卡魯塞爾2000型氧化溝生物除磷的效果分析

郝曉光

(太原市城市排水管理中心,山西 太原 030021)

某市污水處理廠采用的工藝為卡魯塞爾2000型及2000改進(jìn)型氧化溝,工藝流程為:粗格柵→污水提升泵→細(xì)格柵→旋流沉砂池→卡魯賽爾2000/改進(jìn)型氧化溝→二沉池→高效沉淀池→轉(zhuǎn)盤(pán)過(guò)濾→接觸池出水。

污水廠在2021年5月—6月期間,根據(jù)化驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),二沉池出水總磷能穩(wěn)定在0.5 mg/L以下,達(dá)到了國(guó)家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)?？梢缘贸鲈诖似陂g的除磷效果主要來(lái)自于氧化溝的生化作用。

污水廠進(jìn)水總磷約為7 mg/L～8 mg/L,按傳統(tǒng)理論的生物除磷的效率70%計(jì),生物段出水應(yīng)在2 mg/L～3 mg/L之間。從2020年和2021年1月—3月份的運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看,與這個(gè)結(jié)論大致相符,說(shuō)明某市污水處理廠生物處理除磷的作用效果是符合現(xiàn)階段的理論結(jié)果的。

但是在2021年的5月以后出現(xiàn)的二沉池出水總磷達(dá)標(biāo),從傳統(tǒng)的除磷理論難以解釋,為了進(jìn)一步分析生物除磷的效果,從2021年6月22日到7月28日,開(kāi)展了污水處理廠的生物階段除磷的實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

1)通過(guò)一系列的化驗(yàn)和數(shù)據(jù),對(duì)生物處理的各個(gè)工藝階段總磷的去除降解情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,探尋在系統(tǒng)沒(méi)有投加化學(xué)除磷藥劑的情況下,總磷達(dá)標(biāo)的具體原因和環(huán)節(jié)。2)針對(duì)三種生物除磷的途徑,在生物反應(yīng)的主要構(gòu)筑物卡魯賽爾2000型(改良型)氧化溝內(nèi),進(jìn)行總磷的數(shù)據(jù)檢測(cè),觀察在各個(gè)功能性區(qū)域內(nèi)總磷數(shù)值的變化,尋找總磷去除的主要位置和階段。3)通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段生物除磷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1],尋找規(guī)律及重現(xiàn)的可能性,尋找生物除磷的最佳工況和工藝運(yùn)行參數(shù),建立除磷工藝的數(shù)據(jù)體系,為摸索和建立可實(shí)際操作的工藝調(diào)控措施提供依據(jù)。4)在現(xiàn)有的條件下,通過(guò)工藝調(diào)控手段最大程度的重現(xiàn)該階段總磷達(dá)標(biāo)工況,有效利用氧化溝的微生物處理能力,充分發(fā)揮其生物除磷作用,從而降低后續(xù)深度處理加藥成本,降低運(yùn)行費(fèi)用。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 取樣點(diǎn)原因分析

該污水處理廠的生物處理段為卡魯塞爾2000和卡魯塞爾改良型氧化溝,其中2000型為1號(hào)、2號(hào)溝,改良型為3號(hào)溝,根據(jù)現(xiàn)階段工藝調(diào)控,估算為1號(hào)、2號(hào)溝處理水量在1萬(wàn)m3/d～2萬(wàn)m3/d,3號(hào)溝處理水量為2萬(wàn)m3/d～3萬(wàn)m3/d。3號(hào)溝承擔(dān)了一半以上的處理負(fù)荷。因此在實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施過(guò)程中,對(duì)3號(hào)的化驗(yàn)要求是每次化驗(yàn)都要進(jìn)行,1號(hào)、2號(hào)溝初期化驗(yàn)(1周)期間全部化驗(yàn),中后期每次化驗(yàn)輪換單取某一條溝進(jìn)行化驗(yàn)。

