MUCT工艺处理城市污水最佳工艺条件研究.docx
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MUCT工艺处理城市污水最佳工艺条件研究
MUCT工艺处理城市污水的最佳工艺条件研究
摘要
本文应用muct工艺，采用正交方法设计试验方案，通过优化工艺运行条件（水力停留时间、污泥龄及污泥负荷），确定最佳的运行条件。
试验结果表明：
影响系统cod去除效率的最重要的因素为水力停留时间hrt；影响tp去除效率的最主要因素是污泥龄srt；影响系统tn去除效率的最主要的因素是水力停留时间hrt与污泥龄srt的交互作用。
对试验条件下muct处理系统处理效果分析表明，hrt=11h、srt=10d、f/m=0.357kgbod5/（kgmlss·d）的条件下，muct处理系统的运行效果最佳。
关键词城市污水；脱氮除磷；水力停留时间；污泥龄；污泥负荷；正交试验
第1章绪论
1.uct工艺概述
uct（universityofcapetown）工艺是南非开普敦大学开发类似于a2/o工艺的一种脱氮除磷工艺。
uct工艺与a2/o工艺不同在于沉淀池污泥回流到缺氧池，而不是回流到厌氧池，这种回流方式可以防止由于硝酸盐氮进入厌氧池，破坏厌氧池的厌氧状态而影响系统的除磷率。
增加了从缺氧池到厌氧池的混合液回流，由缺氧池向厌氧池回流的混合液中含有较多的溶解性bod，而硝酸盐很少，为厌氧段内所进行的有机物水解反应提供了最优的条件。
uct工艺的典型流程示意图如图1-7：
图1uct工艺
fig.1uctprocess
2.本试验的研究目的和内容
uct及其改良工艺在国外的试际运行中证实了具有良好的脱氮除磷效果，在国内应用相对较少，仍需进一步研究与讨论。
本文将对muct工艺处理城市污水的最佳工艺条件进行探讨，这对我国现有污水厂的除磷脱氮改造及新的污水处理厂的建设具有重要意义。
主要研究内容：
确定muct工艺处理生活污水cod、氨氮、总磷及总氮的最佳工艺运行条件。
研究方法：
以污泥龄（srt）、水力停留时间（hrt）及污泥负荷（f/m）为主要因素进行中试试验，比较在不同的影响因素条件下muct系统的脱氮除磷效果，找出利用muct工艺处理生活污水的最佳运行条件。
技术路线：
1）分析生活污水的组成，启动muct中试系统。
2）根据因素对系统的影响大小和因素的可控性确定污泥龄（srt）、水力停留时间（hrt）及污泥负荷（f/m）为的主要因素进行中试试验，采用正交试验的方法比较在不同的影响因素条件下muct系统的脱氮除磷效果，找出利用muct工艺处理生活污水的最佳运行条件。
3）确定中试条件下muct的最佳运行条件，技术参数。
第2章试验方法与过程
2.1试验设备
2.1.1muct工艺简介
muct脱氮除磷工艺是在原有uct工艺的基础上，增加一个缺氧池。
其工艺流程图见图2-1。
图2-1muct工艺流程简图
2.1.2试验装置简介
本试验所有muct工艺试验装置见图2-2。
图2-2muct工艺及装置示意图
2.2水样的采集及分析
本试验废水取自城市污水井。
利用泵将污水井中的污水抽入试验室的集水槽内，在通过蠕动泵泵入系统。
2.2.1水样分析方法
表2-1为本试验主要监测的指标及所采用的分析方法。
表2-1指标及分析方法
项目方法
流量容量法
cod重铬酸钾法
bod5oxitop
ph玻璃电极法
tp过硫酸钾氧化－钼锑抗分光光度法
tn过硫酸钾－紫外分光光度法
氨氮纳氏试剂分光光度法
do氧表
温度氧表
mlss重量法
2.2.2进水水质
整个试验期间入流污水的水质变化情况见表2-2。
表2-2基本参数变化范围及平均值
2.3试验方法-正交试验法
