强化反硝化脱氮除磷的氧化沟生物反应池尺寸设计方法与流程
本发明属于环境工程中的污水处理技术领域，涉及一种强化反硝化脱氮除磷的氧化沟生物反应池尺寸设计方法。
背景技术：
随着环境保护要求的提高，污水治理去除有机物的同时还需要进行脱氮除磷。因此许多研究者将氧化沟循环廊道前增加厌氧区(或厌氧池)，以满足污水除磷的要求。氧化沟实现脱氮功能，一方面可以通过调节曝气器在循环廊道内形成缺氧区和好氧区，则好氧区域进行有机物氧化及硝化反应，缺氧区域进行反硝化脱氮反应；另一方面可以在氧化沟循环廊道外增设缺氧区(或缺氧池)，氧化沟循环廊道内好氧区的硝化混合液可以通过回流门或回流泵按一定比例回流至缺氧区(池)。
传统氧化沟采用曝气和推流功能二合一的曝气设备(如曝气转刷、曝气转盘、立式表曝器等)，这些曝气设备在供氧的同时也起到推流作用。因此，调整曝气器一方面会影响到溶解氧浓度在循环廊道内的分布情况，另一方面也会影响到好氧区硝化混合液向缺氧区的循环回流情况，即会影响到循环比(循环廊道过流断面通过的循环流量和进水流量的比值)。针对曝气和推流两功能合一的氧化沟，个别研究关注了氧化沟的循环比，但主要考虑的是循环比是否能够提供去除有机物及脱氮所需的足够氧气。汤利华[1]依据需氧量和供氧量平衡，在曝气器数目已定的条件下，求得为使出水有机物浓度达到预期结果氧化沟内所需的循环比。Argaman[2]根据进水氨氮浓度及预期要达到的出水硝酸盐氮浓度，依据传统反硝化脱氮过程中硝化液需回流至缺氧区的要求，求得了氧化沟所需循环比的简化公式。
近几年，在氧化沟工艺技术中，尽管有研究者提出了对氧化沟循环比进行调控的装置和方法。但是，到目前为止，人们对循环比的认识多局限于循环廊道过流断面通过的循环流量与进水流量的比值这一概念，没有人发现循环比与活性污泥系统传统设计参数水力停留时间的耦合关系，因此也没有人提出去除水力停留时间影响的更有效、更直接的反映氧化沟生物反应池尺寸与混合液循环流动特性的相关参数。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种强化反硝化脱氮除磷的氧化沟生物反应池尺寸设计方法。
本发明的技术方案概述如下：
强化反硝化脱氮除磷的氧化沟生物反应池尺寸设计方法,包括如下步骤：
①确定生物反应池Qin，So，Nto，Nk和Po；
其中：Qin为生物反应池的进水流量，单位m3/d；
So为生物反应池进水五日生化需氧量质量浓度，单位mg/L，所述五日生化需氧量简写为BOD5；
Nto为生物反应池进水总氮质量浓度，单位mg/L，所述总氮简写为TN；
Nk为生物反应池进水总凯氏氮质量浓度，单位mg/L，所述总凯氏氮简写为TKN；
Po为生物反应池进水总磷质量浓度，单位mg/L，所述总磷简写为TP；
②确定生物反应池ηBOD5、ηTN、ηTP；
ηBOD5为生物反应池BOD5总处理率，单位％，取值范围85～95；
ηTN为生物反应池TN总处理率，单位％，取值范围55～80；
ηTP为生物反应池TP总处理率，单位％，取值范围50～75；
③确定生物反应池Se、Nte、Pe；
Se为生物反应池出水BOD5质量浓度，单位mg/L，Se＝(1-ηBOD5)So；
Nte为生物反应池出水TN质量浓度，单位mg/L，Nte＝(1-ηTN)Nto；
Pe为生物反应池出水TP质量浓度，单位mg/L，Pe＝(1-ηTP)Po；
④确定X，Xv，Ls，y，Lv，LTN，θc，Y，tp，tn，to，HRT，R各参数取值：
X为生物反应池内混合液悬浮固体平均质量浓度，单位kg/L，取值范围2.0～4.5，所述混合液悬浮固体简写为MLSS；
