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改性Carrousel氧化沟工艺生物学和水文参数的变化及其脱氮优化
张智1, 2, 李柏林1, 2, 相欣奕2, 3, 张驰1, 2, 柴华1, 2
1.重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆400045;
2.重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆400045;
3.西南大学地理科学学院，重庆400715
copy;中南大学出版社和Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012
摘要：为了增强氮的去除，在重庆市京口污水处理厂进行了氧化沟的研究，并系统监测卡鲁塞尔的生物和水文参数，同步硝化反硝化（SND）的可行性研究。监测并分析氧化沟中控制SND的主要因素，如水流流速、溶解氧浓度和混合液悬浮固体（MLSS）等参数的变化和分布。结果表明：曝气轮的运行状况对流速、DO和MLSS的尺度分布有明显影响。当所有四个曝气轮都在运行时，DO和流速都较高，并且混合液悬浮固体的浓度也是充足的。当有三个曝气轮同时运行时，大部分底部区域的流速足以满足无沉积的基本要求，厌氧区和好氧区可同时存在于一个氧化沟中，这有利于硝化和反硝化的过程。根据优化条件下生化反应的不同功能区的流速、溶解氧和可溶组份的空间分布特征定义了卡鲁塞尔氧化沟系统，这可能有助于卡鲁塞尔氧化沟中同步硝化反硝化的优化控制。
关键词：卡鲁塞尔氧化沟; 流速; 溶解氧（DO）; 混合液悬浮固体（MLSS）; 同时
硝化反硝化（SND）
1简介
氧化沟系统起源于荷兰，具有操作简单，易于管理，操作方式灵活等优点，已在世界范围内得到广泛应用和研究[1]。
典型的氧化沟由一些垂直通道和弯曲通道组成，水面曝气轮和水下活塞流设备共同用于实现活塞流和氧气供应的功能，作为氧化沟中流动模式和溶解氧的不均匀空间分布的来源[2]。它为同步硝化和反硝化（SND）过程提供了良好的发生条件[3-4]，但也可能导致沉积问题。 协调这两个方面的关系对于实现氧化沟系统的稳定运行和提高氮的去除起着重要作用。
一些学者研究了氧化沟的流动模式、溶解氧的分布特征和同步硝化反硝化。杨等人[5]和罗等人[6]利用监测和数值模拟的方法研究了集成氧化沟流动模式的特点，并提出了流量分配优化和沉积问题校正的研究。HELEN等人[7]利用动量计算和分析曝气轮运行方式对流态和溶解氧分布的影响，建立了氧化沟数值模型。杨等人[8-9]建立了氧化沟流动模式和溶解氧分布模型，提出了曝气轮和水下螺旋桨的最佳运行方式。通过他们的工作，提高了系统的脱氮效率，实现了稳定达到排放标准和节能的目标。刘等人[10]在氧化沟的小型试验系统和氧化沟的先导系统中研究了溶解氧，进水负荷与SND之间的关系，得到了最佳运行方式。 研究表明，通过调节曝气设备和活塞流设备的运行方式，可以优化氧化沟中的流动模式和溶解氧分布，从而促进SND过程，提高脱氮效果，修正沉积问题。
曝气设备和活塞流设备的运行方式不仅会影响溶解氧的流速和空间分布，还会影响氧化沟的其他特征参数（如污泥浓度，可溶性成分）。 这些特征参数相互作用，与SND过程密切相关。目前的研究工作致力于研究特征参数分布的关系及其对氧化沟中SND过程的影响。
此外，如何通过调节氧化沟特征参数的分布来控制微环境，从而在考虑进水影响的情况下提高SND的效率和SND过程的动力学是目前研究的重点。
在这项工作中，以中国重庆京口污水处理厂改良的Carrousel氧化沟系统为例。 对氧化沟系统的SND过程及沟渠内各特征参数（流速，污泥浓度，溶解氧和溶解组分）的分布和变化进行了分析。研究了特征参数对SND过程影响的机理以及有利于SND过程的发生条件，分析了提高氧化沟中脱氮功能的对策。
2材料与方法
2.1污水处理厂概况
改造后的Carrousel氧化沟工艺在重庆京口污水处理厂(WWTP)运行，单池设计水量为1万m3/d。出水水质应符合《城市污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级 B级标准。污水处理厂布置图如图1所示。Carrousel氧化沟的设备参数如表1所示。
表1 Carrousel氧化沟的设备参数
2.2实验方法
