卡鲁塞尔氧化沟工艺对比及计算

卡鲁塞尔氧化沟工艺对比及计算二一二年三月目 录第一章 氧化沟综述 一、氧化沟的技术特征 1 氧化沟简介 1 氧化沟的技术特征 1 二、氧化沟的曝气设备 31. 水平曝气转刷或转盘 32. 垂直轴表面曝气机 3 三、常用的几种氧化沟系统 41. 卡鲁塞尔氧化沟 42. 交替工作式氧化沟 53. 奥贝尔型氧化沟 6第二章 氧化沟的设计计算一、 氧化沟的容积计算 8二、 曝气机功率计算 8三、 碱度校核 11四、 污泥回流计算 11五、 二沉池计算 12第三章 卡鲁塞尔氧化沟在城市污水处理中的应用一、 污水生物脱氮工艺流程 13二、 着重于反硝化脱氮作用的卡鲁塞尔氧化沟 14三、 污水生物除磷工艺流程 16四、 生物脱氮除磷工艺流程 17五、 卡鲁塞尔氧化沟系统计算例题 23第一章 氧化沟综述 一、氧化沟的技术特征 氧化沟简介 活性污泥法是当前世界各国应用最广的一种历史悠久的二级生物处理流程，具有处理能力高，出水水质好等优点。但传统的活性污泥法存在基建费、运行费高，能耗大，管理也较复杂，易出现污泥膨胀、污泥上浮等问题，且不能去除氮、磷等无机营养物质。 近年，从下列几点改革传统的活性污泥法： 1简化流程，压缩基建费； 2节约能耗，降低运行费； 3增强功能，改善出水水质（在去除BOD5、SS的同时去除氮、磷等营养物质）； 4简化管理，保证稳定运行； 5减少污泥产量，简化污泥的后处理。 其中氧化沟活性污泥法可以能满足上述各点要求。 氧化沟（Oxidation Ditch）是本世纪50年代由荷兰工程师发明的一种新型活性污泥法，其曝气池呈封闭的沟渠形，废水和活性污泥的混合液在其中不断循环流动，因此被称为“氧化沟”。实际上它是活性污泥法的一种变型，因为废水和活性污泥的混合液在环状的曝气渠道中不断循环流动，有人称其为“循环曝气池”、“无终端的曝气系统”。 自1954年荷兰建成第一座间歇运行的氧化沟以来，氧化沟在欧洲、北美、南非及澳大利亚得到了迅速的推广应用。至1985年，美国已建有553座氧化沟污水处理厂，荷兰216座，西德226座，丹麦300座。其工艺和构造也有了很大的发展和进步，处理能力不断提高，至今已有规模达65万m3d的大型氧化沟处理厂；处理范围不断扩大，不仅能处理生活污水，也能处理工业废水、城市废水，而且在脱氮除磷方面表现了极好的性能。 我国近年来在氧化沟技术的研究及推广应用方面有了很迅速的发展。尤其在城市污水处理厂中获得应有的推广。 氧化沟的技术特征 氧化沟污水处理技术能在近五十年来取得迅速的发展，主要是由于它出水水质好，运行稳定，管理方便，并具有区别于传统活性污泥法的一系列技术特征，现概括如下： 1采用的技术参数 氧化沟常用的技术参数如下： 有机物容积负荷 0.20.4 kgBOD5m3d 有机物污泥负荷 0.050.15 kgBOD5kgVSSd 水力停留时间 1024hr 污泥龄 1030day 活性污泥浓度 20006000 mg/L 出水水质 BOD5 1015mg/L SS 1020mgL NH3-N 13mgL 氧化沟所采用的有机物负荷和水力停留时间与延时曝气法接近，但所取得的出水水质较好。当然，氧化沟也可采用不同于上列的技术参数。如采用较高的有机物负荷、较短的水力停留时间，使其运行的特征接近于高负荷活性污泥法或其他类型的活性污泥法。 2采用的处理流程 以氧化沟处理城市污水时，可不设初次沉淀池，悬浮状有机物可在氧化沟中得到好氧稳定，这比设初沉池及污泥稳定池要经济。由于氧化沟所采用的污泥龄很长，其剩余污泥量少于一般活性污泥法，而且已经得到好氧稳定，不需再经污泥消化处理。 为防止无机沉渣在氧化沟中积累，原污水应先经格栅及沉砂池预处理。 一般，氧化构污水厂的处理流程如图1-1所示。 流程中的二沉池可与曝气池分建，也可与其合建，称一体化氧化沟，此时可省去二沉池与污泥回流系统，但无法调节污泥回流量。 由此可见，氧化沟污水厂的处理流程比一般活性污泥法简单得多。 3水流混合特征 从水流混合特征出发，可将活性污泥系统区分为推流式和完全混合式两大类，氧化沟界于推流式和完全混合式之间，或者说基本上是完全混合式，同时又具有推流式的某些特征。 设水流在曝气沟渠中的流速v为 0.30.5米秒，氧化沟的总长为L，则水流完成一个循环所需时间tL/v。当L90600米时，t520分钟。由于废水在氧化沟中的设计水力停留时间T为1024小时，因此可以计算出废水在整个停留时间内要完成的循环数为30280次不等。 可见，如果着眼于整个氧化沟，即以较长的时间间隔为观察基础，可以认为氧化沟是一个完全混合池，其中的污水水质几近一致，原水一进入氧化沟，就会被几十倍甚至上百倍的循环流量所稀释，因此氧化沟和其它完全混合式的活性污泥系统一样，适宜于处理高浓度有机废水，能够承受水量和水质的冲击负荷。 但如果着眼于氧化沟中的某一段，即以较短的时间间隔为观察基础，就可以发现某些推流式的特征。