Xv为生物反应池内混合液挥发性悬浮固体平均质量浓度，单位kg/L，取值范围1.4～3.2，所述混合液挥发性悬浮固体简写为MLVSS；
Ls为生物反应池BOD5污泥负荷，单位kg/(kg.d)；
以BOD5/MLVSS表示时，取值范围为0.10～0.21；
或以BOD5/MLSS表示时，取值范围为0.07～0.15；
y为单位体积混合液中MLVSS在MLSS中所占比例，单位g/g；
设初沉池时，y取值范围为0.65～0.70；
不设初沉池时，y取值范围为0.50～0.65；
Lv为BOD5容积负荷，单位kg/(m3.d)，取值范围0.20～0.70；
LTN为总氮负荷率，简写为TN/MLSS，单位kg/(kg.d)，取值范围≤0.06；
θc为设计污泥龄，单位d，取值范围为12～25；
Y为污泥产率系数，单位kg/kg；Y根据试验资料确定；若无试验资料，设初沉池时，取值范围0.3～0.6，不设初沉池时，取值范围0.5～0.8；
tp为厌氧池水力停留时间，单位h，取值范围1～2；
tn为缺氧区水力停留时间，单位h，取值范围1～4；
to为好氧区水力停留时间，单位h，取值范围6～12；
HRT为总水力停留时间，单位h，取值范围8～18，HRT＝tp+tn+to；
R为污泥回流比，R＝QR/Qin，单位％，取值范围50～100；所述QR为沉淀池向生物反应池回流的污泥量，单位m3/d；
⑤依据以下公式求得厌氧池容积Vp、缺氧区容积Vn和好氧区容积Vo；
ΔXV为排出生物反应池的微生物量，单位kg/d；
KdeT为T℃时的脱氮速率，kg/(kg.d)，KdeT根据试验资料确定，若无试验资料时按下式计算：
KdeT＝Kde201.08(T-20) (4)
Kde20为20℃时的脱氮速率，kg/(kg.d)，取值范围0.03～0.06；
T为设计温度，单位℃；
θco为好氧区设计污泥龄值，单位d；
F为安全系统，取1.5～3.0；
μ为硝化菌生长速率，单位1/d；
Na为生物反应池中氨氮质量浓度，单位mg/L；
KN为硝化作用中氮的半速率常数，单位mg/L，取1.0；
⑥选定曝气装置种类和规格；依据场地要求及计算得到的Vp确定厌氧池的长、宽、高及有效水深；依据场地要求、曝气装置种类和规格以及计算得到的Vn和Vo确定缺氧区及好氧区的长、廊道宽、高及有效水深；
其特征是还包括：
⑦依据循环廊道的廊道宽B，循环廊道的有效水深H，混合液在循环廊道内的流速v，v取0.3m/s，循环廊道水力停留时间HRTCC，HRTCC＝tn+to，及Qin，计算循环频次f:
如果3.2≤f≤7.6，则完成设计过程，得到反硝化聚磷菌所占比例较高的脱氮除磷氧化沟，否则，重新选定曝气装置种类，依据场地要求及曝气装置种类和规格确定厌氧池、缺氧区及好氧区的长宽高及有效水深,而后再次计算f,直到3.2≤f≤7.6。
本发明的优点：
本发明的方法，将循环频次纳入到氧化沟工艺系统的设计过程中，提出了一种能提高反硝化聚磷菌占总聚磷菌比例的氧化沟生物反应尺寸的设计方法。本发明指出循环频次的合理取值范围是3.2～7.6之间。对于循环廊道前设置厌氧区(池)，循环廊道内设置缺氧区和好氧区，循环廊道外不设置缺氧区(池)的脱氮除磷氧化沟工艺，当生物反应池尺寸设计时保证循环频次f在3.2～7.6范围内时，可以使系统的反硝化聚磷菌占总聚磷菌的比例达到40％以上，同时使氧化沟系统的脱氮除磷率达到较高水平。
本发明的设计方法得到的氧化沟可以富集反硝化聚磷菌，能够实现一碳两用(消耗的有机物能够用于氮和磷的同时去除)，所以与实现氮、磷相同处理效果的其它活性污泥工艺相比可节省25％左右的有机物消耗量，节省20％左右的耗氧量，并减少了20％左右的剩余污泥产量。
附图说明
