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污水处理 A/O 工艺设计参数

1. HRT  水力停留时间:硝化不小于 5 ~ 6h ;反硝化不大于  2h , A  段 :O  段 =1:3,在 A/O 工艺中,好氧池的作用是使有机物碳化和使氮硝化;缺氧池的作用是反硝化脱氮,故两池的容积大小对总氮的去除率极为重要。A/O 的容积比主要与该废水的曝气分数有关。缺氧池的大小首先应满足 NO3–N 利用有机碳源作为电子供体,完成脱氮反应的需要,与废水的碳氮比,停留时间、回流比等因素相应存在一定的关系。借鉴于类似的废水以及正交试验,己内酷胺生产废水的 A/0 容积比确定在 1:6 左右,较为合适。  而本设计的 A/ 0 容积比为亚:2,缺氧池过大,导致缺氧池中的 m(BOD)/m(NO3–N)比值下降,当比值低于 1.0 时,脱氮速率反趋变慢。另外,缺氧池过大,废水停留时间过长,污泥在缺氧池内沉积,造成反硝化严重,经常出现大块上浮死泥,影响后续好氧处理。后将 A/O 容积比按 1:6 改造,缺氧池运行平稳。

1.1 、A/O  除磷工艺的基本原理

A/O 法除磷工艺是依靠聚磷菌的作用而实现的,这类细菌是指那些既能贮存聚磷(poly—p)又能以聚 β—羟基丁酸(PHB)形式贮存碳源的细菌。在厌氧、好氧交替条件下运行时,通过 PHB 与 poly—p 的转化,使其成为系统中的优势菌,并可以过量去除系统中的磷。其中聚磷是若干个基团彼此以氧桥联结起来的五价磷化合物,亦被称为聚磷酸盐,其特点是:水解后生成溶解性正磷酸盐,可提供微生物生长繁殖所需的磷源;当积累大量聚磷酸盐的细菌处于不利环境时,聚磷酸盐可分解释放能量供细菌维持生命。聚 β—羟基丁酸是由多个 β—羟基丁酸聚合而成的大分子聚合物,当环境中碳源物质缺乏时,它重新被微生物分解,产生能量和机体生长所需要的物质。这一作用可分为两个过程:厌氧条件下的磷释放过程和好氧条件下的磷吸收过程。厌氧条件下,通过产酸菌的作用,污水中有机物质转化为低分子有机物(如醋酸等),聚磷菌则分解体内的聚磷酸盐释放出磷酸盐及能量,同时利用水中的低分子有机物在体内合成 PHB,以维持其生长繁殖的需要。研究发现,厌氧状态时间越长,对磷的释放越彻底。

好氧条件下,聚磷菌利用体内的 PHB 及快速降解 COD 产生的能量,将污水中的磷酸盐吸收到细胞内并转变成聚磷贮存能量。好氧状态时间越长,对磷的吸收越充分。由于好氧状态下微生物吸收的磷远大于厌氧状态下微生物释放出的磷,随着厌氧—好氧过程的交替进行,微生物可以在污泥中形成稳定的种类并占据一定的优势,磷就可以通过系统中剩余污泥的排放而去除(见图 1)。

污水处理 A/O 工艺设计参数

同时进行生物脱氮除磷工艺难以达到理想效果,因而 A/O 除磷工艺已经在城市污水处理的生产运行中被广泛使用。

1.2、 停留时间的控制

污水在系统中停留的时间越长,投资越大,运行成本也越高,合理地控制污水在系统中的停留时间对实际生产应用十分重要。

A 、 厌氧段停留时间

磷的过量摄取与磷的释放量关系很大,一般来说,释放越彻底,则好氧段磷的吸收越充分。但是,如果要使磷的厌氧释放比较彻底,则需提高厌氧段停留时间,这样一方面要增加造价,另一方面还会发生磷的无效释放,因此,确定适当的厌氧段停留时间是很重要的。图 2 是污水在厌氧状态下的磷释放曲线,图中四条曲线分别表示厌氧进水处不同TP浓度时TP随t的变化。

可以看到,污水在厌氧段停留 2 h 左右就可以使磷的释放达到一定程度,此

后磷的释放很缓慢。

污水处理 A/O 工艺设计参数

 B 、 好氧段停留时间

好氧段停留时间对于除磷也是一个较为重要的参数。磷在好氧段的吸收受到吸收速率与吸收量等很多因素的限制。但一般来说,在好氧段停留 2.5~3 h 后总磷一般可以降到 1 mg/L 以下 ,3.0~4.0 h 后降到 0.5 mg/L 以下(见图 3)。图中四条曲线分别表示好氧段进水处不同 TP 浓度时 TP 随 t 的变化。

