陳輔利¹， 高光智¹， 叢廣治²
（1.大連水產(chǎn)學(xué)院環(huán)境與生物工程研究所，遼寧 大連116023；2.大連開發(fā)區(qū)水質(zhì)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(xiàng)新技術(shù)。通過室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)際模型試驗(yàn)，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(jìn)行了研究，結(jié)果表明處理效率 達(dá)到或超過一般生物膜法的水平，基建投資和運(yùn)行費(fèi)用大大降低。利用排水溝渠處理污水與 傳統(tǒng)的推流式生物氧化法有所不同，在內(nèi)源呼吸期COD值有所上升，對此現(xiàn)象進(jìn)行了 理論探討，并建立了COD和溶解氧變化過程數(shù)學(xué)模式，還對設(shè)置初次沉淀段進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析 。
　　關(guān)鍵詞： 排水溝渠； 污水處理； 降解； 模式
　　中圖分類號：X505
　　文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàng)實(shí)用新型專利技術(shù)^［1］：在合流制排水溝渠中順流方向設(shè)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(dòng)過程中得到凈化，可把這種方法叫做“溪流式接觸氧化法”。
　　據(jù)美國國家環(huán)保局的報(bào)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(shí)間^［2］，國內(nèi)外已有利用排水渠道和溝河處理污水的成功實(shí)例^［3］。我國城市利用天然溝河排水較為普遍，隨著環(huán)保要求的提高，很多溝河都進(jìn)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(huán)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(yùn)行成本，對改善發(fā)展中國家的環(huán)境具有非常重大的意義。該技術(shù)也可以作為污水廠的 預(yù)處理，從而大大減少污水廠的有機(jī)負(fù)荷。

　　1 試驗(yàn)裝置

　　試驗(yàn)包括室內(nèi)試驗(yàn)和干渠實(shí)際模型試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖1和圖2。

　　2 處理效果

　　室內(nèi)試驗(yàn)菌種取自大連開發(fā)區(qū)凈水廠，原水取自黑石礁干渠。試驗(yàn)分五組進(jìn)行，停留時(shí)間為35～120 min，每組穩(wěn)定后測定9個(gè)點(diǎn)的COD和濁度，連續(xù)測定3d，結(jié)果示于圖3。試驗(yàn)中隨時(shí)進(jìn)行生物相鏡檢，各組生物相基本相似，主要有線蟲、輪蟲、節(jié)足動(dòng)物、豆形蟲，未發(fā)現(xiàn)有柄鐘蟲。
　　試驗(yàn)表明，當(dāng)停留時(shí)間＞55min，出水COD＜40mg/L，最低達(dá)到20mg/L以下，COD去除率＞80%，最高達(dá)到90%以上［有機(jī)負(fù)荷為3～3.5kgCOD/(m3·d)］，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到一般生物接觸氧化法的效果。
　　實(shí)際模型試驗(yàn)裝置是單格構(gòu)筑物，長為36m，寬為12cm，水深6～8cm，停留時(shí)間4.5min。試驗(yàn)完全按實(shí)際情況進(jìn)行，旱流平均進(jìn)水COD濃度185.52mg/L，平均出水 COD 濃度165.41mg/L，平均負(fù)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(shù)學(xué)模式

