氧化沟设计常识.docx
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氧化沟设计常识
氧化沟设计常识与详解
小引：
三沟式氧化沟工艺一般适用于多大水量
检举|2012-4-2613:
27
提问者：
王伟杰221|浏览次数：
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今天（12-5-2）10:
22shuiyuelangyu|二级
氧化沟设计可以结合水利负荷、BOD负荷、预计的处理率（BOD、脱氮和污泥稳定化等）、混合悬浮物固体浓度（一般为3000~8000mg/L）和污泥龄等因素合理甲酸。
一般的经验数据是污泥负荷为0.05~0.15kgBOD/（MLSS·d），曝气池的容积负荷0.2~0.48kgBOD/m3，而水力停留时间12~36h和污泥龄10~30d，采用平均进水流浪作为设计流量。
在氧化沟设计中除了要考虑传统碳源的去除，还要考虑污水的笑话和污泥的稳定化问题。
氧化沟一般材建设为环状沟渠形，奇屏迷案可谓圆形和椭圆形或长方形的组合，二沉池、厌氧区与缺氧区、好氧区可合建也可分建；氧化沟的渠宽、有效水深视占地面积、氧化沟分组和宝器设备性能等情况而定。
一般情况下，曝气转刷式，有效水深H=2.6~3.5m，曝气转盘式，H=3.0~4.5m，表面曝气机，H=4.0~5.0m，当同时配备搅拌设施和鼓风曝气时，水深和适当加大；氧化沟渠的直线长度不小于12m或不小于水面处渠宽的2倍（不包括奥贝尔氧化沟）；氧化沟狂度与曝气器宽度相关；沟渠超高不小于0.5~0.6（表面曝气其设备平台宜高出设计水面1.0~1.2m。
至于氧化沟工艺的设计适用水量，因为氧化沟的主要设计参数负荷值与反应器的额温度。
废水的性质和浓度有关，同时考虑其处理效率，都比较大。
目前应用的一般在1.0~4.5万t/d。
水量很大到的可以采用多池并联或串联。
三沟式氧化沟以邯郸三沟式氧化沟的有关数据为例，以供参考：
根据下列数据设计交替时氧化沟（三沟）：
Q=99000m3/d（按3个系列，一个系列设计Q1=33000m3/d）；
碱度=280mg/L（以CaCO3计）；
BOD5=130mg/L；
氨氮浓度=22mg/L；
TN浓度=42mg/L；
SS浓度=160mg/L；
最低温度10摄氏度；最高温度15摄氏度。
出水要求如下：
BOD5小于15mg/L；
TSS浓度小于20mg/L；
氨氮浓度小于2~3mg/L（T=10摄氏度）；
TN浓度小于10~12mg/L（T=10摄氏度）；
TN浓度小于6~8mg/L（T=25摄氏度）；
不设初沉池，处理后的污泥要求适合直接脱水，并要求做到完全硝化；冬天最低水温为5摄氏度。
正文：
氧化沟设计常识与详解
1．氧化沟的设计计算和反应动力学公式
氧化沟所采用的负荷值与反应器的温度、废水的性质和浓度有关。
对某种特定的废水，氧化沟的负荷一般应通过实验确定，也可以参开同类型的废水处理资料。
在氧化沟设计中除了要考虑传统碳源污染问题的去除外，还要考虑污水硝化和污泥稳定化问题。
1.1氧化沟设计经验参数
表1.1是不同条件下氧化沟的设计参数汇总，可以作为氧化沟设计的参考。
由于设计参数来源与大量的工程实践，所以在采用上述参数是需要参考类似厂家的运行数据。
氧化沟污泥负荷一般小于0.1kgBOD5/（kgMLSS·d），因此其出水水质好，而且运行可靠性和稳定性高。
表1.1氧化沟的设计参数汇总
参数
氧化沟
备注
热带地区
10~20
污泥龄/d
温带地区
20~30
依赖是否硝化
寒带地区
>30
热带地区
0.2~0.25