因为在氧化沟中曝气装置并不是沿池长均布而是只要装在某几处，在曝气器下游附近地段，水流搅动激烈，溶解氧浓度较高，但随着与曝气器距离的不断增加，水流搅动变缓，溶解氧浓度不断减少，还可能出现缺氧区。这种水流搅动情况和溶解氧浓度沿池长变化的特征，十分有利于活性污泥的生物凝聚作用。且可利用来进行硝化、反硝化，达到生物脱氮的目的。 二、氧化沟的曝气设备 曝气设备的功能有三：曝气充氧；推动水流作不停的循环流动，防止活性污泥沉淀；搅拌水流，使有机物、微生物及氧三者充分混合、接触。 常用的氧化沟曝气设备有两大类，即曝气转刷或转盘；表面曝气机。1水平轴曝气转刷或转盘 曝气转刷构造见图1-2。它以钢管为转轴，在轴的外部沿轴长连接有很多钢质叶片，即为刷子。 曝气转刷国内外早期应用较多。其产品的轴长为4.5m及9m，转刷直径为0.8m1.5m，转刷充氧能力约为2kgO2kw.h。调整转速和浸没深度，可改变其充氧量，适应不同的工作条件。采用曝气转刷时，曝气沟渠的水深一般不超过2.5m，但也有采用至3.0m的。 曝气转盘构造见图1-3。它是在水平轴上带动的一组转盘，转盘上有小孔及凸出的三角形块，藉以提高充氧性能。其转速一般为4660转分，其直径可达1372mm，充氧能力为1.82.0kgO2kwh。采用转盘时，曝气沟渠水深可达3.5m。 曝气转盘轴长最大为6m，可安装125个曝气转盘。其推力及混合能力较高，1马力可搅拌200900m3 池容积。 2垂直轴表面曝气机 氧化沟专用表曝机在荷兰首先应用，后来在美国和新加坡等地获得进一步发展。氧化沟专用表曝机如图1-4所示。由图可见，它的主要特点是叶轮高度较大，上口呈敞开形，叶片呈旋转双曲面曲线。因此它兼顾了充氧、推动和强烈搅拌的作用。除具有较高的充氧动力效率外，尚具有较大的提升推动能力，可增加氧化沟水深，缩小其占地面积，氧化沟水深达3.65.5m 。这种表曝机推动氧化沟水流的作用依靠叶轮外缘的线速度，通常达67m/s。在适当的沟深与叶轮直径比等条件下，可以使氧化沟的沟内平均流速达到0.30.5m/s。因此，为保证氧化沟沟内流速，这类表曝机不必另设推流设备；要注意的是调整表曝机充氧量宜用调整水位，而不宜调整外缘线速。 强烈搅拌能使活性污泥加速更新，提高生物处理效果。图1-4叶轮构造可对水流起到强烈的搅拌作用。水体在叶片的带动下沿叶轮径向运动，引起下部水流补充的轴向流动。因上口呈敞开形形成水流径、轴向的强烈搅动。 为了说明问题，图1-5系用于表面曝气池的到伞型（Simcar）表曝机。国内生产的曝气机叶轮叶片属直板直线型的。它适用于表面曝气池，能起到曝气池充氧作用，不能满足上述氧化沟的三个功能要求。这种表曝机叶片上口封闭，以避免搅拌水体向上飞溅。 其他曝气设备，诸如射流曝气、鼓风曝气等也可用于氧化沟，但在应用上比较少见。 三、常用的几种氧化沟系统1.卡鲁塞尔(Carrousel)氧化沟卡鲁塞尔氧化沟是60年代末期由荷兰DHV公司研制成功的。其构造特征如图1-6所示。 由图可见，这是一个多沟串联的系统，进水与活性污泥混合后沿箭头方向在沟内作不停的循环流动。卡鲁塞尔氧化沟采用垂直安装的低速表面曝气机，每组沟渠安装一个，均安设在一端，因此形成了靠近曝气器下游的富氧区和曝气器上游以及外环的缺氧区。这不仅有利于生物凝聚，使活性污泥易于沉淀，而且创造了良好的生物脱氮的环境。 如前所述，卡鲁塞尔氧化沟由于采用了表面曝气机，其水深可采用3.65.5m，沟内水流速度约为0.30.5m/s。由于表曝机周围的局部地区能量强度比传统活性污泥法曝气池中的强度高得多，因此氧的转移效率大大提高。当有机负荷较低时，可以停止某些表曝机的运行或降低水位，在保证水流搅拌混合循环流动的前提下，节约能量消耗。 卡鲁塞尔氧化沟系统的规模小至200m3/d，大至657000m3/d。其BOD5 去除率可达9599，脱氮效率可达90，除磷效率约为7080，如配以投加铁盐，除磷效率可达95。 主要问题是发现氧化沟中有污泥沉淀现象，最大积泥高度达1.0m以上，并有污泥成团上翻。说明推动力尚不能满足需要。此外，实际运行的动力费用也较原设计值为高。 2.交替工作式氧化沟 三沟交替式氧化沟这种类型的氧化沟是由SBR间歇式氧化沟发展而来，有二池或三池交替工作的两种系统。 图1-7是三池交替工作的氧化沟，其运行过程是两侧的A、C二池交替地用作曝气池，中间的B池则一直维持曝气，进水交替地引人A池或C池，出水相应地从C池或A池引出。这样做提高了曝气转刷（盘）的利用率，达68(2/3)左右，还有利于生物脱氮。三池的交替工作氧化沟的运行过程可分为6个阶段，如图 1-8。阶段A，延续1.5小时。进水引入池，出水自池引出。三池的工作状态分别为：池缺氧状态，进行反硝化及有机物的部分降解；池好氧状态，进行有机物的进一步降解及氨氮的硝化作用；池则为沉淀池。阶段B，延续1.5小时。进水引人池，出水自池引出。池和池均在好氧条件下运行，则保留为沉淀池。 