城市污水处理应用循环式活性污泥法研究及设计陈小燕

第44卷第3期2017年3月天津科技TIANJINSCIENCE&TECHNOLOGYVol.44No.3Mar.2017收稿日期：2017-02-09科学与社会城市污水处理应用循环式活性污泥法研究及设计陈小燕(中国市政工程华北设计研究总院有限公司天津300074)摘要：循环式活性污泥法(CAST)的工艺特点是生物反应、泥水分离在同一池中进行，具有耐冲击负荷、运行灵活、能耗低等优点。全面介绍CAST工艺有机物降解、硝化反硝化、生物除磷及需氧量计算，通过研究国内CAST工艺几种设计计算方法，优化污泥龄修正系数选取范围，使生物池容积和A/O工艺相比较，体现CAST工艺节省占地和土建投资的优势；针对污水处理厂运行状况，对CAST工艺平面布置、水力流程、主要设备能耗进行分析，细化撇水器安装高度、集水管水位等水力设计要点。提出了CAST进一步提标改造的思路，供设计人员参考和借鉴。关键词：污泥龄修正系数安全容积撇水器安装高度中图分类号：X52文献标志码：A文章编号：1006-8945(2017)03-0076-05ApplicationofCyclicActivatedSludgeTechnologyinMunicipalSewageTreatmentCHENXiaoyan(NorthChinaMunicipalEngineeringDesignandResearchInstituteCo.，Ltd.，Tianjin300074，China)Abstract：CyclicActivatedSludgeTechnology(CAST)boaststheadvantagesofslurryseparationandbiologicalreactioninthesamepool，flexibleoperationandlowenergyconsumption．CASTdesigncalculationoforganicdegradationandnitrifi-cation-denitrification，biologicalphosphorusremovalandoxygendemandweredescribed．ThroughastudyofCASTcom-putationalmethodsusedinChina，theselectionrangeofsludgeagecorrectionfactorwasoptimizedtocomparebiologicalvolumeofCASTandA/O，whichreflectstheadvantagesofCASTsuchasthesavingofareaandconstructioninvest-ment．Basedontheoperatingconditionsofmunicipalsewageplant，theplanofCAST，hydraulicflowandenergycon-sumptionofmainequipmentwereanalyzedandinstallationheightofwaterskimmingdeviceandcollectingpipewerefurtherdetermined．Intheend，theideaofliftingreformwasproposedtoserveasreferencefordesigners.Keywords：sludgeage；correctionfactor；safevolume；waterskimmingdevice；installationheight循环式活性污泥法(CAST)是序批式活性污泥法工艺(SBR)的一种变型。它综合了活性污泥法和SBR工艺特点，与厌氧选择池结合在一起，具备抗冲击负荷和除磷脱氮功能。由于可省去独立的二沉池系统可节省占地和基建投资，同时自动化程度高、运行灵活可保证运行效果，其在中小型污水处理厂得到广泛应用。由于工艺特点是生物反应、泥水分离在同一池中进行，曝气反应具有间歇性，比传统活性污泥法A2/O工艺更为复杂。在工艺设计时对于生物池泥龄修正系数选取不同，再加上安全池容，几种计算方法生物池容积相差较大。在已建成运行的一些污水处理厂由于设计不合理，撇水器撇水能力无法撇走每个周期进水，安装高度不能满足撇水从高水位至低水位，引起生物池顶冒水；生物池出水水位选取不正确，影响生物池后续构筑物水力流程运行，不得不进行改建。笔者结合某工程实例，介绍CAST生物池设计(有机物降解、硝化反硝化及生物除磷、需氧量)和水力设计(撇水器撇水水位、池子出水水位)，总结CAST设计要点，探讨提标改造工程方案，供设计人员参考。1设计要求及设计条件某污水处理厂设计规模4万m3/d，总变化系数DOI:10.14099/j.cnki.tjkj.2017.03.0232017年3月陈小燕：城市污水处理应用循环式活性污泥法研究及设计·77·KZ＝1.41。40,000×1.41＝2,350,m3/h(以下简称最大流量)。设计指标如表1所示。表1设计进水、出水水质Tab.1Designedinfluentandeffluentquality进水出水CODcr(mg/L)250≤50BOD5(mg/L)160≤20SS(mg/L)170≤20TN(mg/L)35≤20NH4-N(mg/L)25≤8,mg/LTP(mg/L)3.0≤1.0该厂工艺流程在CAST生物池前设置有预处理段粗格栅、进水泵房、细格栅及曝气沉砂池，在曝气沉砂池后设超声波明渠流量计测量进厂污水量。在CAST生物池后设有加氯接触池，消毒后的水排至纳污水体。生物池采用CAST生物池1座，每天运行6个周期，一个周期为4,h，分为4个池子。工艺运转周期如表2所示。