Carrousel氧化沟的脱氮除磷工艺设计
摘要,设置厌氧、缺氧段的Carrousel氧化沟(文中简称：A2/C氧 化沟)具有生物脱氮除磷功能，是目前城市生活污水处理的主流工艺之一。结合工程实例，从工作原理、工艺设计等方面对A2/C氧化沟进行了详细介绍，可供从事污水处理工程设计的技术人员参考。
关键词,脱氮除磷 厌氧 缺氧 Carrousel氧化沟中图分类号：X703
文献标识码：C
文章编号：1000-4602(2002)01-0067-04
在污水脱氮除磷的工艺设计中必须具备厌氧、缺氧、好氧3个基本条件，但是在实施过程中由于所需的处理构筑物多、污泥回流量大，从而造成投资大、能耗多、运行管理复杂。A2 /C氧化沟将厌氧、缺氧、好氧过程集中在一个池内完成，各部分用隔墙分开自成体系，但彼此又有联系。该工艺充分利用污水在氧化沟内循环流动的特性，把好氧区和缺氧区有机结合起来，实现无动力回流，节省了去除硝酸盐氮所需混合液回流的能量消耗。
1 工艺流程及设计
1.1 工艺流程
A2/C氧化沟的平面布置如图1所示。
流经沉砂池的生活污水与二沉池回流污泥在A2/C氧化沟内设置的圆形混合井进行充分混合后进入厌氧区Ⅰ。该区分为3格，每格都设有水下搅拌器 以防止污泥沉淀。经厌氧反应后的混合液进入缺氧区Ⅱ，并与由氧化沟Ⅲ 经回流 通道Ⅳ进入缺氧区的回流液充分混合，进行反硝化脱氮和除磷反应。缺氧区Ⅱ的中间部位设导流隔墙，并在适当位置安装水下搅拌器，使该区具有良好的混合与循环条件。经厌氧、缺氧反应后的混合液流入氧化沟Ⅲ 进行氧化、硝化、反硝化反应，氧化沟Ⅲ的充氧机械采用倒伞形曝气叶轮，可根据池内DO测定仪控制调节堰出水、改变曝气叶轮浸水深度以达到调节供氧的目的。处理后的水经排出口Ⅴ进入二沉池沉淀，其出水中氨氮含量＜15 mg/L，磷含量＜1.0 mg/L。如果要求出水磷含量＜0.5 mg/L，需在工艺流程的适当位置投加混凝剂。
1.2 工艺设计
A2/C氧化沟主要由3部分组成，即厌氧区Ⅰ、缺氧区Ⅱ,氧化沟区Ⅲ。其工作原理、计算方法、设计参数、容积大小等因素的确定是设计中要解决的主要问题。
1.2.1 厌氧区Ⅰ
在没有溶解氧和硝态氮存在的厌氧条件下，兼性细菌将溶解性BOD转化成低分子发酵产物，生物聚磷菌将优先吸附这些低分子发酵产物，并将其运送到细胞内、同化成胞内碳源存贮物，所需能量来源于聚磷的水解以及细胞内糖的水解，并导致磷酸盐的释放。经厌氧状态释放磷酸盐的聚磷菌在好氧状态下具有很强的吸磷能力，吸收、存贮超出生长需求的磷量，并合成新的聚磷菌细胞、产生富磷污泥，通过剩余污泥的排放将磷从系统中除去。根据其工作原理，在A2/C氧化沟厌氧区Ⅰ的设计中分3格，第1 格的功能在于使混合液中的微生物利用进水中的有机物去除回流污泥中的硝态氮，消除硝态氮对厌氧区的不利 影响，保证第2、3格中磷酸盐的正常释放。厌氧区Ⅰ的主要设计参数是混合 液停留时间。泥水混合液在厌氧区的停留时间一般为1～2 h(释磷量就已达到可释磷总量的80%左右)，过长的厌氧停留时间可导致没有低分子发酵产物的磷释放，使得碳源贮存量不足，不能在好氧区产生足够的能量来吸收所有释放的磷。对一般城市生活污水(BOD /TP≥20～25 mg/L、出水磷浓度≤1.0 mg/L)，厌氧区的停留时间取1.5 h，据此可计算厌氧区的容积。
1.2.2 缺氧区Ⅱ