阶段C，延续1.0小时。进水引入池，出水自池引出。池转变为静置沉淀状态，池在缺氧条件下运行，以便对阶段B中积累的硝酸盐进行反硝化，池仍为沉淀池。 阶段D，延续1.5小时。进水引人池，出水自池引出。池与池的工作状态正好与阶段A相反，B池则与阶段A时相同。 阶段E，延续1.5小时。池工作状态与阶段B相同，池池的情况则与阶段B相反。 阶段F，延续1.0小时。池工作状态与阶段C相同，池池的情况则与阶段C相反。 整个工作周期为8小时。 显然，三池交替工作的氧化沟就是一个A-O活性污泥系统，可以完成有机物的降解和硝化反硝化过程，取得良好的BOD5去除效果和脱氮效果。依靠三池工作状态的转换，这种系统免除了污泥回流。 交替工作的氧化沟必须有自动控制系统，根据预先设定的程序控制进、出水的方向，溢流堰的启闭以及曝气机的开动和停止。上述各工作阶段的时间，也应根据水质情况进行调整。三沟交替式氧化沟与卡鲁塞尔氧化沟的比较卡鲁塞尔氧化沟的系统，包括二沉池和污泥回流，表面上看，似乎比三沟交替式氧化沟复杂。我们从上述的介绍中，可以比较下列各点。A三沟交替式氧化沟虽然不设二沉池，但它有三分之一的时间用于静置沉淀。例如设计总停留时间1821小时，其中用于静置沉淀时间67小时，此值大于二沉池设计参数。 卡鲁塞尔氧化沟在同等设计条件下，例如氧化沟停留时间1214小时，二沉池停留时间24小时，总停留时间仅为1418小时，显然要比三沟交替式氧化沟经济。 B在曝气设备选型上，在同等充氧条件下，三沟交替式氧化沟始终有1/3设备被闲置。换句话说，设备选型的装机容量需要增加1/3。 此外，三沟交替式氧化沟的曝气设备一般采用卧轴式的曝气转碟（刷）。卧式机械不管是轴还是轴承均偏心受力。卡鲁塞尔氧化沟则采用立轴式表曝机，其轴和轴承中心受力，在同等机械制造水平条件下，由于其力学结构合理，使用寿命长，故障少。 C从生物处理技术角度，卡鲁塞尔氧化沟系统（包括二沉池和污泥回流），可以构成不同的MLSS浓度、回流污泥浓度、回流率和固体负荷，以求得最优处理参数组合。调节出流堰板或表曝机高低可变动叶轮浸没深度而调整充氧量。对于多沟串联沟型，可方便地组合氧化沟内的好氧、缺氧和厌氧组合而形成A-O、A2-O（A2C）工艺流程，其灵活性优于三沟交替式氧化沟。 D从活性污泥动力学理论，氧化沟处理效率与MLSS成正比。国内卡鲁塞尔氧化沟的MLSS已经达到6000mg/L；国外资料报导则达到7000mg/L。几乎高出50。运行正常的卡鲁塞尔氧化沟的单位水量能耗比其他类型氧化沟低。 E在上述介绍的三沟交替式氧化沟的操作过程可知，人工控制操作难度很大，而自动控制必须可靠。这在试车调试和日常运行管理是复杂的。卡鲁塞尔氧化沟无论是人工或自动控制比较容易实施，可方便地按污水水质调整运行参数。 3.奥贝尔(Orbal)型氧化沟 这是由多个同心的沟渠组成的氧化沟，沟渠呈圆形或椭圆形。进水先引入最外的沟渠，在其中不断循环的同时，依次进入下一个沟渠，相当于一系列完全混合反应池串联在一起，最后从中心的沟渠排出。Orbal型氧化沟的构造如图1-9所示。 奥贝尔型氧化沟的主要特点是： 圆形或椭圆形的平面形状，比渠道较长的氧化沟更能利用水流惯性，可节省推动水流的能耗； 多渠串联的型式可减少水流短路现象； 曝气设备多采用曝气转盘，水深可采用23.6m，并保持沟底流速为0.3 0.6m/s。 常用的奥贝尔型氧化沟分为三条沟渠，第一渠的容积约为总容积的6070，第二渠约为总容积的2030，第三渠则仅占总容积的10。在运行时，应保持第一、二及三渠的溶解氧分别为0、1、及2mg/L,以达到以下目的： 在第一渠内仅提供将BOD5物质氧化稳定所需的氧，却保持溶解氧为0或接近0，既可节约供氧的能耗，也可为反硝化创造条件；在第一渠缺氧条件下，微生物可进行磷的释放，以便它们在好氧环境下吸收废水中的磷，达到除磷效果； 在三条沟渠中形成较大的溶解氧阶梯，有利于提高充氧效率。 在三沟交替式氧化沟与卡鲁塞尔氧化沟比较中可知，奥贝尔型氧化沟的特点卡鲁塞尔氧化沟都可以实现。而奥贝尔型氧化沟采用的卧轴曝气设备存在的不足，与三沟交替式氧化沟一样。奥贝尔氧化沟虽然第一渠在污泥回流条件下可作为前置反硝化段，但与第三渠的容积比，与硝化与反硝化容积比与之相反，与理论计算结果很难吻合。 三沟交替式氧化沟已经比二沟交替式与间歇式氧化沟（SBR）有所发展，在大中型氧化沟设施中，卡鲁塞尔氧化沟有显著的优点。但对于小型氧化沟而言，二沟交替式氧化沟或SBR仍有使用价值。第二章 氧化沟的设计计算 氧化沟系统的设计计算主要包括：确定氧化沟的容积、计算曝气机所需功率、进行碱度校核、回流污泥量计算及二沉池设计计算。计算依据应根据我国现行规范和规程。规范和规程主要有两本： 1.室外排水设计规范（GBJ14-87,1997年版），简称规范； 2.氧化沟设计规程（CSCS 112:2000），简称规程。