聚磷菌的作用是在厭氧環(huán)境下釋放磷,在好氧環(huán)境下吸收磷[2],作用機(jī)理是:對(duì)生存環(huán)境有嚴(yán)格厭氧和好氧的需求,該污水處理廠的卡魯賽爾氧化溝有前置選擇區(qū),作為厭氧環(huán)境,在氧化溝內(nèi)有好氧缺氧的交替環(huán)境,為聚磷菌的反應(yīng)提供了有利的生存環(huán)境[3],因此實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì),針對(duì)不同的氧氣提供段設(shè)置取樣點(diǎn),進(jìn)行總磷的化驗(yàn)分析,研究總磷的去除效果。同時(shí)聚磷菌過(guò)量聚集的磷會(huì)隨著剩余污泥排出系統(tǒng)外,因此在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,對(duì)剩余污泥的排放處,污泥調(diào)節(jié)池上清液,污泥脫水機(jī)房也做了取樣設(shè)計(jì)點(diǎn)位。

2.2 取樣點(diǎn)分布及化驗(yàn)頻次

根據(jù)卡魯塞爾氧化溝工藝各段在生物除磷脫氮的作用不同[4],在各個(gè)工藝段設(shè)置取樣點(diǎn),詳細(xì)取樣點(diǎn)及每周化驗(yàn)頻次見(jiàn)表1。

表1 取樣點(diǎn)位及化驗(yàn)頻次

其中氧化溝內(nèi)總磷化驗(yàn)取混合液,沉淀30 min后,取上清液化驗(yàn),污泥泥餅采用磨碎后溶解過(guò)濾進(jìn)行總磷化驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

經(jīng)過(guò)6月22日—6月24日的第一周的化驗(yàn)分析,看到除磷數(shù)據(jù)有明顯的變化趨勢(shì),其中在好氧段有非常強(qiáng)的過(guò)量吸磷作用,為了深入的檢測(cè)好氧過(guò)量吸磷的作用,第二周6月28日—6月30日在好氧段增加一個(gè)取樣點(diǎn),通過(guò)一周的污泥化驗(yàn)準(zhǔn)備,第二周開(kāi)始對(duì)污泥泥餅、污泥脫水機(jī)上清液進(jìn)行總磷的化驗(yàn),為了更進(jìn)一步的檢驗(yàn)污水中總磷的最終去向,對(duì)污泥段增加一個(gè)取樣點(diǎn),對(duì)脫水機(jī)外排的水進(jìn)行取樣,過(guò)濾后化驗(yàn)水中總磷的含量。

通過(guò)6月份兩周的化驗(yàn)后,數(shù)據(jù)表明在高密池的出水和總出水,二沉出水的變化不大,表明在未加藥的前提下,高密池對(duì)總磷去除作用基本沒(méi)有,因此從7月開(kāi)始起不再化驗(yàn)高密池出水。

到7月20日,經(jīng)過(guò)第一周—第四周的化驗(yàn)分析,從氧化溝階段除磷數(shù)據(jù)可以看到明顯的變化趨勢(shì),其中在硝化段和好氧段有非常強(qiáng)的過(guò)量吸磷作用,為了深入檢測(cè)脫氮過(guò)程中過(guò)量吸磷的作用,7月20日增加取樣點(diǎn)的總氮化驗(yàn),實(shí)驗(yàn)在有限的分析條件下,是否能發(fā)現(xiàn)反硝化菌DPBs的除磷作用。在氧化溝進(jìn)水,反硝化區(qū),二沉出水做總氮化驗(yàn)。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理及曲線分析

除磷實(shí)驗(yàn)從6月22日起,到7月28日結(jié)束,共采樣分析6周,每周化驗(yàn)3次,共取得有效化驗(yàn)數(shù)據(jù)366個(gè)?？偭椎幕?yàn)方法為××科技的總磷分析儀,匯總實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2—表6。