图1氧化沟循环比、循环频次与水力停留时间关系推导示意图。
图2循环廊道外设置厌氧区(池)，循环廊道内设置缺氧区和好氧区的脱氮除磷氧化沟系统示意图。
图3循环廊道外设置厌氧区(池)，循环廊道内设置缺氧区和好氧区的脱氮除磷氧化沟系统生物反应池尺寸设计方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
强化反硝化脱氮除磷的氧化沟生物反应池尺寸设计方法,包括如下步骤：
①确定生物反应池Qin，So，Nto，Nk和Po；
其中：Qin为生物反应池的进水流量，单位m3/d；
So为生物反应池进水五日生化需氧量质量浓度，单位mg/L，所述五日生化需氧量简写为BOD5；
Nto为生物反应池进水总氮质量浓度，单位mg/L，所述总氮简写为TN；
Nk为生物反应池进水总凯氏氮质量浓度，单位mg/L，所述总凯氏氮简写为TKN；
Po为生物反应池进水总磷质量浓度，单位mg/L，所述总磷简写为TP；
②确定生物反应池ηBOD5、ηTN、ηTP；
ηBOD5为生物反应池BOD5总处理率，单位％，取值范围85～95；
ηTN为生物反应池TN总处理率，单位％，取值范围55～80；
ηTP为生物反应池TP总处理率，单位％，取值范围50～75；
③确定生物反应池Se、Nte、Pe；
Se为生物反应池出水BOD5质量浓度，单位mg/L，Se＝(1-ηBOD5)So；
Nte为生物反应池出水TN质量浓度，单位mg/L，Nte＝(1-ηTN)Nto；
Pe为生物反应池出水TP质量浓度，单位mg/L，Pe＝(1-ηTP)Po；
④确定X，Xv，Ls，y，Lv，LTN，θc，Y，tp，tn，to，HRT，R各参数取值：
X为生物反应池内混合液悬浮固体平均质量浓度，单位kg/L，取值范围2.0～4.5，所述混合液悬浮固体简写为MLSS；
Xv为生物反应池内混合液挥发性悬浮固体平均质量浓度，单位kg/L，取值范围1.4～3.2，所述混合液挥发性悬浮固体简写为MLVSS；
Ls为生物反应池BOD5污泥负荷，单位kg/(kg.d)；
以BOD5/MLVSS表示时，取值范围为0.10～0.21；
或以BOD5/MLSS表示时，取值范围为0.07～0.15；
y为单位体积混合液中MLVSS在MLSS中所占比例，单位g/g；
设初沉池时，y取值范围为0.65～0.70；
不设初沉池时，y取值范围为0.50～0.65；
Lv为BOD5容积负荷，单位kg/(m3.d)，取值范围0.20～0.70；
LTN为总氮负荷率，简写为TN/MLSS，单位kg/(kg.d)，取值范围≤0.06；
θc为设计污泥龄，单位d，取值范围为12～25；
Y为污泥产率系数，单位kg/kg；Y根据试验资料确定；若无试验资料，设初沉池时，取值范围0.3～0.6，不设初沉池时，取值范围0.5～0.8；
tp为厌氧池水力停留时间，单位h，取值范围1～2；
tn为缺氧区水力停留时间，单位h，取值范围1～4；
to为好氧区水力停留时间，单位h，取值范围6～12；
HRT为总水力停留时间，单位h，取值范围8～18，HRT＝tp+tn+to；
R为污泥回流比，R＝QR/Qin，单位％，取值范围50～100；所述QR为沉淀池向生物反应池回流的污泥量，单位m3/d；
⑤依据以下公式求得厌氧池容积Vp、缺氧区容积Vn和好氧区容积Vo；
ΔXV为排出生物反应池的微生物量，单位kg/d；
KdeT为T℃时的脱氮速率，kg/(kg.d)，KdeT根据试验资料确定，若无试验资料时按下式计算：
KdeT＝Kde201.08(T-20) (4)
Kde20为20℃时的脱氮速率，kg/(kg.d)，取值范围0.03～0.06；
T为设计温度，单位℃；
