陳 立
中國市政工程華北設計研究院

　　1、引言

　　1、1 背景
　　由于氧化溝工藝運行管理簡單易行，運行效果相對穩(wěn)定，更適合我國的一些中小城鎮(zhèn)，而奧貝爾氧化溝道優(yōu)良的脫氮效果以及溶解氧的分布形式，因其不同于傳統(tǒng)的氧段+好氧段的活性污泥脫氮系統(tǒng)，而逐漸成為業(yè)內人士關注的焦點。
　　為什么奧貝爾氧化溝的外溝道會有如此良好的脫氮效果？究竟是由于低氧條件下同時存在的硝化、反硝化，還是由于外溝道中交替出現(xiàn)的好氧、缺氧環(huán)境，抑或由于極高的混合液回流比及其他原因？對此，人們提出了3種可能的機理：
　　●宏觀混合方式造成的缺氧好氧環(huán)境：即在高濃度有機物中，微生物對食物的快速好氧降解導致高氧條件下的缺氧環(huán)境的形成。這就是宏觀上的“同時硝化反硝化”，它既可以在推流式曝氣池，即在與奧貝爾外溝道相似的缺氧、好氧區(qū)中實現(xiàn)，又可以在完全混合式的曝氣池中實現(xiàn)（即低溶解氧條件下的“同時硝化反硝化”）。
　　●微環(huán)境的缺氧與好氧：就每一個微小的活性污泥絮體而言，其外圍暴露在好氧條件下，而其內部則處于缺氧條件下。
　　●新型特種微生物：即存在一種我們以前并未認識到的全新微生物能夠在特定條件下去除營養(yǎng)物。
　　正是在這種背景下，本文根據(jù)IAWQ提出的活性污泥數(shù)學模型的原理，通過數(shù)學模擬的方法試圖對此進行合理的解釋。
　　1.2幾個令人困惑的問題與研究的目的
　　在此背景下，幾個相關的問題隨之而生。
　　●奧貝爾氧化溝外溝道的脫氮作用毋庸置疑，但其影響因素究竟是哪些？能否推而廣之，在單溝式氧化溝中采用與奧貝爾氧化外溝道相同的布置，實現(xiàn)優(yōu)勢工藝的改良與變種？
　　●外溝道的脫氮和碳氧化功能占總量的百分比是多少？外溝、中溝、內溝的溶解氧的分布方式的不同又會有哪些影響？與此相關的二沉池的設計又要注意哪些問題？
　　●更深入一些，在奧貝爾氧化溝外溝道內，點源與面源曝氣的區(qū)別及各自的優(yōu)勢是什么？
正是這些疑問構成了本文研究的目的。
　　1.3 研究工具與方法
　　這些問題的產生很可能是各種生物、物理、化學因素交差、協(xié)同作用的綜合結果，由于檢測手段的限制，無法完全通過試驗檢測的方法進行令人信服的解釋。目前由國際水質協(xié)會推出的活性污泥數(shù)學模型以微生物反應動力學為基礎，綜合考慮了各種可能的活性污泥工藝的影響因素，因而可在一定條件下，在時間和空間范圍內模擬污水處理廠的真實運行情況。本文擬采用數(shù)學模擬與試驗測試相結合的方法，根據(jù)低負荷長泥齡運行和高負荷短泥齡運行兩種條件，對由奧貝爾氧化溝產生并延伸出的上述問題進行解釋。
　　數(shù)學模擬以北京燕山石化公司牛口峪污水處理廠的工程測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，以活性污泥1號模型為基礎，采用ASIM計算機程序上機計算。

　　2.牛口峪污水處理廠工程測試簡介

　　2.1 工藝設計參數(shù)
　　牛口峪污水處理廠是北京燕山石化公司30萬噸乙烯改擴建工程的配套環(huán)保項目,主要處理化工一廠的工業(yè)廢水、化工二廠、化工三廠的部分工業(yè)廢水及少量生活污水。該廠采用二級生物處理工藝，生物處理工段為奧貝爾氧化溝，設計規(guī)模為60000m^{3/d,1994年12月投產。生物處理工段設計為平行的兩組，每組包括1個奧貝爾氧化溝和2個二沉池。單個氧化溝的主要設計參數(shù)如下：
　　設計進水流量 1250m3/h
　　泥齡 35d
　　有效池容 1733m3
　　MLSS 4000mg/L
　　MLVSS 3200mg/L
　　容積分配 外：中：內=56：26：18
　　溶解氧分布 外-中-內=0-1-2mg/L
　　每個氧化溝設32組曝氣轉碟，外、中、內溝各安裝8組曝氣器，氧化溝平面布置如圖2.1.1所示。}

