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改进的卡鲁塞尔氧化沟工艺的生物和水文参数变化及脱氮优化

张智^1,2，李柏林^1,2，相欣奕^2,3，张驰^1,2，柴华^1,2

1.重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆400045;

2.重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆400045;

3.西南大学地理科学学院，重庆400715

摘要：通过对重庆荆口污水处理厂卡鲁赛尔氧化沟生物和水文参数的系统监测，研究了同步硝化反硝化（SND）的可行性。监测和分析了氧化沟中流速、溶解氧浓度（DO）和混合液悬浮固体（MLSS）等参数的变化和分布，这些都是SND的主要控制因素。结果表明，曝气轮运行条件对流速，溶解氧和悬浮固体的尺寸分布有显着影响。在所有四个曝气轮运转的情况下，溶解氧和流速都较高，且悬浮固体的混合足够了。在三个曝气轮运转的情况下，大部分底部区域的流速足以满足无沉淀的基本要求，厌氧区和好氧区可同时存在于一个氧化沟内，有利于同步硝化反硝化。根据优化条件下的流速、溶解氧和可溶组分的空间分布特征，确定了卡鲁赛尔氧化沟系统中不同的生化反应功能区，有助于卡鲁赛尔氧化沟的优化控制和同步硝化反硝化过程进行。

关键词：卡鲁塞尔氧化沟 流速 溶解氧（DO） 混合液悬浮固体（MLSS） 同时硝化和反硝化（SND）

介绍

起源于荷兰的氧化沟系统具有操作简单，管理方便，操作方式灵活等优点，在世界范围内得到了广泛的应用和研究[1]。

典型的氧化沟由一些垂直通道和弯曲通道组成，与水面曝气轮和水下活塞流设备共同使用，实现活塞流过程，并和供氧过程一起充当氧化沟中流动模式和溶解氧的不均匀空间分布的来源[2]。 它为同步硝化和反硝化（SND）过程[3-4]提供了良好的发生条件，但也可能导致沉积问题。协调这两方面的关系对于实现氧化沟系统的稳定运行和脱氮的改进具有重要作用。

一些学者研究了氧化沟中的流动模式，溶解氧分布特征和同步硝化反硝化。 YANG等[5]和LUO等[6]采用监测和数值模拟的方法研究了综合氧化沟流型的特点，提出了流动分布优化和沉积问题修正的研究。 HELEN等人[7]利用动量计算和分析曝气轮操作方式对溶解氧的流态和分布的影响，建立了氧化沟数值模型。 YANG等人[8-9]建立了氧化沟流型和溶解氧分布模型，提出了曝气轮和水下螺旋桨的最佳运行方式。通过工作，系统的除氮效率得到了提高，达到了稳定达标和节能的目标。 LIU等[10]研究了氧化沟小试验系统和氧化沟中试系统中溶解氧，进水量和同步硝化反硝化之间的关系，得出了最佳工作模式。研究表明，通过调节曝气设备和活塞式设备的运行方式，可以优化氧化沟中的流态和溶解氧的分布，从而促进同步硝化反硝化过程，提高氮的去除效果，纠正沉积问题。

曝气设备和活塞式设备的运行方式不仅影响溶解氧的流速和空间分布，而且还会影响氧化沟其他特征参数（如污泥浓度和可溶性组分）。 这些特征参数相互影响，与同步硝化反硝化过程密切相关。 目前的研究工作致力于研究特征参数分布及其对氧化沟同步硝化反硝化过程的影响等。另外，如何通过调整氧化沟特征参数的分布来控制微观环境考虑进水影响是当前的研究热点，以提高同步硝化反硝化的效率和同步硝化反硝化过程的动态性。

在这项工作中，以中国重庆京口污水处理厂改造的卡鲁塞尔氧化沟系统为例。 分析了氧化沟系统的同步硝化反硝化过程以及沟槽特征参数（流速，污泥浓度，溶解氧和溶解组分）的分布和变化规律。 研究了特征参数对同步硝化反硝化过程影响的机理以及有利于同步硝化反硝化过程的发生条件，分析了提高氧化沟脱氮功能的对策。

2.材料和方法

2.1废水处理厂的一般情况

改造的卡鲁塞尔氧化沟工艺在中国重庆京口污水处理厂（WWTP）投入运行，单细胞设计能力为10000立方米/天。出水水质应符合城镇污水处理厂污染物排放标准（GB 18918-2002）中一级B标准的要求。污水处理厂的布置图如图1所示。卡罗素氧化沟的设备参数列于表1。

