高碑店汙水處理廠一期工程曝氣池設計參數的研究與評價

杭世珺 徐冬梅 曲際水

　　【摘要】 介紹了高碑店汙水處理廠一期工程曝氣池設計參數的測試與評價，著重探討了前置缺氧選擇器的生物機理，結果表明，採用前置缺氧選擇器可以抑制絲狀菌的過渡增長，改善汙泥性能，防止汙泥膨脹。
　　【關鍵詞】 曝氣池 推流式 選擇器 F/M 汙泥膨脹

　　北京高碑店汙水處理廠設計規模為近期100萬m³/d，遠期250萬m³/d，近期100萬m³/d分為兩期建設，一期工程50萬m³/d，已於一九九三年十月竣工投產，二期工程50萬m³/d，於一九九九年八月竣工。
　　該處理廠採用前置缺氧段活性汙泥法工藝，即在推流式曝氣池前設置缺氧段(佔生物處理池總容積的1/12)，其目的是改善汙泥性質，防止汙泥膨脹。一期工程投產以來，已連續穩定運行近五年，取得了預期的良好效果。
　　高碑店汙水處理廠一期工程(以下簡稱高碑店汙水處理廠)工藝流程如下圖所示：
　　·汙水處理工藝流程：
　　
　　·汙泥處理工藝流程：
　　
　　高碑店汙水處理廠一期工程曝氣池設計參數如下表所示：

高碑店汙水處理廠一期工程曝氣池設計參數 　　　　　　　表1

設計流量Q 50萬m

³

/d 曝氣池Nv 0.43kgBOD

₅

/m

³

·d 總變化係數K

_z

1.1 曝氣池HRT 8.38hr 最大設計流量Q↓max 55萬m

³

/d 曝氣池MLSS 2000～3000mg/L 缺氧段HRT 41.9min 汙泥回流比R 50～100％ 曝氣池N

_s

0.14kgBOD

₅

/kgVSS.d 水溫　　 冬：

　　　　 夏： 13.9～14.5℃

25.2～25.6℃

　　經過五年運行，處理效果如表2所示：

處理效果表*　　　　　　　　　　　　　　表2

項 目 BOD

₅

(mg/L) COD

_Cr

(mg/L) SS(mg/L) 原汙水 180～220 400～500 300～400 處理出水 7.67～10.8 24.6～35.2 11～20.2 去除率(％) 95.3～95.0 93.9～93.0 96.3～95 *摘自「北京市高碑店汙水處理廠(一期工程)水環境效益調查分析」(1996年12月)

　　為給高碑店汙水處理廠遠期工程提供更加合理的設計參數，於1996年～1997年在現場通過測定等手段，考察了一期工程曝氣池運行效果，對曝氣池主要設計參數進行了測試與評價，並試圖探討前置缺氧段的生物機理。

1 試驗內容、方法與裝置

1.1 試驗內容
　　·測定曝氣池耗氧速率；
　　·測定曝氣池內溶解氧分布；
　　·測定曝氣池內氨氮硝化程度；
　　·測定曝氣池內汙泥負荷、汙泥齡及汙泥產率的變化規律；
　　·觀察生物相。
1.2 試驗方法與裝置
　　高碑店汙水處理廠曝氣池分為兩系列，每系列6池，總計12池，每池為三廊道，每廊道長95米，寬9米，總長285米。
　　曝氣池進水端設置缺氧段，長24米，其後261米為好氧區；缺氧區為總長的1/12，相當於停留時間42分鐘。
　　本測定選用7號曝氣池，測定點布置如圖1所示：圖中A、B、C、D、E、F為取樣點。A點：表示缺氧段特性；B點：表示缺氧向好氧過渡點的特性；C、D、E點：表示第一、二、三廊道好氧區內不同DO濃度點的特性；F點：表示曝氣池出水特性；
1.2.1 耗氧速率測定
　　在曝氣池各測點取混合樣進行曝氣，待溶解氧濃度達到6mg/1時，停止曝氣，立即裝人3000ml三角瓶中滿水密封，然後用磁力攪拌器攪拌(見圖2)，待D0濃度降至5mg/1時開始記錄，每隔0.5分鐘記錄一次DO濃度，直到DO濃度降至0.5mg/1時停止。通過分析D0隨時間的變化獲得耗氧速率數值。
1.2.2 溶解氧測定
　　本測定採用美國科爾·帕默儀器公司產品YSI—58型(便攜)溶解氧測定儀進行測定測點為圖1中A、B、C、D、E、F點。