通过对氧化沟不同工况下的流速、溶解氧、污泥浓度和溶解组分分布的监测分析，研究了氧化沟内特征参数的变化，并在此基础上，在氧化沟里面划分了生化反应的不同功能区域。此外,研究了同时硝化反硝化(SND)工艺实现脱氮过程的有利条件。
氧化沟沟槽特征参数监测断面如图1所示，各断面监测点分布如图2所示。表2列出了两种不同的测试条件。
图1改造后的Carrousel氧化沟流速监测断面布置及分布图
图2监测点分布图（单位：mm）
表2 Carrousel氧化沟的运行条件
3.结果与讨论
3.1氧化沟中的流速分布
流速的变化对氧化沟的脱氮过程有一定的影响，以其活塞流效应和流速作为控制总氮去除效率的变量[11]。 流速不仅会影响污泥沉积，而且还影响氧化沟的水力循环时间、好氧和缺氧环境停留时间的比例、溶解氧、有机质以及污泥浓度的分布。 此外，流速也直接反映了沟道内的扰动程度，直接反映了污泥絮状物的形状和大小，是氧化沟中SND过程发生的关键因素。
从图3可以看出，氧化沟的流速受曝气和空间位置的变化影响很大，工作条件2下沟槽的平均速度（0.140 m / s）（打开四个曝气轮） ）高于条件1中的平均速度（0.124 m / s）（运行中有三个曝气轮）。水平和垂直方向的速度变化也很明显，底部，中部，上部的平均速度分别为0.172,0.122和0.127 m / s，显着高于条件1下的数值（0.150,0.106和0.115 m / s）。在这两种操作条件下，第一拐角（3断面导流墙外侧、4断面内侧）和11断面内侧的流速较低，有污泥沉积迹象。总的来说，氧化沟两个工作条件下大部分区域的流速在0.1-0.2 m / s范围内，底部大部分区域的流速基本满足无沉积流速的要求（0.15 m / s [12]）。运行条件1的功率密度（18.87 W / m3）小于运行条件2（24.38 W / m3），能耗较低。
氧化沟流速越低，SND[11]的脱氮效果越好。在工况2下存在较高的流速区，不仅浪费了能量，而且导致沟槽内有机物和溶解氧浓度分布均匀，这使得好氧和缺氧交替循环时间缩短，不利于SND过程的发生。因此，在满足曝气要求和减少污泥淤积的前提下，应尽量减少开放式曝气轮的数量，以促进氧化沟SND工艺的发生。
图3流速的空间分布：（a）条件1; （b）条件2
3.2混合液悬浮物（MLSS）在氧化沟中的分布
活性污泥絮体的大小是影响SND工艺的重要因素。通常，活性污泥絮体的尺寸为20minus;2000mu;m[13]。当活性污泥絮体尺寸为50-110mu;m时，可获得高效的SND工艺，而絮体尺寸大多在60-80mu;m及以上[14]。在相同条件下，污泥浓度越高，污泥的扰动越小，越有利于形成较大的活性絮体，有利于SND过程。
由图4可知，当四个曝气轮运行时（工况2），MLSS在长度、宽度和深度上的变化都比较小，整个沟道的混合程度较高，说明扰动较大时，形成大尺寸污泥絮体的比例会减少。当打开三个曝气轮（操作条件1）时，沿流动路径和垂直方向的MLSS的变化较大，例如1-4横截面，并且相邻的两个垂直层之间的MLSS差异大于1克/升。 沟内污泥混合程度变差，但扰动较小，更有利于大颗粒絮体的形成，可能会促进SND过程的发生。
考虑到不同的进水量，通过增加污泥浓度和减少开口曝气轮的数量，可以减少沟槽的扰动，这更有利于SND过程的发生。 然而，污泥浓度的增加也会导致污泥沉积或加剧沉积问题。 在实际操作中，需要综合考虑各种因素并确定合适的污泥浓度。
图4沿走廊的MLSS变化：（a）条件1; （b）条件2
3.3氧化沟中溶解氧（DO）的分布
溶解氧是控制氧化沟中SND过程发生的最重要参数，可直接影响好氧 - 缺氧区的变化和空间分布的比例。控制相对低浓度的溶解氧更有利于絮体体内好氧和缺氧环境的形成[15-16]，从而为SND的发生创造了条件。
从图5中可以看出，当通过曝气轮实现混合时，溶解氧浓度增加。当水流远离下游的曝气轮时，溶解氧浓度降低，但曝气轮对上游的溶解氧浓度影响很小。研究表明，SND过程仅在c（DO）lt;0.8 mg / L时发生[17]。随着四个曝气轮的运行，沟槽中完全溶解的氧浓度一般大于2.5 mg / L，好氧状态几乎处于最佳状态，SND状态被破坏。在三个曝气轮运行的情况下，氧化沟沟槽中的溶解氧浓度大致在0.5-1.5mg / L的范围内，这表明沿流动方向的分布不均匀并形成大的区域缺氧 - 好氧交替区，为SND过程的发生创造了理想条件。
