顏秀勤 張悅 鄭興燦 李成江
(中國市政工程華北設計研究院)

　　摘　要　 通過對奧貝爾氧化溝工程實際運行工況的測試，分析研究了脫氮功能、抗沖擊負荷能力、去除難降解有機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理進行了探討。
　　關鍵詞 污水處理 奧貝爾氧化溝 工程應用 脫氮性能

　　起源于南非發(fā)展于美國的奧貝爾(Orbal)氧化溝是具有除磷脫氮功能的新工藝之一，因其在技術、經濟上具有獨特優(yōu)勢而受到國內外污水處理界越來越多的重視。
　　我國80年代就引進了這門技術，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。但由于對奧貝爾系統(tǒng)的研究還不夠成熟，故引進國外的技術設備多，自己的東西少，缺乏系統(tǒng)的研究與總結，也缺乏實際操作、運行、控制經驗。對奧貝爾氧化溝工藝進行實際應用考察和性能研究的目的是為了更深入地了解該工藝，為工程設計和運行管理提供參考依據和技術指導，使其適合國內需要且能最大限度地發(fā)揮功效。

1 實際工程簡介

　　北京燕山石化公司?？谟鬯幚韽S設計規(guī)模為6×10⁴m³/d，主要處理乙烯生產過程中所排廢水及居民區(qū)少量的生活污水。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，全套技術由美國引進，配套設備為國內產品，于1994年12月建成投產。污水處理廠設計進、出水水質見表1，工藝流程如圖1所示。?
　　生物處理工段設計為平行的兩個系列，每個系列包括1個奧貝爾氧化溝和2個輻流式二沉池。每個氧化溝設24組曝氣轉碟，外、中、內溝各安裝8組。氧化溝的平面布置如圖2所示。

　　單個氧化溝的主要設計參數如下：?
　　設計進水流量1250m³/h?
　　水力停留時間14.2h?
　　泥齡35d?
　　有效水深4.26m?
?　MLSS4000mg/L
　　污泥負荷0.074kgBOD/(kgMLVSS·d)
　　　　　　0.110kgCOD/(kgMLVSS·d)
　　容積分配56∶26∶18(外∶中∶內)
　　溶解氧分配0-1-2mg/L(外-中-內)