θco为好氧区设计污泥龄值，单位d；
F为安全系统，取1.5～3.0；
μ为硝化菌生长速率，单位1/d；
Na为生物反应池中氨氮质量浓度，单位mg/L；
KN为硝化作用中氮的半速率常数，单位mg/L，取1.0；
⑥选定曝气装置种类和规格；依据场地要求及计算得到的Vp确定厌氧池的长、宽、高及有效水深；依据场地要求、曝气装置种类和规格以及计算得到的Vn和Vo确定缺氧区及好氧区的长、廊道宽、高及有效水深；
其特征是还包括：
⑦依据循环廊道的廊道宽B，循环廊道的有效水深H，混合液在循环廊道内的流速v，v取0.3m/s，循环廊道水力停留时间HRTCC，HRTCC＝tn+to，及Qin，计算循环频次f:
如果3.2≤f≤7.6，则完成设计过程，得到反硝化聚磷菌所占比例较高的脱氮除磷氧化沟，否则，重新选定曝气装置种类，依据场地要求及曝气装置种类和规格确定厌氧池、缺氧区及好氧区的长宽高及有效水深,而后再次计算f,直到3.2≤f≤7.6。
本发明适合循环廊道前设置厌氧区(池)，循环廊道内设置缺氧区和好氧区，循环廊道外不设置缺氧区(池)的脱氮除磷氧化沟系统生物反应池尺寸的设计，见图2所示。
本发明设计过程，仅包括氧化沟系统污水处理过程中发生生物反应的主体单元，即厌氧区(池)、缺氧区及好氧区尺寸的设计过程。不包括工艺系统预处理单元、沉淀池、消毒等系统的设计，这些部分的设计过程可参考《氧化沟活性污泥法污水处理工程技术规范(HJ578-2010)》进行。
反硝化除磷菌(DPAOs)，可以利用NO3-、NO2-作为电子受体，胞内的有机物聚β-羟基链烷酸酯(PHA)作为碳源和电子供体，用于在缺氧环境下吸磷，同时将NO3-、NO2-还原为氮气。所以反硝化聚磷菌可以实现一碳两用，即胞内储存的PHA可以同时用于反硝化脱氮和缺氧吸磷。因此当系统内的反硝化聚磷菌增多时，系统脱氮除磷的有机物消耗量、耗氧量及剩余污泥排放量均会较传统反硝化脱氮和好氧除磷低。
对于循环廊道外增设厌氧区(池)，循环廊道内设置好氧区及缺氧区的氧化沟工艺系统，采用上述生物反应池的设计方法，就可以得到能够富集反硝化聚磷菌，同时取得高效的脱氮除磷效果的氧化沟工艺系统。
实施例1
本发明通过推导得出，循环比不仅是循环廊道过流断面通过的循环流量和进水流量的比值，也是循环廊道水力停留时间内混合液在廊道内循环流动的圈数。而单位时间内混合液在循环廊道内循环流动的圈数，即循环频次，相较于循环比，更能有效的作为氧化沟工艺系统的设计、运行及调控参数。
循环比是循环廊道过流断面通过的循环流量与进水流量的比值，因此循环比可用(9)式描述，见图1
RR—循环比，无量纲；
B—循环廊道的廊道宽，m；
H—循环廊道的有效水深，m；
v—混合液在循环廊道内的流速，m/s；
Qin—生物反应池的进水流量，m3/d。
循环廊道左右两端转弯处视为半圆形，则可以推导得出(10)式：
HRTCC—循环廊道水力停留时间，h；
VCC—循环廊道的容积，m3；
Lmid—循环廊道的中线周长，m，即图1中所示循环廊道内虚线长度。
由(10)式可得：
(11)式代入(9)式中得：
由于：
T—循环周期，即混合液在循环廊道内流行一圈所用时间，h。
故：
f—循环频次，即单位时间内混合液在循环廊道内流行的圈数，h-1。
所以：
所以从(15)式可知，循环比(RR)也是循环廊道水力停留时间内混合液在廊道内循环流动的圈数。
国内外已建氧化沟循环比差异很大，不同氧化沟循环比的差异不仅与生物反应池的进水流量有关，也与生物反应池尺寸有关，还与循环廊道水力停留时间有关。
表1国内外已建氧化沟的循环比及循环频次