^{2.2 測試期間的進出水水質與工藝運行參數(shù)
　　測試期間氧化溝的進出水水質如下表:}

　　“-”在文章表格中表示未檢測或未計算。

　　實際運行參數(shù)見下表：

　　實際供氧量為：
　　外溝：中溝：內溝＝58:23:19。

　　3、低負荷長泥齡下的數(shù)學模擬

　　3.1 概述
　　●與奧貝爾氧化溝工藝相關的數(shù)學模擬從以下幾個方面進行:
　　●奧貝爾氧化溝原型工藝模擬——確定模擬參數(shù)的可用性；
　　●混合液回流比的作用——考察奧貝爾氧化溝外溝道高流速造成高回流比對出水效果的影響；
　　●單溝式氧化溝的脫氮效果——在單溝式氧化溝中采用與奧貝爾氧化溝外溝道同樣的曝氣布置，考察其處理效果；
　　●低氧完全混合條件下同時硝化、反硝化的效果——低氧完全混合條件下能否實現(xiàn)與奧貝爾氧化溝的外溝道相當?shù)耐瑫r硝化與反硝化？
　　●在奧貝爾氧化溝的外溝道中采用微孔曝氣器代替曝氣轉碟，是否會得到同樣的效果？
　　3.2 奧貝爾氧化溝原形工藝模擬
　　3.2.1 概述
　　根據(jù)實際情況將外溝道平均分割成8個單元(1#～8#)，4組曝氣轉碟分別置于4個單元中（1#、3#、5#、7#），即每隔一個單元放一組轉碟，中溝道和內溝道分別只設一個單元（9#、10#）其中各設1組轉碟。原水進入1#，混合液由8#回流至1#，回流污泥由二沉池回流至1#，見圖3.2.1。由于測試期間屬非正常運行，無法測定泥令，因此模擬中按設計泥令取值。
　　3.2.2原水水質模擬
　　原水水質按照模型組分的劃分確定如下表3.2.1、3.2.2。
　　溶解性組分：
　　SI——惰性COD
　　SS——可生物降解COD
　　SNH4——氨氮
　　SNOX——硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮
　　SALK——堿度
　　顆粒性組分：
　　XI——惰性COD
　　XS——可生物降解COD
　　XH——異氧菌
　　XA——自養(yǎng)菌
　　Xss——懸浮物

^{3.2.3數(shù)學模擬工藝流程及運行參數(shù)}
　　工藝流程見下圖:

　　工藝運行參數(shù)如下:
　　氧化溝池容: V1^#～8^#=1241m3
　　V9^#=4611m3
　　V10^#=3192m3
　　二沉池池容:V二沉=3612m3
　　流量:Q=21670m3/d
　　水溫:T=15°Ç
　　污泥加流比:R=61%
　　模擬混合液回流比:R=10000%
　　模擬供氧量:外溝:中溝:內溝=65:19:16
　　總供氧量:7392kgo₂/d
　　3.2.4 數(shù)學模擬結果
　　計算所得污泥濃度為3500mgCOD/L,其余結果見表2.2.5。

　　比較表2.2.1和2.2.2,可知模擬數(shù)據(jù)能夠與實測數(shù)據(jù)很好地吻合:
　　絕大部分有機物和氮在外溝道去除:外溝道總氮為2.7mg/L(實測總氮為2.6mg/L),去除率為84%(實測為86.5%),有機物去除率為99.8%(實測為97.4%);只有少量氮在中溝、內溝去除，出水總氮為2.7mg/L(實測為2.4mg/L),去除率為84%(實測為86.4%);
溶解氧有一定的變化梯度,但不形成絕對的缺氧、好氧區(qū)，而是形成介乎缺氧與厭氧之間的缺氧/厭氧區(qū)和介乎好氧與缺氧之間的好氧/缺氧區(qū)；計算所得污泥濃度相當于3032mg/L的MLSS，而實測污泥濃度MLSS為3037mg/L。
　　3.3 混合液回流比的作用
　　3.3.1 概述
　　假設在供氧量不變的條件下,考慮模擬的方便,外溝道內設2組轉碟(模擬結果表明,2組與4組轉碟差別不大),將外溝道平均分割成6個單元(1^#～6^#),2組曝氣轉碟分別置于2個單元中(1^#、4^#），即每隔2個單元放一組轉碟，中溝道和內溝道同前，分別只設一個單元（7^#、8^#）。原水進入1^#，混合液由6^#回流至1^#，混合液回流比由100倍改為10倍，回流污泥由二沉池回流至1#，其余模擬皆同2.2節(jié)，以考察奧貝爾外溝道中高回流比的作用。
　　工藝流程見下圖：