本试验采用正交试验法对muct系统运行条件进行优化，正交试验法是一种试验设计方法，该方法讲多因素试验与优选法相结合，它不仅符合试验处理的重复、局部控制和随机化等原则，而且能够相对合理地安排多因素试验，并通过对试验结果进行分析，确定影响试验结果的因素的主次、寻求最佳的操作控制条件。
优点是可以用较少的试验次数就能比较准确而迅速地找到最佳的试验操作条件。
2.3.1影响因素分析
影响活性污泥增长及处理效果的主要工艺参数及影响因素包括：
污泥负荷f/m、污泥龄srt、回流比r、水力停留时间hrt、溶解氧do、温度、ph值、有毒物质及污水可生物处理性能等。
2.3.2确定因素水平表
通过对影响因素进行单因素分析并且考虑到因素的可控性，确定本试验主要影响因素为三个，分别是：
污泥龄srt、水力停留时间hrt及污泥负荷f/m。
每个因素取三个水平，详见表2-3。
2.3.3确定试验方案
选择三因素三水平正交表为本次试验的正交表，同时考虑了srt与hrt之间的交互作用。
正交表见表2-4。
生物处理系统里的微生物对环境的变化具有一定的适应性、滞后性和抗冲击性。
为了更加真试可靠地反应系统的运行情况，每个水平的试验进行14天，前7天对参数进行调节，待系统达到稳定，后7天对参数进行测量。
表2-3因素水平表
2.3.4其它参数条件
本试验其它参数主要控制在：
两个内回流的回流比为3，污泥外回流的回流比为1。
试验过程中保持其它影响因素相对稳定，变化范围见表2-5。
表2-5试验条件
项目好氧池缺氧池1缺氧池2厌氧池二沉池
溶解氧（mg/l）4-70.09-0.160.04-0.100.04-0.103-6
温度（oc）13-20
ph7.0-7.4
第3章muct处理城市污水最佳工艺条件的确定
3.1正交试验结果
试验结果见表3-1。
表3-1试验结果数据表
3.2正交试验结果分析与讨论
3.2.1极差分析与讨论
对上述试验数据进行极差分析，得到表3-2、3-3、3-4、3-5。
1、说明表3-2：
1）“ⅰ”所对应的行是各因素“一水平”对应的cod的去除率之和。
例如：
污泥龄（b）的”一水平”所对应的cod的去除率为：
62.31+83.76+82.20=228.27。
其余依次类推。
2）同理，“ⅱ”所对应的行为各因素“二水平”对应的cod的去除率之和；“ⅲ”所对应的行为各因素“三水平”对应的cod的去除率之和。
3）上表中每个因素均为三个水平，均出现三次，故表中ⅰ/3、ⅱ/3、ⅲ/3是指cod去除率的平均值。
4）用同一因素各水平下平均提取量的极差r，反映因素的水平变动对试验结果的影响。
极差r=平均提取量的最大值-平均提取量的最小值。
[40]
极差大，表示该因素的水平变动对试验结果的影因素响较大；极差小则表明该因素的水平变动对试验结果的影响小。
上表中r的大小反映因素水平变化对cod去除率的影响。
极差r大，说明这种因素的三个水平对cod去除率的影响较大，应该认真考虑该因素水平的选择；极差小，表明该因素的三个水平对cod去除率影响不明显，可以根据其它要求（操作简单、降低成本）来选取。
根据极差的大小排列出因素的重要程度。
5）选择因素水平时应该注意区分两类因素：
一类为不涉及交互作用的因素，在选取水平时，选择平均值中指标较好的；另一类为有交互作用的因素，它的水平选取无法单独考虑，应对有交互作用的两因素进行比较后选取。
因此，本表将交互作用所在列相应的水平平均值和极差分别计算出来，以便比较分析[41]。
表3-2cod去除率正交试验结果表
2、cod去除率分析
比较表3-2中计算出的极差值的大小发现：
a因素水力停留时间hrt对cod去除效果的影响最明显，然后依次为：
ab即水力停留时间和污泥龄的交互作用、b污泥龄srt、c污泥负荷f/m。