1.2.3 氨氮測定
　　本測定採用納氏試劑分光光度比色法。
　　主要測樣為原水及圖1中B、D、F點。
1.2.4 生物相觀察
　　在曝氣池A、B、C、D、E、F六個測點分別取混合液，待沉澱後取其活性汙泥置於光學顯微鏡下觀察，照像顯微鏡為菜司公司BAI型。
1.2.5 化驗方法
　　·MLSS：重量法
　　·BOD5：生化培養法(5天，20℃)
　　·CODcr：重鉻酸鉀法
　　·NH3—N：納氏比色法

2 試驗結果與分析

2.1 處理廠運行情況考察
2.1.1 水質運行情況
　　本運行考察分別在夏季(6～8月)、秋季(9～11月)、冬季(12～1月)進行，運行結果詳見表3「高碑店汙水處理廠水質運行數據表」，從表3中可看出：
　　·秋、冬季原水COD_Cr，BOD₅，SS均較穩定，原水平均BOD₅濃度為144～196mg/l，平均COD_Cr濃度為323～446mg/l，平均SS濃度為317～539mg/l，除SS略高於原設計值外，其餘均在設計值範圍內。
　　·夏季原水水質變化較大，進水濃度均較低，B0D5濃度為44～170mg/l，CODcr濃度為77～294mg/l，SS濃度為56～292mg/l。
　　·夏、秋、冬三季中，二沉池出水均較穩定。平均BOD5濃度達4.67～7.8mg/l，平均CODcr濃度達20.3～44.6mg/l，平均SS濃度在14～23mg/l，均達到國家汙水綜合排放標準《GB8978－96》一級排放標準。
2.1.2 汙泥運行情況
　　本測定分別在秋冬兩季進行，運行數據詳見表4，從表4可以看出，剩餘汙泥排放量平均為8798～11969m³/d，而剩餘汙泥量設計值為8910～14256m³/d，汙泥產率為0.9，因此設計值與實測值基本一致。

高碑店汙水處理廠水質運行數據表 　　　　　　　　　　表3

項目

內容

日期 進水量 供氣量 溫度 曝氣池汙泥負荷 原水 初沉池出水 二沉池出水 (萬m³/d) (千m³/d) 氣溫 水溫 kgBOD₅/KgVss.d COD_Cr(mg/l) BOD₅(mg/3) SS(mg/1) COD_Cr
(mg/l BOD₅
(mg/1) COD_Cr
(mg/1) BOD₅
(mg/1) SS
(mg/l) 　 　 　 　 範圍 平均 範圍 平均 範圍 平均 範圍 平均 範圍 平均 範圍 平均 範圍 平均 1996.9 42.66-51.84 1030-1790 23.0-26.0 19.8-21.3 0.05-O.13 244-739 446 90.5-295 196 212-926 539 78.1-257 45.6-90.5 12.8-45.6 20.3 0.8-2.48 1.28 1-2 14 1996.10 51.84-60.48 1190-1735 14.2-16.5 9.8-21.3 0.11-0.13 185-701 357 116-360 188 138-634 410 115-195 41.2-95.8 6.18-78.2 22.7 2.43-32.0 7.01 9-26 14 1996.11 47.52-51.84 1261-1770 　 　 　 149-639 323 87.1-188 144 133-856 387 　 　 14.5-52.5 44.6 3.38-10.8 7.8 2-6 21 1996.12 43.2-51.84 2005-2590 　 　 　 160-921 386 82.0-295 148 112-870 386 　 　 13.5-59.4 44.2 3.04-9.13 6.2 1-1 18 1997.1 43.2 1989-2102 0.8-1.3 13.9-14. 0.07-0.12 278-600 411 115-312 195 124-477 317 160-202 61.8-99.5 14.5-49.6 31.7 5.55-9.15 7.26 3-22 16 1997.7 44.1-60.48 　 32.0-36.0 25.2-25.1 0.065-0.09 83-285 197 44.4-144 92 77-292 231 72.6-180 39.7-80.7 6.48-37.9 20.8 2.42-19.5 7.24 6-22 21 1997.8 43.2-60.48 　 32.0-36.0 25.2-25. 0.07-0.10 78-294 165 44.5-170 83 56-198 169 71.5-182 40-83.2 6.65-37.1 32.8 3.35-15.9 5.92 0-5 23