污水处理 A/O 工艺设计参数

图  3 好氧吸磷与停留时间关系

因此,一般情况下好氧段停留时间保持在 3.0~4.0 h 为宜,有时考虑到有机物的降解与去除,适当延长停留时间到 4.0~5.0 h,就可以基本保证出水水质。

从以上分析中可以看出,厌氧、好氧段停留时间比在 1∶2~1∶2.5 比较适宜。

C 、 二沉池停留时间

二沉池的停留时间由下式确定:

t=AH/Q

式中 H —二沉池有效水深,m

A—二沉池表面积,m2

Q—污水最大日平均时进水量,m3/h

但在实际运行时可适量通过污泥回流比进行调节。加大回流则 t 缩短,减少回流则 t 延长。在 A/O 除磷工艺系统中,对二沉池的停留时间应严格控制,否则将会由于停留时间过长而导致磷在二沉池及剩余污泥处理系统中过量释放,从而影响除磷效果。为了确定合理的停留时间,在 A/O 池出口处对混合液磷的释放进行一段时间的释磷测试,结果见表 1。

表  1  A/O  池出口处混合液的磷释放测试结果 mg/L

污水处理 A/O 工艺设计参数

通过测试发现,污泥在缺少营养物质条件下(简称为缺养条件)磷的释放完全不同于在营养物质丰富条件下(简称为富养条件)磷的释放。前者进行较缓慢,同样处于厌氧状态,缺养条件下磷的释放在开始 2 h 内进行得特别缓慢,之后释放速度逐渐加快,至完全释放需要很长时间;后者进行比较快,在富养条件下磷的释放一开始就很快,经过 2 h 左右便达到最佳的完全释放状态。可以认为:污水在二沉池的短暂停留不会造成磷的大量释放,影响除磷效果。在 A/O 生物除磷工艺中,二沉池的停留时间可以控制在 2 h 左右。

2.  污泥回流比:30 ~ 100%, , 具体根据污泥生长所处阶段确定,保证污泥浓度在设计浓度左右混合液回流比:300 ~ 400% ,混合液回流主要目的是将硝化作用下产生的氨氮送到 A A  段进行反硝化,生成氮气,从而降低总排水氨氮浓度。所以回流比除要调节平衡污泥浓度外,还有促进反硝化反应顺利进行的目的。

回流比(R)也是 A/O 系统运行中的一个重要控制参数,包括混合液回流比

(R)和污泥回流比(r)。混合液回流的作用是向缺氧池提供硝态氮. 作为反硝化的电子受体;污泥回流的作用主要是保持系统的污泥平衡。

前置反硝化 A/O 工艺要求大部分混合液回流到缺氧池,以确保反硝化的正

常进行,因此回流比的大小直接影响系统的脱氮效果。回流比太小,则出水NO 3- -N 偏高,大部分硝态氮随终沉池出水流出;无足够的硝态氮供反硝化,势必影响脱氮效率,且废水中有机碳源不能充分利用。一般认为回流比越大,脱氮效率越高,其实不然,当回流比过高,则不仅多耗费动力,还会因回流量增加,导致缺氧池中 m(BOD 5 )/m(NO 3- -N)比值下降,若低于 1.0 时,脱氮速率反趋变慢。我们分别在回流比在 2,3,4 三种情况下进行运行比较,当回流比控制在 4 时,去降率可达到 91.3%,脱氮效果好。

3. 反硝化段碳/氮比:BOD5/TN>4,理论 BOD 消耗量为 1.72gBOD/gNOx–N

4. 硝化段的 TKN/MLSS 负荷率(单位活性污泥浓度单位时间内所能硝化的凯氏氮):<0.05KgTKN/KgMLSS·d

5.  硝化段污泥负荷率:BOD/MLSS<0.18KgBOD5/KgMLSS·d

污泥负荷:生物脱氮是在 COD cr ,BOD 5 充分去除的基础上才发生的,若污泥负荷过高,则曝气池仅产生有机物氧化反应而不产生硝化反应,因此要保持较高的脱氮效率,污泥负荷必须控制在一定范围内。

