胡大鏘
（國家電力公司華東勘測設計研究院，浙江杭州 310014）

　　摘　要：對Corrousel氧化溝脫氮除磷工藝的影響因素及設計參數的計算進行了較詳盡的闡述，針對氧化溝工藝的特性提出了一整套與進、出水水質密切相關的計算方法。通過對工程實例的設計比較提出了優化工藝的建議。
　　關鍵詞：前置反硝化；同步反硝化；碳源；污泥齡；污泥產率；硝化速率
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)09-0061-04

　　最近，筆者有幸拜讀了《中國給水排水》2002年第1期中刊登的文章——Carrousel氧化溝的脫氮除磷工藝設計(以下簡稱引文)，引起了許多思考。
　　Corrousel氧化溝工藝設計中所涉及的主要參數是：硝化速率、各反應單元的污泥齡及總污泥齡、反硝化速率或能力、污泥產率、污泥負荷、污泥回流比、最大除磷能力、異養菌體比例、活性污泥濃度、活性污泥需氧量、去除BOD₅需氧量等。對以上參數計算得正確與否將直接影響設計精度及碳化、脫氮除磷的效果。?

1 生物除磷脫氮

1.1 影響生物除磷效果的因素
1.1.1 污泥齡
　　經研究發現，影響除磷效果的因素之一是活性污泥中聚磷菌的含量及其對磷的吸收能力，當總污泥齡為8～10d時活性污泥中的最大磷含量為其干污泥量的4%，為異養菌體質量的11%，但當污泥齡超過15d時污泥中最大含磷量明顯下降，反而達不到最大除磷效果。因此，一味延長污泥齡(例如20d、25d、30d)是沒有必要的，宜在8～15d范圍內選用，最終應以各反應階段污泥齡的計算公式進行校核，當兩者接近時說明假定是合理的，反之則需重新假定，直至結果相近為止。除磷效果與異養菌體質量和污泥齡、BOD₅去除的關系可用下式表示：?

?　　　　　　　P₀-P_e=0.11ZaL_C0·η(1-e^-0.24tST)　　　(1)?
　　式中 P₀-P_e——進、出水磷濃度之差，mg/L
?　　　L_C0、η——分別為進水BOD₅濃度及其去除率，mg /L、%
　　　　t_ST——污泥齡，d?
　　　?a——污泥產率，kg TS/kg BOD₅?
?　　　a=0.6(TS₀/BOD₅+1)-0.072×0.60×1.072^(T-15)／［1/t_ST+0.08×1.072(T-15)］　　　　(2)?
　　式中　Z——活性污泥中異養菌體重量所占比例，%
?　　　　Z=［B-B²-8.33N_s·1.072^(T-15)］^0.5　　　　　　　　　(3)?
　　　　?B=0.555+4.167(1+TS₀/BOD₅)Ns×1.072^(T-15)?　　　　(4)?
　　式中 ?Ns——BOD₅—SS負荷，kgBOD₅/(kgMLSS·d)
　　　　　　　　　N_s=1/a·t_ST　　　　　　　　　(5)?
　　式中 ?TS₀——進水中懸浮固體濃度，mg/L
　　顯而易見除磷效果與多項因素有關，決非為假定厭氧區HRT=1.5 h那樣輕而易舉可以確定的，且污泥產率也受多項因子的制約，不同的進水水質及污泥齡和水溫得出的污泥產率不同，因此不是簡單地假定a=0.6所能概括的。
1.1.2 硝酸鹽及基質濃度
　　前置厭氧池有利于聚磷菌對污水中易于降解的有機基質的儲備和對磷的釋放，加強了在好氧條件下對污水中磷的吸收。
　　研究同時發現，未進行反硝化或反硝化不充分的高濃度NO₃-N的存在將阻礙對磷的釋放，聚磷菌將直接利用有機酸呼吸，由其他異養細菌降解有機物，其關系式為：

?　P_F=［a₀LC₀-2.9(NO₃-Np)］f/(1+Rp)　　(6)?
?　Ｐ₀-P_e=1.55e^0.2038PF?　　(7)?

