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改進型氧化溝,工藝流程為:粗格柵→污水提升泵→細格柵→旋流沉砂池→卡魯賽爾2000/改進型氧化溝→二沉池→高效沉淀池→轉盤過濾→接觸池出水。

污水廠在2021年5月—6月期間,根據化驗數據發現,二沉池出水總磷能穩定在0.5 mg/L以下,達到了國家一級A標準。可以得出在此期間的除磷效果主要來自于氧化溝的生化作用。

污水廠進水總磷約為7 mg/L～8 mg/L,按傳統理論的生物除磷的效率70%計,生物段出水應在2 mg/L～3 mg/L之間。從2020年和2021年1月—3月份的運行數據來看,與這個結論大致相符,說明某市污水處理廠生物處理除磷的作用效果是符合現階段的理論結果的。

但是在2021年的5月以后出現的二沉池出水總磷達標,從傳統的除磷理論難以解釋,為了進一步分析生物除磷的效果,從2021年6月22日到7月28日,開展了污水處理廠的生物階段除磷的實驗。

1 實驗目的

1)通過一系列的化驗和數據,對生物處理的各個工藝階段總磷的去除降解情況進行統計分析,探尋在系統沒有投加化學除磷藥劑的情況下,總磷達標的具體原因和環節。2)針對三種生物除磷的途徑,在生物反應的主要構筑物卡魯賽爾2000型(改良型)氧化溝內,進行總磷的數據檢測,觀察在各個功能性區域內總磷數值的變化,尋找總磷去除的主要位置和階段。3)通過試驗發現現階段生物除磷的關鍵環節[1],尋找規律及重現的可能性,尋找生物除磷的最佳工況和工藝運行參數,建立除磷工藝的數據體系,為摸索和建立可實際操作的工藝調控措施提供依據。4)在現有的條件下,通過工藝調控手段最大程度的重現該階段總磷達標工況,有效利用氧化溝的微生物處理能力,充分發揮其生物除磷作用,從而降低后續深度處理加藥成本,降低運行費用。

2 實驗方案設計

2.1 取樣點原因分析

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、2號溝,改良型為3號溝,根據現階段工藝調控,估算為1號、2號溝處理水量在1萬m3/d～2萬m3/d,3號溝處理水量為2萬m3/d～3萬m3/d。3號溝承擔了一半以上的處理負荷。因此在實驗方案實施過程中,對3號的化驗要求是每次化驗都要進行,1號、2號溝初期化驗(1周)期間全部化驗,中后期每次化驗輪換單取某一條溝進行化驗。

聚磷菌的作用是在厭氧環境下釋放磷,在好氧環境下吸收磷[2],作用機理是:對生存環境有嚴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,作為厭氧環境,在氧化溝內有好氧缺氧的交替環境,為聚磷菌的反應提供了有利的生存環境[3],因此實驗的設計,針對不同的氧氣提供段設置取樣點,進行總磷的化驗分析,研究總磷的去除效果。同時聚磷菌過量聚集的磷會隨著剩余污泥排出系統外,因此在實驗設計中,對剩余污泥的排放處,污泥調節池上清液,污泥脫水機房也做了取樣設計點位。

2.2 取樣點分布及化驗頻次

根據卡魯塞爾氧化溝工藝各段在生物除磷脫氮的作用不同[4],在各個工藝段設置取樣點,詳細取樣點及每周化驗頻次見表1。

表1 取樣點位及化驗頻次

其中氧化溝內總磷化驗取混合液,沉淀30 min后,取上清液化驗,污泥泥餅采用磨碎后溶解過濾進行總磷化驗。

3 實驗過程

經過6月22日—6月24日的第一周的化驗分析,看到除磷數據有明顯的變化趨勢,其中在好氧段有非常強的過量吸磷作用,為了深入的檢測好氧過量吸磷的作用,第二周6月28日—6月30日在好氧段增加一個取樣點,通過一周的污泥化驗準備,第二周開始對污泥泥餅、污泥脫水機上清液進行總磷的化驗,為了更進一步的檢驗污水中總磷的最終去向,對污泥段增加一個取樣點,對脫水機外排的水進行取樣,過濾后化驗水中總磷的含量。