当进水的 COD cr 浓度高,污泥负荷超过 0.25kg [BOD 5 ]/(kg[MLSS]·d)时,好氧池中的异养菌增多,使得硝化细菌的增殖受到限制,使硝化反应不完全。后来,在匀质池进口外增加 2 根 DNO 稀释水管线,保证了进水浓度的相对稳定,污泥负荷稳定控制在 0.25 kg[BOD 5 ]/(kg[MLSS]·d)以下,脱氮效果很好,NH3-N 去除率由 50%上升到 90%以上。COD cr ,BOD 5 去除率分别为 95%,99%左右。

硝化负荷: :硝化负荷将影响氨氮的转化,负荷太大,硝化反应不完全,脱氮效果变差。当硝化负荷超过 0.10 kg[NH 3 -N]/(kg[MLSS]·d)时,出水NH3-N 明显上升,去除率急剧下降,活性污泥结构松散,终沉池污泥成颗粒状随水带出。当发现硝化负荷高时,可采取减少进水量,降低硝化负荷;适当提高匀质池 COD cr 的浓度,保持 m(C):m(N)= 6:l 左右,这个比例能使硝化菌较快地增长;为保持曝气池适当污泥浓度和增加供氧,可将污泥全部回流至曝气池。

根据经验,硝化负荷控制在 0.04-0.06 kg[NH 3 -N」/(kg[MLSS]·d)范围内,脱氮效果好,NH 3 -N 去除率在 85%以上。

6. 混合液浓度 x=3000~4000mg/L(MLSS)普通生活废水取高值,部分生化性能较差工业废水,MLSS 取值 3000 以下

7.  溶解氧) (重点项目) :A 段 段  DO<0.2 ~ 0.5mg/L, ,O 段 段  DO>2 ~ 4mg/L 。生物硝化脱氮处理,氨氮硝化需氧量很大,曝气池内必须供给足够的溶解氧,硝化反应才能正常进行。通常当曝气池内溶解氧质量浓度在 2 2 ~ 6mg /L  时,硝化率与溶解氧质量浓度关系不大,如果在 L 2 mg/L  以下,溶解氧浓度就成了硝化反应的抑制因素。

根据运行经验,装置要保持  NH 3 3 -N N  有较好的去除效果,曝气池内溶解氧的质量浓度应保持在 2.0 - 4.0 mg /L L  范围内。8. H PH  值:A A 段 段  pH =6.5 ~ 7.5, ,O O 段 段  pH =7.0 ~ 8.0 。pH 值对硝化和反硝化都有一定的影响,由于在硝化过程中有 H+ 产生,水的pH 值将下降,要使硝化过程正常稳定运行,曝气池混合液必须有足够的碱度。

以保证硝化作用完成以后,水中尚有 30~50 mg/L 剩余碱度为宜。根据运行经验,pH 值控制在 8~8.4 范围内是硝化速率的高效反应区。

9. 水温:硝化 20~30℃ ,反硝化 20~30℃。

10. 碱度:硝化反应氧化 1gNH4+-N 需氧 4.57g,消耗碱度 7.1g(以 CaCO3 计)。反硝化反应还原 1gNO3–N 将放出 2.6g 氧,生成 3.75g 碱度(以 CaCO3 计)

11. 需氧量 Ro——单位时间内曝气池活性污泥微生物代谢所需的氧量称为需氧量(KgO2/h)。微生物分解有机物需消耗溶解氧,而微生物自身代谢也需消耗溶解氧,所以 Ro 应包括这三部分。

Ro=a’QSr+b’VX+4.6Nr

a’─平均转化 1Kg 的 BOD 的需氧量 KgO2/KgBOD

b’─微生物(以 VSS 计)自身氧化(代谢)所需氧量 KgO2/KgVSS·d。

上式也可变换为:

Ro/VX=a’·QSr/VX+b’ 或 Ro/QSr=a’+b’·VX/QSr

Sr─所去除 BOD 的量(Kg)

Ro/VX─氧的比耗速度,即每公斤活性污泥(VSS)平均每天的耗氧量

KgO2/KgVSS·d

Ro/QSr─比需氧量,即去除 1KgBOD 的需氧量 KgO2/KgBOD

由此可用以上两方程运用图解法求得 a’ b’

Nr—被硝化的氨量 kd/d

4.6—1kgNH3-N 转化成 NO3-所需的氧量(KgO2)

污水处理 A/O 工艺设计参数

12.  供氧量─单位时间内供给曝气池的氧量,因为充氧与水温、气压、水深等因素有关,所以氧转移系数应作修正。

A.理论供氧量

1.温度的影响

KLa(θ)=KL(20)×1.024Q-20 θ─实际温度

2.分压力对 Cs 的影响(ρ 压力修正系数)

ρ=所在地区实际压力(Pa)/101325(Pa) =实际 Cs 值/标准大气压下 Cs

3.水深对 Cs 的影响

Csm=Cs/2·(Pb/0.1013+Qt/21)

Csm─曝气池中氧的平均饱和浓度(mg/L)

Pb─曝气设备装设深度(Hm)处绝对气压(Mpa)

Pb=Po+9.81×10-3H Po─当地大气压力(Mpa)

Qt=21·(1-EA)/[79+21·(1-EA)]??