　　式中　PF——當有NO₃-N存在時所能除磷的期望值
　　　　　NO₃-Np——[ZK(]進入厭氧池的NO₃-N濃度，mg/L
　　　　　NO₃-Np=(NO₃-N)0+(NO₃-N)e·Rp　　　　(8)?
　　式中(NO₃-N)_０、(NO₃-N)e——分別為進、出水中的NO₃-N濃度，mg/L
　　　　?f——容積比系數，%
　　　　?f=Vp/(Vp+Ｖn+Va)　　　(9)?
　　式中　Vp、Vn、Va——分別為厭氧區、缺氧區、好氧區反應池容積，m³
　　　　　Rp——至厭氧區之污泥回流比，%?
?　　　　a₀——進水中易降解BOD₅所占比例，
?　　　　a₀=0.30
　　從上述公式可知，在低基質污水、高NO₃-N及高污泥回流比的條件下，為達到同等除磷效果必須通過加大厭氧區容積的措施予以解決，因而隨意確定厭氧區的HRT(例如1.0 h、1.5 h等)將事與愿違。
1.2 影響生物脫氮效果的因素
1.2.1 DO
　　盡管人們對好氧區中伴隨反硝化作用的發生具有濃厚的興趣，但并不認為當好氧區的DO達2～4mg/L時以及在強烈的空氣擾動下阻礙活性污泥絮體直徑的增大也會帶來反硝化作用。同時研究結果表明，當好氧區DO保持在0.5～0.7mg/L時才會產生有限的反硝化作用(總氮去除率達65%左右)。這一發現與以往的研究成果一致，即活性污泥在DO存在時異養細菌將優先利用DO作為最終電子受體，只有在缺氧環境中(僅有NO₃^-存在時)才有可能利用NO₃^-被降解時釋放出的氧來降解有機物。
　　 因A²/O系統大量的內回流而導致缺氧區DO增高影響脫氮效果的事實已被大家認同。因此，在前置缺氧區的氧化溝內設置適當的(不宜過大)反硝化段(見圖1)以預先削減來自好氧段的DO，再以無動力回流至前置缺氧區是必要的。