　　其中，池容V_1～6=1655m3_。
　　3.3.2 數(shù)學模擬結果
　　模擬結果見下表。

　　在給定條件下,由于回流比的改變,使得外溝道內溶解氧分布的梯度明顯加大,缺氧/厭氧區(qū)擴磊,好氧/缺氧區(qū)縮小,盡管平均溶解氧(0.31mg/L)有所提高,但由于高氧區(qū)域(曝氣轉碟附近)極為狹小,外溝道硝化效果下降,從而導致脫氮效果的下降,但出水與高回流比時的效果基本一樣。這說明奧貝爾外溝道內的高流速是其我外溝道擁有良好的脫氮效果的重要原因，但不等于說流速越高越好，模擬結果表明，混合液回流比為50倍時，效果最佳。
　　3.4 單溝式氧化溝脫氮的可能性
　　3.4.1 概述
　　本節(jié)模擬的原則是在3.2節(jié)氧化溝工藝參數(shù)(混合液回流比為100倍)的基礎上模擬單溝式氧化溝,即在泥令、生物池總體積、總供氧量相同，進水水質相同的條件下模擬奧貝爾外溝道的運行方式。

　　工藝流程見下圖：

　　在給定條件下,采用與外溝道相同布置的單溝式氧化溝,由于平均溶解氧(0.63mg/L)提高了2倍多,碳氧化與脫氮效果均優(yōu)于奧貝爾,只是由于缺少了奧貝爾氧化溝3溝道中溶解氧0-1-2的分布,最終硝化不夠徹底。
　　3.5 低氧條件下的同時硝化反硝化
　　本節(jié)分3種形式模擬。第一種是在供氧量相同的條件下，將奧貝爾氧化溝的外溝道替換為采用微孔曝氣器的完全混合曝氣池，而中溝、內溝不變的一種改型工藝；第二種是不改變奧貝爾的基本池型，只是在同樣供氧量的條件下，在外溝道采用微孔曝氣器代替曝氣轉碟，因此也就不存在混合液回流問題，其他均不變；第三種是在第二種的基礎上，在外溝道強制進行混合液回流。目的是考察外溝道處于低氧狀態(tài)下時發(fā)生同時硝化反硝化的可能性以及奧貝爾氧化溝外溝道工藝改型的可能性。
　　3.5.1 工藝流程
　　第一種改型工藝流程見下圖:

　　其中，外溝V₁=9930.5m³
　　　　　中溝V₂=4611m³
　　　　　內溝V₃=3192m³
　　供氧量及其他條件均與3.2節(jié)相同。

　　第二種改型工藝流程見下圖：

　　其中,1^#～6^#單元均為曝氣單元,供氧量均等,總供氧量及其他條件均與3.2節(jié)相同。
　　第三種改型工藝流程下圖：

　　這種流程力與第二種的區(qū)別,只是根據(jù)奧貝爾的真實情形增加了混合液回流。
　　3.5.2 數(shù)學模擬結果
　　第一種改型工藝的模擬結果見下表。外溝道在低氧0.23mgDO/L（相當于奧貝爾外溝道的平均溶解氧）、完全混合條件下，脫氮及碳氧化效果與經典的奧貝爾外溝道相當，這從另一方面說明了低氧條件下的同時硝化反硝化同樣發(fā)生在奧貝爾外溝道中。

　　第二種改型工藝的模擬結果見下表。如若只是在外溝道用微孔曝氣器代替曝氣轉碟，則外溝道內的溶解氧沿溝長呈不斷上升趨勢，平均溶解氧為0.26mgDO/L,高于改型的平均溶解氧,因此碳氧化程度有所提高,而硝化和反硝化效果都有所下降,這是由于改型后的工藝不同于原型,從溝道中各個部分看都是完全混合式,從整個外溝道看卻是推流式,原水質點依次經過外溝道而不是反復經過。如果在此基礎上，進行混合液回液，效果應有所改善，為此我們做了第三種改型工藝的分析。