图5沿走廊的DO变化：（a）条件1; （b）条件2
3.4氧化沟中可溶性成分的分布
根据传统脱氮理论[18]，认为硝化反硝化过程的溶解氧条件是矛盾的。反应器内溶解氧浓度越高，越有利于硝化过程。但是，在低溶氧条件下，硝化细菌的生长速率较低。在此条件下，溶解氧浓度越低，越有利于反硝化过程。因此，在同步硝化反硝化过程中，应优化溶解氧的供给。由图6（a）可知，在运行工况1下，随着硝化过程的推进，NH4 浓度逐渐降低。到氧化沟系统（第8-13节）结束时，下降趋势放缓。这表明硝化作用几乎完成（NH4 浓度倾向于2 mg/l），而没有被抑制。从图6（b）可以看出，在运行工况1下，沿流动方向，TN浓度下降。在一些低溶解氧区域，如第1-4段、第6-7段和外沟下部，反硝化细菌以水中有机物为碳源，以硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体，将硝酸盐氮还原为气态氮，完成反硝化过程。在氧化沟系统的末端（第8-13节），下降趋势放缓。说明反硝化基本完成（TN浓度趋于6mg/L）。
从图中可以看出。 如图6（c）和6（d）所示，在操作条件2下，在循环水稀释的影响下，氧化沟前的TN浓度明显降低。 随着水的流动，TN和NOx浓度基本上是没有变化，表明氧化沟系统中基本没有反硝化作用。 结果证明高溶解氧浓度对SND具有破坏性。
图6 NH4 （a），TN（（b）和（d））和沿走廊的NOx（c）变化：（a）条件1; （b）条件1; （c）条件2; （d）条件2
3.5功能区划分氧化沟生化反应
在表面曝气氧化沟系统中，溶解氧的不均匀分布导致了三维好氧和缺氧情况的共存。 污染物浓度的分布被认为是流动和生化反应的结果。 根据溶解氧和可溶性组分的空间分布，认为氧化沟的通道可以从生化反应的角度划分为几个不同的功能区。 详细划分如下所示。
1）第1-4节
这些区域的流速处于较低的一侧（平均流速为0.10 m/s）。除第一段顶部的溶解氧浓度较高（1.25 mg/l）外，其他区域的溶解氧浓度大多处于范围0.4~0.9mg/L内，因此，第一段顶部应定义为硝化反应区，其他区域应定义为反硝化反应区。
2）第5节
废水从第4部分流向第5部分。在此过程中，DO浓度随着曝气轮C和导向板的操作而增加。 最后，第5部分顶部，中部和底部的DO浓度分别为1.4,0.9和0.5 mg / L. 因此，第5部分的顶部应定义为硝化反应区，而第5部分的中部和底部应定义为反硝化反应区。
3）第6-7节
DO集中在这些区域的低侧（DO浓度范围为0.3至0.9 mg / L），因此这些区域可定义为反硝化反应区。
4）第8-10节
这些区域的流速偏高（平均流速为0.15 m / s），曝气轮A的作用下DO浓度增加。因此，这些区域可定义为硝化反应区。
5）第11-13节
从这些部分的顶部到底部，DO浓度逐渐降低。因此，这些区域的顶部和中部可以定义为硝化反应区，底部定义为反硝化反应区。
在操作条件1下，当三个曝气轮运行时，一个氧化沟中可同时出现厌氧区和好氧区，这有利于SND过程的进行。
卡鲁塞尔氧化沟系统中生化反应功能区的划分，可为卡鲁塞尔氧化沟的优化控制和SND提供理论依据。
3.6 DO的环境稳定性
污水处理是一个动态变化的过程，即使在一天之内，污水的数量和质量都有较大的波动。居民用水量、降雨量等因素引起了不同季节的变化。在低温时期(冬季)，由于用水量和降雨量的减少，导致了较高的进水浓度和波动。相反，在高温时期(夏季)，更多的水消耗和降雨导致了较低的进水浓度和波动。
稀释缓冲的能力使氧化沟系统具有较高的抗冲击负荷能力。由于进水波动小，DO浓度在一天内无明显变化。从图7可以看出，第9节的DO浓度在高温时期为1.08 ~ 1.63 mg/L。相反，随着流量波动较大，DO浓度在一天内发生显著变化。一天中某一时刻DO浓度偏高，使整个氧化沟成为完全好氧区。一天中其他时间DO浓度较低，使整个氧化沟成为完全的缺氧区。由于这些变化，氧化沟内SND过程不能同时稳定发生。因此，在强化SND控制技术中，在确定控制策略时应综合考虑进水负荷、曝气条件、反应过程等因素。
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资料编号：[1887]
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