图1：改进的卡鲁塞尔氧化沟流速监测段布局图和分布图

表1：卡鲁赛尔氧化沟的装置参数

2.2实验方法

通过对氧化沟在不同工作条件下的流速，溶解氧，污泥浓度和溶解组分的分布进行监测分析，研究了氧化沟特征参数的变化规律，在此基础上划分了氧化沟内生化反应的不同功能区。此外，研究了有利于通过同时硝化和反硝化（SND）实现脱氮过程的条件。

氧化沟中沟槽特征参数的监测部分如图1所示，每个部分的监测点分布如图2所示。表2列出了两种不同的测试条件。

图2：监测点分布图（单位：mm）

表2 ：卡鲁赛尔氧化沟的运行条件

3.结果和讨论

3.1氧化沟中的流速分布

流速的变化对氧化沟脱氮过程有一定的影响，以活塞效应和流速作为变量控制总氮脱除效率。流速不仅会影响污泥的沉积，而且会直接影响氧化沟的水力循环时间、好氧与缺氧环境停留时间的比例、溶解氧、有机物以及污泥浓度的分布[11]。另外，流速也直接反映了沟槽内扰动的程度，直接影响着污泥絮体的形状和大小，这是氧化沟中同步硝化反硝化过程发生的关键因素。

从图3可以看出，氧化沟的流速受曝气和空间位置的变化影响很大，运行条件2的沟槽平均速度（）（打开四个曝气轮 ）高于条件1中的平均速度）（三个曝气轮在运转）。水平和垂直方向的速度变化也很明显，底部、中部、上部的平均流速分别为，和，明显高于条件1时（，和）。在这两种运行条件下，第一转角（横截面3中的导流壁的外部以及横截面4的内部）和横截面11的内部的流速低，并且显示出污泥的沉积。 总体而言，在氧化沟的两个操作条件下的大部分区域中的流速在的范围内，其中底部区域的大部分流速通常满足无沉积流的要求速度（）。 运行条件1下的功率密度（）小于运行条件2（）下的功率密度，并且耗能更少。

图3：流速的空间分布：（a）条件1 （b）条件2

氧化沟中的较低流速更有利于同步硝化反硝化过程中氮的去除[12]。 在运行条件2下有一个较高的流速区，这不仅浪费了能量，而且导致了沟槽中有机物浓度和溶解氧的均匀分布。这使得有氧和缺氧的交替循环时间缩短，这不利于同步硝化反硝化过程的发生。 因此，为了促进氧化沟中同步硝化反硝化过程的发生，在满足曝气需求和减少淤积沉积的前提下，应尽量减少开放曝气轮的数量。

3.2氧化沟中混合液悬浮物（MLSS）的分布

活性污泥絮体的大小是影响同步硝化反硝化过程的重要因素。 一般来说，活性污泥絮体的大小是[13]。 当活性污泥絮体大小为时，可以获得高效的同步硝化反硝化工艺，而絮体尺寸大多在范围内[14]。在相同条件下，污泥浓度越大，污泥的扰动越小，越有利于形成较大的活性絮体，这有利于同步硝化反硝化过程。

从图4可以看出，当四个曝气轮运行时（运行条件2），悬浮固体浓度在长度，宽度和深度上的变化都相对较小，并且整个沟槽的混合程度很高，这表明扰动比较大，应减少形成大型污泥絮体的比例。当打开三个曝气轮（操作条件1）时，沿着流动路径和垂直方向的悬浮固体浓度的变化较大，例如1-4个横截面，并且相邻两个垂直层之间的悬浮固体浓度差异大于。 沟内污泥混合度变差，但扰动较小，更有利于大颗粒絮体的形成，可能促进同步硝化反硝化过程的发生。

考虑到不同的进水负荷，通过增加污泥浓度和减少曝气轮的开启次数，可以减少沟渠的扰动，更有利于同步硝化反硝化的发生。 但是，污泥浓度的增加也会导致污泥沉积或加剧沉积问题。 在实际操作中，要综合考虑各种因素，确定适宜的污泥浓度。

图4：沿着走廊的MLSS变化：（a）条件1 （b）条件2

3.3氧化痒中溶解氧（DO）的分布

溶解氧是控制氧化沟中同步硝化反硝化过程的最重要参数，可直接影响好氧缺氧区的变化和空间分布的比例。控制较低浓度的溶解氧更有利于在絮体内形成有氧和缺氧环境[15-16]，从而为同步硝化反硝化过程的发生创造条件。

