高碑店污水处理厂一期工程曝气池设计参数的研究与评价

杭世珺 徐冬梅 曲际水

　　【摘要】 介绍了高碑店污水处理厂一期工程曝气池设计参数的测试与评价，着重探讨了前置缺氧选择器的生物机理，结果表明，采用前置缺氧选择器可以抑制丝状菌的过渡增长，改善污泥性能，防止污泥膨胀。
　　【关键词】 曝气池 推流式 选择器 F/M 污泥膨胀

　　北京高碑店污水处理厂设计规模为近期100万m³/d，远期250万m³/d，近期100万m³/d分为两期建设，一期工程50万m³/d，已于一九九三年十月竣工投产，二期工程50万m³/d，于一九九九年八月竣工。
　　该处理厂采用前置缺氧段活性污泥法工艺，即在推流式曝气池前设置缺氧段(占生物处理池总容积的1/12)，其目的是改善污泥性质，防止污泥膨胀。一期工程投产以来，已连续稳定运行近五年，取得了预期的良好效果。
　　高碑店污水处理厂一期工程(以下简称高碑店污水处理厂)工艺流程如下图所示：
　　·污水处理工艺流程：
　　
　　·污泥处理工艺流程：
　　
　　高碑店污水处理厂一期工程曝气池设计参数如下表所示：

高碑店污水处理厂一期工程曝气池设计参数 　　　　　　　表1 设计流量Q 50万m³/d 曝气池Nv 0.43kgBOD₅/m³·d 总变化系数K_z 1.1 曝气池HRT 8.38hr 最大设计流量Q↓max 55万m³/d 曝气池MLSS 2000～3000mg/L 缺氧段HRT 41.9min 污泥回流比R 50～100％ 曝气池N_s 0.14kgBOD₅/kgVSS.d 水温　　 冬：
　　　　 夏： 13.9～14.5℃
25.2～25.6℃

　　经过五年运行，处理效果如表2所示：

处理效果表*　　　　　　　　　　　　　　表2 项 目 BOD₅(mg/L) COD_Cr(mg/L) SS(mg/L) 原污水 180～220 400～500 300～400 处理出水 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“北京市高碑店污水处理厂(一期工程)水环境效益调查分析”(1996年12月)

　　为给高碑店污水处理厂远期工程提供更加合理的设计参数，于1996年～1997年在现场通过测定等手段，考察了一期工程曝气池运行效果，对曝气池主要设计参数进行了测试与评价，并试图探讨前置缺氧段的生物机理。

1 试验内容、方法与装置

1.1 试验内容
　　·测定曝气池耗氧速率；
　　·测定曝气池内溶解氧分布；
　　·测定曝气池内氨氮硝化程度；
　　·测定曝气池内污泥负荷、污泥龄及污泥产率的变化规律；
　　·观察生物相。
1.2 试验方法与装置
　　高碑店污水处理厂曝气池分为两系列，每系列6池，总计12池，每池为三廊道，每廊道长95米，宽9米，总长285米。
　　曝气池进水端设置缺氧段，长24米，其后261米为好氧区；缺氧区为总长的1/12，相当于停留时间42分钟。
　　本测定选用7号曝气池，测定点布置如图1所示：图中A、B、C、D、E、F为取样点。A点：表示缺氧段特性；B点：表示缺氧向好氧过渡点的特性；C、D、E点：表示第一、二、三廊道好氧区内不同DO浓度点的特性；F点：表示曝气池出水特性；
1.2.1 耗氧速率测定
　　在曝气池各测点取混合样进行曝气，待溶解氧浓度达到6mg/1时，停止曝气，立即装人3000ml三角瓶中满水密封，然后用磁力搅拌器搅拌(见图2)，待D0浓度降至5mg/1时开始记录，每隔0.5分钟记录一次DO浓度，直到DO浓度降至0.5mg/1时停止。通过分析D0随时间的变化获得耗氧速率数值。
1.2.2 溶解氧测定
　　本测定采用美国科尔·帕默仪器公司产品YSI—58型(便携)溶解氧测定仪进行测定测点为图1中A、B、C、D、E、F点。

