改良Carrousel氧化溝工藝處理礦區(qū)污水效果研究

王京春,田滌塵,王玉軍*,趙愛霞

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,山東泰安271018 2.泰安市城市排水管理處,山東泰安271000

改良Carrousel氧化溝工藝處理礦區(qū)污水效果研究

王京春1,田滌塵2,王玉軍1*,趙愛霞1

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,山東泰安271018 2.泰安市城市排水管理處,山東泰安271000

為研究泰安市某污水處理廠采用改良Carrousel氧化溝工藝處理礦區(qū)污水的效果，本文比較分析了該污水處理廠改造前后進出水中COD、BOD、氨氮和SS的濃度大小，并得出如下結(jié)論：改造后污水處理廠對COD、BOD、氨氮和SS的去除率分別在72.5%、65.9%、55.8%和84.6%左右，與改造前的49.1%、56.0%、6.4%和86.8%相比，除SS的去除率基本不變外，COD、BOD、氨氮的去除率均有所提高，出水整體能夠達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級B標準，即COD≤60 mg/L，BOD≤20 mg/L，SS≤20 mg/L，氨氮≤15 mg/L；氨氮去除效果與改造前相比得到明顯改善，去除率提高了49.4%。

礦區(qū)污水;Carrousel氧化溝;初沉池

我國迅速的工業(yè)化導(dǎo)致了生活和工業(yè)廢水排放的增長，加之不當?shù)沫h(huán)境規(guī)劃和管理、對基礎(chǔ)設(shè)施投入的不足，對廢水的處理已經(jīng)迫在眉睫，尤其是礦區(qū)污水。礦區(qū)污水處理效果的優(yōu)劣事關(guān)礦區(qū)周邊自然環(huán)境和社會環(huán)境的發(fā)展，如不采用合理方法進行處理，必將對周邊生態(tài)環(huán)境及居民的身體健康產(chǎn)生不利影響。目前國內(nèi)外對生活污水的處理通常采用生物處理法，生物處理方法有多種，我國礦區(qū)使用較多的是活性污泥法和生物膜法[1]。李福勤等[2]在2000年進行了礦區(qū)生活污水采用物理化學(xué)法、生物絮凝吸附法強化一級處理實驗研究；張愛青[3]、劉永磊[4]等分別研究了A/A/O法、A/O法處理礦區(qū)污水；尚少鵬，趙玉侖[5]在2003年對煤礦生活污水處理模式進行了探討，總結(jié)出采用氧化溝處理法、氧化塘處理法、污水土地處理系統(tǒng)、生物接觸氧化處理技術(shù)、活性污泥法和生物轉(zhuǎn)盤處理法處理礦區(qū)污水。

氧化溝是一種首尾相連的循環(huán)流曝氣溝渠，又名連續(xù)循環(huán)曝氣池，是活性污泥法的一種變型[6][7]。此工藝是在20世紀50年代由荷蘭衛(wèi)生工程研究所研制成功。自1954年在荷蘭首次投入使用以來，由于其出水水質(zhì)好、運行穩(wěn)定、管理方便等技術(shù)特點，已經(jīng)在國內(nèi)外廣泛的應(yīng)用于生活污水和工業(yè)廢水的治理[8]。鑒于數(shù)量龐大的中小城市在城市污水水量、水質(zhì)和經(jīng)濟發(fā)展程度等方面具有共性，根據(jù)現(xiàn)有的中小城市處理經(jīng)驗顯示，氧化溝工藝更適合被我國中小城市污水處理廠采用[9]。位于泰安市礦區(qū)的污水處理廠采用改良的Carrousel氧化溝工藝，本文采用對比法，分別以其2008年10月和2009年5月所測數(shù)據(jù)為依據(jù)，對其改造前（未加初沉池）和改造后（加初沉池）的污水水質(zhì)進行分析。對比分析COD、BOD、氨氮、SS在改造前后的去除效果，分析其變化原因，試圖從中探索規(guī)律，更好的指導(dǎo)實踐。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實驗污水以位于泰安市礦區(qū)的污水處理廠改良前后（即2008年10月和2009年5月）的進出水為實驗污水。該區(qū)城市污水為工業(yè)和生活混合污水，以工業(yè)廢水為主，進水采自粗格柵前，出水采自濾池后。