一、氧化沟容积计算当仅要求去除BOD5及进行硝化作用时，可按活性污泥法动力学公式计算氧化沟容积：YQ（S0-Se）c V （2-1）X（1Kdc）式中 V氧化沟有效容积（m3） Y污泥产率系数（kgVSSkgBOD5）；在20有机物以BOD5计时为0.40.8kgVSSkgBOD5（规范值），0.30.5 kgVSSkgBOD5（规程值） Q废水流量（m3/d） S0进水BOD5浓度（mgL） Se出水BOD 5浓度（mgL） c污泥龄（d)；氧化沟采用低负荷数据，c1030d（规程值） Kd污泥内源呼吸系数（d-1）；20时的常数值为0.040.075（规范值）对于有脱氮要求的氧化沟系统，应在上述计算结果之外考虑反硝化所需的容积V ，V 可按下式计算。NT V （2-2）SDNRX式中 V反硝化所需的氧化沟有效容积（m3） NT要求去除的硝酸盐氮量（kgd） SDNR污泥反硝化率（kgNkgMLSSd）X可挥发性混合液悬浮固体（mg/L）,即MLVSS 氧化沟所需总有效容积应为上述二者之和： VTVV（m3） （2-3） 二、曝气机功率计算 曝气机所需功率决定于氧化沟处理废水时所需的氧量，计算时应考虑到以下需氧反应、产氧反应及影响需氧量的过程： 1降低BOD5的需氧反应； 2氨氮氧化的需氧反应； 3反硝化过程的产氧反应，即反硝化过程对有机物的稳定作用； 4污泥增殖及排放所减少的BOD5，此部分BOD5并未耗氧，在需氧量计算时应于扣除； 5污泥增殖及排放所减少的NH3-N，此部分NH3-N也不耗氧，也应予以扣除。设计需氧量可按下式计算: (S0-Se) VSS VSS AORQ-1.42Px4.5Q(N0-Ne)-0.56Px -2.6QNO3 （2-4） 1-ekt SS SS (去除的BOD5) (剩余污泥的BOD5) (硝化所需的氧) (硝化剩余污泥的NH4-N) (反硝化所得到的氧)式中 AOR设计需氧量（kgO2/d） Q污水流量（m3d） S0进水BOD5（mgL） Se出水BOD5（mgL） k一BOD5速率常数（d-1），可采用0.23d-1 tBOD试验天数（d），对BOD5，t5d Px剩余污泥排放量（kg/d） VSS/TSS 污泥中挥发性固体百分数（）；MLVSS/MLSS=0.70.8（规程值） N0进水氨氮浓度（mgNH3-NL） Ne出水氨氮浓度（mgNH3-NL） NO3还原的硝酸盐氮（mgNO3-NL） 产生的生物污泥量 YQ(S0-Se) Px (2-5) 1Kdc 12.4%Px1000 NO3 (2-6) Q 公式（2-6）中的12.4系生物污泥用于细胞合成的氮。 确定设计需氧量AOR后，应换算成标准需氧量： AOR SOR （2-7）(C*-CL) T-20 CS 式中 SOR标准需氧量（kgO2/d） CL氧化沟所需溶解氧（mg/L），好氧段设为2mg/L CS海平面高度和20时清水中的饱和溶解氧（mg/L）,参考表2-1 污水传氧速率与清水传氧速率之比，一般污水约0.80.95 污水中饱和溶解氧与清水中饱和溶解氧之比，通常采用0.90.97 温度校正系数，通常为1.024 C*长时间曝气后获得的平均溶解氧饱和浓度（mg/L）,可用不利水温时（高温）当地海拔饱和溶解氧（当地大气压强/海平面大气压强）,参考表2-2 所需表曝机总功率 NSORN0式中 N所需表曝机总功率（kw） N0表曝机的动力效率（kgO2/Kw.h）,参考表2-3一个大气压（101325Pa）下污水中的饱和溶解氧 表2-1温度（）饱和溶解氧浓度（mg/L）温度（）饱和溶解氧浓度（mg/L）56789101112131415161712.7512.4312.1211.8311.5511.2711.0110.7610.5210.2910.079.859.65181920212223242526272829309.459.269.078.908.728.568.408.248.097.957.817.677.54与高度对应的大气压 表2-2高度（m）压强（Pa）高度（m）压强（Pa）高度（m）压强（Pa）海平面152305457610101324.799458.297738.495938.594218.776091510701220137592485.590792.389139.187512.685886.01525168018301980213584286.282726.381206.479686.678193.4LSA型氧化沟慢速表曝机规格表 表2-3型 号功率(Kw)充氧量(KgO2/h)叶轮直径(mm)升降幅度(mm)氧化沟宽(Max m)氧化沟深(Max m)LSA 20HP1531.517001705.02.5LSA 25HP18.538.918001805.52.75LSA 30HP2246.219001905.53.00LSA 40HP3063.020002006.03.10LSA 