通过极差值的比较不难看出，水力停留时间与污泥龄的交互、污泥龄srt及污泥负荷f/m对cod去除效果的影响基本接近。
为了更直观的比较分析，取各因素不同水平作横坐标，每个水平下cod的去除率为纵坐标，绘制试验各因素与cod去除率直观图，见图3-1。
3-1三水平下各因素的cod去除率
fig3-1theeffectofdifferentfactersunderthreelevelsontheremovalefficiencyofcod
从图3-1可以看出，较高的水力停留时间hrt、较高的污泥龄srt有利于系统对cod的去除；较低的污泥负荷f/m使cod去除效果下降。
从正交表3-2中可以看出，本组试验中5号试验条件下即：
hrt=11h，srt=10d，f/m=0.357kgbod5/（kgmlss·d）时，cod的去除效果最佳，去除率可以达到88.32%。
3、nh4＋-n去除率分析
比较表3-3中的极差值大小发现，影响nh4＋去除效果的最主要因素是水力停留时间hrt，其次是水力停留时间hrt与污泥龄srt的交互，再次是污泥龄srt，污泥负荷f/m对nh4＋去除效率的影响不明显。
试验结果表明，水力停留时间hrt与污泥龄srt之间存在交互作用，与试验前假设一致。
绘制试验各因素与nh4＋去除效率直观图，
见图3-2。
从图3-2中可以看出：
较高的水力停留时间hrt、污泥龄srt、水力停留时间hrt与污泥龄srt之的交互及污泥负荷f/m有利于nh4＋去除效果的提高。
从正交表3-3中可以看出，本试验中3号试验条件下，即：
hrt=8h，srt=15d，f/m=0.453kgbod5/（kgmlss·d）时，nh4＋-n的去除效果最佳，去除率可以达到99.82%。
表3-3nh4＋-n的去除率正交试验结果表
图3-2三水平下各因素的nh4＋-n去除率
fig.3-2theeffectofdifferentfactersunderthreelevelsontheremovalefficiencyofnh4＋-n
4、tp去除率分析
表3-4tp的去除率正交试验结果表
从表3-4中可以看出，影响tp去除效果的因素依次是：
污泥龄srt、污泥负荷f/m，水力停留时间htr及对水力停留时间hrt与污泥龄srt的交互。
其中，污泥龄对系统tp的去除效果也较为明显；水力停留时间hrt与污泥龄srt的交互对tp的去除影响最小。
绘制试验各因素与tp去除效率直观图，见图3-3。
由图3-3中可以看出：
较大的污泥负荷f/m、较长的水力停留时间hrt及较长的污泥龄srt有利于tp的去除。
由正交表3-4中可以看出，本试验中5号试验条件下，即：
hrt=11h，srt=10d，f/m=0.357kgbod5/（kgmlss·d）时，tp的去除效果最佳，去除率可以达到79.24%。
图3-3三水平下各因素的tp去除率
fig.3-3theeffectofdifferentfactersunderthreelevelsontheremovalefficiencyoftp
5、tn去除率分析
表3-5tn的去除率正交试验结果表
据表3-5中极差大小比较可得：
影响tn去除效果的最主要因素是水力停留时间htr和污泥龄srt的交互作用，其次是污泥龄srt，再次是水力停留时间hrt，污泥负荷f/m是所有因素中，对tn的去除影响最小。
绘制试验各因素与tn去除效率直观图，见图3-4。
图3-4三水平下各因素的tn去除率
fig.3-4theeffectofdifferentfactersunderthreelevelsontheremovalefficiencyoftn
从图3-4中可以看出：
