陳輔利¹， 高光智¹， 叢廣治²
（1.大連水產學院環境與生物工程研究所，遼寧 大連116023；2.大連開發區水質凈化二廠，遼寧大連 116600）

　　摘 要： 利用合流制排水溝渠處理污水是一項新技術。通過室內試驗和實際模型試驗，對利用合流制 排水溝渠處理污水的工藝、效率、抗沖刷能力、生物載體等進行了研究，結果表明處理效率 達到或超過一般生物膜法的水平，基建投資和運行費用大大降低。利用排水溝渠處理污水與 傳統的推流式生物氧化法有所不同，在內源呼吸期COD值有所上升，對此現象進行了 理論探討，并建立了COD和溶解氧變化過程數學模式，還對設置初次沉淀段進行了經濟分析 。
　　關鍵詞： 排水溝渠； 污水處理； 降解； 模式
　　中圖分類號：X505
　　文獻標識碼：A
　　文章編號： 1000-4602(2000)09-0012-05

Study on Technology of Sewage Treatment Using Drainage Canals
CHEN Fu-li¹， GAO Guang-zhi¹， CONG Guang-zhi²
(1.Environ.and Biological Eng.Institute,Dalian Fisheries College,Dalian 116023,China; 2.Wastewater Purification Plant,Dalian Dev elopment Zone,Dalian 116600,China)

　　Abstract：Using drainage canals in combined system to treat sewage is a new technology. With laboratory and practical model tests, the process, efficiencies , scouring resistance ability and biological carrier were studied. The results s howed that the treatment efficiencies reached or exceeded that of conventional b iofilm process. The capital and operating costs were reduced greatly. Treatment of sewage by using drainage canals was different from traditional bio-contact ox idation process with plug flow. It was observed from the tests that there existe d a rise in COD value in the period of endogenous respiration. A discussion on t his phenomenon was carried out and mathematical models of COD and DO variation w ere set up. An economic analysis on setting up a primary settling section was al so presented.
　　Keywords: drainage canals; wastewater treatment; degradat ion; model

　　利用合流制排水溝渠處理污水是一項實用新型專利技術^［1］：在合流制排水溝渠中順流方向設置固定微生物載體，載體上形成生物膜，污水在微生物載體間流動過程中得到凈化，可把這種方法叫做“溪流式接觸氧化法”。
　　據美國國家環保局的報告，利用下水道處理污水是可能的，提高其效率的主要因素是足夠的生物量、充足的溶解氧和充分的時間^［2］，國內外已有利用排水渠道和溝河處理污水的成功實例^［3］。我國城市利用天然溝河排水較為普遍，隨著環保要求的提高，很多溝河都進行了整治，有的改造成了暗渠，有的沿溝河建成了公園，這些河渠都可以用于 處理污水。資金是改善環境的重要限制因素，利用排水溝渠處理污水，可以大大降低基建投資和運行成本，對改善發展中國家的環境具有非常重大的意義。該技術也可以作為污水廠的 預處理，從而大大減少污水廠的有機負荷。

　　1 試驗裝置

　　試驗包括室內試驗和干渠實際模型試驗，試驗裝置如圖1和圖2。

　　2 處理效果

　　室內試驗菌種取自大連開發區凈水廠，原水取自黑石礁干渠。試驗分五組進行，停留時間為35～120 min，每組穩定后測定9個點的COD和濁度，連續測定3d，結果示于圖3。試驗中隨時進行生物相鏡檢，各組生物相基本相似，主要有線蟲、輪蟲、節足動物、豆形蟲，未發現有柄鐘蟲。
　　試驗表明，當停留時間＞55min，出水COD＜40mg/L，最低達到20mg/L以下，COD去除率＞80%，最高達到90%以上［有機負荷為3～3.5kgCOD/(m3·d)］，各項指標均達到一般生物接觸氧化法的效果。
　　實際模型試驗裝置是單格構筑物，長為36m，寬為12cm，水深6～8cm，停留時間4.5min。試驗完全按實際情況進行，旱流平均進水COD濃度185.52mg/L，平均出水 COD 濃度165.41mg/L，平均負荷率6.515kg/(m³·d)，COD平均去除速度0.059mg/(L·m)。