高碑店汙水處理廠汙泥運行數據表 　　　　　　　　　　表4

日期

　 剩餘汙泥排放量(m³/d) 回流汙泥量(千m³/d) 汙泥回流比(％) 範圍 平均 範圍 平均 範圍 平均 1996.9 3020－25740 11969 273－465 390 65－90 67 1996.10 3240－17280 10937 245－367 341 42－72 62 1996.11 3960－17280 11327 101－346 276 50－68 56 1996.12 4320－17280 11479 259－346 268 / / 1997.1 4320一17280 8798 173－259 252 40－60 58

2.1.3 汙泥負荷與汙泥齡
　　從表3可以看出夏、秋、冬季汙泥負荷在0.05～0.13KgBOD₅/KgVss.d，而設計負荷為0.14KgBOD₅/KgVss.d，實測值與設計值基本吻合。
根據實測汙泥濃度、剩餘汙泥量及池容可以計算出汙泥齡為3.5～5.4天，也與設計汙泥齡4～6天基本一致。
2.2 耗氧速率
　　活性汙泥耗氧速率綜合反映了活性汙泥的淨化能力，它與汙水性質、所選用的工藝流程、工藝參數、運行條件等密切相關。測定耗氧速率可間接地反映曝氣池的運行狀況，並可為曝氣池設計提供可靠的參數依據。
2.2.1 耗氧速度隨季節的變化情況
　　表5中列出了夏、秋、冬不同季節沿曝氣池池長變化的耗氧速率和比耗氧速率值。其中冬季氣溫0.8～1.3℃，水溫13.9～14.5℃；秋季氣溫14.2～23℃，水溫19.8～21.8℃；夏季氣溫32～36℃，水溫25.2～25.6℃。圖3、圖4分別表示不同氣溫下耗氧速率和比耗氧速率沿池長的變化曲線。
　　由上述表5、圖3、圖4可以看出：冬季比耗氧速率最大值(A點)為0.1125mgO₂/g.min，最小值(F點)為0.0683mgO₂/g.min，而秋季該值最大(A點)為02462mgO₂/g.min，最小(F點)為0.1549mgO₂/g.min，說明耗氧速率隨溫度增加而增大。
　　但是從表5中還可以看出，夏季最大比耗氧速率(A點)為0.2351mgO₂/g.min，最小值(F點)為0.1184mgO₂/g.min，均小於秋季同值；這是因為耗氧速率除受水溫影響外，還與其它因素有關。表1中1997年7～8月進水BOD₅為83～92mg/L，COD_Cr165～197mg/L，明顯低於秋季進水BOD₅為188～196mg/L，COD_Cr為357～446mg/L，說明耗氧速率還與汙泥負荷有關，在一定條件下，汙泥負荷低，耗氧速率也隨之降低。
2.2.2 需氧量沿池長的變化
　　從圖3、圖4中可看出，推流式曝氣池的耗氧速率沿池長逐漸降低，因而需氧量也逐漸減少，經測定及分析，第一、二、三廊道需氧量分別佔曝氣池總需氧量的40％，32％，28％，即三廊道需氧量比為1：0.8：0.7。

　　另外，需氧量與汙泥齡及汙泥負荷有關，本測定在泥齡3.5～5.4天，汙泥負荷為0.05～0.13kgBOD₅/kvVSS.d條件下，去除1kgBOD₅需氧量為1.56～1.2kgO₂，平均值為1.43kgO₂/kgBOD₅。
2.3 溶解氧分布
　　供氧充分與否直接影響好氧生物處理過程中生物降解速率和處理效果。該廠曝氣池採用漸減曝氣方式，即曝氣頭設置密度呈遞減狀，經測定，在表3所列供氧量條件下，溶解氧沿池長變化如圖5所示，由圖5可以看出，曝氣池人口處DO濃度低於0.5mg/1，然後逐漸上升，至第二廊道達2.34mg/1左右，進入第三廊道後又逐漸低至0.6～1.0mg/1左右。從表3還可以看出，此時，二沉池出水BOD₅達4～7mg/1，COD_Cr達20～30mg/1，SS達14～23mg/1，完全滿足二級處理出水要求。
2.4 氨氮硝化
　　曝氣池中氨氮去除受汙水中pH、水溫、鹼度、COD_Cr等影響。本測定沿池長取不同測點，測定水溫為13.9～25.6℃，pH7.2～7.75，鹼度330～241mg/1。測定結果見圖6，從圖6中可以看出：秋季原水NH3—N21mg/l，出水可達3.4mg/l；冬季原水NH3—N32.4mg/1，出水可達0.93mg/1；原設計值為30mg/1，實測曝氣池氨氮去除率為84％，硝化效果良好。