较小的污泥负荷、较大的污泥龄有利于tn的去除，较小的水力停留时间不利于tn的去除。
从正交表3-5中可以看出，本试验中5号试验条件下，即：
hrt=11h，srt=10d，f/m=0.357kgbod5/（kgmlss·d）时，tn的去除效果最佳，去除率可以达到79.24%。
3.2.2方差分析与讨论
3.1.1中所采用的直观分析法的优势在于简便、直观、计算量小，缺陷在于不能估计试验误差，即不能区分是由各因素的水平变化导致的试验结果差异，还是由试验的随机波动导致。
因此，必须对试验结果做方差分析，以解决该问题。
1、方差分析计算说明：
1）试验结果的平均值，：
（3-1）
2）偏差平方和s：
（3-2）
3）平均偏差平方和（即方差）v：
（f=n-1，为s的自由度）。
（3-3）
4）若试验结果的差异是由因素a的三水平引起，则用a1、a2、a3条件下试验结果的均值ⅰ（a）/3、ⅱ（a）/3和ⅲ（a）/3与的差值平方和来表示，称为因素a的偏差平方和sa。
（3-4）
sa为三个平方和相加，即自由度fi=3-1=2。
2、显著性分析说明：
偏差平方和可以反映因素对试验结果的影响程度，但是不能反映影响的显著程度。
想要明确某种因素对试验结果的影响可以忽略还是不能忽略，是通过f表作显著性检验即f检验来试现。
f检验的步骤如下：
1）计算fa
（3-5）
式中：
fa为sa的自由度；fe为误差平方和se的自由度。
2）根据fa、fe及选定的信度α查f表，得到临界值fa（fa，fe）。
α的选取与试验精度有关，本试验α取α=0.25、α=0.2则对应的f0.25=3、f0.2=4
3）比较fa与fa，做出显著性判断。
若α=0.20有fa>f0.20，则说明该因素水平的改变对试验结果有极为显著的影响，记为##；若f0.2>fa>f0.25，则说明该因素水平有显著影响，记为#。
若fa4）f检验只有当误差的自由度较大时，灵敏度才高。
固取偏差平方和最小的列作为空白列即误差列。
3、cod去除率方差及显著性分析
依照公式3-1、3-2、3-3及3-4对试验数据进行方差计算，将计算结果记录在表3-6中。
根据表3-6计算结果，选择偏差平方和最小的列，b污泥龄srt对应的列为误差列进行显著性分析计算，并将分析计算结果记录在表3-7中。
表3-7对cod去除率进行显著性分析结果表明，影响系统cod去除效率的最显著因素为水力停留时间hrt，这与前面极差分析的结果是一致的。
水力停留时间
对cod去除效果起决定作用，要想提高系统cod的去除效率，应该首先考虑调整水力停留时间hrt。
表3-6cod去除率正交试验结果表（方差分析）
表3-7cod去除率方差分析表（显著性分析）
4、nh4＋-n去除率方差及显著性分析
依照公式3-1、3-2、3-3及3-4对数据进行方差计算，将结果记录在表3-8中。
表3-8nh4＋-n去除率正交试验结果表（方差分析）
根据表3-8计算结果，选择c污泥负荷f/m对应的列为误差列进行显著性分析计算，并将计算结果记录在表3-9中。
表3-9的显著性检验结果表明，各个因素对nh4＋-n的去除效率的影响极差分析和显著性检验的结果是一致的。
水力停留时间、水力停留时间与污泥龄的交互作用及污泥龄对的nh4＋-n去除效率有显著的影响。
要想提高nh4＋-n的去除率首先考虑水力停留时间和水力停留时间与污泥龄的交互作用。
表3-9nh4＋-n去除率方差分析表（显著性分析）
表3-10tp去除率正交试验结果表（方差分析）
5、tp去除率方差及显著性分析
依照公式3-1、3-2、3-3及3-4对试验数据进行方差计算，将计算结果记录在表3-10中。
根据表3-10计算结果，选择ab水力停留时间与污泥龄的交互对应的列为误差列进行显著性分析计算，并将分析计算结果记录在表3-11中。