从图5中可以看出，当通过曝气轮实现混合时，溶解氧浓度增加。当流量远离曝气轮下游时，溶解氧浓度下降，但曝气轮对上游溶解氧浓度的影响很小。研究表明，SND过程仅在时发生[4,17]。随着四个曝气轮投入运行，沟渠中完全溶解的氧气浓度通常大于，好氧状态几乎处于最佳状态，并且同步硝化反硝化状况被破坏。在三个曝气轮运转的情况下，氧化沟沟槽横截面中的溶解氧浓度大致在的范围内，这表明沿着流动方向的分布不均匀并形成大的缺氧-好氧交替区的面积，为发生同步硝化反硝化过程创造了理想的条件。

图5：沿着走廊的DO变化：（a）条件1; （b）条件2

3.4氧化沟中可溶组分的分布

传统的脱氮理论[18]认为硝化和反硝化过程的溶解氧条件是矛盾的。反应器内溶解氧浓度越高，越有利于硝化过程。然而，在低溶解氧条件下，硝化细菌的生长速率较低。在这种情况下，溶解氧浓度越低，越有利于反硝化过程。因此，在同步硝化反硝化过程中，应优化溶解氧的供应。

从图6（a）可以看出，在运行条件1下，随着硝化过程的推进，浓度逐渐降低。到氧化沟系统结束时（第8-13节），下降趋势减缓。这表明硝化几乎完成（浓度倾向于）而没有被抑制。从图6（b）可以看出，在运行条件1下，沿着流动方向，TN浓度下降。在一些低DO区域，如1-4节，6-7节和外沟下部，反硝化细菌以水中有机物质为碳源，以硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体，然后以硝酸盐氮被还原成气态氮以完成反硝化过程。到氧化沟系统结束时（第8-13节），下降趋势减缓。这表明反硝化几乎完成（TN浓度趋于）。

图6：沿走廊的（a），TN（（b）和（d））和（c）变化：（a）在条件1下 （b）在条件1下 （c）在条件2下 （d）在条件2下

从图中可以看出， 如图6（c）和6（d）所示，在运行条件2下，在循环水稀释的影响下，氧化沟前部的TN浓度明显降低。 随着水流量的增加，TN和浓度基本保持不变，说明氧化沟系统中基本没有反硝化作用。 结果证明，高溶解氧浓度对同步硝化反硝化具有破坏性。

3.5氧化沟生化反应功能区划

在表面曝气氧化沟系统中，溶解氧的不均匀分布导致了三维有氧和缺氧环境的共存。 污染物浓度的分布被认为是流动和生化反应的结果。 根据溶解氧和可溶性组分的空间分布，认为氧化沟渠道从生化反应方面可分为几个不同的功能区。 详细的划分如下所示。

1）1-4节

在这些区域中流速处于较低的一侧（平均流速为）。 除第1部分（）顶部溶解氧浓度较高外，其他地区大部分溶解氧浓度范围为。 因此，第1部分的顶部应定义为硝化反应区，其他区域应定义为反硝化反应区。

第5节

废水从第4部分流向第5部分。在此过程中，随着曝气轮C和导流板的运行，溶解氧浓度增加。 最后，第5部分顶部，中部和底部的溶解氧浓度分别为，和。 因此，第5节的顶部应定义为硝化反应区，第5节的中部和底部应定义为反硝化反应区。

3）6-7节

溶解氧浓度偏低（溶解氧浓度范围为），可将这些区域定义为反硝化反应区。

第8-10节

在曝气轮A的作用下，这些区域的流速处于较高的水平（平均流速为），溶解氧浓度增加。因此，这些区域可以定义为硝化反应区。

第11-13节

从这些部分的顶部到底部，溶解氧浓度逐渐降低。 因此，这些区域的顶部和中部可以定义为硝化反应区，底部定义为反硝化反应区。

在运行条件1下，三个曝气轮运行时，一个氧化沟内可同时发生厌氧区和好氧区，有利于同步硝化反硝化过程。

卡鲁赛尔氧化沟系统中生化反应功能区的划分可为卡鲁赛尔氧化沟的优化控制和溶解氧分析提供理论依据。

3.6溶解氧的环境稳定性

废水处理是一个动态变化的过程，即使在一天之内，废水的数量和质量都会出现很大的波动。 不同季节的变化是由居民用水量和降雨量等因素引起的。在低温期（冬季），用水量和降雨量较少导致进水浓度和波动较大。 相反，在高温期（夏季），更多的用水量和降雨量导致

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