2.5 生物相觀察
　　正常運行條件下，曝氣池內生物種類繁多，且較活躍，主要有原生動物和後生動物，如鍾蟲、楯纖蟲、聚縮蟲、獨縮蟲、鞘居蟲、輪蟲等(見圖7：生物相照片)，生物相沿池長變化不大，但冬季生物數量較秋季為少。

高碑店汙水處理廠秋、冬、夏季耗氧速率沿池長變化表 　　　　　　　　　　表5

項目

內容

日期 池長（m） 耗氧速率（mgO₂／1.min） 比耗氧速率（mgO₂／1.min）

範圍 平均 平均 1996.9.100－1996.10

（秋季） 12／（A） 0.3757－0.4985 0.4561 0.2462 24／（B） 0.4296－0.5964 0.5244 0.2031 90／（C） 0.3822－0.4759 0.4342 0.1749 142.5／（D） 0.3642－0.4159 0.3893 0.1636 214／（E） 0.3494－0.3986 0.3888 0.1566 285／（F） 0.3659－0.3932 0.3693 0.1549 1997.1.10－1997.1.2

（冬季） 　　 12／（A） 0.2204－0.2638 0.2415 0.1125 24／（B） 0.283－0.3123 0.3026 0.1056 90／（C） 0.2643－0.2858 0.2747 0.00925 142.5／（D） 0.2415－0.2866 0.2698 0.0909 214／（E） 0.2593－0.2652 0.2644 0.0812 285／（F） 0.1425－0.2406 0.2135 0.0683 1997.7.15－1997.8.（夏季） 12／（A） 0.3569－0.3923 0.3736 0.2351 24／（B） 0.3777－0.4253 0.3849 0.2148 90／（C） 0.2809－0.3666 0.3258 0.1752 142.5／（D） 0.2467－0.2950 0.2707 0.1539 214／（E） 0.2397－0.2842 0.2648 0.1356 285／（F） 0.2380－0.2712 0.2526 0.1184

3 結論與分析

　　① 採用前置缺氧段(缺氧選擇器)活性汙泥法工藝可以抑制絲狀菌的過度增長，防止汙泥膨脹。
　　汙泥膨脹是自活性汙泥法問世以來，一直困擾著人們的最大難題之一。美國有1/2汙水廠由於出水懸浮物過高而不能達標；荷蘭40～50％城市汙水廠存在汙泥膨脹問題；德國315座活性汙泥處理廠中，45％存有絲狀菌過度增長狀況；英國調查了65座汙水處理廠其中27座年平均SVI高於200；我國幾乎所有城市汙水處理廠都存有一定程度的絲狀菌膨脹現象。可見活性汙泥法工藝中汙泥膨脹是一個世界範圍的普遍問題。
　　汙泥膨脹有絲狀菌膨脹和非絲狀菌膨脹，造成各種類型的汙泥沉降性能不良的多數原因，是由於絲狀菌過度增長，因此，抑制絲狀菌過度增長是防止汙泥膨脹的主要途徑。
　　生物選擇器是應用生物競爭的原理，人為地在曝氣池中造成某種有利於選擇性地發展菌膠團細菌的生態環境，使菌膠團細菌迅速增長，抑制絲狀菌過度增殖，從而控制汙泥膨脹。
　　其具體方法是在推流式曝氣池前段設置一個停留時間比曝氣池短得多的區段，稱為生物選擇器。在生物選擇器內，起始原汙水的基質濃度很高，可局部提高F/M比值，在此環境下，菌膠團細菌迅速攝取、轉化並貯存汙水中大部分可溶性有機物，奪取了絲狀菌的營養源，成為優勢菌，在後續的曝氣池中，由於絲狀菌缺少營養而受到抑制，菌膠團細菌卻可繼續氧化內源貯存物而得到增殖，因而抑制了絲狀菌增長，控制了汙泥膨脹的發生。