2 結果與討論

2.1 污水處理廠運行效果
　　污水處理廠建成以來，由于進水流量只有2×10⁴～2.4×104m³/d，尚不到設計流量的一半，故基本上只運行一個系列。測試期間(1997年11月--12月)污水處理廠運行參數見表2，處理效果見表3。
　　測試結果表明，奧貝爾氧化溝工藝處理效果很好，出水各項指標均遠遠低于設計值。COD、氨氮的去除率都超過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TN的去除率大大提高。測試期間由于檢修設備等原因，曾一度同時開啟兩個系列，造成氧化溝的三個溝道完全處于好氧狀態(tài)，此間TN的去除率只有約50%，由于進水BOD負荷較低，其去除途徑主要是生物合成。調整運行工況(關閉一個系列)至正常后，盡管水量及有機負荷增加了約一倍，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
　　根據硝化和反硝化原理，脫氮過程需先將氨氮在有氧條件下轉化成硝態(tài)氮，然后在無分子態(tài)氧存在的條件下把硝態(tài)氮還原成氮氣，這就要求創(chuàng)造一個好氧和缺氧環(huán)境。奧貝爾氧化溝特有的三溝(外溝、中溝、內溝)溶解氧呈0-1-2mg/L的分布正創(chuàng)造了一個極好的脫氮條件，其獨特之處是有大部分硝化反應發(fā)生的第一溝(即外溝)。如果硝化只發(fā)生在后面兩個溝內，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100%，也只有50%的硝酸鹽進行反硝化，而根據測試結果，在污泥回流比為60%時，外溝測得的TN去除率即達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。對這一現(xiàn)象，筆者結合測試結果認為可用一種發(fā)生在第一溝內稱為“同時硝化/反硝化”的機理作出解釋。這種“同時硝化/反硝化”機理包括兩層含義：
　?、?在整個第一溝內存在缺氧與曝氣區(qū)域。根據現(xiàn)場測試結果，在曝氣轉碟上游1m至下游3m的溝長范圍內一般DO＞0.5mg/L，部分區(qū)域甚至可達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?？谟鬯幚韽S為例，當外溝內轉碟開啟5組時，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)，污水在經過曝氣區(qū)域時可發(fā)生硝化反應，在缺氧區(qū)域則進行氮的脫除，加上污水是先進入外溝，為反硝化反應提供了充足的碳源。?
　?、?微小的微生物個體所處的環(huán)境可稱為微環(huán)境。微環(huán)境直接決定微生物個體的活動狀態(tài)，而宏觀環(huán)境的變化往往導致微環(huán)境的急劇變化，從而影響微生物群體的活動狀態(tài)并在某種程度上表現(xiàn)出“表里不一”的現(xiàn)象。事實上，在活性污泥菌膠團內部存在多種多樣的微環(huán)境類型，而每一種微環(huán)境往往適合于某一類微生物的活動，不適合其他種類微生物的活動。受各種因素(物質傳遞、菌膠團的結構特征)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，當耗氧速率高于氧傳遞速率時可變成厭氧或缺氧性微環(huán)境。?
　　對于菌膠團尤其是大顆粒菌膠團來說，微環(huán)境的變化可能非常明顯，即由于受菌膠團結構、氧傳遞和硝態(tài)氮傳遞的不均勻性影響，外部曝氣狀態(tài)下菌膠團內部也可形成缺氧環(huán)境。因而曝氣狀態(tài)下也可出現(xiàn)某種程度的反硝化，即“同時硝化/反硝化”現(xiàn)象。
由于已在所測試的奧貝爾系統(tǒng)中觀察到了第一溝內明顯的缺氧與好氧區(qū)域，而且有初沉池的設計也不易于形成大顆粒菌膠團，故認為在所測試的奧貝爾氧化溝系統(tǒng)中，第一種類型的“同時硝化/反硝化”占主導地位。
2.2.2 抗沖擊負荷能力
　　測試期間，系統(tǒng)遭受了一次前所未有的高濃度廢水的沖擊，這是污水處理廠運行以來所承受的最大一次沖擊負荷。連續(xù)14 h污水處理廠進水COD濃度高出設計值2～9倍，氧化溝進水COD亦高出設計值2～8倍，COD負荷最高時達設計值的3倍，但整個系統(tǒng)的出水水質始終相當穩(wěn)定，各項指標均未超標，說明奧貝爾氧化溝工藝有很強的抗高濃度廢水沖擊負荷能力，具體結果見圖3。
　　奧貝爾氧化溝工藝有很強的抗高濃度廢水沖擊負荷能力的主要原因有兩點：一是一般為低負荷設計，且多數情況下溝內能維持較高的MLSS，一時的沖擊負荷不足以對微生物產生抑制作用；二是溝內的循環(huán)流量很大，為進水流量的幾十倍甚至上百倍，在流態(tài)上每個溝道都具有完全混合的特征。以牛口峪污水處理廠為例，若氧化溝進水流量為0.25m³/s(即2.2×104m³/d)，溝內平均流速以0.2m/s計，則外溝的循環(huán)流量約為7.6m³/s，約為其進水流量的30倍，高濃度廢水進入溝中后迅速被稀釋混合，對系統(tǒng)不會產生很大影響。