　　在溪流式接觸氧化反應(yīng)器中，生物不斷同化基質(zhì)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(huì)不斷地被生物膜吸附，變成生物膜的一部分，穩(wěn)定時(shí)脫離和成膜達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。
　　溪流式接觸氧化法的過程是完全推流式。在反應(yīng)器的前部，微生物處在增長期，主要是利用 水中溶解態(tài)和部分膠體態(tài)基質(zhì)。在反應(yīng)器的后部，微生物處在內(nèi)源呼吸期，水中的溶解態(tài)基質(zhì)不足以供微生物生長之用，生物膜上菌膠團(tuán)的糖膜被水解，變成溶解態(tài)；生物膜上的菌膠團(tuán)逐漸變成游離菌；游離菌部分被溶解，一部分變成溶解態(tài)溶解于水中；溶解態(tài)有機(jī)物進(jìn)一步被微生物呼吸降解。
　　水中有機(jī)物的變化可以認(rèn)為是由兩方面作用引起的：一方面作用是輸入系統(tǒng)的有機(jī)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(jī)物水解、生物體部分溶解。
　　為了構(gòu)筑簡單的溪流式接觸氧化法的模式，用McKinney模式描述有機(jī)物降解過程。水解 溶解過程由于其作用機(jī)理復(fù)雜，采用黑箱方法描述。溪流式接觸氧化法有機(jī)物變化過程 可以用下述灰箱復(fù)合模式描述
? S=S₀exp(-K_mt)+F(t)
　　式中　F(t)——水解過程的黑箱數(shù)學(xué)表達(dá)式
　　　　　F(t)應(yīng)具有如下數(shù)學(xué)特征：F(0)=0；F(tq)最大；t＜t_q時(shí)，F(xiàn)(t)為增函數(shù)；t＞t_q時(shí)，F(xiàn)(t)為減函數(shù)；t足夠大時(shí)，F(xiàn)(t)→0。
　　根據(jù)以上分析可提出：
　　F(t)=bt-at^c
　　溪流式接觸氧化法有機(jī)物變化過程的灰箱復(fù)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(shù)，d^-1或h^-1
　　　　　a、b、c?——水解的溶解特征系數(shù)
　　f(t)=S₀ exp(-K_mt)叫做降解方程，F(xiàn)(t)=bt-at^c叫做水解的溶解方程。
　　用最速下降法求各項(xiàng)系數(shù)，令：f(K_m，a，b，c)=∑(L_i-S_i)2→min
　　把試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入，經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果為：K_m=3.25h^-1,b=433 h^-1，a=415h^-1，c=1.02。統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)：樣本空間111，均方差19.76，相關(guān)系數(shù)0.76。F(t)的特征參數(shù)為：水解溶解最大值出現(xiàn)的時(shí)間t_q=3.1h，水解溶解最大值F(t_q)=26.36mg/L。
　　針對本試驗(yàn)COD變化過程的灰箱復(fù)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(yàn)過程的均方差為24.54，Monod模式模擬試驗(yàn)過程的均方差為22.54,灰箱復(fù)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(shù)學(xué)式

　　為了更好地描述溪流式接觸氧化法溶解氧的變化規(guī)律，將其分為前期和中后期兩個(gè)階段，將有機(jī)物降解過程曲線的極小值點(diǎn)t_m前的某點(diǎn)作為其界限點(diǎn)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(jì)。當(dāng)t＞t_d時(shí)，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(jī)物耗氧規(guī)律可以用McKinney模式表示：dS/dt=－K_mS?
　　溶解氧的變化過程可用復(fù)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(jié)構(gòu)上是 一樣的，其主要區(qū)別在于該模式只適用于t＜tm的情況，一般不出現(xiàn)溶解氧上升段。
　　在中后期，被吸附有機(jī)物水解和細(xì)胞溶解作用導(dǎo)致水中有機(jī)物增加，這部分有機(jī)物的降解耗 氧必須考慮。耗氧應(yīng)包括這部分耗氧和殘留有機(jī)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(shí)段δ_t，并假設(shè)：
　?、僭讦?SUB>t內(nèi)，水解和溶解在t_n-1時(shí)刻一次完成，其總量為S_r；
　?、趖_n-1時(shí)刻有機(jī)物為殘留有機(jī)物與水解溶解有機(jī)物之和：S_n-1=S_d+S_r；
　?、郐脑讦?SUB>t內(nèi)，有機(jī)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(nèi)溶解氧變化過程為：
　　-dD/dt?=－K_mS+K_LaD?
　　在t_n-1-t_n?區(qū)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(shí)段，δ_t=t_n-t_n-1，h?
　　Sn——實(shí)際有機(jī)物濃度，mg/L
? S_n-1——第n時(shí)段虛擬有機(jī)物濃度，mg/L

? t_n-1、t_n?——第n時(shí)段起止時(shí)間，h

? D_n-1、D_n——t_n-1、t_n時(shí)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(shí)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(yīng)用該模式。計(jì)算時(shí)，令n=1，2，3……，遞推計(jì)算出各時(shí)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(dá)不到溪 流式接觸氧化法反應(yīng)器的要求，但其規(guī)律與溪流式接觸氧化法類似。由于污水排入點(diǎn)很多，無法按理想狀態(tài)找到起始點(diǎn)，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(shè)3個(gè)斷面，取斷面混合樣測定COD和DO。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)通過優(yōu)化方法分別計(jì)算出S-P 模式和溶解氧遞推模式的參數(shù)。根據(jù)模式計(jì)算值描繪的曲線示于圖4。S-P模式計(jì)算值與實(shí)測值的均方差為0.148 mg/L，溶解氧遞推模式計(jì)算值與實(shí)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(shí)際情況不符。