1.1.2 測定項目COD、BOD、氨氮、SS。

1.1.3 實驗儀器主要為電子分析天平、紫外可見分光光度計、COD智能回流消解儀、可見分光光度計、鼓風(fēng)干燥箱、BOD培養(yǎng)箱等。

1.1.4 工程概況

1.1.4.1 污水處理廠概況及設(shè)計要求泰安市某污水處理廠位于礦區(qū)，廠區(qū)總占地面積69269 m3，設(shè)計污水處理規(guī)模5×104m3/d，目前采用改良型Carrousel氧化溝工藝，主要處理污水處理廠附近城市污水。該區(qū)城市污水以工業(yè)廢水為主，生活污水與工業(yè)廢水約為1:2.27。該污水處理廠于2006年9月正式投入運行，原工藝未建初沉池，由于污水處理廠所在區(qū)域?qū)儆谏綎|省重要的煤礦產(chǎn)區(qū)，有很多煤礦企業(yè)，排放污水中含有煤炭顆粒等礦物成分，這些礦物的存在不利于活性污泥中微生物的生長，且容易造成構(gòu)筑物的淤積，導(dǎo)致污水處理廠出水水質(zhì)不理想。為消除污水中粉煤灰等物質(zhì)對氧化溝系統(tǒng)的影響，該廠于2008年9月底開始改造，在原基礎(chǔ)上加設(shè)初沉池，2009年1月投入運行。改造后污水處理工藝流程

見圖1，污水處理廠設(shè)計進出水水質(zhì)如表1所示，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級B標準。

表1 設(shè)計進出水水質(zhì)Table 1 Designed influent and effluent quality

圖1 工藝流程Fig.1 Technological process with improved oxidation ditch

1.1.4.2 主要處理單元及設(shè)備此污水處理廠總體工藝流程可分為：預(yù)處理工段（機械處理工段）、二級生化處理段、污泥處理段。各段處理設(shè)備如下：

（1）預(yù)處理工段污水進入生物處理之前都必須進行預(yù)處理，以保證后續(xù)處理構(gòu)筑物的穩(wěn)定運行。所謂預(yù)處理工段也就是機械處理段，包括粗格柵、進水提升泵、細格柵、旋流沉砂池、初沉池等。

a.粗格柵粗格柵渠道共兩條，在每條渠道中安裝一臺機械清污格柵，保證污水提升泵正常運行。柵條間隙20 mm，柵槽寬度1.3 m，安裝傾角75°，柵前水深1.00 m，過柵流速0.5～1.0 m/s，過柵最大水頭損失0.2 m，過水能力1459 m3/h。根據(jù)格柵前后的水位差或根據(jù)設(shè)定的時間，實現(xiàn)機械格柵的運行。

b.進水泵房進水泵房設(shè)有潛水離心泵4臺（3用1備），安裝于集水池內(nèi)，檢修時由一臺單軌吊車將泵提出集水池。為了適應(yīng)流量變化，選用1臺泵為變頻調(diào)速控制。水泵的開停由PLC根據(jù)水位自動控制。

c.細格柵間細格柵間1座，為地上式構(gòu)筑物，內(nèi)部設(shè)2條柵槽，共安裝2臺機械細格柵。柵條間隙6 mm，寬度1.0 m，柵前水深1.00 m，安裝傾角65°，過柵流速0.8 m/s，過柵最大水頭損失0.2 m。細格柵后安裝螺旋輸送脫水機1臺，槽體長度6 m，輸送量3 m3/h。在細格柵的前后均設(shè)有渠道閘門，以便于設(shè)備檢修。細格柵后安裝螺旋輸送脫水機1臺，根據(jù)液位差或定時控制，實現(xiàn)細格柵和輸送脫水機聯(lián)動運行。

d.旋流沉砂池共設(shè)2座沉砂池，單池設(shè)計流量1459 m3/h，池體直徑3.65 m。沉砂池采用氣提輸送。在沉砂池內(nèi)安裝有旋流攪拌器2臺，攪拌轉(zhuǎn)速10.2 r/min。與沉砂池配套設(shè)有1臺砂水分離器（螺旋直徑320 mm，轉(zhuǎn)速5.7 r/min），用來分離砂水混合液。