表2 1號(hào)、2號(hào)氧化溝各處理階段總磷平均值 mg/L

表3 3號(hào)氧化溝各處理階段總磷平均值 mg/L

表4 氧化溝內(nèi)污泥濃度平均值 mg/L

表5 3月—8月進(jìn)水、二沉池出水總磷濃度 mg/L

表6 進(jìn)水量統(tǒng)計(jì)表(2021年) m3

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖表分析

表5的運(yùn)行數(shù)據(jù)反映了這次實(shí)驗(yàn)的起因,根據(jù)表5的運(yùn)行數(shù)據(jù)做出3月—8月某市污水處理廠的總磷進(jìn)出水?dāng)?shù)據(jù),如圖1所示。

為了更清晰的說(shuō)明出水總磷在3月—8月的變化情況,對(duì)出水總磷又做了圖2,縮短了縱向坐標(biāo)軸體系,更明顯的體現(xiàn)了出水總磷的變化情況。

從圖1的進(jìn)出水散點(diǎn)圖做的10 d移動(dòng)平均值可以看出,在3月1日到8月31日期間,進(jìn)水的總磷變化相對(duì)穩(wěn)定,出水總磷在3月開(kāi)始逐步下降,在5月—6月達(dá)到谷底,基本保持在0.500 mg/L以下,在7月份又開(kāi)始逐漸回升,到8月份最高上升到2.500 mg/L,恢復(fù)到平常的出水總磷水平。從曲線圖可以看到,在4月—7月份期間,生物除磷出現(xiàn)了一個(gè)非常良好的處理效果,僅靠生物處理就達(dá)到了GB 18918一級(jí)A的水平,這也是在廠內(nèi)啟動(dòng)總磷分析實(shí)驗(yàn)起因,通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析研究出現(xiàn)總磷下降的生物反應(yīng)機(jī)理,從而為今后的工藝運(yùn)行及工藝調(diào)整做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

4.2 1號(hào)、2號(hào)氧化溝各階段總磷去除分析

為了分析卡魯塞爾2000型氧化溝的各階段的除磷效果,在氧化溝的各個(gè)階段都設(shè)置了取樣點(diǎn),1號(hào)、2號(hào)溝池體結(jié)構(gòu)一致,取樣頻次為互補(bǔ)型取樣,因此對(duì)6月22日開(kāi)始到7月28日的三條氧化溝的各階段的總磷化驗(yàn)數(shù)據(jù),取1號(hào)、2號(hào)氧化溝化驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值為分析對(duì)象,3號(hào)氧化溝為改良型,對(duì)3號(hào)氧化溝進(jìn)行單獨(dú)取樣分析。

4.2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖3為1號(hào)、2號(hào)氧化溝實(shí)驗(yàn)期間各取樣點(diǎn)的總磷變化曲線,從圖3可以看到1號(hào)、2號(hào)氧化溝總磷的變化在選擇區(qū)有非常明顯的下降,氧化溝進(jìn)水到反硝化區(qū)有一個(gè)明顯的下降,在好氧區(qū)完全下降到最低點(diǎn),氧化溝出水開(kāi)始又逐漸上升直到總出水升高到1.000 mg/L左右。原因分析是由于1號(hào)、2號(hào)氧化溝為卡魯塞爾2000型的溝型設(shè)計(jì)[5],為了抑制污泥膨脹,在氧化溝前設(shè)置選擇區(qū),選擇區(qū)為缺氧型選擇池,不是聚磷菌PAOs所需要的嚴(yán)格的厭氧環(huán)境,因此聚磷菌在1號(hào)、2號(hào)氧化溝內(nèi)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)磷的釋放過(guò)程。