1.2.3 氨氮测定
　　本测定采用纳氏试剂分光光度比色法。
　　主要测样为原水及图1中B、D、F点。
1.2.4 生物相观察
　　在曝气池A、B、C、D、E、F六个测点分别取混合液，待沉淀后取其活性污泥置于光学显微镜下观察，照像显微镜为菜司公司BAI型。
1.2.5 化验方法
　　·MLSS：重量法
　　·BOD5：生化培养法(5天，20℃)
　　·CODcr：重铬酸钾法
　　·NH3—N：纳氏比色法

2 试验结果与分析

2.1 处理厂运行情况考察
2.1.1 水质运行情况
　　本运行考察分别在夏季(6～8月)、秋季(9～11月)、冬季(12～1月)进行，运行结果详见表3“高碑店污水处理厂水质运行数据表”，从表3中可看出：
　　·秋、冬季原水COD_Cr，BOD₅，SS均较稳定，原水平均BOD₅浓度为144～196mg/l，平均COD_Cr浓度为323～446mg/l，平均SS浓度为317～539mg/l，除SS略高于原设计值外，其余均在设计值范围内。
　　·夏季原水水质变化较大，进水浓度均较低，B0D5浓度为44～170mg/l，CODcr浓度为77～294mg/l，SS浓度为56～292mg/l。
　　·夏、秋、冬三季中，二沉池出水均较稳定。平均BOD5浓度达4.67～7.8mg/l，平均CODcr浓度达20.3～44.6mg/l，平均SS浓度在14～23mg/l，均达到国家污水综合排放标准《GB8978－96》一级排放标准。
2.1.2 污泥运行情况
　　本测定分别在秋冬两季进行，运行数据详见表4，从表4可以看出，剩余污泥排放量平均为8798～11969m³/d，而剩余污泥量设计值为8910～14256m³/d，污泥产率为0.9，因此设计值与实测值基本一致。

高碑店污水处理厂水质运行数据表 　　　　　　　　　　表3 项目

内容

日期 进水量 供气量 温度 曝气池污泥负荷 原水 初沉池出水 二沉池出水 (万m³/d) (千m³/d) 气温 水温 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) 　 　 　 　 范围 平均 范围 平均 范围 平均 范围 平均 范围 平均 范围 平均 范围 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

高碑店污水处理厂污泥运行数据表 　　　　　　　　　　表4

日期

　 剩余污泥排放量(m³/d) 回流污泥量(千m³/d) 污泥回流比(％) 范围 平均 范围 平均 范围 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 污泥负荷与污泥龄
　　从表3可以看出夏、秋、冬季污泥负荷在0.05～0.13KgBOD₅/KgVss.d，而设计负荷为0.14KgBOD₅/KgVss.d，实测值与设计值基本吻合。
根据实测污泥浓度、剩余污泥量及池容可以计算出污泥龄为3.5～5.4天，也与设计污泥龄4～6天基本一致。
2.2 耗氧速率
　　活性污泥耗氧速率综合反映了活性污泥的净化能力，它与污水性质、所选用的工艺流程、工艺参数、运行条件等密切相关。测定耗氧速率可间接地反映曝气池的运行状况，并可为曝气池设计提供可靠的参数依据。
2.2.1 耗氧速度随季节的变化情况
　　表5中列出了夏、秋、冬不同季节沿曝气池池长变化的耗氧速率和比耗氧速率值。其中冬季气温0.8～1.3℃，水温13.9～14.5℃；秋季气温14.2～23℃，水温19.8～21.8℃；夏季气温32～36℃，水温25.2～25.6℃。图3、图4分别表示不同气温下耗氧速率和比耗氧速率沿池长的变化曲线。
　　由上述表5、图3、图4可以看出：冬季比耗氧速率最大值(A点)为0.1125mgO₂/g.min，最小值(F点)为0.0683mgO₂/g.min，而秋季该值最大(A点)为02462mgO₂/g.min，最小(F点)为0.1549mgO₂/g.min，说明耗氧速率随温度增加而增大。
　　但是从表5中还可以看出，夏季最大比耗氧速率(A点)为0.2351mgO₂/g.min，最小值(F点)为0.1184mgO₂/g.min，均小于秋季同值；这是因为耗氧速率除受水温影响外，还与其它因素有关。表1中1997年7～8月进水BOD₅为83～92mg/L，COD_Cr165～197mg/L，明显低于秋季进水BOD₅为188～196mg/L，COD_Cr为357～446mg/L，说明耗氧速率还与污泥负荷有关，在一定条件下，污泥负荷低，耗氧速率也随之降低。
2.2.2 需氧量沿池长的变化
　　从图3、图4中可看出，推流式曝气池的耗氧速率沿池长逐渐降低，因而需氧量也逐渐减少，经测定及分析，第一、二、三廊道需氧量分别占曝气池总需氧量的40％，32％，28％，即三廊道需氧量比为1：0.8：0.7。