e.初次沉淀池初次沉淀池呈長方形，共2座，長32 m，寬8 m，深4.4 m。從初沉池進水井內(nèi)流來的污水經(jīng)過進水閘門，在配渠內(nèi)通過向下的淹沒孔口進入池內(nèi)，以消能穩(wěn)流。污水在初沉池內(nèi)按水平方向流過沉降區(qū)，并完成沉降過程。沉淀池末端設(shè)有帶溢流堰的集水槽，澄清水溢過堰口，經(jīng)集水槽排出。池體下部靠近進水端有集泥槽。池底以0.01的坡度坡向集泥槽。池底設(shè)有TGN-8型行車式刮泥機1臺，功率0.55 kW。當刮泥機的鏈帶由電機驅(qū)動緩慢轉(zhuǎn)動時，嵌在鏈帶上的刮泥板就將池底的沉泥向前推入集泥槽。當集泥較多時則人工操作集泥槽上方的電動抓泥斗將集泥槽內(nèi)的沉泥抓出。

（2）生物處理工段

a.厭氧池共分2組，每組長74 m，寬12 m，深4.6 m，水力停留時間3.9 h，回流污泥比100%，主要設(shè)備有潛水推進器4臺，單機功率3.1 kW。

b.氧化溝該廠生物處理工段采用卡魯塞爾氧化溝工藝，池數(shù)2個。氧化溝單池設(shè)計參數(shù)為：設(shè)計有效容積24193 m3，有效水深4.5 m，污泥濃度3.1 g/L，水力停留時間23.2 h，污泥齡15 d，污泥負荷0.06 kgBOD5/kgMLSS·d。主要設(shè)備包括FDZC7500型轉(zhuǎn)刺曝氣機16臺（單速功率30 kW，8臺；雙速功率26/32 kW，8臺）、潛水推進器8臺（單機功率4 kW）、電動調(diào)節(jié)堰門、手動調(diào)節(jié)堰門等。

c.沉淀池設(shè)置2座輻流式沉淀池完成氧化溝出水的泥水分離過程，沉淀在池底的污泥由刮、吸泥橋通過虹吸作用將污泥排入污泥泵站，回流污泥由回流污泥泵提升至氧化溝，剩余污泥泵將剩余污泥輸送至污泥處理系統(tǒng)作進一步濃縮脫水處理。二沉池單池設(shè)計參數(shù)為：平均小時流量1459 m3/h，池體直徑42 m，有效水深4.0 m，有效容積5540 m3。主要設(shè)備SSP-II45型全橋式周邊傳動刮吸泥機2臺，單機功率0.75 kW。

（3）污泥處理部分本廠污泥處理工藝僅包括污泥的濃縮與脫水，剩余污泥經(jīng)濃縮池濃縮后再進行機械脫水。采用帶式脫水機進行污泥的機械脫水。

1.2 方法

1.2.1 各水質(zhì)指標測定方法COD：重鉻酸鹽法；BOD：五日生化需氧量法；氨氮：鈉氏試劑分光光度法；SS：重量法

1.2.2 數(shù)據(jù)處理方法以時間為橫軸（以天為單位），分別以COD、BOD、氨氮、SS的進出水濃度和去除率為縱軸（以mg／L為單位），進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與討論

現(xiàn)以該污水處理廠2008年10月和2009年5月所測數(shù)據(jù)為依據(jù)，以COD、BOD、氨氮、SS為重點分析討論其改造前后的污水處理效果。

2.1COD去除效果分析

污水處理工藝對有機物的去除能力是表征工藝效能的主要指標之一，COD的大小直接反映污水中有機物含量的多少。污水處理廠改造前后對COD的去除效果見圖2。

圖2 兩種工藝對COD的去除Fig.2 Two kinds of COD removal processes

由圖2可以看出，改造前后進出水COD濃度變化都不大。改造后出水COD濃度均達《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級B標準，即COD≤60 mg/L。從COD去除率曲線可以看出，改造前COD去除效果不穩(wěn)定，變化幅度較大，COD去除率整體保持在19.1%～78.9%之間，平均去除率為49.1%；改造后COD去除率曲線較平緩，COD去除率整體穩(wěn)定在63.2%～88.9%之間，平均去除率為72.5%，去除效果較好。