　　根據選擇器內部運行條件不同，可分為好氧型、缺氧型和厭氧型，本設計採用缺氧型選擇器，即在推流式曝氣池前設置為總池容1/12的缺氧段，相當水力停留時間42分鐘。該缺氧選擇器除需保持較高的基質濃度梯度外，菌膠團細菌在有硝酸鹽存在的缺氧條件下，有比絲狀菌高出兩個數量級的基質利用率和硝酸鹽還原速率，由於高碑店汙水廠好氧水力停留時間8.38hr硝化較安全，回流汙泥中硝酸鹽濃度較高，缺氧段內有足夠的硝酸鹽，因此菌膠團細菌得以迅速增長，至使絲狀菌受到抑制。從該廠1997、1998年運行數據(見表6、表7)可以看出，曝氣池SVI值始終維持在40～112之間，其中絕大部分SVI值低於100，證明了推流式曝氣池前段設缺氧選擇器改善汙泥沉降性能控制汙泥膨脹，是合理的和成功的。近年來，開始提倡氧化溝處理工藝前增設缺氧選擇器的方法，回流汙泥可按不同比例投加到生物選擇器，其目的也是根據進水有機物濃度變化，調整投加回流汙泥量，提高其原水F/M比，控制汙泥膨脹。

1998年1～10月月平均SVI值 　　　　　　　表6

月份 1 2 3 4 3 6 7 8 9 10 SVI 56 68 68.6 77.3 68.1 60.7 70 48.9 112 50.6

　　② 曝氣池設計參數與實測運行參數基本一致(見表8)，可以認為設計參數的選擇是合理的。

測定期間SVI值（1997.7～8） 　　　　　　　表7

日期 SVl 日期 SVl 日期 SVl 日期 SVl 1997.8.1 44.0 1997.8.20 55.7 1997.7.1 63.5 1997.7.15 59.3 1997.8.2 44.3 1997.8.21 45.7 1997.7.2 58.0 1997.7.16 69.2 1997.8.3 48.1 1997.8.22 48.3 1997.7.3 64.0 1997.7.17 62.5 1997.8.5 39.6 1997.8.25 45.3 1997.7.4 20.5 1997.7.18 66.2 1997.8.7 40.3 1997.8.26 44.2 1997.7.5 65.7 1997.7.19 69.6 1997.8.8 53.3 1997.8.27 46.0 1997.7.8 47.1 1997.7.20 58.3 1997.8.9 47.5 1997.8.28 43.2 1997.7.9 73.7 1997.7.21 46.5 1997.8.12 49.1 1997.8.29 50.6 1997.7.10 50.4 1997.7.22 48.8 1997.8.14 32.4

　 ／ 1997.7.11 75.2 1997.7.23 53.0 1997.8.15 51.2 ／ ／ 1997.7.12 82.6 1997.7.24 72.3 1997.8.18 55.3

　 ／ 1997.7.13 58.4 1997.7.25 52.6 1997.8.19 48.2 ／

　 1997.7.14 61.2 1997.7.26 71.9

曝氣池設計參數與實測運行參數對照表 　　　　　　　表8

數值

項目 設計值 實測值 曝氣池汙負荷（kgBOD↓5kg Vss.d） 0.14 0.05～0.13 產泥量（m↑3／d） 8910～14256 8789～11969 汙泥泥齡（d） 4.13～6.19 3.5～5.4

　　③ 水溫對曝氣池耗氧速率有明顯影響，因此設計時應選用冬季低溫汙泥負荷值，保證冬季系統的正常運行。
　　④ 由於合流制汙水廠夏季雨水較多，進水B0D₅濃度及汙泥負荷較低，導致耗氧速率降低，因此夏季應注意鼓風機供氣量的調節，避免過量曝氣。
　　⑤ 推流式漸減曝氣工藝三廊道實測需要氧量比例為1：0.8：0.7，可作為參考值。
　　⑥ 本處理工藝好氧段水力停留時間為8.38hr，氨氮去除率可達84％，硝化較安全，回流汙泥可為缺氧選擇器提供較充足的硝酸鹽，利於菌膠團細菌的迅速增長。採用該工藝，應考慮足夠的好氧硝化水力停留時間。
　　⑦ 曝氣池生物相觀察表明，生物相種群及數量沿池長及隨季節變化不大，說明曝氣池運行狀態較穩定，為活性汙泥微生物創造了良好的生態環境，有利於微生物的繁殖生長。

4 建議

　　本次測定只是在現有的工況條件下進行，若條件允許，建議改變運行工況，對其作進一步的測定與考查。

參考文獻
［1］須藤隆一著，《廢水處理的生物學》，1977年
［2］井出哲夫編著，《水處理工學》，1986年
［3］王凱軍編著，《活性汙泥膨脹的機理與控制論》，1992年