　　另外，需氧量与污泥龄及污泥负荷有关，本测定在泥龄3.5～5.4天，污泥负荷为0.05～0.13kgBOD₅/kvVSS.d条件下，去除1kgBOD₅需氧量为1.56～1.2kgO₂，平均值为1.43kgO₂/kgBOD₅。
2.3 溶解氧分布
　　供氧充分与否直接影响好氧生物处理过程中生物降解速率和处理效果。该厂曝气池采用渐减曝气方式，即曝气头设置密度呈递减状，经测定，在表3所列供氧量条件下，溶解氧沿池长变化如图5所示，由图5可以看出，曝气池人口处DO浓度低于0.5mg/1，然后逐渐上升，至第二廊道达2.34mg/1左右，进入第三廊道后又逐渐低至0.6～1.0mg/1左右。从表3还可以看出，此时，二沉池出水BOD₅达4～7mg/1，COD_Cr达20～30mg/1，SS达14～23mg/1，完全满足二级处理出水要求。
2.4 氨氮硝化
　　曝气池中氨氮去除受污水中pH、水温、碱度、COD_Cr等影响。本测定沿池长取不同测点，测定水温为13.9～25.6℃，pH7.2～7.75，碱度330～241mg/1。测定结果见图6，从图6中可以看出：秋季原水NH3—N21mg/l，出水可达3.4mg/l；冬季原水NH3—N32.4mg/1，出水可达0.93mg/1；原设计值为30mg/1，实测曝气池氨氮去除率为84％，硝化效果良好。

2.5 生物相观察
　　正常运行条件下，曝气池内生物种类繁多，且较活跃，主要有原生动物和后生动物，如钟虫、楯纤虫、聚缩虫、独缩虫、鞘居虫、轮虫等(见图7：生物相照片)，生物相沿池长变化不大，但冬季生物数量较秋季为少。