這主要是因為該污水處理廠進水中含有較多的粉煤灰等大量的無機礦物成分，不但不利于后續(xù)氧化溝中微生物的生長，而且也會在Carrousel氧化溝中沉積下來形成污泥，影響Carrousel氧化溝的正常運行。改造前污水不經(jīng)初沉池直接進入氧化溝內(nèi)，雖然系統(tǒng)本身抗沖擊負荷能力較強，但整體還是受影響，污泥負荷過高，溶解氧濃度不足，排泥不暢等易引發(fā)絲狀菌性污泥膨脹，使污水處理效率降低。改造后進水先經(jīng)過初沉池，大部分無機礦物物質(zhì)被沉淀去除，為后續(xù)Carrousel氧化溝穩(wěn)定運行奠定基礎(chǔ)，COD去除率明顯提高，且趨于穩(wěn)定。

2.2BOD去除效果分析

污水處理廠改造前后對BOD的去除效果見圖3。

圖3 兩種工藝對BOD的去除Fig.3 Two kinds of BOD removal processes

由圖3可以看出，改造前后進出水BOD濃度變化不大。改造前出水BOD最大濃度為13.7 mg/L；改造后BOD濃度在8.50 mg/L左右，最大濃度為14.3 mg/L。該項目在改造前后BOD均能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級B標準，即BOD≤20 mg/L。

從BOD去除率曲線可以看出，改造前BOD去除率不穩(wěn)定，變化較大，在25.6%～75.9%之間，平均去除率為56.0%；改造后BOD去除率比較穩(wěn)定，平均去除率為65.9%，去除率曲線與進水BOD濃度曲線具有較好的一致性，這是因為BOD的去除與污水的可生化性有關(guān)，即與BOD/COD比值有關(guān)。BOD/COD比值越大，說明污水可生化性越好，即污水中可生物降解的部分占總COD比例越大。反之，BOD/COD比值越小，污水的可生化性也越低，BOD越難被微生物降解[10]。該污水處理廠進水中含有較多的無機礦物成分，氧化溝中微生物難以去除，且這些礦物的存在不利于活性污泥中微生物的正常生長。通過在污水生物處理區(qū)前增加初沉池，將大部分無機礦物物質(zhì)沉淀預(yù)先去除，使COD濃度降低，氧化溝中污水可生化性增強，BOD去除效果也會得到提高。

2.3 氨氮去除效果分析

污水處理廠改造前后對NH3-N的去除效果見圖4。

圖4 兩種工藝對NH3-N的去除Fig.4 Two kinds of NH3-N removal processes

由圖4可以看出，改造后進水氨氮濃度比改造前偏高。改造前出水氨氮濃度除個別天外，保持在3.19～45.1 mg/L之間；改造后出水氨氮平均濃度13.7 mg/L，除個別天數(shù)外，基本能夠保證達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級B標準，即氨氮≤15 mg/L。

從氨氮去除率曲線可以看出，改造前氨氮去除效果很差，甚至出水氨氮濃度要高于進水，氨氮濃度絕大多數(shù)時間不能達到標準；改造后氨氮去除率曲線與進水氨氮濃度具有較好的一致性，但去除率不穩(wěn)定，變化較大，在17.4%～99.5%之間，平均去除率為55.8%。生物處理法處理污水中氨氮主要是通過硝化過程完成，即在好氧條件下，通過亞硝酸鹽菌和硝酸鹽菌的作用，將氨氮氧化成亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮[11,12]，其影響因素主要有pH值、溫度、污泥齡、溶解氧以及BOD負荷等。結(jié)合污水處理廠實際，改造前出水氨氮濃度比進水高的原因可能與氧化溝好氧區(qū)溶解氧含量偏低有關(guān)，溶解氧含量不足，污水中被厭氧區(qū)污泥同化的氨氮可能會被重新釋放；改造后好氧區(qū)COD濃度降低，有利于硝化菌的生長繁殖[13]，進而提高氨氮去除率。為進一步提高污水氨氮去除率及出水氨氮濃度的穩(wěn)定性，建議采取以下措施：（1）提高污水pH值；當pH值為8.0～8.4時，硝化作用速度最快。該污水處理廠出水pH值在6.95～7.45之間，由于硝化過程中pH將下降，當廢水堿度不足時，可投加石灰，維持pH值在7.5以上。（2）適當提高污泥停留時間；為了維持池內(nèi)一定量的硝化菌群，污泥停留時間必須大于硝化菌的最小世代時間。（3）適當加大好氧段曝氣量或延長曝氣時間。