　　3 降解過程理論探討和數學模式

　　在溪流式接觸氧化反應器中，生物不斷同化基質而增長，生物膜上的微生物不斷從膜上脫離，推流到下游。水中的微生物也會不斷地被生物膜吸附，變成生物膜的一部分，穩定時脫離和成膜達到動態平衡。
　　溪流式接觸氧化法的過程是完全推流式。在反應器的前部，微生物處在增長期，主要是利用 水中溶解態和部分膠體態基質。在反應器的后部，微生物處在內源呼吸期，水中的溶解態基質不足以供微生物生長之用，生物膜上菌膠團的糖膜被水解，變成溶解態；生物膜上的菌膠團逐漸變成游離菌；游離菌部分被溶解，一部分變成溶解態溶解于水中；溶解態有機物進一步被微生物呼吸降解。
　　水中有機物的變化可以認為是由兩方面作用引起的：一方面作用是輸入系統的有機物被生物 體吸附、降解；另一方面作用是被生物體吸附的有機物水解、生物體部分溶解。
　　為了構筑簡單的溪流式接觸氧化法的模式，用McKinney模式描述有機物降解過程。水解 溶解過程由于其作用機理復雜，采用黑箱方法描述。溪流式接觸氧化法有機物變化過程 可以用下述灰箱復合模式描述
? S=S₀exp(-K_mt)+F(t)
　　式中　F(t)——水解過程的黑箱數學表達式
　　　　　F(t)應具有如下數學特征：F(0)=0；F(tq)最大；t＜t_q時，F(t)為增函數；t＞t_q時，F(t)為減函數；t足夠大時，F(t)→0。
　　根據以上分析可提出：
　　F(t)=bt-at^c
　　溪流式接觸氧化法有機物變化過程的灰箱復合模式可以表示為：
　　S=f(t)+F(t)=S₀ exp(-K_mt)+bt-at^c
　　式中　K_m——耗氧系數，d^-1或h^-1
　　　　　a、b、c?——水解的溶解特征系數
　　f(t)=S₀ exp(-K_mt)叫做降解方程，F(t)=bt-at^c叫做水解的溶解方程。
　　用最速下降法求各項系數，令：f(K_m，a，b，c)=∑(L_i-S_i)2→min
　　把試驗數據代入，經計算機計算結果為：K_m=3.25h^-1,b=433 h^-1，a=415h^-1，c=1.02。統計學參數：樣本空間111，均方差19.76，相關系數0.76。F(t)的特征參數為：水解溶解最大值出現的時間t_q=3.1h，水解溶解最大值F(t_q)=26.36mg/L。
　　針對本試驗COD變化過程的灰箱復合模式可以表述為：
　　S=S₀ exp(-3.25t)+433t^-415 t^1.02?
　　McKinney模式模擬試驗過程的均方差為24.54，Monod模式模擬試驗過程的均方差為22.54,灰箱復合模式分別比McKinney和Monod模式提高精度24.2%和14.1%。