污泥负荷/[kgBOD5/（kgMLSS·d）]
温带地区
0.1~0.25
寒带地区
<0.1
水力停留时间/h
12~36
污泥浓度MLSS/（mg/L）
4000~5000
VSS/MLSS
0.5~0.8
VSS生物可降解系数ƒb
0.4~0.65
MLVSS的BOD5含量/（mg/mgMLVSS）
0.4~0.65
基质去除率常数k
8.35
污泥产率系数Y
0.4~0.7
内源代谢系数kd/（d-1）
0.035~0.09
净VSS产率/（g/gBODu去除）
0.25~0.40
污泥消化
不需要
不消化
0.8~0.85
需氧量/（kg/kgBODu去除）
硝化，污泥不稳定化
1.0~1.3
硝化，污泥稳定化
1.4
1.2动力学设计方法
（1）去除有机物
①动力学基础方程氧化沟内碳源基质去除动力学与活性污泥法的动力学是完全一致的，对于完全混合系统，在稳定状态下物料平衡式有式（1-01），并根据敌营有式（1-02）。
Y（
dS
）=（
△X
）+kdX（1-01）
dt
△t
即，（
△X/△t
）=Y（
dS/dt
）-kd
X
Xt
1
=Y（
S0—Se
）-kd（1-02）
θc
X
t=
V
（1-03）
Q
则式（5-22）可改写为：
XV=
YtθcQ（S0—Se）
（1-04）
1+kdθc
式中Q——处理污水流量，m3/d；
V——好氧区有效容积，m3；
t——水力停留时间，d；
S0——进水BOD5浓度，kg/m3；
Se——出水BOD5浓度，kg/m3；
Y——污泥产率系数，kgVSS/kgBOD5；
X——污泥浓度，kgMLSS/m3；
kd——内源代谢系数，d-1；
θc——污泥龄，d，其值根据处理条件选定。
同样，对于基质而言，在稳态条件下有
1
=μmax（
S0
）－kd（1-05）
θc
KS+S
式中μmax——微生物最大壁纸增值速率，d-1；
KS——饱和常数，为μ=0.5μmax时的基质浓度，mg/L.
从式中（5-25）可以解出：
S=
KS（1/θc+kd）
（1-06）
μmax–（1/θc+kd）
或引入k′，可以得出：
S=
1
（1/θc+kd）（1-07）
k′Y
②氧化沟的迟蓉和停留时间采用式（1-04）可以计算氧化沟的池容。
在估计整个系统中总得污泥量时，应该将沉淀池的污泥计算在内。
或者出于安全考虑，也可忽略沉淀池部分污泥。
对于大多数活性污泥系统，也由于沉淀池的污泥量所占比例较小，忽略沉淀池污泥量不会引起问题，并且有得大多参数都是按此方法获得。
但是，用上述方法处理，对于一体化氧化沟或三沟氧化沟等会出现较大的问题，一般认为按照污泥龄的定义应该采用前者，这将在后面进行详细讨论。
氧化沟的停留时间事实上是一个到处参数，由于污泥负荷地，其停留时间总是比标准活性污泥法的长。
这是在金水特性有很大波动时的一个很大的优点，使得氧化沟的出水水质变化较小。
一般氧化沟的停留时间是12~36h。
氧化沟的结构和曝气设备可保证流态处于完全混合状态，帕斯威尔氧化沟和卡鲁塞尔氧化沟的分散数D/（uL）>4（其中D为丛向分散数；u为氧化沟的平均流速；L为氧化沟的长度）。
Pasveer建议对于小规模的氧化沟，采用0.083kgBOD5/（kgMLSS·d）负荷和25~30d污泥龄。
对于大规模的额污水处理场，由于控制较好，卡鲁塞尔氧化沟可以采用较高的负荷和较低的污泥龄。
但是在不同的场合必须认真考虑，以免影响污泥脱水性能。
（2）硝化反应Wuhrmann、Eckenfelder等人对影响活性污泥硝化过程的因素进行了研究，下面简单介绍其主要成果。
氨氮的硝化反应涉及到亚硝化毛杆菌和硝化杆菌两种不同的硝化细菌。