2.4SS去除效果分析

污水處理廠改造前后對SS的去除效果見圖5。

圖5 兩種工藝對SS的去除Fig.5 Two kinds of SS removal processes

由圖5可以看出，與改造前相比改造后進水SS濃度有所降低。改造前出水SS濃度較穩(wěn)定，平均濃度11.0 mg/L，除個別天外，其它均能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級B標準，即SS≤20 mg/L；改造后出水SS濃度在1.0～13.7 mg/L之間，平均濃度6.5 mg/L，均能達到排放標準，出水濃度較改造前變小。

從SS去除率曲線可以看出，改造前后SS去除效果均較好，且去除效果差別不大，平均去除率分別為86.8%和84.6%。這是因為：改造前，SS靠格柵、沉砂池去除一部分，進入氧化溝中的SS靠剩余污泥的排放去除；改造后，由于在氧化溝前增加了初沉池，增設(shè)的初沉池去除了部分剩余的SS。說明增設(shè)初沉池后，對污水SS去除有所提高，但效果不明顯，這可能與氧化溝系統(tǒng)本身對污水SS抗沖擊負荷能力強，去除效率高有關(guān)。

3 結(jié)論

以氧化溝工藝處理以生活污水為主的城市污水時，可不設(shè)初次沉淀池，懸浮狀有機物可在氧化溝中得到好氧穩(wěn)定。但處理礦區(qū)污水時，由于污水中含有大量的無機礦物成分，其存在不利于后續(xù)Carrousel氧化溝的正常運行，因此需要在氧化溝前增設(shè)初沉池。泰安市礦區(qū)的污水處理廠采用改良Carrousel氧化溝污水處理工藝，在氧化溝之前增設(shè)初沉池。改造前COD、BOD、氨氮和SS的平均去除率分別為49.1%、56.0%、6.4%和86.8%，氨氮去除效果較差，改造后COD、BOD、氨氮和SS的平均去除率分別為72.5%、65.9%、55.8%和84.6%，氨氮去除效果得到明顯改善。污水處理廠改造后出水COD、BOD、氨氮和SS整體能夠滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級B標準要求，該分析研究對城市污水處理廠的設(shè)計和運行具有一定的指導(dǎo)意義和實用價值。

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Study on the Effect of Improved Carrousel Oxidation Ditch Process on the Treatment of Mine Wastewater

WANG Jing-chun1,TIAN Di-chen2,WANG Yu-jun1*,ZHAO Ai-xia1
1.College of Resources and Environment,Shandong Agricultural University,Tai′an 271018,China 2.Tai'an Urban Drainage Administration Office,Tai'an 271000,China

In order to study the wastewater treatment in mining area in Tai'an which used the improved Carrousel oxidation ditch process in a wastewater treatment plant,this paper compared and analyzed the concentration size of COD,BOD, NH3-N and SS before and after the sewage treatment plant improvement.And the paper drawn the following conclusions: after the sewage treatment plant using the improved sewage treatment process,the removal rate of COD、BOD、NH3-N and SS changed from 49.1%,56.0%,6.4%,86.8%to 72.5%,65.9%,55.8%,84.6%.The removal rate of SS remained unchanged basically.The removal efficiency of COD,BOD and NH3-N were improved.The effluent can reach the level of B standard of "town sewage treatment plant pollutant discharge standard"(GB18918-2002)on the whole,which is COD≤60 mg/L, BOD≤20 mg/L,SS≤20 mg/L,NH3-N≤15 mg/L.And the removal effect of NH3-N has changed obviously which removal rate increased by 49.4%.

Sewage in mining area;Carrousel oxidation ditch;primary settling tank

X703

A

1000-2324(2014)03-0437-06

2011-11-01

2012-03-14

王京春(1988-),女,碩士研究生,研究方向為水污染控制工程.E-mail:wjchungood@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:wangyj@sdau.edu.cn