　　4 溶解氧變化過程數學式

　　為了更好地描述溪流式接觸氧化法溶解氧的變化規律，將其分為前期和中后期兩個階段，將有機物降解過程曲線的極小值點t_m前的某點作為其界限點t_d,t_d=t_m-d_。
　　理論上從一開始就存在水解溶解作用，只是在增長期這種作用很小，可忽略不計。當t＞t_d時，這種作用比較突出。在工程上，建議d取0.2～0.5h。
　　在前期，有機物耗氧規律可以用McKinney模式表示：dS/dt=－K_mS?
　　溶解氧的變化過程可用復氧和耗氧之和表示:
　　-dD/dt=－K₁S+K_LaD
　　D=D₀ exp(-K_Lat)+K_mS₀［exp(-K_mt)-exp(-K_Lat)］/(K_La-K_m)
　　上述模式即為溪流式接觸氧化法增長期溶解氧模式。該模式與河流氧垂曲線相比，結構上是 一樣的，其主要區別在于該模式只適用于t＜tm的情況，一般不出現溶解氧上升段。
　　在中后期，被吸附有機物水解和細胞溶解作用導致水中有機物增加，這部分有機物的降解耗 氧必須考慮。耗氧應包括這部分耗氧和殘留有機物耗氧之和。為更好地反映溶解氧變化過程 ，取該過程的某微小時段δ_t，并假設：
　　①在δ_t內，水解和溶解在t_n-1時刻一次完成，其總量為S_r；
　　②t_n-1時刻有機物為殘留有機物與水解溶解有機物之和：S_n-1=S_d+S_r；
　　③δ在δ_t內，有機物降解仍符合McKinney模式:S_n=S_nδ-1δexp(-Kmδ_t)，或S_nδ-1δ=S_nδ exp(K_mδ_t)。

　　δ_t內溶解氧變化過程為：
　　-dD/dt?=－K_mS+K_LaD?
　　在t_n-1-t_n?區間積分：
? D_n=D_n-1exp(-K_Laδ_t)+K_mS_n-1exp(-K_mδ_t)-exp(-K_Laδ_t)］/(K_La-K_m)
　　其中:S_n-1=S_nexp(K_mδ_t)
　　S_n=S₀ exp(K_mtn)+bt_n-at_nc
　　式中 ?δt ——微小時段，δ_t=t_n-t_n-1，h?
　　Sn——實際有機物濃度，mg/L
? S_n-1——第n時段虛擬有機物濃度，mg/L

? t_n-1、t_n?——第n時段起止時間，h

? D_n-1、D_n——t_n-1、t_n時刻虧氧量，mg/L
　　上述模式即為溪流式接觸氧化法溶解氧遞推模式。實際上，該模式也適用于前期，甚至于溪 流式接 觸氧化法的全過程都可以應用該模式。計算時，令n=1，2，3……，遞推計算出各時刻的溶解氧濃度。
　　黑石礁排水干渠寬3m，水深5～7cm，底板長有0.5～1mm的生物膜，生物量雖然達不到溪 流式接觸氧化法反應器的要求，但其規律與溪流式接觸氧化法類似。由于污水排入點很多，無法按理想狀態找到起始點，選擇了黑石礁干渠中一段76 m長的無新源排放、無障礙的直線 渠段，設3個斷面，取斷面混合樣測定COD和DO。根據實測數據通過優化方法分別計算出S-P 模式和溶解氧遞推模式的參數。根據模式計算值描繪的曲線示于圖4。S-P模式計算值與實測值的均方差為0.148 mg/L，溶解氧遞推模式計算值與實測值的的均方差為0.096mg/L，比S-P模式提高精度35%。從曲線形狀看S-P模式曲線明顯回升，與實際情況不符。

　　5 雨水沖刷

　　雨天時保持生物量是利用溝渠處理污水的重要因素，室內雨水沖刷試驗結果示于圖5。

　　停止沖刷之后的初始階段，出水濃度直線上升，這是由于系統中自來水逐漸減少所致。停止沖刷3 h，出水濃度達到最大，此時自來水已經完全排出系統。此后，出水濃度逐漸降低， 到7h后出水恢復正常，時間間隔4 h。可以認為沖刷停止后4～6 h，系統恢復正常功能。
　　1999年10月1日上午大連市下了一場中到大雨，有關監測結果示于表1。下雨時有機物濃度較高，可能是沖刷地面污物所致，隨著降雨歷時的增加會降低。開始時處理能力提高，有機物降低速度高于旱流，其原因可能是由于沖刷導致生物膜活性增加所致，隨著時間的推移，可能 逐漸降低。下雨時溶解氧復氧能力增加，主要是流速增加所致。雨后4h基本恢復正常功能 。