由表1可知，突尼斯的Mahres污水处理厂循环比为598.2，是日本秋田州某污水处理厂的两倍多，但是由于该厂HRTCC很长为40小时，所以循环频次f为14.95还略小于日本秋田州某污水处理厂的循环频次17.50。而荷兰鹿特丹的Carrousel氧化沟污水处理厂和邯郸市西污水处理厂，两氧化沟系统的循环比RR十分接近，分别为19.3和19.4，但是由于两厂HRTCC相差较多，故循环频次f相差也较大，分别为2.66和0.90。所以由表1可知，循环频次确实排除了氧化沟设计和运行中已经使用的重要参数水力停留时间的影响。循环频次也较循环比能更好的反应混合液的循环流动特性，更适合于作为氧化沟工艺系统生物反应池的设计参数。
表1所列八个污水处理厂中有六个污水处理厂循环频次不在3.2～7.6之间，故对这个六个污水处理厂依据本发明中的设计方法提出改造方案。
表2可改造氧化沟生物反应池原尺寸
表3氧化沟生物反应池尺寸改造建议
注：以上六个污水处理厂，同时需要对曝气设备进行改造或更换。
由表3中数据说明，在设计时可以将循环频次做为设计参数引入到氧化沟生物反应池的尺寸设计中。
实施例2
Qin＝240m3/d，进水有机物、氮、磷浓度分别为COD：400mg/L左右，TN：40mg/L左右，TP：7mg/L左右。建造六座脱氮除磷氧化沟系统，每座氧化沟系统HRT＝12h，tp＝2h，HRTCC＝10h，tn＝4h，to＝6h。
每座氧化沟系统的生物反应池总容积相等，V＝120m3；每座氧化沟系统的厌氧池容积及尺寸一致，Vp＝20m3，厌氧池长为5m、宽为2m、有效水深为2m；每座氧化沟系统VCC＝100m3，循环廊道中40％是缺氧区，60％是好氧区，故Vn＝40m3，Vo＝60m3。但是六座氧化沟系统循环廊道尺寸各不相同(详见表4)，其中系统一、系统二f>7.6，系统三、系统四、系统五3.2≤f≤7.6，系统六f<3.2。
每座氧化沟系统水流方向均是污水和回流污泥由厌氧池起端进水口流入，混合液由厌氧池末端出水口流出进入循环廊道缺氧区，而后流入好氧区，混合液再由好氧区回流至缺氧区。此外，循环廊道内混合液由出水口流出进入沉淀池进行泥水分离，静沉出水由沉淀池上部排出，沉淀池底部部分污泥回流至厌氧池起端与污水一起进入厌氧池，QR为192m3/d，即R为80％。剩余污泥定期从沉淀池排出，使系统污泥龄维持在12天。生物反应池内混合液污泥浓度MLSS在3600～3800mg/L之间。
每座氧化沟系统中厌氧池，缺氧区及好氧区内布置水下推进器推动混合液在厌氧池及循环廊道内流动，v为0.3m/s。好氧区底部设置微孔曝气器对好氧区混合液进行供氧，使好氧区溶解氧浓度大于2.0mg/L。
满负荷运行时各系统与循环频次相关的参数及运行效果见表4和表5。
表4满负荷(Qin＝240m3/d)运行时各系统与循环比及循环频次相关的参数
表5满负荷(Qin＝240m3/d)运行时各系统污染物的去除效果及DPAOs/PAOs
为了说明循环比受水力停留时间的影响，六个系统进水量均减半运行，即半满负荷(Qin＝120m3/d)运行时，各系统HRT＝24h，tp＝4h，HRTCC＝20h，tn＝8h，to＝12h。其它运行参数维持不变。
半满负荷运行时各系统与循环频次相关的参数及运行效果见表6和表7。
表6半满负荷(Qin＝120m3/d)运行时各系统与循环比及循环频次相关的参数
表7半满负荷(Qin＝120m3/d)运行时各系统污染物的去除效果及DPAOs/PAOs
从表4、表6中数据可以看出，结构尺寸相同的系统，其循环周期和循环频次是一致的。进水量减半，只是引起了循环比和水力停留时间的变化，而对循环频次和循环周期没有影响。这一结果与前面公式推导得出的结论是一致的：循环比是循环廊道水力停留时间内混合液在廊道内循环流动的圈数，而循环频次是单位时间内混合液在循环廊道内流动的圈数。因此，当进水流量变小，系统水力停留时间变大，循环比也相应增大，而循环频次却保持不变。由此可知，循环频次相较于循环比，更能有效的、直接的反映氧化沟生物反应池结构尺寸的特点，以及氧化沟生物反池尺寸对混合液循环流动的影响。
