顏秀勤 張悅 鄭興燦 李成江
(中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究院)

　　摘　要　 通過(guò)對(duì)奧貝爾氧化溝工程實(shí)際運(yùn)行工況的測(cè)試，分析研究了脫氮功能、抗沖擊負(fù)荷能力、去除難降解有機(jī)物能力以及污泥性能等特征，并就其三溝DO呈0-1-2的梯度分布與氮的去除機(jī)理進(jìn)行了探討。
　　關(guān)鍵詞 污水處理 奧貝爾氧化溝 工程應(yīng)用 脫氮性能

　　起源于南非發(fā)展于美國(guó)的奧貝爾(Orbal)氧化溝是具有除磷脫氮功能的新工藝之一，因其在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而受到國(guó)內(nèi)外污水處理界越來(lái)越多的重視。
　　我國(guó)80年代就引進(jìn)了這門(mén)技術(shù)，但真正引起重視卻是在最近幾年。隨著奧貝爾氧化溝工藝優(yōu)越性的展現(xiàn)，采用此工藝的污水處理廠日益增多。但由于對(duì)奧貝爾系統(tǒng)的研究還不夠成熟，故引進(jìn)國(guó)外的技術(shù)設(shè)備多，自己的東西少，缺乏系統(tǒng)的研究與總結(jié)，也缺乏實(shí)際操作、運(yùn)行、控制經(jīng)驗(yàn)。對(duì)奧貝爾氧化溝工藝進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用考察和性能研究的目的是為了更深入地了解該工藝，為工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供參考依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，使其適合國(guó)內(nèi)需要且能最大限度地發(fā)揮功效。

1 實(shí)際工程簡(jiǎn)介

　　北京燕山石化公司牛口峪污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為6×10⁴m³/d，主要處理乙烯生產(chǎn)過(guò)程中所排廢水及居民區(qū)少量的生活污水。該廠采用二級(jí)生物處理工藝，生物處理工段為奧貝爾氧化溝，全套技術(shù)由美國(guó)引進(jìn)，配套設(shè)備為國(guó)內(nèi)產(chǎn)品，于1994年12月建成投產(chǎn)。污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)見(jiàn)表1，工藝流程如圖1所示。?
　　生物處理工段設(shè)計(jì)為平行的兩個(gè)系列，每個(gè)系列包括1個(gè)奧貝爾氧化溝和2個(gè)輻流式二沉池。每個(gè)氧化溝設(shè)24組曝氣轉(zhuǎn)碟，外、中、內(nèi)溝各安裝8組。氧化溝的平面布置如圖2所示。

　　單個(gè)氧化溝的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：?
　　設(shè)計(jì)進(jìn)水流量1250m³/h?
　　水力停留時(shí)間14.2h?
　　泥齡35d?
　　有效水深4.26m?
?　MLSS4000mg/L
　　污泥負(fù)荷0.074kgBOD/(kgMLVSS·d)
　　　　　　0.110kgCOD/(kgMLVSS·d)
　　容積分配56∶26∶18(外∶中∶內(nèi))
　　溶解氧分配0-1-2mg/L(外-中-內(nèi))

2 結(jié)果與討論

2.1 污水處理廠運(yùn)行效果
　　污水處理廠建成以來(lái)，由于進(jìn)水流量只有2×10⁴～2.4×104m³/d，尚不到設(shè)計(jì)流量的一半，故基本上只運(yùn)行一個(gè)系列。測(cè)試期間(1997年11月--12月)污水處理廠運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2，處理效果見(jiàn)表3。
　　測(cè)試結(jié)果表明，奧貝爾氧化溝工藝處理效果很好，出水各項(xiàng)指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。COD、氨氮的去除率都超過(guò)90%。在控制外溝中DO(指非曝氣區(qū)域)接近于零后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)TN的去除率大大提高。測(cè)試期間由于檢修設(shè)備等原因，曾一度同時(shí)開(kāi)啟兩個(gè)系列，造成氧化溝的三個(gè)溝道完全處于好氧狀態(tài)，此間TN的去除率只有約50%，由于進(jìn)水BOD負(fù)荷較低，其去除途徑主要是生物合成。調(diào)整運(yùn)行工況(關(guān)閉一個(gè)系列)至正常后，盡管水量及有機(jī)負(fù)荷增加了約一倍，卻能獲得更好的處理效果，在外溝形成的缺氧區(qū)域使TN的去除率迅速提高到90%以上。