泥水混合液由厌氧区Ⅰ进入缺氧区Ⅱ，一部分聚磷菌利用后续工艺的混合液(内回流带来的)中硝酸 盐作为最终电子受体以分解细胞内的PHB(聚β羟基丁酸)，产生的能量用于磷的吸收和聚磷的合成，同时反硝化菌利用内回流带来的硝酸盐，以及污水中可生物降解的有机物进行反硝化，达到部分脱碳与脱硝、除磷的目的。缺氧区容积包括脱硝、除磷两部分。a.除磷所需容 积：在缺氧条件下聚磷菌吸收磷的速度大于好氧区的速度，为充分利用这一有利条件，在缺氧区磷被吸收所需停留时间一般为0.5～1.0 h；b.脱硝所需容积：缺氧区反硝化菌利用污水中的有机物作反硝化碳源，但是其快速生物降解有机物在厌氧区已被利用，而在缺氧区所能 利用的大部分有机物只能是慢速生物降解有机物，因此其反硝化速率可参照后续氧化沟中所采用的数据。通过反硝化速率和确定的混合液MLVSS浓度及要去除的NO3-N量，可求得脱硝所需容积。
1.2.3 氧化沟区Ⅲ
氧化沟兼有推流型和完全混合型反应池两者的特性，完成一次循环所需时间约为5～20 min，而总的停留时间却很长。氧化沟中有好氧、缺氧交替出现的区域，具有硝化、生物除磷、反硝化的条件。在氧化沟好氧区聚磷菌除了吸收、利用污水中的可生物降解有机物外，主要是分解体内贮积的PHB，产生的能量可供自身生长繁殖，此外还可主动吸收周围环境中的溶解磷，并以聚磷的形式在体内超量贮积。在剩余污泥中含有大量能超量聚磷的聚磷菌，大大提高了A2/C氧化沟系统的除磷效果。同时污水中的氨氮被亚硝酸菌、硝酸菌转化为亚硝酸盐和硝酸盐，氧化1.0gNH4+-N为NO3-N共耗氧4.57 g，消耗碱度为7.14 g(以CaCO3 计)。在缺氧区反硝化菌利用亚硝酸盐和硝酸盐中的N3+和N5+(被还原为N2) 作为能量代谢中的电子受体，O2-作为受氢体生成H2O和OH-碱度，有机物作为碳源及电子供体提供能量并得到氧化稳定。将1.0gNO2-N转化为N2时消耗有机物(以BOD计)1.71 g，将1.0gNO3-N转化为N2时消耗有机物(以BOD计)2.86 g，与此同时产生3.57 g碱度(以CaCO3计)。氧化沟区Ⅲ的容积由好氧区和缺氧区组成，通过计算好氧区有机物的去除速率q0和缺氧区的反硝化速率q1，并根据已确定的MLVSS浓度可求得好氧和缺氧区所需容积。
① 好氧区有机物去除速率q0的确定
q0=(μ+k)/y (1)
式中 q0——有机物去除速率，kgBOD5/(kgVSS·d)
μ——硝化菌比增长率，d-1，μ=1/θ，θ为污泥龄，d
k——异养微生物内源衰减系数，一般取0.05d-1
y——异养微生物的产率系数，一般取0.6kgVSS/kgBOD5
② 缺氧区反硝化速率q1的确定
q1=μ1/y1 (2)
式中 q1——反硝化速率，一般取0.02 kgNO3-N/kgVSS·d
μ1——脱硝菌的生长率，d-1
y1——脱硝菌的产率系数，kgVSS/kgNO3-N
2 设计实例
某城市生活污水量Q=15 000m3/d，原水COD=300 mg/L、BOD5=150 mg/L、SS=200 mg/L、TKN=30 mg/L、TP=4.0 mg/L、pH=7～9；设计出水水质为COD=60 mg/L、BOD5=20 mg/L、SS=20 mg/L、NH+4-N≤5.0 mg/ L、NO3-N≤10.0 mg/L、TP≤1.0 mg/L。
2.1 氧化沟区Ⅲ容积的确定
① 好氧区容积
V1=好氧区需要的污泥量/混合液浓度
硝化菌的比增长速率可用下式计算：
μ=0.47 e0.098(T-15)×［N/(N+100.051T-1.158)］×［DO/(K0+DO)］ (3)
当最低温度T=15 ℃、出水NH3-N=5.0 mg/L、DO=2.0 mg/L、K0=1.3时，μ=0.28d-1，θ=1/μ=3.6 d，安全系数取2.5，则设计污泥龄为9,0 d。为保证污泥稳定，确定污泥龄为25 d，μ=0.04d-1。