EA─扩散器的转移效率

Qt ─空气离开池子时含氧百分浓度

综上所述,污水中氧的转移速率方程总修正为:

dc/dt=αKLa(20)(βρCsmθ-Cl×1.024θ-20

{理论推出氧的转移速率 dc/dt=αKLa(βCs-Cl)}

在需氧确定之后,取一定安全系数得到实际需氧量 Ra

Ro=RaCsm(20)/α(βρCsm(θ)-CL)×1.024θ-20

则所需供气量为:

q=(Ro/0.3EA)×100m3/h

CL─混合液溶解氧浓度,约为 2~3(mg/L)

Ra─实际需氧量 KgO2/h

Ro─标准状态需氧量 KgO2/h

在标准状态需氧量确定之后,根据不同设备厂家的曝气机样本和手册,计算出总能耗。总能耗确定之后,就可以确定曝气设备的数量和规格型号。

B.实际曝气池中氧转移量的计算

1.经验数据法 当曝气池水深为 2.5~3.5m 时,供气量为:

采用穿孔管曝气,去除 1KgBOD5 的供气量 80~140m3/KgBOD5

扩散板曝气,去除 1KgBOD5 供气量 40~70m3 空气/KgBOD5

2.空气利用率计算法:

每 m3 空气中含氧 209.4 升

1 大气压(101.325Kpa),0℃ 1m3 空气重 1249 克含氧 300 克

1 大气压(101.325Kpa),20℃ 1m3 空气重 1221 克含氧 280 克

按去除 1Kg 的 BOD5 需氧 1Kg 计算,需空气量分别为 3.33 和 3.57m3,曝气时氧的利用率一般 5~10%(穿孔管取值低,扩散板取值高),假定试验在 20℃

进行:

若氧利用率为 5%,去除 1Kg 的 BOD5 需供空气 72m3

若氧利用率为 10%,去除 1Kg 的 BOD5 需供空气 36m3

算出了总的空气供气量,就可根据设备厂家提供的机样选择曝气设备的规格型号和所需台数。

(6)活性污泥法系统的工艺设计

(1)处理效率(E%)

E=(La-Le)/La ×100%=Lr/La ×100%

La─进水 BOD5 浓度(mg/L)

Le─二沉池出水 BOD5 浓度(mg/L)

Lr─去除的 BOD5 浓度(mg/L)

(2)曝气池容积(V)

V=Qla/XLs=QLr/Lv

Q─曝气池污水设计流量(m3/d)

Ls─污泥负荷率 KgBOD5/KgMLSS·d

Lv─容积负荷 KgBOD5/m3 有效容积·d

X─混合液 MLSS 浓度 mg/L

(3)曝气时间(名义水力停留时间)t(d)

t=V/Q(d)

(4)实际水力停留时间 t’(d)

t’=V/(1+R)Q (d)

R─污泥回流比%

(5)污泥产量 ΔX(Kg/d)

ΔX=aQLr-bVXv

Xv=fx f=0.75

a─污泥增长系数,取 0.5~0.7

b─污泥自身氧化率(d-),一般取 0.04~0.1

Xv─混合液挥发性污泥浓度(MLVSS)Kg/m3

(6)污泥龄(ts)污泥停留时间 SRT

ts=1/(aLs-b)

(7)剩余污泥排放量 q(m3/d)

q=VR/(1+R)ts (m3/d)或 q=ΔX/fXR(m3/d),f=MLVSS/MLSS 一般为 0.75

XR─回流污泥浓度(Kg/ m3)

(8)曝气池需氧量(O2Kg/d)

Ro=a’QSr+b’VXv+4.6Nr

a’─氧化每 KgBOD5 需氧千克数(KgO2/KgBOD5)

一般 a’取 0.42~0.53

b’─污泥自身氧化需氧率(d-1)即 KgO2/KgMLVSS·d

一般取 0.188~0.11

Nr─被转化的氨氮量 Kg/d

4.6─为 1Kg NH3-N 转化成硝酸盐所需氧量(KgO2)

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