从化学计量学角度，1.0kg氨氮硝化需要4.6kg氧气。
实际生产中的数据较小，为3.9~4.3kgO2/kgN。
这是因为一部分用于细菌合成，并且硝化细菌可以从污水中的二氧化碳和重碳酸盐中获得一部分氧。
由于上述反应产生氢分子，所以会消耗碱度，每氧化1mg氨氮消耗7.14mg/L碱度。
从文献可知，氧化1.0mgBOD5产生0.3mg/L的碱度。
硝化细菌是严格好氧自养型微生物，它们利用氨氮作为产能代谢反应物，其生长比一般去除有机物的异养型微生物缓慢，对环境条件敏感。
硝化菌的产率系数为0.08g/gNH3-N去除，异养微生物的产率系数大约是0.50.08g/gBOD去除。
由于污水中氨氮浓度较低，因此对于氧化沟中硝化细菌的实际比例一般只有1%~2%。
据报道，硝化反应的温度范围是5~45℃,25~32℃为最佳温度范围，最佳的pH范围是7.8~9.2.虽然消化过程也可以在地溶解氧的条件下发生，但硝化菌的生长速率较低。
为了避免反应过程中受氧的限制，反应池中的溶解氧最好控制在3~4mg/L。
温度对生长速率的影响公式可以用阿累尼乌斯公式表示，温度常数取1.12（5~20℃）。
即使存在很少的毒性物质，也可能抑制硝化菌，因此，对于工业废水，污泥龄θc的确定需要进行实验研究；而对于城市污水，如果没有特殊的抑制物质，可以采用表1.2中的参数。
表1.2硝化工艺在不同温度下采用的污泥龄
污水温度/℃
完全硝化的θc/d
污水温度/℃
完全硝化的θc/d
5
12
15
6.5
10
9.5
20
3.5
在寒冷季节水温低于10℃，如果θc小于10d，则硝化反应一般进行较差。
当θc大于10d，只要氧化沟的曝气能力满足总的氧化需求，并且保持较高的溶解氧，则都可以取得很好的消化率，这也是对于脱氮的基本保证。
在欧洲国家（如荷兰），笑话负荷一般选在0.05~0.10kgBOD5/kgMLSS，硝化速率大约为1.6mgNH3-N/（gVSS·d）（温度约在10℃）。
应该注意的是，对于生物脱氮工艺要同时充分满足碳源和硝化需氧量。
因为硝化是脱氮的前提，所以在任何时候，首先要保证硝化条件得到满足。
（3）污泥稳定性在氧化沟设计中考虑的第二个因素是污泥的稳定性问题。
从理论上讲，氧化沟的污泥龄的选取应该使得所有的挥发性固体通过内源呼吸全部被降解。
无论是厌氧消化还是好氧消化，如果反应时间足够长，细胞讲解过程中有23%的残余物为不可生物降解物质。
已知泥产率（Y，kgVSS/kgBOD5）和去除BOD5的量（Sr）。
则每天VSS的产量为YS，其中科生物降解部分的量是0.77YS。
如果系统重科生物降解部分的固体物质是ƒbX（ƒb为VSS可生物降解系数），内源代谢常数kd，则在稳定状态下有
0.77YSr=kdƒbX（1-08）
或
X=
0.77YSr
（1-09）
kdƒb
从而按照污泥龄定义得
（1-10）
温度将影响到ƒb和kd的数值，并且kd值与污水性质有关。
Adams和Eckenfelder给输了混合液中VSS可以生物降解部分的比值ƒb的计算公式（1-11），对于氧化沟其数值一般在0.3~0.5之间。
（1-11）
式中X——系数中的平均VSS，kg，如果采用的是MLSS，则要换算；
Sr——去除的基质，kg/d。
由上述的公式可以计算出污泥负荷比（F/M）。
（1-12）
式（1-09）和式（1-10）是考虑污泥稳定问题，对氧化沟污泥龄和有机负荷的计算公式，是只从污泥稳定化校对出污泥龄和负荷要求。
五一温度对上述公式中的参数Y、kd的影响是十分重要的，这可以通过表1.1和表1.2中数据算出来，big结合温度修正系数对选择的设计温度进行计算。