表2工艺运转周期Tab.2Processcycle模块时间1234模块1(TANK1)进水曝气进水曝气沉淀撇水模块2(TANK2)沉淀撇水进水曝气进水曝气模块3(TANK3)撇水进水曝气进水曝气沉淀模块4(TANK4)进水曝气沉淀撇水进水曝气2CAST生物池设计2.1生物池容积(根据ATVA131标准)Q＝40,000,m3/d×1.20＝2,000,m3/h2.1.1总污泥龄θc(d)设计最低温度为12,℃，保证稳定硝化的降低温度为2,℃，设计计算温度T＝12-2＝10,℃。具有硝化最小污泥龄θc＝1.45×3.4×1.103(15-T)＝8,d，反硝化段VD/VMLSS＝0.3，硝化反硝化最小泥龄8/(1-0.3)＝11.4,d。修正系数e＝TA/T＝2/4＝0.5，T为循环周期，TA为曝气反应时间，选择e＝0.8。总污泥龄11.4/0.8＝14.25,d，ts＝15,d。2.1.2污泥总产率系数Yt(KgDS/kgBOD5)Yt＝K[(0.75+0.6SS0/S0-0.8×0.17×0.75×ts×1.072(T-15))/(1+0.17×ts×1.072(T-15))]＝0.82式中：K——修正系数，取0.8；SS0——进水悬浮物浓度，SS0＝170,mg/L；S0——进水BOD5浓度，SS0＝160,mg/L。2.1.3总剩余污泥量WtWt＝40,000,m3/d×150,g/m3×Yt＝4,920,kg/d2.1.4污泥负荷LS{kgBOD5/(kgMLSS·d)}污泥负荷Ls＝1/(Yt×ts)＝0.081。2.1.5生物池容积进水BOD5=48,000,m3/d×150,g/m3=72,000,kg/d，最高水位MLSS高＝5,g/L，最低水位MLSS低＝3,g/L，平均水位MLSS平均＝4,g/L，生物池总容V＝72,000/(LS×MLSS平均)=22,222,m3。停留时间为11.67,h。2.2生物池布置池数4个，单个厌氧选择池水深为5.9,m，平面尺寸为5×26,m2，水力停留时间为1.53,h。单个好氧反应池水深为5.8,m，平面尺寸为33.6×26,m2(长宽比1.3)，水力停留时间为10.14,h(见图1)。2.3剩余污泥量及剩余污泥泵剩余污泥量为4,920,kg/d，沉淀后的污泥浓度为图1生物池平面图Fig.1Planofbiologicaltank·78·天津科技第44卷第3期8,kgDS/m3，污泥体积为4,920/8＝615,m3/d。4个池子，每个池子排出的剩余污泥体积为615/4＝153.75,m3/d。每个池子设1台剩余污泥泵，共5台(4用1冷备)。每台剩余污泥泵工作时间为6,h/d(每个运转周期撇水阶段同时排泥)，剩余污泥泵流量为153.75/6＝25.6,m3/h，选取40,m3/h，扬程为12.5,m，功率为4,kW(其中1台同时运行)。2.4氮去除出水BOD5＝20,mg/L，BOD5降低量(150-20)×40,000/1,000＝5,200,kg/d，剩余污泥中N的含量NSS＝45,gN/kgBOD5，剩余污泥中包含的量45/1,000×5,200＝234,kgN/d，234/40,000＝5.9,mg/L。反硝化能力：C去除需氧量为OVC(O2/BOD5)。OVC＝0.144×ts×F/(1+ts×0.08×F)+0.5＝1.328温度系数F＝0.71；污泥龄ts＝15,d同步反硝化能力：DN＝0.8×0.75/2.9×OVC×VD/VMLSS＝0.082(kgN/kgBOD5)氮反硝化：Nd＝5,200×0.082＝426.4,kg/d；426.4/40000＝10.7,mg/L。2.5氮平衡进水总氮TN＝35,mg/L，污泥中氮NSS＝5.9,mg/L，出水有机氮org-Ne＝2,mg/L，出水氨氮NH4-Ne＝8,mg/L，需要硝化反硝化氮35-5.9-2-8＝19.1,mg/L，系统反硝化氮Nd＝10.7,mg/L，出水中硝酸盐氮NO3-Ne＝35-5.9-10.7-2-8＝8.4,mg/L，出水中总氮Ne＝2+8+8.4＝18.4,mg/L。系统反硝化能力为10.7/19.1＝0.56。2.6外加碳源VD/VAT＝0.3，选择3NOS/CBOD,IAT＝0.09。生物池去除硝酸盐氮150×0.09＝13.5,mg/L，不需要外加碳源。2.7生物除磷和化学除磷进水BOD5＝150,mg/L，生物除磷效果为进水BOD5的2%,～4%,，取值2%,。总磷进水为3,mg/L，出水总磷为1,mg/L，生物除磷为150×0.02＝3,mg/L。因此在正常运行条件下，无需投加除磷药剂，依靠生物除磷即能使出水为小于1.0,mg/L。2.8需氧量及曝气系统计算(见表3)总需氧量(AOR)：6,905.6+1,820.8=8,726.4,kgO2/d，a=0.8，β=0.97，传氧效率20%，标准状态需氧量(SOR)17,035,kgO2/d·池，空气量11,830,m3/h。表3需氧量计算Tab.3Oxygendemandcalculation去除BOD5需氧量5,200×1.328＝6905.6,kgO2/d硝化反硝化需氧量氮的硝化14.6+4.5＝19.1,mg/L40,000m3/d×19.1,mg/L＝764,kg/d硝化需氧量(4.6,kgO2/kgNO3-N)764×4.6＝3,514.4,kgO2/d氮的反硝化14.6mg/L40,000m3/d×14.6,mg/L＝584,kg/d反硝化回收氧量(2.9,kgO2/kgNO3-N)584×2.9＝1,693.6,kgO2/d硝化反硝化净需氧量3,514.4-1,693.6＝1,820.8,kgO2/d2.9污泥回流每个池子都安装有1台潜水污泥回流泵，共5台(4用1冷备)，通过该泵将污泥从主曝气区回流到选择器。回流污泥泵流量为200,m3/h，扬程为4,m，功率为4,kW。2.10撇水器每个池子设有2台旋转式撇水器，在撇水阶段，2台撇水器同时运行。每台撇水器设计撇水能力为327,L/s，堰长为9,m。撇水器8台，共设4个生物反应池，可排出连续的出水。2.11水力流程设计最大撇水深度(40,