1.2.2 碳源及硝酸鹽含量
　　當有足夠的碳源存在時(前置反硝化)脫氮反應過程迅速，所需反硝化容積小；但當內源呼吸時(同步反硝化)脫氮反應過程緩慢，所需反硝化容積大，其關系可用增速系數K=［Vn/(Va+Vn)］-0.235表示。
　　從有機物的降解反應和活性污泥的脫氮反應式可以看出，需反硝化的NO₃-越多所需碳源越多；反之，如果需反硝化的NO₃^-濃度高，則必須供給足夠的碳源，而若碳源不足則會影響反硝化能力。為達到設計脫氮量，在不另加碳源的情況下，在有限的范圍內可加大反硝化容積來解決(反硝化速度決不單是水溫的函數)，其關系可用下式表示：
[NO₃-N_n］/[BODs］=0.75×0.80Oc／2.9 ×(V_n/V_a+V_n)　　　(10)?
　　或：
　　　　［NO₃-Nn］／［BOD₅］=（0.75×0.80×Oc／2.9]×(VnVa+Vn)^0.765　　　(11)?
　　式中［NO₃-Nn］／［BOD₅］——反硝化能力，kg(NO₃-N)/kg BOD₅
?　　　　Oc——BODs去除需氧量，kgO₂/(kg BOD₅·d)
　　式(10)適用于同步反硝化，式(11)適用于前置反硝化。?
?　　　　　Oc=OR/Ns　　　(12)?
　　式中 ?OR——單位活性污泥需氧量，kgO2/(kgMLSS·d)
?　　　　O_R=0.5η·Nv+0.24Z·MLSS·1.072^(T-15)?　　　(13)?
　　式中?Nv——ＢＯＤ₅容積負荷，kgBOD₅/(m³·d)
?　　　　NO₃Nn——能提供給反硝化區的硝酸鹽濃度，mg/L
　　　　　NO₃-Nn=TN0-TNe-Nus-Nes?　　　(14)?
　　式中 TN0、TNe——分別為進、出水中總氮濃度，mg/L
?　　　　Nus、Nes——分別為排出剩余污泥中氮合成濃度和出水懸浮濃度中含氮量，mg/L
　　　　　?Nus=0.125aZ(L_c0-Lr)　　　(15)?
?　　　　　Nes=0.125Z·Lse?　　　　　(16)?
　　式中 ?LC0、Lse——分別為出水中BOD₅懸浮物濃度，mg/L
?　　　　　Lr=Lce=ZLse·1.42(1-e^-k1^t)　　　　(17) ?
1.3 影響好氧硝化效果的因素
1.3.1 硝化速率與水溫、堿度關系
　　研究表明，硝化速率不僅是污水水溫的單一函數，且受DO、堿度的影響。通常情況下硝化反應池內保持DO在2mg/L左右是可以實現的，不會對硝化速率產生明顯的影響，主要問題是當進水溫度＜20℃、堿度低(pH＜8.0～8.4)時將會對硝化速率構成影響，其關系可用下式表示：?
?　　　　　μn(T·pH)=［μ_max(20℃)·10^0.033(T-20)］^／［1+0.04(10^pH0^-pH-1)］　　　　　　(18)?
　　式中 ?μmax(20℃)——當水溫為20℃時的最大硝化速率，d^-1；取μ_max(20℃)=0.3～0.4d-1?
　　　　　　pH、pH₀——分別為進水和最佳酸堿度，當pH0=8.0～8.4時μ_max(pH0)=1d^-1
　　按式(18)計算的硝化速率即為設計采用值，無需按假定的污泥齡推算硝化速率，以避免假定不合理而產生任意性。
1.3.2 硝化污泥齡及NH₃-N與硝化速率的關系
　　通常當硝化速率確定之后取其倒數作為硝化污泥齡似乎是合理的，但由于目前均采用單一水溫函數關系推求μn，一旦不能滿足設計者的要求時，甚至會出現以穩定污泥為理由無限加大污泥齡(例如25、30d等)的問題，這將意味著無限制地增大氧化溝好氧區容積，故推薦采用下列公式推算硝化污泥齡：
　　　　?E=1-[10^0.051T-1.156／(NH₃-N)₀［t_SN·μ n(T·pH)-1］　　　　(19)?
　　式中　t_SN——硝化污泥齡，d?
?　　　　E——NH₃-N去除率，%?
　　　　　(NH₃-N)₀——進水中NH₃-N濃度，mg/L

2 反應池容積計算

　　以生物除磷脫氮為目標的反應池包括厭氧池、缺氧池和好氧池三部分(或區)，為便于比較，本文也按兩個缺氧區計算：一部分(完成80%的反硝化)設在氧化溝的后段，該部分容積按同步反硝化方法計算；另一部分(完成20%的反硝化)設在厭氧池之后，該部分容積按前置反硝化方式計算。各區段所需污泥齡與相應階段容積比的關系可用以下聯合公式表示：

　　　　t_SR=t_SN·［（Vn+Va）／Va]　　　　 　　　　　　　　　　(20)?
?　　　t_SP=tSR·［（Vn+Va+VP）／（Vn+Va）］　　　　　(21)?
?　　　t_ST=t_SP·［（Vn+Va+Vp+Vd）／（Vn+Va+Vp）］　　　(22)?
　　式中 tSN、tSR、tSP、tST——分別為硝化、反硝化、厭氧階段污泥齡及總污泥齡，d
?　　　　　　　　　　　　Vd——二沉池容積，m³；HRT≤3.0 h?
　　氧化溝好氧區容積也可按下式計算：?
?　　　　Va=［KaQ(L_C0-Ｌr)／(N_s·MLSS)]　　　　　 (23)
　　式中 ?Q——處理污水量，m³/d?
?　　　　 K——變化系數