通過6月份兩周的化驗后,數據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,高密池對總磷去除作用基本沒有,因此從7月開始起不再化驗高密池出水。

到7月20日,經過第一周—第四周的化驗分析,從氧化溝階段除磷數據可以看到明顯的變化趨勢,其中在硝化段和好氧段有非常強的過量吸磷作用,為了深入檢測脫氮過程中過量吸磷的作用,7月20日增加取樣點的總氮化驗,實驗在有限的分析條件下,是否能發現反硝化菌DPBs的除磷作用。在氧化溝進水,反硝化區,二沉出水做總氮化驗。

4 實驗數據整理及曲線分析

除磷實驗從6月22日起,到7月28日結束,共采樣分析6周,每周化驗3次,共取得有效化驗數據366個。總磷的化驗方法為××科技的總磷分析儀,匯總實驗數據見表2—表6。

表2 1號、2號氧化溝各處理階段總磷平均值 mg/L

表3 3號氧化溝各處理階段總磷平均值 mg/L

表4 氧化溝內污泥濃度平均值 mg/L

表5 3月—8月進水、二沉池出水總磷濃度 mg/L

表6 進水量統計表(2021年) m3

4.1 實驗數據圖表分析

表5的運行數據反映了這次實驗的起因,根據表5的運行數據做出3月—8月某市污水處理廠的總磷進出水數據,如圖1所示。

為了更清晰的說明出水總磷在3月—8月的變化情況,對出水總磷又做了圖2,縮短了縱向坐標軸體系,更明顯的體現了出水總磷的變化情況。

從圖1的進出水散點圖做的10 d移動平均值可以看出,在3月1日到8月31日期間,進水的總磷變化相對穩定,出水總磷在3月開始逐步下降,在5月—6月達到谷底,基本保持在0.500 mg/L以下,在7月份又開始逐漸回升,到8月份最高上升到2.500 mg/L,恢復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,生物除磷出現了一個非常良好的處理效果,僅靠生物處理就達到了GB 18918一級A的水平,這也是在廠內啟動總磷分析實驗起因,通過實驗分析研究出現總磷下降的生物反應機理,從而為今后的工藝運行及工藝調整做好數據準備。

4.2 1號、2號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,在氧化溝的各個階段都設置了取樣點,1號、2號溝池體結構一致,取樣頻次為互補型取樣,因此對6月22日開始到7月28日的三條氧化溝的各階段的總磷化驗數據,取1號、2號氧化溝化驗數據的平均值為分析對象,3號氧化溝為改良型,對3號氧化溝進行單獨取樣分析。

4.2.1 實驗數據分析

圖3為1號、2號氧化溝實驗期間各取樣點的總磷變化曲線,從圖3可以看到1號、2號氧化溝總磷的變化在選擇區有非常明顯的下降,氧化溝進水到反硝化區有一個明顯的下降,在好氧區完全下降到最低點,氧化溝出水開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、2號氧化溝為卡魯塞爾2000型的溝型設計[5],為了抑制污泥膨脹,在氧化溝前設置選擇區,選擇區為缺氧型選擇池,不是聚磷菌PAOs所需要的嚴格的厭氧環境,因此聚磷菌在1號、2號氧化溝內沒有實現磷的釋放過程。

4.2.2 現場運行情況

從現場運行的情況分析原因為:三條氧化溝的配水工藝調控比例不平衡,1號、2號氧化溝合并承擔一半進水量,3號溝單獨承擔一半進水量。在試驗期間,該污水廠的平均進水量為40 160 m3/d,1號、2號氧化溝共承擔約20 000 m3/d,3號氧化溝承擔約20 000 m3/d。1號、2號氧化溝的單池設計負荷為20 000 m3/d,實際單池進水僅為10 000 m3/d,回流污泥的工藝操作仍以進水20 000 m3/d的水量進行控制回流量[6],因此1號、2號氧化溝的回流污泥和進水量的比例為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水總磷的稀釋作用也比較明顯,通過大比例稀釋導致了進水總磷的降低。

