.8 1.0 1.2 2 4 60.8 1.0 1.2 2 4 60.8 1.0 1.2 2 4 60.8 1.0 1.2 2 4 60.8 1.0 1.2 2 4 6 0.8 1.0 1.2 宽度(m) 截面编号 污 泥 浓 度 (g /L ) 图 3 不同截面 2 种工况条件下活性污泥浓度变化 Fig.3 MLSS varies at different location 3 个曝气机 5 个曝气机 6 期 刘艳臣等：Carrousel 氧化沟内特性参数的分布 795 2 4 60 2 4 -3.2 m -2.0 m -0.5 m 5 432 1 2 4 60 2 4 2 4 60 2 4 2 4 60 2 4 2 4 6 0 2 4 2 4 60 2 4 2 4 60 2 4 2 4 60 2 4 2 4 60 2 4 2 4 6 0 2 4 2 4 60 2 4 2 4 60 2 4 2 4 60 2 4 2 4 60 2 4 2 4 6 0 2 4 截面编号 溶 解 氧 (m g/ L) 宽度(m) 图 4 不同截面 2 种工况条件下 DO 变化 Fig.4 Dissolved oxygen varies at different location 3 个曝气机 5 个曝气机 2.3 溶解氧浓度的分布 溶解氧是控制氧化沟内发生 SND 过程的最 关键的控制条件,直接影响到好氧缺氧区的变化 以及空间分配比例和时间变化频率,控制相对较 低的溶解氧浓度(0.3~1.0mg/L)[4-5,13],更有利于絮 体内形成好氧与缺氧环境[14],为同步硝化反硝化 的发生创造条件.由图 4 可以看出,随着远离曝气 机下游,溶解氧浓度逐渐降低,曝气机对上游的溶 解氧浓度影响很小,溶解氧沿深度和宽度方向变 化幅度不大.当开启 5 台曝气机时,整个沟内的平 均溶解氧浓度为 2.3mg/L,几乎完全处于好氧状 态,变化梯度较小;而开启 3 台曝气机条件下出现 较大好氧缺氧交替区域,产生近 50%的缺氧区域, 为 SND 过程的发生创造了很好的条件[15]. 图 5 为氧化沟 2 个不同位置 1d 内溶解氧浓 度变化(开启 4台曝气机),位置 1位于截面2附近, 位置 2位于截面 5附近.在 1d的某些时段,溶解氧 浓度偏高,氧化沟大部分环境均处于好氧状态,而 在某些时段,溶解氧浓度又偏低,整个氧化沟内又 处于完全的缺氧状态,这样使得氧化沟内不能形 成稳定的交替缺氧好氧环境,这不利于SND过程 持续稳定的发生.因此,需针对系统运行条件的变 化及时调整对应的曝气条件,在溶解氧偏低的时 段,增加曝气机开启台数(4~5),在溶解氧偏高的 时段减少曝气机开启台数(2~3),形成稳定缺氧好 氧交替变化环境,促进动态 SND 发生. 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 时间 (h) 溶 解 氧 (m g/ L) 位置1 位置2 图 5 溶解氧浓度随时间变化 Fig.5 Dissolved oxygen varies on time 3 结论 3.1 Carrousel 氧化沟内的流速、DO 以及 MLSS 的空间变化受曝气机开启条件的影响较 大.适当降低曝气机开启台数(2~3),降低内循环 速率,降低沟内的紊动程度,形成交替变换的好氧 缺氧区域(缺氧区 30%~50%),可形成更利于 SND 796 中 国 环 境 科 学 27 卷 过程发生的宏观、微观环境,同时要增设必要的 水下推进器防止局部污泥沉降. 3.2 Carrousel 氧化沟内每日不同时刻的 DO 随 时间变化较大.需要根据系统运行条件的变化动 态调节对应曝气机的开启数和功率,溶解氧偏低 时段,增大曝气机的开启台数(4~5)和功率,溶解 氧偏高时段,减少曝气机的开启台数(2~3)和功率, 才可实现稳定的利于SND过程发生的空间环境. 参考文献： [1] 陈学群,俞爱媚,吕 斌.Carrousel 氧化沟技术演变规律的探究 [J]. 给水排水, 2002,28(2):19-21. 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