50HP3777.721002106.03.25LSA 60HP4594.522502257.03.50LSA 75HP55115.525002507.03.70LSA 100HP75157.527502757.53.75LSA 125HP90193.530003008.04.00LSA 150HP110231.035003509.04.20LSA 180HP132277.0375037510.04.75LSA 220HP160336.0400040011.05.20LSA 240HP180379.0410041012.05.50 注：LSA系列慢速表曝机为新加坡威水工程私人有限公司(Waste Treatment Engineering PTE LTD)产品 LSA系列慢速表曝机动力效率为2.1 kgO2/Kw.h 三、碱度校核 应校核氧化沟中混合液的碱度，以确定其pH值是否符合要求，一般去除BOD5所产生的碱度（以CaCO3计，下同）约为0.1mgmgBOD5，氧化氨氮所要求的碱度为7.14mgmgNH3-N，还原硝酸盐氮所产生的碱度为3.0mgmgNO3-N，因此，可根据原水碱度及上述各项数据计算剩余碱度，当剩余碱度大于或等于100mgCaCO3/L时，即可维持混合液pH7.2，符合生物处理的要求。 四、污泥回流计算根据悬浮固体平衡公式：QX0QRXR(QQR)X （2-8）式中 X0进水悬浮固体（mg/L）XR回流污泥浓度（mg/L）X混合液悬浮固体（mg/L）QR回流污泥量（m3/d） 五、二沉池设计计算 建议采用以下设计参数： 表面水力负荷 0.50.75 m3/m2.h（规程值） 固体负荷 20100 kgSS/m3.d（OxidatiOn Ditches in Wastewater Treatment）出水堰负荷 147 m3/m.d或1.7L/s.m（规范值）第三章 卡鲁塞尔氧化沟在城市污水处理中的应用一、污水生物脱氮工艺流程 在上述生物脱氮基本原理的基础上，可以通过很多不同的工艺流程来实现硝化反硝化反应，并与有机物的去除过程相结合，同时达到降低BOD5及脱氮的目的。 常见的生物脱氮流程可以分为三类：（1）多级污泥系统；（2）单级污泥系统；（3）生物膜系统。其中多级污泥系统常被称为传统的生物脱氮流程。单级污泥系统则可分为前置反硝化系统和交替工作系统两种。 1.传统的生物脱氮工艺流程 图3-1所示是三种传统的生物脱氮工艺流程，它们都具有多级污泥系统。 图3-1(a)所示是有三级活性污泥系统的生物脱氮流程，在此流程中，去除BOD5与氨化、硝化和反硝化反应分别在三个池子中进行并各有其独立的回流传泥系统。第一个曝气池和第二个硝化池均应维持好氧条件，第三个反硝化池则应在缺氧条件下进行，不曝气，采用搅拌机维持污泥呈悬浮状态并与废水良好地混合。反硝化过程所需的碳源采用外加碳源甲醇。此流程可以得到相当好的BOD5去除效果和脱氮效果，其缺点是： 流程长，构筑物多，基建费用很高； 需要外加碳源，运行费贵； 出水中往往残留一定量的甲醇，形成BOD5及COD。 采用图3-4（a）所示的流程时，所需的甲醇投加量可按下列公式计算。 C0.47ND1.53N10.87D式中： C需要投加的甲醇量（mg/L） ND进水的NO3-N浓度（mg/L） N1进水的NO2-N浓度（mg/L） D进水的溶解氧浓度（mg/L） 此处的进水系指进入反硝化池的废水。 图3-1（b）所示的流程是上述流程的改进，它将均为好氧环境的曝气池和硝化池合二为一，因此使系统中曝气池、沉淀池和回流污泥系统各减少了一个，但仍利用外加碳源。因此，其优缺点与上述系统很相似。 图3-1（c）所示流程改用跨越管将一部分原废水引人反硝化池作碳源，以省去外加碳源，节约运行费用。运行经验证明，这样做是可行的，利用原废水作反硝化碳源，还减轻了去除BOD的负荷，可谓一举两得。但此流程仍较复杂，出水的有机物浓度也不能保证十分理想。 为了保证出水中的有机物浓度和溶解氧能满足要求，还有人提出在反硝化池后面增添一个曝气池，如图3-2所示，显然，这种流程可以提高出水水质，但基建费和运行费也将相应增加。 2.前置反硝化的生物脱氮流程-AO流程 图3-3所示为采用前置反硝化及回流的生物脱氮流程，通常简称为AO流程（其中A为Anoxic缺氧，O为Oxidation氧化）。 AO流程的特点是，原废水先经缺氧池，再进好氧池，并将好氧池的混合液和沉淀池的污泥同时回流至缺氧池，使缺氧池中既从原废水中得到充足的有机物，又从回流的混合液中得到大量硝酸盐，回流污泥则保证其微生物量，因此可在其中进行反硝化反应，然后再在好氧池中进行BOD5的进一步降解和硝化作用。 AO流程只有一个污泥系统，在此系统中同时存在着分解有机物的异养菌群、反硝化菌群以及硝化细菌群。混合的微生物菌群交替地处于好氧和缺氧的环境中，有机物浓度高和低的条件下，将分别发挥其不同的作用。 