　　第三種改型工藝的模擬結果見下表。與第二種模擬對比，顯然證實了我們的猜測，這說明，在外溝道內采用微孔曝氣轉碟可以取得同樣的效果，但必須同時考慮實現(xiàn)外溝道的自身回流以保證脫氮效果，這也從另一方面說明，奧貝爾外溝道的高流速對脫氮效果的重要作用。

　　3.6 小結
　　我們將奧貝爾氧化溝、單溝式氧化溝及在外溝道用面源底曝來取代曝氣轉碟并在外溝道進行強制循環(huán)的外溝道改型工藝做一對比，見表3.6.1。

　　由表可知，低負荷長泥齡運行條件下，單溝式氧化溝的脫氮與碳氧化效果更佳，奧貝爾氧化溝與其第三種改型工藝效果相當，說明不同的曝氣方式可以達到同樣的處理效果。

　　4、高負荷短泥齡下的數(shù)學模擬

　　本單在第三章的基礎上，將泥齡縮短為10天，進水量提高到60000m³/d，氨氮提高到50mg/L。在負荷提高，泥齡縮短的條件下，維持生物段總容積不變，考察奧貝爾氧化溝、單溝式氧化溝及外溝道改型藝（Ⅰ、Ⅲ）4種的性能并進行對比。
　　4.1 奧貝爾氧化溝
　　模擬原水水質如下：

　　工藝運行參如下：
　　氧化溝池容　V_外溝=11900m³
　　　　　　　　V_中溝=3881m³
　　　　　　　　V_內溝=1944m³
　　　　　　　　V_{1#、3#、5#、7#}=992m³
　　　　　　　　V_{2#、4#、6#、8#}=1983m³
　　　　　　　　V_9#=3881m³
　　　　　　　　V_10#=1994m³

　　二沉池池容：V二沉=3612m³
　　流量：Q=60000m³/d
　　水溫：T=15℃
　　污泥泥令：SRT=10d
　　污泥回流比：R=61%
　　模擬混合液回流比：R=60倍
　　模擬供氧量：外溝：中溝：內溝=60：30：10
　　總供氧量：22981kgO₂/d
　　數(shù)學模擬結果見表4.1.1，計算所得污泥濃度為5081mgCOD/L。

　　4.2  單溝式氧化溝
　　水質、運行參數(shù)同前

　　改變的工藝參數(shù)如下：
　　氧化溝池容： V_{1#、3#、5#、7#}=1478m³
　　V_{2#、4#、6#、8#}=2956m³
　　總供氧量：22981kgO2/d
　　數(shù)學模擬結果見表面光潔度.2.1，計算所得污泥濃度為5278mgCOD/L。

　　4.3  低氧條件下的同時硝化反硝化
　　本節(jié)分2種形式模型：奧貝爾氧化溝外溝道改型工藝（1）和奧貝爾氧化溝外溝道改型工藝（Ⅲ），目的是考察高負荷下外溝道發(fā)生硝化反硝化的工藝機理。
　　工藝流程圖3.5.1和圖3.5.3。
　　其中，改型工藝（Ⅰ）的氧化溝池容：V外溝=11900m³
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V中溝=3881m³
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V內溝=1944m³
　　其他條件均與第4.1節(jié)相同。
　　改型工藝（Ⅲ）的運行條件均與4.1節(jié)相同。
　　改型工藝（Ⅰ）數(shù)學模擬計算所得污泥濃度為5060mgCOD/L，其余結果見表4.3.1。

　　改型工藝（Ⅲ）數(shù)學模擬計算所得污泥濃度為5052mgCOD/L，其余結果見表4.3.2。

　　4.4  小結
　　我們將奧貝爾氧化溝、單溝式氧化溝及在外溝道用面源底曝來取代曝氣轉碟并在外溝道進行強制循環(huán)的外溝道改型工藝做一對比，見表4.4.1。

　　由表可知，高負荷短泥齡運行條件下，單溝式氧化溝碳氧化效果更佳，而脫氮效果略差；奧貝爾氧化溝與其第三種改型工藝效果相當，再一次說明不同的曝氣方式可以達到同樣的處理效果