2.2 分析與討論
2.2.1 DO的分布特征與氮的去除
　　根據(jù)硝化和反硝化原理，脫氮過(guò)程需先將氨氮在有氧條件下轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，然后在無(wú)分子態(tài)氧存在的條件下把硝態(tài)氮還原成氮?dú)猓@就要求創(chuàng)造一個(gè)好氧和缺氧環(huán)境。奧貝爾氧化溝特有的三溝(外溝、中溝、內(nèi)溝)溶解氧呈0-1-2mg/L的分布正創(chuàng)造了一個(gè)極好的脫氮條件，其獨(dú)特之處是有大部分硝化反應(yīng)發(fā)生的第一溝(即外溝)。如果硝化只發(fā)生在后面兩個(gè)溝內(nèi)，則可以反硝化的只有回流污泥中的硝酸鹽。即使污泥回流比高達(dá)100%，也只有50%的硝酸鹽進(jìn)行反硝化，而根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在污泥回流比為60%時(shí)，外溝測(cè)得的TN去除率即達(dá)88%，這與在許多奧貝爾氧化溝污水處理廠中觀察到的現(xiàn)象是一致的。對(duì)這一現(xiàn)象，筆者結(jié)合測(cè)試結(jié)果認(rèn)為可用一種發(fā)生在第一溝內(nèi)稱(chēng)為“同時(shí)硝化/反硝化”的機(jī)理作出解釋。這種“同時(shí)硝化/反硝化”機(jī)理包括兩層含義：
　　① 在整個(gè)第一溝內(nèi)存在缺氧與曝氣區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，在曝氣轉(zhuǎn)碟上游1m至下游3m的溝長(zhǎng)范圍內(nèi)一般DO＞0.5mg/L，部分區(qū)域甚至可達(dá)2～3mg/L，可將此看作曝氣區(qū)域，其他區(qū)域則為缺氧區(qū)域。以牛口峪污水處理廠為例，當(dāng)外溝內(nèi)轉(zhuǎn)碟開(kāi)啟5組時(shí)，外溝的缺氧區(qū)容積與曝氣區(qū)容積之比約為7∶1。生物處理系統(tǒng)為多種微生物群體共生的系統(tǒng)，污水在經(jīng)過(guò)曝氣區(qū)域時(shí)可發(fā)生硝化反應(yīng)，在缺氧區(qū)域則進(jìn)行氮的脫除，加上污水是先進(jìn)入外溝，為反硝化反應(yīng)提供了充足的碳源。?
　　② 微小的微生物個(gè)體所處的環(huán)境可稱(chēng)為微環(huán)境。微環(huán)境直接決定微生物個(gè)體的活動(dòng)狀態(tài)，而宏觀環(huán)境的變化往往導(dǎo)致微環(huán)境的急劇變化，從而影響微生物群體的活動(dòng)狀態(tài)并在某種程度上表現(xiàn)出“表里不一”的現(xiàn)象。事實(shí)上，在活性污泥菌膠團(tuán)內(nèi)部存在多種多樣的微環(huán)境類(lèi)型，而每一種微環(huán)境往往適合于某一類(lèi)微生物的活動(dòng)，不適合其他種類(lèi)微生物的活動(dòng)。受各種因素(物質(zhì)傳遞、菌膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)特征)的影響，微環(huán)境所處的狀態(tài)是可變的。例如，某一好氧性微環(huán)境，當(dāng)耗氧速率高于氧傳遞速率時(shí)可變成厭氧或缺氧性微環(huán)境。?
　　對(duì)于菌膠團(tuán)尤其是大顆粒菌膠團(tuán)來(lái)說(shuō)，微環(huán)境的變化可能非常明顯，即由于受菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)、氧傳遞和硝態(tài)氮傳遞的不均勻性影響，外部曝氣狀態(tài)下菌膠團(tuán)內(nèi)部也可形成缺氧環(huán)境。因而曝氣狀態(tài)下也可出現(xiàn)某種程度的反硝化，即“同時(shí)硝化/反硝化”現(xiàn)象。
由于已在所測(cè)試的奧貝爾系統(tǒng)中觀察到了第一溝內(nèi)明顯的缺氧與好氧區(qū)域，而且有初沉池的設(shè)計(jì)也不易于形成大顆粒菌膠團(tuán)，故認(rèn)為在所測(cè)試的奧貝爾氧化溝系統(tǒng)中，第一種類(lèi)型的“同時(shí)硝化/反硝化”占主導(dǎo)地位。
2.2.2 抗沖擊負(fù)荷能力
　　測(cè)試期間，系統(tǒng)遭受了一次前所未有的高濃度廢水的沖擊，這是污水處理廠運(yùn)行以來(lái)所承受的最大一次沖擊負(fù)荷。連續(xù)14 h污水處理廠進(jìn)水COD濃度高出設(shè)計(jì)值2～9倍，氧化溝進(jìn)水COD亦高出設(shè)計(jì)值2～8倍，COD負(fù)荷最高時(shí)達(dá)設(shè)計(jì)值的3倍，但整個(gè)系統(tǒng)的出水水質(zhì)始終相當(dāng)穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均未超標(biāo)，說(shuō)明奧貝爾氧化溝工藝有很強(qiáng)的抗高濃度廢水沖擊負(fù)荷能力，具體結(jié)果見(jiàn)圖3。
　　奧貝爾氧化溝工藝有很強(qiáng)的抗高濃度廢水沖擊負(fù)荷能力的主要原因有兩點(diǎn)：一是一般為低負(fù)荷設(shè)計(jì)，且多數(shù)情況下溝內(nèi)能維持較高的MLSS，一時(shí)的沖擊負(fù)荷不足以對(duì)微生物產(chǎn)生抑制作用；二是溝內(nèi)的循環(huán)流量很大，為進(jìn)水流量的幾十倍甚至上百倍，在流態(tài)上每個(gè)溝道都具有完全混合的特征。以牛口峪污水處理廠為例，若氧化溝進(jìn)水流量為0.25m³/s(即2.2×104m³/d)，溝內(nèi)平均流速以0.2m/s計(jì)，則外溝的循環(huán)流量約為7.6m³/s，約為其進(jìn)水流量的30倍，高濃度廢水進(jìn)入溝中后迅速被稀釋混合，對(duì)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生很大影響。