AO流程中的缺氧池和好氧池可以是两个独立的构筑物，也可以合建在同一构筑物内，使用隔板将两段分开。显而易见，与传统的生物脱氮工艺流程相比，AO工艺流程大大地简化了，AO工艺的主要优点是： 流程简单，构筑物少，基建费用可大大节省； 不需要外加碳源，以原废水为碳源，可保证充分的反硝化反应； 好氧池设在缺氧池之后，可使反硝化残留的有机污染物得到进一步去除，提高出水水质； 缺氧池在好氧池之前，一方面可减轻好氧池的有机负荷，另一方面也有利于控制污泥膨胀，反硝化过程中产生的碱度还可补偿硝化过程对碱度的消耗。 二、着重于反硝化脱氮作用的卡鲁塞尔氧化沟 (一)2000型卡鲁塞尔氧化沟根据AO流程脱氮原理，一种前置反硝化池的氧化沟同样可以符合这个要求。近年来比较新颖的称作2000型卡鲁塞尔氧化沟的，实际上就是前置反硝化池的卡鲁塞尔氧化沟。图3-4是荷兰DHV公司提出的2000型卡鲁塞尔氧化沟的简图。为便于说明，我们把2000型卡鲁塞尔氧化沟按原理简化并绘成氧化沟系统如图3-5。图3-5这种氧化沟系统，在我国已在城市污水处理和工业废水处理工程中多处应用。由图3-5可见，2000型卡鲁塞尔氧化沟设置了前置反硝化池后，与AO法原理一致。故这种氧化沟系统以可称作具有AO功能的氧化沟。一般认为氧化沟内本身可以形成好氧、缺氧和厌氧区段。我国氧化沟设计规程术语中提到：好氧区（Oxic zone）位于氧化沟的充氧段，水流搅动激烈，溶解氧浓度不小于2mg/L，主要功能是降解有机物和进行硝化反应；缺氧区（Anoxic zone）位于氧化沟的非充氧段，溶解氧浓度为0.20.5mg/L。当回流污泥中含有大量硝酸盐、亚硝酸盐并能得到充足的有机物时，便可在该区内进行脱氮反应；厌氧区（Anaerobic zone）常设在氧化沟的进水端部，一般单独设置，溶解氧小于0.2mg/L。该区内微生物能吸收有机物并释放磷。 氧化沟设置前置反硝化池，实践证明利用水流的速能可使氧化沟与前置反硝化池达到大流量回流。设置前置反硝化池将使构造复杂，同时需要增加防止沉淀的搅拌措施。这样会增加投资和动力消耗，还可能产生沉积和增加运行维护工作量。 卡鲁塞尔氧化沟由于其构造特点及其专用曝气机的充氧、搅拌和推动水流的功能，在氧化沟内就可形成好氧区段和缺氧区段。 图3-6系某开发区的10000m3d的城市污水处理厂氧化沟系统简图。该氧化沟系统是具有反硝化作用的卡鲁塞尔氧化沟。图中表明，在氧化沟有相应长度时，曝气机下游至混合液出流堰，溶解氧降低使之保持在不小于2mg/L。这一区段属于好氧区。混合液在好氧区出流也有利于保持混合液在二沉池分离后的出水有一定的溶解氧。在出流堰以后布置污水进水管和污泥回流管，由于进水中有机物浓度高及回流污泥溶解氧浓度低，很快消耗混合液流中的溶解氧，在某一下游段溶解氧降至0.5mg/L。此时即形成了缺氧段。图3-6的卡鲁塞尔氧化沟采用了两台曝气机，也可以采用一台或多台曝气机。当只有一段好氧、缺氧过程时，其生物处理工艺过程与AO法一致，也与设有前置反硝化池的氧化沟相当。实践证明，存在多段好氧、缺氧时，具有更良好的硝化（碳化）、反硝化作用。从图3-5可见，这种布置的氧化沟系统比前置反硝化池氧化沟系统还要简化，免去了前置反硝化池的水流水力条件差及另设搅拌器的麻烦。需要指出，免设推进器的卡鲁塞尔氧化沟要求使用水流推动力大的氧化沟专用曝气机。如果具有反硝化作用氧化沟的曝气机多于一台，并且在氧化沟的一端装设曝气机，其中中间沟槽的曝气机上游亦会形成缺氧段。要免除中间沟槽的缺氧段，可以如图3-4那样，在氧化沟两端装设曝气机。实际使用检测后表明，不必强调免除中间沟槽的缺氧段。我国西北某城市，有设计成仅有一端曝气机的A2C的卡鲁塞尔氧化沟。具有中间缺氧段的氧化沟，更有利于难降解有机物的分解。此外，曝气机装设于氧化沟的一端，能方便设备的操作与维护，也能降低建筑安装工程造价。 三、污水生物除磷工艺流程 根据上述污水生物除磷原理，污水生物除磷的工艺流程一般是由厌氧池和好氧池组成的。以下是两种最常见的生物除磷工艺流程： （一）污水生物除磷的AO流程 污水生物除磷的AO流程见图3-7。 流程中第一个池子是厌氧池，回流污泥进入厌氧池后可藉吸收去除一部份有机物，并释放出大量磷，第二个池子是好氧池。废水中有机物在其中得到氧化分解，同时污泥将大量摄取污水中的磷。 AO生物脱磷工艺的主要特点是： 1工艺流程简单，不需投加化学药品； 2厌氧池设在好氧池之前，有利于抑制丝状菌的生长，防止活性污泥的膨胀，且能减轻好氧的有机负荷； 3一般采用的水力停留时间为，厌氧池12h好氧池23h,污泥龄亦较短； 4排放的剩余污泥含P量高； 5建设费和运行费均较低。图3-8为AO生物脱磷流程的工艺特性曲线。由图可见，BOD5在A和O两段内部有下降，但在A段中，由于磷的厌氧释放，P的含量有升高，至O段才有大幅度的下降。 AO生物脱磷工艺的问题是：除磷效果决定于剩余污泥排放时的溶解氧含量。