　　6 載體

　　載體試驗在河道進行，試驗結果示于表2。

　　毛刷和平板載體生物膜量較少，沖刷量較大，不宜作生物載體。波紋麻面板沖刷量僅4.7 %，抗沖刷能力較強，生物膜量約1500mg/L左右，較少，可以作為載體使用，但其制作工藝復雜，性能上也不太理想。兩種平面網性能差不多，沖刷量在10%左右，生物量2500mg/L左右，是一種較好的載體。兩種立體網性能相近，沖刷量在10%以下，生物膜量為3000mg/L左右，是一種比較理想的載體。試驗還發現，波紋麻面板生物膜較薄，厭氧層不明顯。平 面網膜厚0.5～1.5 mm，有時會出現厭氧層，但較薄。立體網網面膜厚1～2mm，立體柱上膜 厚可達4mm，厭氧層非常明顯，表面白灰色，內部黑色，灰色層一般在0.5mm左右。

　　7 設置初沉段的經濟分析

　　沉淀試驗用原水取自黑石礁排水干渠，試驗結果示于圖6。

　　設置初沉段的成本構成主要有沉淀成本、污泥處置成本和減少的氧化段成本。
　　溪流式生物接觸氧化法利用現有排水溝渠，其土建費用主要是溝渠的修整和載體材料成本及其安裝費用。建設初次沉淀段的話，在經濟上將增加系統建設費用，并且建設費用隨著停留時間的增加而增加。
　　溪流式生物接觸氧化法沒有回流，復氧主要靠天然復氧，人工復氧只起補充作用。污泥處理運行費用是增函數，其費用比沉淀段的運行費用大，是運行費用的主要項目。可見，對溪流式接觸氧化法而言，增加或加大初次沉淀段將增大系統運行費用，并且沉淀時間越長增加的費用也越大。
　　在氧化段，由于加設了載體，其流速比上游段有所降低，一般降低30%～60%。這樣，在氧化段的前端，一方面生物膜增長很快，另一方面由于流速的減緩，沉降作用比較明顯。在黑石 礁干渠的實際模型中這種沉降現象比較明顯，對前端功能發揮的影響比較大。因此，雖然從經濟上講建設初次沉淀段將增加基建投資和運行費用，但從功能上看，設置初次沉淀段對于 防止氧化段的前端堵塞還是非常必要的，同時也可以減少氧化段的有機負荷。
　　根據沉降試驗結果，20min之前沉淀速度較快，30min之后沉淀速度較慢，氧化段的流速一 般＞0.2 m/s。因此，溪流式接觸氧化法初次沉淀段的沉降時間不必像傳統初次沉淀池那樣長，一般旱流時控制在20～30min比較合理。下雨時主要起沉砂作用，一般應比傳統的沉砂池停留時間略長，控制在2～5min比較合理。

　　8 溪流式接觸氧化法工藝

　　溪流式接觸氧化法工藝流程如圖7所示。

　　初次沉淀段的作用主要是沉砂，尤其是下雨時的泥砂，以防止這些泥砂進入氧化段。旱流時 ，除沉砂外，還起到初次沉淀池的去除部分懸浮物作用。接觸氧化段是溪流式接觸氧化法 系統的主要構筑物，根據溶解氧含量可分為好氧、兼氧、交替式接觸氧化法等。二次沉淀段 可根據實際要求設置，一般溪流式接觸氧化法產泥量非常低，可不設二次沉淀段。對暗渠， 采用好氧法時應進行通風。

　　參考文獻：
　　［1］ 陳輔利.溪流式生物接觸氧化污水處理構筑物［P］.中國專利：9921 8541.6.
　　［2］ Pomeroy R D,Lofy R J.Feasibility Study on In-Sewer Treatment M ethods［P］.美國專利:EPA/600/2-77/192(U.S.A).
　　［3］卞濤.一種高濃度有機污水處理新方法［P］.中國專利：96103295 .2.

作者簡介：陳輔利(1957- )， 男， 山東龍口人， 大連水產學院教授， 碩士， 研究方向：污水和污泥處理。
電話：(0411)4686099
收稿日期：2000-03-28