对于延时曝气氧化沟，温度常数值较小（1.01~1.03），因此处理生活污水时温度的影响不大，基于污泥稳定化要求的有机负荷和污泥龄一般远远超过完全硝化所要求得数值，即使较低也可以取得完全的硝化效果，并且产生的污泥在夏季也没有恶臭。
（4）脱氮反应在没有溶解氧的条件下（缺氧），除氮的异养微生物可以利用硝酸盐和亚硝酸盐作为电子手提，把其还原为氮。
虽然在氧化沟的主体溶液中存在溶解氧，但缺氧条件事实上是指微生物生长的微环境（即生物絮体中或生物膜中），其中的氧化还原电位是-200mV。
脱氮动力学也可以采用Monod方程，其参数值的范围如下。
Umax=0.02~0.25mgNO
-N/mgVSS，Y=0.7~1.4mgVSS/mgNO
-N，kd=0.22~0.06。
还原硝酸盐后产生N2，计量关系如下：
还原1mg氮气产生2.86mg氧气。
污泥脱氮负荷要低于30mgN/（gMLSS·d）。
脱氮需要考虑排放污泥中细胞的含氮量，按照细胞合成的碳氮磷的比例为C：
N：
P=106：
:
1:
1，即污泥中最多包含12.3%的氮和2.6%的磷。
一般在内源呼吸阶段，不可生物降解部分仅仅包含7%的氮和1%的磷。
剩余污泥中的其他N、P回流到主体溶液中。
因此污泥中的含氮量依赖于污泥龄（θc），污泥龄越长，污泥中的含氮量越小，对营养物的需求也越小。
缺氧区的体积按下式计算：
（1-13）
式中Vd——缺氧区体积，m3；
Nr——硝酸盐减少量，mg/L；
Nd——比脱氮率，mgN/（mgMLSS·d）。
（5）动力学参数表1.3给出了氧化沟设计的动力学参数数据，需要说明的是，对于一种特定的污水，即使是生活污水，虽然文献中有许多动力学参数的数据可用于氧化沟设计，但要特别注意这些参数的适用范围和条件。
由于废水特性各异，只要条有条件，都尽可能进行试验。
表1.3氧化沟设计的动力学参数范围
污水种类
Y/（kg/kg）
kd/d-1
μmax/d-1
KS/（mg/L）
k（k）/d
测定基质
生活污水
0.4
0.09
3.2
60.0
8.0
COD
生活污水①
0.73
0.073
－
－
0.017~0.03
BOD5
生活污水
0.372
0.098
－
45.5
8.35
BOD5
牛奶废水
0.48
0.098
－
100
5.1
BOD5
化工废水①
0.31~0.72
0.05~0.18
－
－
0.003~0.018
BOD5
纺织废水①
0.72
0.10
0.89
52
1.24
BOD5
1进水中含有大量的悬浮物。
1.3氧气需求
氧化沟中废水需氧量可由各种方法算得，并且不同的二氧化沟系统也可采用不同的计算公式，需考虑以下几个过程的需氧量。
（1）氧化有机物的需氧量氧化有机物的需氧量（D1）的计算公式可在一般手册和教科书上上查到。
（2）系统内源呼吸需氧量废水中有机物的BODu值和BOD5之间有关系，即BOD5=0.68BODu，对微生物，如果细胞固体的BODu等于COD，则通过下面的化学计量关系有O2用量/微生物=160/113=1.42。
C5H7O2N+5O2+H+===5CO2+2H2O+NH++能量
细胞需氧量（D2）=1.42mgBODu/mg可生物降解固体
=1.0mgBOD5/mg可生物降解固体
=0.77mgBOD5/mgVSS
由于作为基质降解，产生的VSS大约仅有77%是科生物降解的，而有大约33%在一般生物反应时间内是惰性的。
（3）硝化过程的需氧量硝化过程需氧量（D3）通过化学计量关系有：
硝化需氧量D3=4.6×系统中被氧化的TKN/（kg/d）
（4）脱氮过程的产氧量脱氮过程产氧量D4=2.86×系统中被还原的NO
-N/（kg/d）