?

　　抗暴雨流量的沖擊是奧貝爾氧化溝的另一特點(diǎn)。在采用合流制或截流式合流制的城市污水管道系統(tǒng)中，水質(zhì)水量的變化較大，進(jìn)入污水處理廠的污水流量雨天比晴天大，甚至高出設(shè)計(jì)流量數(shù)倍，污水處理廠處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。在超負(fù)荷運(yùn)行期間，沉淀池污泥的流失是活性污泥處理系統(tǒng)的主要問(wèn)題，特別是對(duì)維持較高的活性污泥固體量的延時(shí)曝氣氧化溝系統(tǒng)。出現(xiàn)污泥流失時(shí)，不僅出水水質(zhì)差，而且會(huì)使系統(tǒng)的正常運(yùn)行遭到破壞，需很長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)。
　　在常規(guī)系統(tǒng)中可以采用設(shè)置超越(旁通)管渠的方法，分流一部分或全部沖擊負(fù)荷直接到二沉池，或通過(guò)停開(kāi)曝氣器讓污泥在氧化溝中沉淀，防止污泥流失。但這兩種方法都使BOD得不到有效降解。設(shè)置總超越管渠全部超越整個(gè)污水處理系統(tǒng)更達(dá)不到處理效果。
　　奧貝爾氧化溝獨(dú)特的設(shè)計(jì)很好地解決了這一問(wèn)題。雨水分流是奧貝爾氧化溝特有的運(yùn)行模式，其特點(diǎn)是將沖擊流量分流到第三溝或第二溝(視溝內(nèi)MLSS的高低而定)，而回流污泥仍連續(xù)不斷地送往第一溝。這種運(yùn)行模式可增加生物固體貯存量，且使其在第一、二溝中貯存并得以曝氣。由于進(jìn)水能很快將第三溝中的混合液稀釋?zhuān)苊饬擞捎谶M(jìn)入沉淀池的污泥固體比回流的多而引起污泥固體不平衡問(wèn)題，從而有效地防止了污泥固體的流失。這樣，當(dāng)沖擊流量停止后，系統(tǒng)很容易恢復(fù)到正常的運(yùn)行操作模式。
　　牛口峪污水處理廠由于主要處理工業(yè)廢水，進(jìn)水水量變化不大，故進(jìn)水方式設(shè)計(jì)采用只進(jìn)到第一溝。若用于城市污水處理廠，設(shè)計(jì)多種進(jìn)水方式是很必要的。
2.2.3 難降解有機(jī)物的去除
　　與生活污水不同，許多工業(yè)廢水中含有大量難降解有機(jī)物，以BOD₅來(lái)表示其中有機(jī)物的含量顯然已不合適，此時(shí)的BOD₅只能代表易生物降解的部分有機(jī)物，這也是工業(yè)廢水一般以COD來(lái)作控制指標(biāo)的原因之一。
　　對(duì)牛口峪污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，進(jìn)水中BOD₅/COD_Cr比值為0.45～0.65，而COD去除率卻能達(dá)90%以上，出水COD＜60mg/L，在40mg/L以下的出現(xiàn)頻率在80%以上，說(shuō)明長(zhǎng)泥齡、長(zhǎng)水力停留時(shí)間設(shè)計(jì)的奧貝爾氧化溝對(duì)難降解有機(jī)物有很高的去除率，這與類(lèi)似設(shè)計(jì)的其他類(lèi)型氧化溝是一致的。
2.2.4 污泥的性能