如果单独分析表5，或者单独分析表7中数据，可以知道随着循环比，或循环频次的变化，各系统对COD、TN、TP污染物的去除率均有所变化，DPAOs/PAOs也有所变化。但是联合由表5、表7中数据可以看出，虽然同一系统在满负荷及半满负荷运行时的循环比RR不同，但循环频次f没有变化，各统的除污效率也很接近，因此可以看出更能反应生物反应池构造尺寸对氧化沟系统除污效率影响的参数是循环频次，而不是循环比。因为循环比这个参数中耦合了已在设计运行中重点考虑的水力停留时间这一参数，因而循环频次才是反映生物反应池构造尺寸对氧化沟混合液循环流动特性的重要参数。
表8混合液每次流经缺氧区及好氧区所用时长
注：Tn为混合液每次流经缺氧区所用时间，To为混合液每次流经好氧区所用时间。
由表8可知，f＝1.32时，系统六内混合液每次流经好氧区耗时27.21分钟，为六个系统中最长的，因此也最有利于好氧吸磷充分反应，这样就导致了系统六内混合液在好氧区PHA消耗最多，混合液流至缺氧区时胞内的PHA也就较少，因此虽然系统六内缺氧区一次停留时间也较长为18.14分钟，但由于PHA较少，反硝化聚磷反应也不能较好进行，长期培养后，就导致了DPAOs/PAOs比值较低。故此时系统六内DPAOs/PAOs所占比例为23％左右。
随着f增加至3.24、4.86及7.56，一次循环好氧区停留时间缩短至11.11分钟,7.41分钟和4.76分钟，由于每次流经好氧区时间缩短，每次好氧区内PHA消耗量就会减少，此时有利于缺氧区反硝化聚磷反应的进行。因此f为3.24、4.86及7.56时，长期培养后DPAOs/PAOs均为40％以上。
当循环频次增加至10.8和16.2时，一次循环时好氧区停留时间为3.33分钟和2.22 分钟,缺氧区停留时间为2.23分钟和1.48分钟。虽然此时好氧区一次停留时间和缺氧区一次停留时间都较短。但是由于通常认为所有聚磷菌都能进行好氧吸磷，能进行好氧吸磷的聚磷菌中只有一部分能进行缺氧吸磷，所以能够进行好氧吸磷的聚磷菌数量总是大于能够进行缺氧吸磷的聚磷菌数量，因此这就导致了，流经缺氧区的更短时间内反硝化聚磷反应不能充分进行，而由于好氧吸磷菌数量多，所以虽然好氧区停留时间也较短，但好氧吸磷还是要比缺氧吸磷进行的充分些，所以长期培养后，仍旧会导致DPAOs/PAOs比值降低至26％以下。
在满负荷及半满负荷运行时，系统三、系统四、系统五内DPAOs/PAOs可高达40％以上，此时系统对各污染物的去除率也较高，COD、TN、TP去除率分别达到93％、84％和93％以上。而《氧化沟活性污泥法污水处理工程技术规范(HJ578-2010)》中建议的BOD5总处理率为85％～95％，TN总处理率55％～80％，TP总处理率50％～75％。由此可知，当我们考虑了循环频次这一参数，并将这一参数控制在3.2～7.6之间时，氧化沟系统内可以培养出较多的反硝化聚磷菌，可以实现较高的同步脱氮除磷率。
由以上分析可知，f在3.2～7.6范围内时，混合液每次流经缺氧区及好氧区的时间协调较好，刚好有助于促进反硝聚磷菌的生长。因此在设计时，考虑到循环频次f取值在3.2～7.6范围内，将会使氧化沟工艺系统内DPAOs/PAOs所占比例较高，也会实现较高的同步脱氮除磷率。
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