　　5、結論

　　5.1奧貝爾氧化溝外溝的脫氮作用
　　A、 奧貝爾氧化溝外溝的脫氮作用毋庸置疑，其影響因素主要是由于采用曝氣轉碟在外溝道形成的獨特的流態(tài)，即推流式與完全混合式有機統(tǒng)一的特殊流態(tài)。
　　B、數(shù)學模擬的外溝道溶解氧的分布表明，間隔布置的曝氣轉碟使得溶解氧有一定的變化梯度，而其在溝內造成的高流速又使得溶解氧的分布趨于均勻，不形成絕對的缺氧、好氧區(qū)，而是形成介乎缺氧與厭氧之間的缺氧/厭氧區(qū)和介乎好氧與缺氧之間的好氧/缺氧區(qū)，導致每個原水質點反復經歷缺氧/厭氧區(qū)和好氧/缺氧區(qū)的不斷切換，這是一種由點源曝氣加高速流態(tài)造成的完全混合形態(tài)。它所形成的宏觀上的“同時硝化反硝化”，既可以在奧貝爾外溝道中的點源曝氣條件下實現(xiàn)，又可以在面源氣的完全混合的較為均勻的低溶解氧條件下實現(xiàn)。
　　C、數(shù)學模擬無法直接模擬微環(huán)境下的“同時硝化反硝化”，但對曝氣轉碟附近及較遠區(qū)域的模擬中所出現(xiàn)的好氧/缺氧區(qū)和缺氧/厭氧區(qū)間接說明了菌膠團的微環(huán)境里肯定會存在著同樣的情形。
　　D、數(shù)據(jù)模擬中所遵循的經典微生物學原理以及為了簡化模擬所采用的“灰箱”理論決定了它無法準確驗證是否存在一種新型特種微生物。
　　E、數(shù)據(jù)模擬表明，外溝道脫氮和碳氧化程度均占90%以上，這與測試結果基本吻合，因此中溝、內溝的溶解氧的分布方式似乎主要作用是加強硝化和改善污泥的沉降性能，只有在加入內回流時，才起到了強化脫氮的作用。內溝中保持高氧狀態(tài)以保證二沉池內不發(fā)生反硝化一說，在設計泥令較長的條件下似乎缺乏理論支持，在設計泥令較的條件下卻很有必要。表明在設計中還需要做與此相關的其他考慮，諸如污泥穩(wěn)定、出水的精確控制（例如嚴格限制氨氮的排放），超負荷運行等等。
　　F、數(shù)學模擬表明，奧貝爾氧化溝的內部設計相當靈活多變，諸如泥齡的選取、溶解氧的分布形式、內回流的設置、曝氣轉碟的推進速度及相應的二沉池的設計等等；奧貝爾氧化溝的抗沖擊負荷能力較強；這些因素涉及到進水水質和處理要求等諸多問題，在設計中的取舍需要綜合考慮，不能籠統(tǒng)地一概而論。
　　G、數(shù)據(jù)模擬表明，奧貝爾氧化溝的外溝道存在最佳混合比；外溝道體積適當增大可起到節(jié)能降耗、提高脫氮效率的效果。
　　5.2 貝爾氧化溝與單溝式氧化溝
　　數(shù)學模擬表明，在單溝式氧化溝中采用與奧貝爾氧化溝外溝道相同的布置，可以達到碳氧化和脫氮效果。但在高負荷短齡的條件下，其效果不如奧貝氧化溝，加之出水前的低氧狀態(tài)使其容易在二沉池出現(xiàn)反硝化，從而影響最終的處理效果。
　　 5.3 奧貝爾氧化溝與曝氣方式
　　數(shù)學模擬表明，在低氧、完全混合條件下，可以實現(xiàn)“同時硝化反硝化”，這與某些文獻的報道是吻合的，亦即獲得與推流式氣池及奧貝爾外溝道相同的效果，或者與經典的活性污泥脫氮系統(tǒng)相同的效果。
　　奧貝爾外溝道的轉碟曝氣方式造成的局部推流及高流速、高回流比，使其在實質上實現(xiàn)了底曝完全混合方式千萬的低氧同時硝化反硝化。在奧貝爾外溝道進行類似的工藝改型，可以收入到與改型前基本一致的處理效果。
　　我們的南方某城市污水處理的工藝試驗中也證實了同樣的結論：即在溶解氧低于0.5mg/L的條件下，采用面源泉底曝完全混合方式代替點源曝氣推流方式，獲得了基本相近的效果。
　　5.4 活性污泥數(shù)學模型的模擬作用
　　數(shù)學模擬在污水處理的精確設計中無疑是一種有效的工具，它有助于將各種可能的情況高度集中，但它不應代替污水試驗，而是應該作為污水試驗前的試驗方案篩選的工具。