好氧区有机物的去除速率
q0=(μ+k)/y=0.15 kgBOD5/(kgVSS·d)
通过计算，则MLSS=4.0kg/m3，MLVSS=2.8kg/m3，好氧区需要的污泥量 为13 000 kg，好氧区的容积V1=4 643m3，水力停留时间t=V1/Q =7.4 h。
② 缺氧区容积
V2=脱硝需要的污泥量/混合液浓度
假设生物污泥含12.4%的氮，则每日用于生物合成的N合=每日产生的污泥量×12.4%，而污泥产量=y×Q×ΔBOD5/(1+kθ)=585 kg/d，则N合=72.54 kg/d，进水中用于生物合成的氮为4.8mg/L、被氧化的NH+4-N=30-4.8-5.0=20.2 mg/L。
脱硝所需NO3-N=20.2-10.0=10.2 mg/L；在15 ℃时反硝化速率q1=0.02×10-5=0.013 6kgNO3-N/(kgVSS·d)，需还原的NO3-N=10.2×0.8×(15 000×10-3)=122.4 kg/d，脱硝所需MLVSS=122.4/0.0136=9000 kg。
通过计算，缺氧区容积V2=3 214m3，氧化沟区Ⅲ容积=V1+V2=7857m3，水力停留时间t1=12.57 h。
2.2 缺氧区Ⅱ容积的确定
① 除磷所需容积V3：若缺氧区水力停留时间取40 min，则V3=417m3。
② 脱硝所需容积V4：若需还原的NO3-N=30.6 kg/d，脱硝所需的MLVSS=2250kg，则V4=804m3，缺氧区Ⅱ容积=V3+V4=1221 m3，水力停留时间t2=1.95 h。
2.3 厌氧区Ⅰ容积的确定
生物除磷系统的厌氧区水力停留时间取1.5 h，所需容积V5=150000×1.5/24=938m3。
2.4 污泥回流比的确定
① 外回流比R
假设二沉池排放污泥浓度XR=8 000 mg/L，A2/C氧化沟混合液浓度X=4000 mg/L，则R=X/(XR-X)=100%。
② 内回流比r
由氧化沟Ⅳ的通道回流到缺氧区Ⅱ的回流量为Qr，通道宽度为1.0m、水深为4.0m、流速为0.3 m/s，则Qr=1.2m3/s，最大回流比 r=(1.2×86 400/15 000)×100%=691%，内回流量可以通过安装在回流通道上的闸板控制。
通过上述计算可知，A2/C氧化沟总容积为10 016m3，水力停留时间为16 h，混合液浓度为4 000 mg/L，污泥负荷为0.05kgBOD5/(kgMLSS·d)，污泥龄为25d。污泥外回流比R=100%，混合液内回流比r=400%～600%。
3 结语
① A2/C氧化沟利用沟内的水力循环、无动力回流等特点，实现了类似于A2/O工艺，以达到脱氮除磷的目的。一般城市生活污水若采用A2/C氧化沟处理，可使出水磷浓度＜1.0 mg/L，其他指标可达到GB 8978—1996的一级排放标准。
② 主要设计参数的确定如下：
a.厌氧区容积一般按1.0～2.0 h的水力停留时间确定。
b.缺氧区容积包括脱硝和除磷两部分，除磷所需容积一般按0.5～1.0 h水力停留时间确定，脱硝量可按总脱硝量的15%～20%计算，反硝化速率计算可采用后续好氧区的数据以确定脱硝所需容积。
c.氧化沟区Ⅲ容积包括氧化、硝化、反硝化所需容积。好氧区有机物去除速率可用公式q0=(μ+k)/y计算，反硝化区的脱硝速率可用公式q1= μ1/y1计算。
d.A2/C氧化沟混合液的浓度一般取3000～4 000 mg/L，污泥负荷为0.05～0.08kgBOD5/(kgMLSS·d)，污泥龄为15～30d。