（5）总需氧量在氧化沟工艺过程中的需氧量为D1+D2+D3－D4。
一般式首先满足碳源需氧量，只有其他条件适合并且有足够的供养能力。
则随后可以满足硝化需氧量，计算需氧量首先要根据处理需要达到的无处率，计算所需要的总需氧量（D），这要考虑BOD5的去除需氧量（D1）、硝化需氧量（D2）和污泥稳定化的需氧量（D5）。
有脱氮过程还要考虑扣除每还原1kg氮气产生的2.86kg氧气（D4），则
D=去除BOD需氧量－剩余污泥BODu需氧量+去除NO
-N耗氧－
剩余污泥NH3-N耗氧－脱氮产氧（1-14）
D=Q（S0－Se）－1.42△Xƒ+4.6（N0－N）－0.07△Xƒ－2.6△NO3（1-15）
式中D——总需氧量，kg/d；
△X——剩余污泥量，kg/d；
ƒ——MLVSS/MLSS；
N0，N——进、出水氨氮浓度，mg/L；
△NO3——被还原的NO
浓度，mg/L。
总需氧量D确定后，可以根据不同工艺的运行经验，选取一定的安全系数，得到实际需氧量（AOR），并转化为标准状态需氧量（SOR），公式如下：
（1-16）
式中
——氧转移速率的污水所在参数，对生活污水取值0.5~0.95；
——饱和溶解氧的污水所在参数，对省会污水取值0.90~0.97；
——温度T时的饱和溶解氧浓度，mg/L；
C——平均溶解氧浓度，mg/L；
——大气压修正参数。
在标准状态下的需氧量确定之后，根据不同设备厂的表曝气机样本和手册，计算出氧化沟系统的总能耗。
总能耗一旦确定，就可以确定氧化沟曝气器的数目、氧化沟外形及分组情况。
1.4沉淀池和回流污泥系统
（1）沉淀池同所有活性污泥法一样，可以采用固体通量法和水力负荷法确定沉淀池的设计参数，具体设计参见有关手册。
（2）回流污泥系统如已知回流污泥浓度，回流污泥量则可通过系统的生物量平衡计算。
（1-17）
（1-18）
式中Q——流量，m3/d；
Qr——回流污泥量，m3/d；
X0——进水SS浓度，mg/L；
Xr——回流污泥VSS浓度，mg/L；
X——氧化沟污泥VSS浓度，mg/L，也可用MLSS代替挥发性悬浮固体（VSS）；
SVI——污泥指数，mg/L；
r——污泥胡流弊（一般为1.2），与二沉池停留时间、池深等因素有关。
（3）剩余污泥量动力学设计能确定生物污泥产量，对沉淀池的固体流失量和存在的惰性物质可以采用下式计算。
（1-19）
式中
——总剩余污泥量，g/L；
Q——进水量，m3/d；
——去除可溶性BOD5浓度，mg/L；
Y——产率系数，kgVSS/去除kg/BOD5；
kd——内源代谢系数，d-1；
θc——固体停留时间，d；
X1——进水悬浮固体中惰性部分（进水TSS－积水VSS）的含量，mg/L；
Xe——出水TSS的含量，mg/L。
氧化沟以常规模式运行时，会产生不稳定的剩余污泥，应在处置前加以稳定；氧化沟以严实模式运行时，污泥量少且稳定。
根据回流污泥量和剩余污泥量可以选择水泵和处理系统。
2.氧化沟设计
2.1设计方法
（1）总则设计可以结合水力负荷、BOD5负荷、预计的处理率（BOD5、脱氮和污泥稳定化等），混合液悬浮固体弄得和污泥龄等因素合理计算。
一般的经验数据是污泥负荷为0.05~0.15kgBOD/（MLSS·d），曝气池的容积负荷0.2~0.48kgBOD/m3，而水力停留时间12~36h和污泥龄10~30d，采用平均进水流浪作为设计流量。
在氧化沟设计中除了要考虑传统碳源的去除，还要考虑污水的硝化和污泥的稳定化问题。
（2）设计的混合液悬浮固体浓度设计混合液悬浮物固体浓度应该在3000~8000mg/L。
（3）好氧区容积（V1）
①动力学计算方法
（1-20）