表3-11tp去除率方差分析表（显著性分析）
表3-11的显著性检验结果表明，b列对应的污泥龄srt对系统tp的去除效果有显著性影响，要想提高系统tp的去除率，必须选择一个适宜的污泥龄srt。
而a列对应的水力停留时间及c列对应的污泥负荷对系统tp的去除效果无显著影响。
6、tn去除率方差及显著性分析
依照公式3-1、3-2、3-3及3-4对试验数据进行方差计算，将计算结果记录在表3-12中。
根据表3-12计算结果，选择c污泥负荷f/m对应的列为误差列进行计算，并将计算结果记录在表3-13中。
表3-13的显著性检验结果表明，b列对应的污泥龄srt及ab列对应的水力停留时间hrt与污泥龄srt的交互作用对系统tn的去除效果存在极为显著的影响，a列对应的水力停留时间hrt对系统tn去除效果也存在显著影响。
而c列对应的污泥负荷对tn去除效果的影响不显著。
要想取得较高的tn去除效率，首选污泥龄和水力停留时间。
表3-12tn去除率正交试验结果表（方差分析）
表3-13tn去除率方差分析表（显著性分析）
3.3结论
试验数据表明，本组试验9个试验条件，对cod的去除效果均比较良好，其中以5号试验条件即：
hrt=11h，srt=10d，f/m=0.357kgbod5/（kgmlss·d）时，cod的去除效果最佳，去除率可以达到88.32%。
极差分析与讨论的结果表明，影响cod去除效果的主要因素为水力停留时间hrt。
方差及显著性分析结果与极差分析的结果一致。
在所有的试验中，除了7号及9号试验条件外，氨氮的去除效率均在98%以上，整个试验期间氨氮的出水水质都非常好，远高于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（gb18918－2002）规定的氨氮的排放标准5mg/l。
说明本试验选取的三个因素水力停留时间、污泥龄及污泥负荷的变化对氨氮的去除效果没有造成很大的影响。
所有的试验条件中，3号试验条件下，即：
hrt=8h，srt=15d，f/m=0.357kgbod5/（kgmlss·d）时，氨氮的去除效果最佳，去除率可以达到99.82%。
在数据分析的过程中不难发现，tp的去除效果随污泥龄和污泥负荷的变化波动较大。
其中1号试验条件下tp的去除效果最差，仅为46.21%，5号试验条件下tp的去除效果最好为73.24%。
极差分析与讨论的结果表明，影响tp去除效果的主要因素为污泥龄srt。
方差及显著性分析结果与极差分析的结果是一致。
要想提高系统tp的去除效率必须选取合适的污泥龄。
9个试验条件下tn的去除效果在46%~67%之间，污泥龄srt对系统tn去除效果的影响显著。
所有试验条件中5号试验条件下tn的去除效果最佳。
整体分析cod、tp、氨氮及tn的去除效果不难发现，5号试验条件下，cod、tp及tn去除率均为9个试验条件中最高的，只有氨氮的去除效率3号试验条件最高。
试验结果表明本试验选取的三个因素污泥龄、水力停留时间及污泥负荷的变化对氨氮的去除效果无显著影响，5号试验条件下氨氮的去除效果虽然不是最佳，但是也高达99.42%，出水中氨氮的含量远远高于国家规定的氨氮出水水质。
综合考虑上述因素后，确定5号试验条件为最佳试验条件。
即：
muct工艺处理城市污水的最佳工艺条件为：
hrt=11h，srt=10d，f/m=0.357kgbod5/（kgmlss·d）。
注：
文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。
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