摘要,设置厌氧、缺氧段的Carrousel氧化沟(文中简称：A2/C氧 化沟)具有生物脱氮除磷功能，是目前城市生活污水处理的主流工艺之一。结合工程实例，从工作原理、工艺设计等方面对A2/C氧化沟进行了详细介绍，可供从事污水处理工程设计的技术人员参考。
关键词,脱氮除磷 厌氧 缺氧 Carrousel氧化沟中图分类号：X703
文献标识码：C
文章编号：1000-4602(2002)01-0067-04
在污水脱氮除磷的工艺设计中必须具备厌氧、缺氧、好氧3个基本条件，但是在实施过程中由于所需的处理构筑物多、污泥回流量大，从而造成投资大、能耗多、运行管理复杂。A2 /C氧化沟将厌氧、缺氧、好氧过程集中在一个池内完成，各部分用隔墙分开自成体系，但彼此又有联系。该工艺充分利用污水在氧化沟内循环流动的特性，把好氧区和缺氧区有机结合起来，实现无动力回流，节省了去除硝酸盐氮所需混合液回流的能量消耗。
1 工艺流程及设计
1.1 工艺流程
A2/C氧化沟的平面布置如图1所示。
流经沉砂池的生活污水与二沉池回流污泥在A2/C氧化沟内设置的圆形混合井进行充分混合后进入厌氧区Ⅰ。该区分为3格，每格都设有水下搅拌器 以防止污泥沉淀。经厌氧反应后的混合液进入缺氧区Ⅱ，并与由氧化沟Ⅲ 经回流 通道Ⅳ进入缺氧区的回流液充分混合，进行反硝化脱氮和除磷反应。缺氧区Ⅱ的中间部位设导流隔墙，并在适当位置安装水下搅拌器，使该区具有良好的混合与循环条件。经厌氧、缺氧反应后的混合液流入氧化沟Ⅲ 进行氧化、硝化、反硝化反应，氧化沟Ⅲ的充氧机械采用倒伞形曝气叶轮，可根据池内DO测定仪控制调节堰出水、改变曝气叶轮浸水深度以达到调节供氧的目的。处理后的水经排出口Ⅴ进入二沉池沉淀，其出水中氨氮含量＜15 mg/L，磷含量＜1.0 mg/L。如果要求出水磷含量＜0.5 mg/L，需在工艺流程的适当位置投加混凝剂。
1.2 工艺设计
A2/C氧化沟主要由3部分组成，即厌氧区Ⅰ、缺氧区Ⅱ,氧化沟区Ⅲ。其工作原理、计算方法、设计参数、容积大小等因素的确定是设计中要解决的主要问题。
1.2.1 厌氧区Ⅰ
在没有溶解氧和硝态氮存在的厌氧条件下，兼性细菌将溶解性BOD转化成低分子发酵产物，生物聚磷菌将优先吸附这些低分子发酵产物，并将其运送到细胞内、同化成胞内碳源存贮物，所需能量来源于聚磷的水解以及细胞内糖的水解，并导致磷酸盐的释放。经厌氧状态释放磷酸盐的聚磷菌在好氧状态下具有很强的吸磷能力，吸收、存贮超出生长需求的磷量，并合成新的聚磷菌细胞、产生富磷污泥，通过剩余污泥的排放将磷从系统中除去。根据其工作原理，在A2/C氧化沟厌氧区Ⅰ的设计中分3格，第1 格的功能在于使混合液中的微生物利用进水中的有机物去除回流污泥中的硝态氮，消除硝态氮对厌氧区的不利 影响，保证第2、3格中磷酸盐的正常释放。厌氧区Ⅰ的主要设计参数是混合 液停留时间。泥水混合液在厌氧区的停留时间一般为1～2 h(释磷量就已达到可释磷总量的80%左右)，过长的厌氧停留时间可导致没有低分子发酵产物的磷释放，使得碳源贮存量不足，不能在好氧区产生足够的能量来吸收所有释放的磷。对一般城市生活污水(BOD /TP≥20～25 mg/L、出水磷浓度≤1.0 mg/L)，厌氧区的停留时间取1.5 h，据此可计算厌氧区的容积。
1.2.2 缺氧区Ⅱ