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　　抗暴雨流量的沖擊是奧貝爾氧化溝的另一特點。在采用合流制或截流式合流制的城市污水管道系統(tǒng)中，水質水量的變化較大，進入污水處理廠的污水流量雨天比晴天大，甚至高出設計流量數倍，污水處理廠處于超負荷運行狀態(tài)。在超負荷運行期間，沉淀池污泥的流失是活性污泥處理系統(tǒng)的主要問題，特別是對維持較高的活性污泥固體量的延時曝氣氧化溝系統(tǒng)。出現(xiàn)污泥流失時，不僅出水水質差，而且會使系統(tǒng)的正常運行遭到破壞，需很長時間才能恢復。
　　在常規(guī)系統(tǒng)中可以采用設置超越(旁通)管渠的方法，分流一部分或全部沖擊負荷直接到二沉池，或通過停開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。設置總超越管渠全部超越整個污水處理系統(tǒng)更達不到處理效果。
　　奧貝爾氧化溝獨特的設計很好地解決了這一問題。雨水分流是奧貝爾氧化溝特有的運行模式，其特點是將沖擊流量分流到第三溝或第二溝(視溝內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。由于進水能很快將第三溝中的混合液稀釋，避免了由于進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題，從而有效地防止了污泥固體的流失。這樣，當沖擊流量停止后，系統(tǒng)很容易恢復到正常的運行操作模式。
　　?？谟鬯幚韽S由于主要處理工業(yè)廢水，進水水量變化不大，故進水方式設計采用只進到第一溝。若用于城市污水處理廠，設計多種進水方式是很必要的。
2.2.3 難降解有機物的去除
　　與生活污水不同，許多工業(yè)廢水中含有大量難降解有機物，以BOD₅來表示其中有機物的含量顯然已不合適，此時的BOD₅只能代表易生物降解的部分有機物，這也是工業(yè)廢水一般以COD來作控制指標的原因之一。
　　對牛口峪污水處理廠進出水水質的監(jiān)測結果顯示，進水中BOD₅/COD_Cr比值為0.45～0.65，而COD去除率卻能達90%以上，出水COD＜60mg/L，在40mg/L以下的出現(xiàn)頻率在80%以上，說明長泥齡、長水力停留時間設計的奧貝爾氧化溝對難降解有機物有很高的去除率，這與類似設計的其他類型氧化溝是一致的。
2.2.4 污泥的性能
　　為簡化流程，氧化溝工藝中一般不設初沉池，原污水經格柵和沉砂池后直接進入氧化溝，這既可省去單獨處理初沉池生污泥的麻煩，節(jié)省投資，又可提高氧化溝內的污泥濃度，改善污泥的沉降性能，因原污水中的懸浮顆粒直接進入氧化溝，極易成為污泥絮凝的中心物質，促進較大顆粒菌膠團的形成。另外，對奧貝爾氧化溝來說，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布置的方式，限制了溝內絲狀菌的過量繁殖，從而有效地防止了污泥膨脹，促成污泥良好的沉降性能，也使溝內得以維持較高的污泥濃度。一般奧貝爾氧化溝系統(tǒng)內MLSS維持在4000～6000mg/L，污泥指數(SVI)均在120mL/g以下，多為80～100mL/g。
　　由于?？谟鬯幚韽S進廠廢水中易生物降解物質所占比例較大，工藝流程中又設有初沉池，加上檢修過程中相當長一段時間奧貝爾系統(tǒng)未按0-1-2的DO分布來控制，致使溝內污泥發(fā)生膨脹(SVI＞300mL/g)，污泥沉降性能較差。而出水水質未受太大影響的原因是二沉池的設計表面負荷較通常設計的?。奂s為0.6m³/(m²·h)］，設計水力停留時間較長(超過7h)且未滿負荷運行。在將氧化溝內的DO調整為0-1-2分布后，SVI稍有下降的趨勢，但是否能完全控制住污泥膨脹，還需長期穩(wěn)定的運行與觀察。
　　關于污泥的好氧穩(wěn)定，目前國內、外尚無統(tǒng)一的評判標準與檢測指標。一般認為泥齡需在30d以上，但由于污泥的好氧穩(wěn)定過程受水溫的影響明顯，因此污泥達好氧穩(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)來評定比較合理，一般來說，污泥的比耗氧速率低于0.1gO₂/(gVSS·d)時就表示穩(wěn)定過程已經完成。對牛口峪污水處理廠氧化溝污泥的耗氧速率測試結果見表4，其OUR＜0.1gO₂/(gVSS·d)，說明污泥已相當穩(wěn)定。

3 結論

　　① 奧貝爾氧化溝工藝處理效果好，運行穩(wěn)定，操作控制靈活、方便，不僅對有機物有較高的去除率，TN的去除率亦超過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鍵所在。測試結果證明，第一溝中所形成的缺氧、好氧區(qū)域在“同時硝化/反硝化”中起主導作用，在外溝中已完成100%的硝化和85%以上的反硝化。
　?、?奧貝爾氧化溝工藝具有很強的抗高濃度廢水沖擊負荷能力。
　?、?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，若能將氧化溝的進水設計成多種可操作、選擇的方式，將大大增加工藝運轉的靈活性，尤其能有效地抵抗暴雨流量的沖擊。

　　作者簡介：顏秀勤 女 32歲 碩士 工程師?
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