高碑店污水处理厂秋、冬、夏季耗氧速率沿池长变化表 　　　　　　　　　　表5

项目

内容

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

范围 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 结论与分析

　　① 采用前置缺氧段(缺氧选择器)活性污泥法工艺可以抑制丝状菌的过度增长，防止污泥膨胀。
　　污泥膨胀是自活性污泥法问世以来，一直困扰着人们的最大难题之一。美国有1/2污水厂由于出水悬浮物过高而不能达标；荷兰40～50％城市污水厂存在污泥膨胀问题；德国315座活性污泥处理厂中，45％存有丝状菌过度增长状况；英国调查了65座污水处理厂其中27座年平均SVI高于200；我国几乎所有城市污水处理厂都存有一定程度的丝状菌膨胀现象。可见活性污泥法工艺中污泥膨胀是一个世界范围的普遍问题。
　　污泥膨胀有丝状菌膨胀和非丝状菌膨胀，造成各种类型的污泥沉降性能不良的多数原因，是由于丝状菌过度增长，因此，抑制丝状菌过度增长是防止污泥膨胀的主要途径。
　　生物选择器是应用生物竞争的原理，人为地在曝气池中造成某种有利于选择性地发展菌胶团细菌的生态环境，使菌胶团细菌迅速增长，抑制丝状菌过度增殖，从而控制污泥膨胀。
　　其具体方法是在推流式曝气池前段设置一个停留时间比曝气池短得多的区段，称为生物选择器。在生物选择器内，起始原污水的基质浓度很高，可局部提高F/M比值，在此环境下，菌胶团细菌迅速摄取、转化并贮存污水中大部分可溶性有机物，夺取了丝状菌的营养源，成为优势菌，在后续的曝气池中，由于丝状菌缺少营养而受到抑制，菌胶团细菌却可继续氧化内源贮存物而得到增殖，因而抑制了丝状菌增长，控制了污泥膨胀的发生。

　　根据选择器内部运行条件不同，可分为好氧型、缺氧型和厌氧型，本设计采用缺氧型选择器，即在推流式曝气池前设置为总池容1/12的缺氧段，相当水力停留时间42分钟。该缺氧选择器除需保持较高的基质浓度梯度外，菌胶团细菌在有硝酸盐存在的缺氧条件下，有比丝状菌高出两个数量级的基质利用率和硝酸盐还原速率，由于高碑店污水厂好氧水力停留时间8.38hr硝化较安全，回流污泥中硝酸盐浓度较高，缺氧段内有足够的硝酸盐，因此菌胶团细菌得以迅速增长，至使丝状菌受到抑制。从该厂1997、1998年运行数据(见表6、表7)可以看出，曝气池SVI值始终维持在40～112之间，其中绝大部分SVI值低于100，证明了推流式曝气池前段设缺氧选择器改善污泥沉降性能控制污泥膨胀，是合理的和成功的。近年来，开始提倡氧化沟处理工艺前增设缺氧选择器的方法，回流污泥可按不同比例投加到生物选择器，其目的也是根据进水有机物浓度变化，调整投加回流污泥量，提高其原水F/M比，控制污泥膨胀。

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 曝气池设计参数与实测运行参数基本一致(见表8)，可以认为设计参数的选择是合理的。

测定期间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

曝气池设计参数与实测运行参数对照表 　　　　　　　表8 数值

项目 设计值 实测值 曝气池污负荷（kgBOD↓5kg Vss.d） 0.14 0.05～0.13 产泥量（m↑3／d） 8910～14256 8789～11969 污泥泥龄（d） 4.13～6.19 3.5～5.4

　　③ 水温对曝气池耗氧速率有明显影响，因此设计时应选用冬季低温污泥负荷值，保证冬季系统的正常运行。
　　④ 由于合流制污水厂夏季雨水较多，进水B0D₅浓度及污泥负荷较低，导致耗氧速率降低，因此夏季应注意鼓风机供气量的调节，避免过量曝气。
　　⑤ 推流式渐减曝气工艺三廊道实测需要氧量比例为1：0.8：0.7，可作为参考值。
　　⑥ 本处理工艺好氧段水力停留时间为8.38hr，氨氮去除率可达84％，硝化较安全，回流污泥可为缺氧选择器提供较充足的硝酸盐，利于菌胶团细菌的迅速增长。采用该工艺，应考虑足够的好氧硝化水力停留时间。
　　⑦ 曝气池生物相观察表明，生物相种群及数量沿池长及随季节变化不大，说明曝气池运行状态较稳定，为活性污泥微生物创造了良好的生态环境，有利于微生物的繁殖生长。

4 建议

　　本次测定只是在现有的工况条件下进行，若条件允许，建议改变运行工况，对其作进一步的测定与考查。

参考文献
［1］须藤隆一著，《废水处理的生物学》，1977年
［2］井出哲夫编著，《水处理工学》，1986年
［3］王凯军编著，《活性污泥膨胀的机理与控制论》，1992年