泥水混合液由厌氧区Ⅰ进入缺氧区Ⅱ，一部分聚磷菌利用后续工艺的混合液(内回流带来的)中硝酸 盐作为最终电子受体以分解细胞内的PHB(聚β羟基丁酸)，产生的能量用于磷的吸收和聚磷的合成，同时反硝化菌利用内回流带来的硝酸盐，以及污水中可生物降解的有机物进行反硝化，达到部分脱碳与脱硝、除磷的目的。缺氧区容积包括脱硝、除磷两部分。a.除磷所需容 积：在缺氧条件下聚磷菌吸收磷的速度大于好氧区的速度，为充分利用这一有利条件，在缺氧区磷被吸收所需停留时间一般为0.5～1.0 h；b.脱硝所需容积：缺氧区反硝化菌利用污水中的有机物作反硝化碳源，但是其快速生物降解有机物在厌氧区已被利用，而在缺氧区所能 利用的大部分有机物只能是慢速生物降解有机物，因此其反硝化速率可参照后续氧化沟中所采用的数据。通过反硝化速率和确定的混合液MLVSS浓度及要去除的NO3-N量，可求得脱硝所需容积。
1.2.3 氧化沟区Ⅲ
氧化沟兼有推流型和完全混合型反应池两者的特性，完成一次循环所需时间约为5～20 min，而总的停留时间却很长。氧化沟中有好氧、缺氧交替出现的区域，具有硝化、生物除磷、反硝化的条件。在氧化沟好氧区聚磷菌除了吸收、利用污水中的可生物降解有机物外，主要是分解体内贮积的PHB，产生的能量可供自身生长繁殖，此外还可主动吸收周围环境中的溶解磷，并以聚磷的形式在体内超量贮积。在剩余污泥中含有大量能超量聚磷的聚磷菌，大大提高了A2/C氧化沟系统的除磷效果。同时污水中的氨氮被亚硝酸菌、硝酸菌转化为亚硝酸盐和硝酸盐，氧化1.0gNH4+-N为NO3-N共耗氧4.57 g，消耗碱度为7.14 g(以CaCO3 计)。在缺氧区反硝化菌利用亚硝酸盐和硝酸盐中的N3+和N5+(被还原为N2) 作为能量代谢中的电子受体，O2-作为受氢体生成H2O和OH-碱度，有机物作为碳源及电子供体提供能量并得到氧化稳定。将1.0gNO2-N转化为N2时消耗有机物(以BOD计)1.71 g，将1.0gNO3-N转化为N2时消耗有机物(以BOD计)2.86 g，与此同时产生3.57 g碱度(以CaCO3计)。氧化沟区Ⅲ的容积由好氧区和缺氧区组成，通过计算好氧区有机物的去除速率q0和缺氧区的反硝化速率q1，并根据已确定的MLVSS浓度可求得好氧和缺氧区所需容积。
① 好氧区有机物去除速率q0的确定
q0=(μ+k)/y (1)
式中 q0——有机物去除速率，kgBOD5/(kgVSS·d)
μ——硝化菌比增长率，d-1，μ=1/θ，θ为污泥龄，d
k——异养微生物内源衰减系数，一般取0.05d-1
y——异养微生物的产率系数，一般取0.6kgVSS/kgBOD5
② 缺氧区反硝化速率q1的确定
q1=μ1/y1 (2)
式中 q1——反硝化速率，一般取0.02 kgNO3-N/kgVSS·d
μ1——脱硝菌的生长率，d-1
y1——脱硝菌的产率系数，kgVSS/kgNO3-N
2 设计实例
某城市生活污水量Q=15 000m3/d，原水COD=300 mg/L、BOD5=150 mg/L、SS=200 mg/L、TKN=30 mg/L、TP=4.0 mg/L、pH=7～9；设计出水水质为COD=60 mg/L、BOD5=20 mg/L、SS=20 mg/L、NH+4-N≤5.0 mg/ L、NO3-N≤10.0 mg/L、TP≤1.0 mg/L。
2.1 氧化沟区Ⅲ容积的确定
① 好氧区容积
V1=好氧区需要的污泥量/混合液浓度
硝化菌的比增长速率可用下式计算：
μ=0.47 e0.098(T-15)×［N/(N+100.051T-1.158)］×［DO/(K0+DO)］ (3)
当最低温度T=15 ℃、出水NH3-N=5.0 mg/L、DO=2.0 mg/L、K0=1.3时，μ=0.28d-1，θ=1/μ=3.6 d，安全系数取2.5，则设计污泥龄为9,0 d。为保证污泥稳定，确定污泥龄为25 d，μ=0.04d-1。