4.2.2 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的情況分析原因?yàn)?三條氧化溝的配水工藝調(diào)控比例不平衡,1號(hào)、2號(hào)氧化溝合并承擔(dān)一半進(jìn)水量,3號(hào)溝單獨(dú)承擔(dān)一半進(jìn)水量。在試驗(yàn)期間,該污水廠的平均進(jìn)水量為40 160 m3/d,1號(hào)、2號(hào)氧化溝共承擔(dān)約20 000 m3/d,3號(hào)氧化溝承擔(dān)約20 000 m3/d。1號(hào)、2號(hào)氧化溝的單池設(shè)計(jì)負(fù)荷為20 000 m3/d,實(shí)際單池進(jìn)水僅為10 000 m3/d,回流污泥的工藝操作仍以進(jìn)水20 000 m3/d的水量進(jìn)行控制回流量[6],因此1號(hào)、2號(hào)氧化溝的回流污泥和進(jìn)水量的比例為2∶1,回流污泥中的總磷含量較低,大比例的污泥外回流使進(jìn)水總磷的稀釋作用也比較明顯,通過(guò)大比例稀釋導(dǎo)致了進(jìn)水總磷的降低。

4.2.3 1號(hào)、2號(hào)氧化溝情況總結(jié)

從圖3,表2可以看到,反硝化區(qū)對(duì)總磷的去除也有較大的降幅,1號(hào)、2號(hào)氧化溝的總磷反硝化區(qū)出水下降了約2.000 mg/L。但1號(hào)、2號(hào)氧化溝的好氧段總磷下降幅度不明顯,說(shuō)明聚磷菌PAOs的反應(yīng)不明顯,沒(méi)有在好氧段實(shí)現(xiàn)過(guò)量吸磷的作用。

綜上所述,1號(hào)、2號(hào)氧化溝的總磷去除主要來(lái)自于低進(jìn)水負(fù)荷的稀釋作用,還有反硝化反應(yīng)的吸磷作用[7],由于池型設(shè)計(jì)的厭氧池過(guò)小,聚磷菌的作用不明顯。

4.3 3號(hào)氧化溝各階段生物除磷的分析

圖4為3號(hào)氧化溝的總磷變化曲線。

4.3.1 總磷明顯下降情況分析

從圖4的曲線可以很明顯的看出在選擇池出水有一個(gè)明顯的磷的釋放過(guò)程,進(jìn)水總磷平均在8.168 mg/L,選擇池出水的總磷達(dá)到了11.354 mg/L,這個(gè)變化符合聚磷菌在嚴(yán)格厭氧環(huán)境下降解BOD釋放磷的理論。同時(shí)3號(hào)氧化溝的進(jìn)水負(fù)荷較高,1∶1的外回流污泥稀釋作用不明顯,從氧化溝進(jìn)水到好氧區(qū)1有非常明顯的下降過(guò)程,這其中包含了反硝化區(qū)和好氧區(qū),應(yīng)該是聚磷菌和反硝化菌共同作用的過(guò)量吸附磷的作用,形成的3號(hào)溝總磷的明顯的下降過(guò)程。

4.3.2 好氧區(qū)情況分析

從表3(3號(hào)氧化溝各處理階段總磷數(shù)據(jù))可以看到,3號(hào)氧化溝的氧化溝進(jìn)水-反硝化區(qū)、好氧區(qū)-氧化溝出水階段對(duì)總磷的降解非常明顯。

從圖4中還可以看到,在3號(hào)氧化溝好氧區(qū)2的取樣點(diǎn)上有明顯的一個(gè)總磷數(shù)值回升的情況,從好氧區(qū)2號(hào)取樣點(diǎn)位和水流方向來(lái)看,好氧區(qū)2在表曝機(jī)充氧末端,在水流過(guò)程中微生物已經(jīng)完全將前一個(gè)表曝機(jī)充入的氧氣消耗完,并且還沒(méi)有進(jìn)入到后一個(gè)表曝機(jī)的充氧區(qū)域,因此在這個(gè)點(diǎn)位處于一個(gè)厭氧環(huán)境,導(dǎo)致在前段好氧吸附的磷又出現(xiàn)了一個(gè)釋放過(guò)程,所以出現(xiàn)了總磷的回升現(xiàn)象。