4.2.3 1號、2號氧化溝情況總結

從圖3,表2可以看到,反硝化區對總磷的去除也有較大的降幅,1號、2號氧化溝的總磷反硝化區出水下降了約2.000 mg/L。但1號、2號氧化溝的好氧段總磷下降幅度不明顯,說明聚磷菌PAOs的反應不明顯,沒有在好氧段實現過量吸磷的作用。

綜上所述,1號、2號氧化溝的總磷去除主要來自于低進水負荷的稀釋作用,還有反硝化反應的吸磷作用[7],由于池型設計的厭氧池過小,聚磷菌的作用不明顯。

4.3 3號氧化溝各階段生物除磷的分析

圖4為3號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明顯的磷的釋放過程,進水總磷平均在8.168 mg/L,選擇池出水的總磷達到了11.354 mg/L,這個變化符合聚磷菌在嚴格厭氧環境下降解BOD釋放磷的理論。同時3號氧化溝的進水負荷較高,1∶1的外回流污泥稀釋作用不明顯,從氧化溝進水到好氧區1有非常明顯的下降過程,這其中包含了反硝化區和好氧區,應該是聚磷菌和反硝化菌共同作用的過量吸附磷的作用,形成的3號溝總磷的明顯的下降過程。

4.3.2 好氧區情況分析

從表3(3號氧化溝各處理階段總磷數據)可以看到,3號氧化溝的氧化溝進水-反硝化區、好氧區-氧化溝出水階段對總磷的降解非常明顯。

從圖4中還可以看到,在3號氧化溝好氧區2的取樣點上有明顯的一個總磷數值回升的情況,從好氧區2號取樣點位和水流方向來看,好氧區2在表曝機充氧末端,在水流過程中微生物已經完全將前一個表曝機充入的氧氣消耗完,并且還沒有進入到后一個表曝機的充氧區域,因此在這個點位處于一個厭氧環境,導致在前段好氧吸附的磷又出現了一個釋放過程,所以出現了總磷的回升現象。

4.3.3 厭氧區情況分析

以試驗期間的厭氧區域六次BOD化驗數值的平均值計算,實驗期間的BOD去除量(厭氧區進出水差值)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構物質計算,同化作用下的微生物所需的BOD和總磷比例以100∶1計算,總磷在同化作用下去除量為:

考慮同化作用在3號溝內的作用,對3號溝聚磷菌的總磷釋放量應該加上同化作用的吸收量:

TP(釋放)=TP(進水)-TP(選擇)+TP(同化)=

11.354-8.168+3.370=6.556 mg/L。

計算可得3號溝聚磷菌的磷的釋放量達到了6.556 mg/L,表明聚磷菌在3號溝內對磷的釋放和過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號溝對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作用,表明3號溝的生物除磷作用發揮的很充分,達到并超過了設計預期。氧化溝總磷去除對比表見表7。

表7 氧化溝總磷去除對比表 mg/L

從生物除磷的三種方式對1號、2號和3號氧化溝的平均運行數值作圖5進行比較,可以看出兩者中三種方式中占到主導地位的處理效果各有不同,1號、2號的同化作用高于3號,3號的反硝化和聚磷菌的好氧過量吸附高于1號、2號氧化溝。

以上內容從污水中總磷的生物降解原理的方式進行了卡魯塞爾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存在著良好的生物過量吸磷反應[8],再通過系統的剩余污泥及時排放出系統外,達到改良系統除磷的作用。

5 實驗結果分析總結

通過一個多月的現場實驗分析研究,對某市污水處理廠的主要的生物處理段的生物除磷進行了分析。通過分析認為在現階段的運行條件下,1號、2號氧化溝內的外回流稀釋、反硝化作用的除磷效果較為明顯,3號溝的聚磷菌的除磷效果明顯。

通過本次實驗,針對現階段的生物除磷的效果顯著的運行工況,污水廠還可以通過其他方面研究除磷機制,總結經驗,匯總各項運行數據,通過可靠的數據監控來發現并掌握這一工況及原理,得出生物除磷的運行參數,實現二沉池出水總磷達標,從而降低深度處理的除磷藥劑投加量,降低一部分運行成本和簡化部分運行流程[9],長年累月可節約大量的藥劑費用。