如果排放污泥的溶解氧趋于缺氧、厌氧状态，二沉池中难免有磷的释放。近年来，随着生物除磷技术的发展，为了提高除磷效果，除了保持二沉池有适当溶解氧外，采用吸刮泥机排泥；同时排泥后采用一体化脱水机械尽快脱水而从脱水污泥中带走磷，以提高除磷效率。采取这些措施后，城市污水处理的除磷率可以达到90左右，出水含磷1mg/L。 （二）卡鲁塞尔氧化沟生物除磷流程AO系统的生物除磷工艺，卡鲁塞尔氧化沟系统也可实现。我们只要把图3-5的2000型卡鲁塞尔氧化沟系统工艺流程略加修改，就可实现类似图3-7的生物除磷的AO 流程。图3-9系卡鲁塞尔氧化沟生物除磷流程。 图3-9的卡鲁塞尔氧化沟生物除磷流程，对于氧化沟来说，混合液出流堰位置的布置十分重要。从图中可知，混合液出流处应保持溶解氧不少于2mg/L。微生物在厌氧区充分释放出水中的磷后，进入氧化沟曝气区迅速充氧。在高溶解氧条件下微生物能在某一时间内充分吸收磷。混合液进入二沉池固液分离后采用刮吸泥机以较短的时间排出饱含磷的微生物剩余污泥，输送至一体化脱水机立即脱水。尽量减少磷的释放。这样的过程，可以充分发挥出生物除磷的特点，一般除磷效率能达到90以上。需要说明，氧化沟的水力停留时间通常大于10h，好氧区名义水力停留时间远大于2h。但氧化沟保持沟内平均流速0.250.3m/s。以0.25m/s计，1小时时间流动达900m。故微生物在好氧区吸取磷实际时间较短，由于卡鲁塞尔氧化沟专用曝气机强大的搅拌混合作用和充氧能力，能够弥补微生物在好氧区时间短的不足。四、生物脱氮除磷工艺流程 在开发研究生物脱氮和生物除磷的工艺流程时，不少研究者发现，生物脱氮工艺往往具有较传统的生物处理流程更好的除磷效果，于是逐步建立了同时进行脱氮和除磷的生物处理工艺流程，其中较有代表性的有以下三种工艺流程。 （一）常规生物脱氮除磷工艺 1. Bardenpho脱氮除磷工艺 Bardanpho脱氮除磷工艺流程如图3-10所示。 由图可见，该工艺由两级AO工艺的4个反应池组成，各反应区的水力停留时间依次为3、7、3和lh，由于采用了混合液回流，第一个A池中有NO3-N，因此不能称为厌氧池，只能称为缺氧池，第二个A池在O池之后，也含有相当量的NO3-N，也是缺氧池。 本工艺流程之所以有较好的脱磷效果（达97），一是在二沉池中会有磷的释放，二是在第一个缺氧池中会有局部的厌氧条件，也有磷的释放现象。 由于有两级AO工艺，本工艺的脱氮效果可以高达9095。 显然，本工艺流程长，构筑物多，这是它的一大缺点。 2. Phoredox脱氮除磷工艺流程 这是前述Bardenpho工艺流程的改进，其差别仅在于在第一个缺氧池前增加了一个厌氧池，以保证磷的释放从而保证在好氧条件下有更强的吸收磷的能力，提高除磷的效果。 图3-11为Phoredox生物脱氮除磷工艺流程。 3. AAO生物脱氮除磷工艺流程 AAO工艺是英文Anaerobic-Anoxic-Oxic工艺的简称，前面两个A字代表的意义不同，其实质为厌氧缺氧好氧工艺，具有脱氮除磷的功能。AAO工艺又称A2O工艺。 A2O 工艺的流程如图3-12所示，由图可见，它实质上是对Phoredox工艺流程的简化和改进。 A2O工艺的特性如图3-13所示。 由图可见，在厌氧池中，废水中BOD5 和COD会有一定下降。 NH4-N也会由于细胞的合成而有一些去除，但NO3-N含量没有变化，P的含量因细胞释放而上升；在缺氧池中，废水中有机物被反硝化菌利用作碳源，因此BOD5 和COD会继续减少，NH4-N变化较小，N03-N会大幅度下降，被还原成N2释放至大气，P的变化则很小；在好氧池中，有机物继续减少，NH4-N和P也以较快的速率下降，只有NO3-N将因硝化作用而上升。 厌氧、缺氧、好氧三种不同的环境条件及不同功能的微生物菌群的有机配合协作，是A2O工艺流程的主要特点，它可以同时达到去除有机物、脱氮、除磷的目的，而且工艺流程较简单，基建费用运行费用与传统的活性污泥法相比增加不多，较前两种生物脱氮除磷工艺流程均节省。A2O工艺的缺点是：除磷效果因污泥龄和回流污泥中挟带的溶解氧和NO3-N而受到限制，不可能十分高；脱氮效果则决定于混合液回流比，当回流比较小时，也不可能很理想。（二）卡鲁塞尔氧化沟生物脱氮除磷工艺 1. A2C工艺 A2C 工艺是英文Anaerobic-Anoxic-Carrousel工艺的简称，A2代表厌氧缺氧，C代表卡鲁塞尔氧化沟。具备厌氧、缺氧、好氧3个基本条件的A2O工艺，但是在实施过程中由于所需的处理构筑物多、污泥回流量大，从而造成投资大、能耗多、运行管理复杂。A2 /C工艺以卡鲁塞尔氧化沟为主将厌氧、缺氧、好氧过程集中在一个池内完成，各部分用隔墙分开自成体系，但彼此又有联系。该工艺充分利用污水在氧化沟内循环流动的特性，把好氧区和缺氧区有机结合起来，实现无动力回流，节省了去除硝酸盐氮所需混合液回流的能量消耗。 A2/C氧化沟工艺的平面布置如图3-14所示。