式中V1——好氧区有效容积，m3；
K——污水量总变化系数；
Q——平均日污水进水流量，m3/d；
S0——进水BOD5含量，mg/L；
S——出水BOD5含量，mg/L；
Y——污泥产率系数（kgVSS/kgBOD5），按半生产性实验数据求得；
θc——污泥龄，d，其值根据处理要求选定；
X——混合液挥发性悬浮固体MLVSS浓度。
Mg/L；
kd——内源代谢系数，d-1，按实验数据求得，并根据当地冬季和夏季温度修正。
在上述的参数中，Y、kd可通过动力学方法测定，污泥龄和负荷可以采用动力学计算方法计算，若考虑污泥稳定化的要求，对于硝化是充足的。
若不考虑污泥稳定化，也可以采用动力学方法计算硝化所需负荷和停留时间。
对于一体化和交替式氧化沟，污泥龄的计算需要扣除其沉淀部分的污泥量，同样对于脱磷、除氮的氧化沟也要扣除其污泥量，才能满足硝化和污泥稳定化的要求。
②经验设计法（有机污泥负荷法）
（1-21）
式中NS——BOD5污泥负荷，mgBOD5/（mgVSS·d）。
（4）缺氧区容积（V2）
（1-22）
式中V2——缺氧区有效容积，m3；
N0——进水TN浓度，mg/L；
Nw——随剩余污泥排放出去的氮量，mg/L；
N——随出水排放出去的氮量，mg/L；
Ndn——脱氮速率，kgN/（kgMLSS·d）。
（5）厌氧选择区容积（V3）
（1-23）
式中V3——厌氧区有效容积，m3；
θ1——缺氧区水力停留时间，h；
θ2——厌氧区水力停留时间，h。
（6）氧化沟总容积（V）
V=V1+V2+V3（1-24）
式中V——氧化沟去除碳、氮、磷所需要的总有效容积，m3。
对于一体化和交替式氧化沟，虽然不需要另设沉淀池和污泥回流设施，但其池容应该扣除沉淀所需容积。
2.2需氧量
好氧区需氧量应考虑碳化需氧量。
内源呼吸需氧量、硝化需氧量，脱氮工艺应考虑硝化过程产生的需氧量。
应将上述过程实际需氧量换算为标准需氧量，并根据情况选择设备。
曝气设备设计应该选用标准条件下（20℃和0mg/L溶解氧，用自来水，101.3kPa）的氧转移效率。
在温度和海拔高度不同时，应该做相应的修正。
对于多沟式氧化沟或曝气、沉淀一体化的氧化沟，应计入曝气设备不工作情况下的需氧系数。
仅仅去除碳源污染物时池中溶解氧浓度应小于2.0mg/L。
考虑硝化时池中溶解氧浓度不小于3.0~4.0mg/L，缺氧池中溶解氧浓度小于0.5mg/L，溶解氧浓度迎接近于0mg/L。
2.3曝气设备
（1）曝气氧化沟专用的曝气设备，可选用曝气转刷。
曝气转盘、表面曝气机、射流曝气器、导管式曝气机等。
氧化沟中的曝气应满足下列要求：
①提供生物处理所需要的氧量；②使氧、有机物、微生物三者充分混合接触；③是混合液始终保持悬浮状态，防止污泥沉淀；④推动水流不停地循环流动；⑤设施的充氧能力便于调节，有适应需要变化的灵活性。
应结合工艺要求（如池型、水深、有无脱氮等）综合考虑对曝气设备的选择。
充氧装置的动力效率和氧的利用率应适当要求偏高，以保证供给能力。
（2）混合根据曝气设备的提升能力与曝气池横断面积，曝气设备的设计应保持最小的平均速度为0.3m/s。
氧化沟、缺氧和厌氧池中的搅拌器。
可选择便于维修的液下混合器，且满足下列要求：
①防止活性污泥沉淀；②是回流污泥与原污水充分混合；③维持厌氧生物的处理环境。
2.4二沉池和污泥回流
二沉池和回流设备的设计，应该采用适当的参数（参见有关手册和规范）。
2.5氧化沟设计小结
下面讨论的问题带有普遍性，原则上适用于所有的氧化沟的设计。
（1）设计去除BOD5和污泥稳定化系统
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