　　為簡(jiǎn)化流程，氧化溝工藝中一般不設(shè)初沉池，原污水經(jīng)格柵和沉砂池后直接進(jìn)入氧化溝，這既可省去單獨(dú)處理初沉池生污泥的麻煩，節(jié)省投資，又可提高氧化溝內(nèi)的污泥濃度，改善污泥的沉降性能，因原污水中的懸浮顆粒直接進(jìn)入氧化溝，極易成為污泥絮凝的中心物質(zhì)，促進(jìn)較大顆粒菌膠團(tuán)的形成。另外，對(duì)奧貝爾氧化溝來(lái)說(shuō)，其三溝DO為0-1-2的分布以及外溝缺氧區(qū)占較大比例的曝氣器按點(diǎn)布置的方式，限制了溝內(nèi)絲狀菌的過(guò)量繁殖，從而有效地防止了污泥膨脹，促成污泥良好的沉降性能，也使溝內(nèi)得以維持較高的污泥濃度。一般奧貝爾氧化溝系統(tǒng)內(nèi)MLSS維持在4000～6000mg/L，污泥指數(shù)(SVI)均在120mL/g以下，多為80～100mL/g。
　　由于牛口峪污水處理廠進(jìn)廠廢水中易生物降解物質(zhì)所占比例較大，工藝流程中又設(shè)有初沉池，加上檢修過(guò)程中相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間奧貝爾系統(tǒng)未按0-1-2的DO分布來(lái)控制，致使溝內(nèi)污泥發(fā)生膨脹(SVI＞300mL/g)，污泥沉降性能較差。而出水水質(zhì)未受太大影響的原因是二沉池的設(shè)計(jì)表面負(fù)荷較通常設(shè)計(jì)的小［約為0.6m³/(m²·h)］，設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間較長(zhǎng)(超過(guò)7h)且未滿負(fù)荷運(yùn)行。在將氧化溝內(nèi)的DO調(diào)整為0-1-2分布后，SVI稍有下降的趨勢(shì)，但是否能完全控制住污泥膨脹，還需長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行與觀察。
　　關(guān)于污泥的好氧穩(wěn)定，目前國(guó)內(nèi)、外尚無(wú)統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)指標(biāo)。一般認(rèn)為泥齡需在30d以上，但由于污泥的好氧穩(wěn)定過(guò)程受水溫的影響明顯，因此污泥達(dá)好氧穩(wěn)定的泥齡在不同地區(qū)是不同的。用污泥的比耗氧速率(OUR)來(lái)評(píng)定比較合理，一般來(lái)說(shuō)，污泥的比耗氧速率低于0.1gO₂/(gVSS·d)時(shí)就表示穩(wěn)定過(guò)程已經(jīng)完成。對(duì)牛口峪污水處理廠氧化溝污泥的耗氧速率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4，其OUR＜0.1gO₂/(gVSS·d)，說(shuō)明污泥已相當(dāng)穩(wěn)定。

3 結(jié)論

　　① 奧貝爾氧化溝工藝處理效果好，運(yùn)行穩(wěn)定，操作控制靈活、方便，不僅對(duì)有機(jī)物有較高的去除率，TN的去除率亦超過(guò)90%。
　　② 奧貝爾氧化溝特有的DO為0-1-2的分布是獲得較好脫氮效果的關(guān)鍵所在。測(cè)試結(jié)果證明，第一溝中所形成的缺氧、好氧區(qū)域在“同時(shí)硝化/反硝化”中起主導(dǎo)作用，在外溝中已完成100%的硝化和85%以上的反硝化。
　　③ 奧貝爾氧化溝工藝具有很強(qiáng)的抗高濃度廢水沖擊負(fù)荷能力。
　　④ 在合流制排水系統(tǒng)的城市污水處理廠中采用奧貝爾氧化溝工藝時(shí)，若能將氧化溝的進(jìn)水設(shè)計(jì)成多種可操作、選擇的方式，將大大增加工藝運(yùn)轉(zhuǎn)的靈活性，尤其能有效地抵抗暴雨流量的沖擊。

　　作者簡(jiǎn)介：顏秀勤 女 32歲 碩士 工程師?
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