流经沉砂池的废水与二沉池回流污泥在A2/C氧化沟内设置的圆形混合井进行充分混合后进入厌氧区。该区分为3格，每格都设有水下搅拌器 以防止污泥沉淀。经厌氧反应后的混合液进入缺氧区，并与由氧化沟 经回流 通道 进入缺氧区的回流液充分混合，进行反硝化脱氮和除磷反应。缺氧区的中间部位设导流隔墙，并在适当位置安装水下搅拌器，使该区具有良好的混合与循环条件。经厌氧、缺氧反应后的混合液流入氧化沟 进行氧化、硝化、反硝化反应，氧化沟的充氧机械采用倒伞形曝气叶轮，可根据池内DO测定仪控制调节堰出水、改变曝气叶轮浸水深度以达到调节供氧的目的。处理后的水经排出口进入二沉池沉淀，其出水中氨氮含量15 mg/L，磷含量1.0 mg/L。如果要求出水磷含量0.5 mg/L，需在工艺流程的适当位置投加混凝剂。 2. 前置厌氧池卡鲁塞尔氧化沟 图3-6的实例说明，有目的地组织卡鲁塞尔氧化沟各段的溶解氧，可具有AO法脱氮功能。对于中等以上规模的氧化沟，尚可采用多段A-O-A-O布置，使之具有更优良的硝化（碳化）-反硝化过程，从而提高碳水化合物和含氮化合物的处理效果。 由图3-4简化的图3-5的2000型卡鲁塞尔氧化沟，把前置缺氧池改作成前置厌氧池就可形成具有脱氮除磷功能的氧化沟了。图3-15表示了此种改动。同图3-11的Phoredox生物脱氮除磷工艺流程比较，前置厌氧池卡鲁塞尔氧化沟具有类似的工艺原理，只不过把前置反硝化池控制成厌氧状态。如果处理量较大，采用多沟型卡鲁塞尔氧化沟，则与Phoredox生物脱氮除磷工艺更加相似。根据这一原理，我们在山东省某城市污水处理厂某市城市污水处理厂采用了前置厌氧池卡鲁塞尔氧化沟。该厂规模为50000m3/d。进水水质为：BOD5260mg/L；CODcr480mg/L；SS280mg/L；NH3-N45mg/L；TP4mg/L。出水水质达到：BOD510mg/L；CODcr60mg/L；SS10mg/L；NH3-N5mg/L；TP1mg/L。预计提高氧化沟操作管理水平后，处理效果尚可进一步提高。前置厌氧池卡鲁塞尔氧化沟为六沟两组。每组装设氧化沟专用慢速曝气机3台。其中一组氧化沟布置如图3-16所示。 与图3-14的A2O工艺比较，前置厌氧池工艺显然简化得多。图3-15那种前置厌氧池卡鲁塞尔氧化沟能否达到A2O工艺的各种功能，关键在于工艺布置和控制。我们把图3-16改绘成图3-17予以说明。从工艺布置看，进水管与回流污泥管布置在左上角。进入后辅以搅拌推进器搅拌、推进。通过搅拌使进入的废水和回流污泥与原厌氧池水充分混合；同时推进厌氧池内流动，提高厌氧池容积效率和防止沉淀。由于进水管与回流污泥管入流方向与流动方向一致，可充分利用入流时的流速水头，可节省推流动力减少推进器功率。当厌氧池回流入氧化沟，进入1#曝气机下游富氧区（图中处）。该处的溶解氧一般大于4mg/L，然而控制点在厌氧池回流入口处。控制点的溶解氧应控制在0.2mg/L左右。对于具有推流作用的曝气机来说，对动力主要来自叶轮外缘线速度，故不能应用改变转速的办法来调整充氧量，须用改变叶轮浸没深度调整充氧量。控制点的溶解氧是由控制点溶解氧近似等于0.2mg/L决定的。在氧化沟控制点的溶解氧大于2mg/L的好氧段至控制点的趋向溶解氧近似于0.2mg/L的厌氧段，其间存在溶解氧大于0.5mg/L的好氧段和溶解氧0.50.2mg/L的缺氧段。这就形成了氧化沟第一曝气区段活性污泥的碳化、硝化和反硝化过程。接着，氧化沟水流除回流入厌氧池（35Q）外，大部分在氧化沟内循环流动。为了形成第二曝气区的缺氧段，2#曝气机的充氧量由3#曝气机上游控制点溶解氧不少于0.2mg/L来控制。由图3-17可见，氧化沟的出流堰巧妙地布置在位于3#曝气机下游的另一端的沟内三角形盲区。考虑到除磷的需要，这种布置是氧化沟最后一段曝气区可取得溶解氧大于等于2mg/L的区段，同时也是经过三段曝气区的好氧、缺氧处理的区段，是整个氧化沟处理最完整之处。此外，这种布置也充分利用的氧化沟的三角盲区，节省占地面积。由此可见，第三曝气区的控制点是出水堰处的。第二曝气区系氧化沟的的内环，它的的好氧、缺氧区段比位于外环的第一曝气区历程短，按废水水质和氧化沟构造的不同。第三曝气区由出水堰处控制点溶解氧2mg/L来控制。一般说来，各曝气机的充氧量是不相同的。为此，前置厌氧池氧化沟要求各台曝气机具有不同的充氧量。出流堰只能调节全部曝气机的充氧量，要分别调节各台曝气机的充氧量，需要有各曝气机的叶轮淹没深度的调节机构。从上述分析，前置厌氧池氧化沟可以达到A2O工艺或A2C工艺的要求，对于除磷的厌氧段与这两种工艺一致且有更好的水利特性。但反硝化部分正如前述脱氮氧化沟的特性，在名义停留时间能达到缺氧容积的要求，实际上因为氧化沟沟内流速达0.25m/s以上，整个氧化沟循环一周停留时间约30分钟左右。除磷要求在好氧状况排除剩余污泥，不但要求氧化沟混合液出流溶解氧应2mg/L