好氧区有机物的去除速率
q0=(μ+k)/y=0.15 kgBOD5/(kgVSS·d)
通过计算，则MLSS=4.0kg/m3，MLVSS=2.8kg/m3，好氧区需要的污泥量 为13 000 kg，好氧区的容积V1=4 643m3，水力停留时间t=V1/Q =7.4 h。
② 缺氧区容积
V2=脱硝需要的污泥量/混合液浓度
假设生物污泥含12.4%的氮，则每日用于生物合成的N合=每日产生的污泥量×12.4%，而污泥产量=y×Q×ΔBOD5/(1+kθ)=585 kg/d，则N合=72.54 kg/d，进水中用于生物合成的氮为4.8mg/L、被氧化的NH+4-N=30-4.8-5.0=20.2 mg/L。
脱硝所需NO3-N=20.2-10.0=10.2 mg/L；在15 ℃时反硝化速率q1=0.02×10-5=0.013 6kgNO3-N/(kgVSS·d)，需还原的NO3-N=10.2×0.8×(15 000×10-3)=122.4 kg/d，脱硝所需MLVSS=122.4/0.0136=9000 kg。
通过计算，缺氧区容积V2=3 214m3，氧化沟区Ⅲ容积=V1+V2=7857m3，水力停留时间t1=12.57 h。
2.2 缺氧区Ⅱ容积的确定
① 除磷所需容积V3：若缺氧区水力停留时间取40 min，则V3=417m3。
② 脱硝所需容积V4：若需还原的NO3-N=30.6 kg/d，脱硝所需的MLVSS=2250kg，则V4=804m3，缺氧区Ⅱ容积=V3+V4=1221 m3，水力停留时间t2=1.95 h。
2.3 厌氧区Ⅰ容积的确定
生物除磷系统的厌氧区水力停留时间取1.5 h，所需容积V5=150000×1.5/24=938m3。
2.4 污泥回流比的确定
① 外回流比R
假设二沉池排放污泥浓度XR=8 000 mg/L，A2/C氧化沟混合液浓度X=4000 mg/L，则R=X/(XR-X)=100%。
② 内回流比r
由氧化沟Ⅳ的通道回流到缺氧区Ⅱ的回流量为Qr，通道宽度为1.0m、水深为4.0m、流速为0.3 m/s，则Qr=1.2m3/s，最大回流比 r=(1.2×86 400/15 000)×100%=691%，内回流量可以通过安装在回流通道上的闸板控制。
通过上述计算可知，A2/C氧化沟总容积为10 016m3，水力停留时间为16 h，混合液浓度为4 000 mg/L，污泥负荷为0.05kgBOD5/(kgMLSS·d)，污泥龄为25d。污泥外回流比R=100%，混合液内回流比r=400%～600%。
3 结语
① A2/C氧化沟利用沟内的水力循环、无动力回流等特点，实现了类似于A2/O工艺，以达到脱氮除磷的目的。一般城市生活污水若采用A2/C氧化沟处理，可使出水磷浓度＜1.0 mg/L，其他指标可达到GB 8978—1996的一级排放标准。
② 主要设计参数的确定如下：
a.厌氧区容积一般按1.0～2.0 h的水力停留时间确定。
b.缺氧区容积包括脱硝和除磷两部分，除磷所需容积一般按0.5～1.0 h水力停留时间确定，脱硝量可按总脱硝量的15%～20%计算，反硝化速率计算可采用后续好氧区的数据以确定脱硝所需容积。
c.氧化沟区Ⅲ容积包括氧化、硝化、反硝化所需容积。好氧区有机物去除速率可用公式q0=(μ+k)/y计算，反硝化区的脱硝速率可用公式q1= μ1/y1计算。
d.A2/C氧化沟混合液的浓度一般取3000～4 000 mg/L，污泥负荷为0.05～0.08kgBOD5/(kgMLSS·d)，污泥龄为15～30d。