3 工程算例

　　為便于比較，設計基本條件及工藝同引文。處理水量Q=15000m³/d(不考慮變化系數)，進、出水水質見表1。

表1 　 進、出水水質 項 目 COD(mg/L) BOD₅(mg/L) SS(mg/L) TKN (mg/L) TP(mg/L) NH₃-N(mg/L) NO₃-N(mg/L) pH 水溫(℃) 進水 300 150 200 30 4.0 　 　 7.0 15 出水 60 20 20 　 1.0 5.0 10.0 6-9 　

　　設計參數及結果見表2。 表2 設計參數及結果 設計參數 引 文 本 文 結 果 來 源 結 果 來 源 硝化速率μ(d^-1) 0.04 假定 0.129 式(18) 總污泥齡t_ST(d) 25 假定 15 式(22) 污泥負荷Ｎs［kgBOD₅/(kgVSS·d)］ 0.15 推算 0.093 式(5) MLSS(mg/L) 4 000 設定 4 000 設定 污泥產率a(kgTS/kgBOD₅) 0.60 假定 0.946 式(2 剩余污泥產量(kgTS/d) 585 推算 1 915.65 　 反硝化速率［kgNO₃-N/kgVSS·d］ 0.013 6 推算 　 　 NO₃-Nn(kg/d)合計
其中，氧化溝(80%)
前置缺氧池(20%) 153 推算 145.4 式(14) 122.4 　 116.3 　 30.6 　 29.1 　 厭氧池污泥回流比Ｒ_P(%) 100 按好氧推算 60 設定 硝化污泥齡t_SN(d) 　 　 8.2 式(19) 異養菌體比例Ｚ(%) 　 　 0.288 式(3) BOD₅去除需氧量Oc［kgO₂/(kgBOD₅·d］ 　 　 1.421 式(12) 活性污泥需氧量OR(mg/L) 　 　 0.398 式(13) 厭氧池NO₃-NP(mg/L) 　 　 6.0 式(8) 除磷期望值PF(mg/L) 　 　 3.25 式(6) Vn/(Va+Vn)同步反硝化 　 　 0.176 式(10) Vn/(Va+Vn)前置反硝化 　 　 0.016 8 式(11) Vp/(Vn+Va+Vp) 　 　 0.190 式(6)、(7)、(9) 反硝化污泥齡t_SR(d) 　 　 10.1 式(20) 厭氧污泥齡t_SP(d) 　 　 12.5 式(21) 氧化溝總容積(m³)
其中，好氧區容積Va(m³)
缺氧區容積Vn(m³) 7857
4 643
3 214 推算 8 302
6 841
1 461 式(23)
式(10)、(20) 前置缺氧池容積(m³) 1 221 　 117 式(11)、(21) 厭氧池容積Vp(m³) 938 ＨＲＴ＝1.5h 1975 式(6)、(9)

4 工藝設計優化及討論

　　從表2可知，引文中總有效反應池容積為10016m³(HRT=16.0h)，本文為10394m³(HRT=16.6h)，即總反應池容積比較接近，但從各功能反應區的容積來看則差別甚大，從而可能導致好氧硝化、厭氧釋磷不徹底(容積偏小)，且大大超出了脫氮所需的缺氧池容積，因而增加了不必要的投資。為避免此種結果的發生，提出以下幾點改進建議：
　　① 宜按照本文提出的公式，緊密結合進、出水質進行各項設計參數的計算，防止假定的任意性；
　　② 要使厭氧池容積減小，一是要盡可能降低排放水中NO₃-N濃度，二是防止過多的污泥回流至厭氧池；
　　③ 如果在氧化溝內不設反硝化段，或者只承擔反硝化的20%，將80%改由前置缺氧池承擔以得到充足的碳源，進一步減少缺氧池容積則有利于降低出水NO₃-N濃度；
　　④ 可將圖1工藝改為60%的污泥回流至厭氧池，40%回流至缺氧池，這樣既可同時滿足厭氧、好氧段對活性污泥的需求，又能達到預期的處理效果；
　　⑤ 將表面曝氣機改為轉碟曝氣機，以提高溶氧效率和有效水深，并減小占地面積。

　　電　　話：(0571)88072824×6910
　　收稿日期：2002-04-23