4.3.3 厭氧區(qū)情況分析

以試驗(yàn)期間的厭氧區(qū)域六次BOD化驗(yàn)數(shù)值的平均值計(jì)算,實(shí)驗(yàn)期間的BOD去除量(厭氧區(qū)進(jìn)出水差值)為337 mg/L,以減少的這部分BOD全部被微生物吸收合成為自身的結(jié)構(gòu)物質(zhì)計(jì)算,同化作用下的微生物所需的BOD和總磷比例以100∶1計(jì)算,總磷在同化作用下去除量為:

考慮同化作用在3號(hào)溝內(nèi)的作用,對(duì)3號(hào)溝聚磷菌的總磷釋放量應(yīng)該加上同化作用的吸收量:

TP(釋放)=TP(進(jìn)水)-TP(選擇)+TP(同化)=

11.354-8.168+3.370=6.556 mg/L。

計(jì)算可得3號(hào)溝聚磷菌的磷的釋放量達(dá)到了6.556 mg/L,表明聚磷菌在3號(hào)溝內(nèi)對(duì)磷的釋放和過(guò)量吸收作用非常明顯。

4.3.4 三種除磷方式效果比較

從上面分析可得出,3號(hào)溝對(duì)總磷的去除同化作用,反硝化聚磷作用、聚磷菌聚磷作用都存在,并且聚磷菌的聚磷作用起到主導(dǎo)作用,表明3號(hào)溝的生物除磷作用發(fā)揮的很充分,達(dá)到并超過(guò)了設(shè)計(jì)預(yù)期。氧化溝總磷去除對(duì)比表見(jiàn)表7。

表7 氧化溝總磷去除對(duì)比表 mg/L

從生物除磷的三種方式對(duì)1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)氧化溝的平均運(yùn)行數(shù)值作圖5進(jìn)行比較,可以看出兩者中三種方式中占到主導(dǎo)地位的處理效果各有不同,1號(hào)、2號(hào)的同化作用高于3號(hào),3號(hào)的反硝化和聚磷菌的好氧過(guò)量吸附高于1號(hào)、2號(hào)氧化溝。

以上內(nèi)容從污水中總磷的生物降解原理的方式進(jìn)行了卡魯塞爾2000型和改良型氧化溝的去除效果分析,表明改良型的氧化溝內(nèi)存在著良好的生物過(guò)量吸磷反應(yīng)[8],再通過(guò)系統(tǒng)的剩余污泥及時(shí)排放出系統(tǒng)外,達(dá)到改良系統(tǒng)除磷的作用。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析總結(jié)

通過(guò)一個(gè)多月的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分析研究,對(duì)某市污水處理廠的主要的生物處理段的生物除磷進(jìn)行了分析。通過(guò)分析認(rèn)為在現(xiàn)階段的運(yùn)行條件下,1號(hào)、2號(hào)氧化溝內(nèi)的外回流稀釋、反硝化作用的除磷效果較為明顯,3號(hào)溝的聚磷菌的除磷效果明顯。

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn),針對(duì)現(xiàn)階段的生物除磷的效果顯著的運(yùn)行工況,污水廠還可以通過(guò)其他方面研究除磷機(jī)制,總結(jié)經(jīng)驗(yàn),匯總各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù),通過(guò)可靠的數(shù)據(jù)監(jiān)控來(lái)發(fā)現(xiàn)并掌握這一工況及原理,得出生物除磷的運(yùn)行參數(shù),實(shí)現(xiàn)二沉池出水總磷達(dá)標(biāo),從而降低深度處理的除磷藥劑投加量,降低一部分運(yùn)行成本和簡(jiǎn)化部分運(yùn)行流程[9],長(zhǎng)年累月可節(jié)約大量的藥劑費(fèi)用。