　　5 雨水沖刷

　　雨天時(shí)保持生物量是利用溝渠處理污水的重要因素，室內(nèi)雨水沖刷試驗(yàn)結(jié)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(tǒng)中自來水逐漸減少所致。停止沖刷3 h，出水濃度達(dá)到最大，此時(shí)自來水已經(jīng)完全排出系統(tǒng)。此后，出水濃度逐漸降低， 到7h后出水恢復(fù)正常，時(shí)間間隔4 h。可以認(rèn)為沖刷停止后4～6 h，系統(tǒng)恢復(fù)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(guān)監(jiān)測結(jié)果示于表1。下雨時(shí)有機(jī)物濃度較高，可能是沖刷地面污物所致，隨著降雨歷時(shí)的增加會(huì)降低。開始時(shí)處理能力提高，有機(jī)物降低速度高于旱流，其原因可能是由于沖刷導(dǎo)致生物膜活性增加所致，隨著時(shí)間的推移，可能 逐漸降低。下雨時(shí)溶解氧復(fù)氧能力增加，主要是流速增加所致。雨后4h基本恢復(fù)正常功能 。

　　6 載體

　　載體試驗(yàn)在河道進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)，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(fù)雜，性能上也不太理想。兩種平面網(wǎng)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(wǎng)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(yàn)還發(fā)現(xiàn)，波紋麻面板生物膜較薄，厭氧層不明顯。平 面網(wǎng)膜厚0.5～1.5 mm，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)厭氧層，但較薄。立體網(wǎng)網(wǎng)面膜厚1～2mm，立體柱上膜 厚可達(dá)4mm，厭氧層非常明顯，表面白灰色，內(nèi)部黑色，灰色層一般在0.5mm左右。

　　7 設(shè)置初沉段的經(jīng)濟(jì)分析

　　沉淀試驗(yàn)用原水取自黑石礁排水干渠，試驗(yàn)結(jié)果示于圖6。

　　設(shè)置初沉段的成本構(gòu)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(xiàn)有排水溝渠，其土建費(fèi)用主要是溝渠的修整和載體材料成本及其安裝費(fèi)用。建設(shè)初次沉淀段的話，在經(jīng)濟(jì)上將增加系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用，并且建設(shè)費(fèi)用隨著停留時(shí)間的增加而增加。
　　溪流式生物接觸氧化法沒有回流，復(fù)氧主要靠天然復(fù)氧，人工復(fù)氧只起補(bǔ)充作用。污泥處理運(yùn)行費(fèi)用是增函數(shù)，其費(fèi)用比沉淀段的運(yùn)行費(fèi)用大，是運(yùn)行費(fèi)用的主要項(xiàng)目?？梢?，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(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，并且沉淀時(shí)間越長增加的費(fèi)用也越大。
　　在氧化段，由于加設(shè)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(shí)際模型中這種沉降現(xiàn)象比較明顯，對前端功能發(fā)揮的影響比較大。因此，雖然從經(jīng)濟(jì)上講建設(shè)初次沉淀段將增加基建投資和運(yùn)行費(fèi)用，但從功能上看，設(shè)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(shí)也可以減少氧化段的有機(jī)負(fù)荷。
　　根據(jù)沉降試驗(yàn)結(jié)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(shí)間不必像傳統(tǒng)初次沉淀池那樣長，一般旱流時(shí)控制在20～30min比較合理。下雨時(shí)主要起沉砂作用，一般應(yīng)比傳統(tǒng)的沉砂池停留時(shí)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(shí)的泥砂，以防止這些泥砂進(jìn)入氧化段。旱流時(shí) ，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(tǒng)的主要構(gòu)筑物，根據(jù)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(jù)實(shí)際要求設(shè)置，一般溪流式接觸氧化法產(chǎn)泥量非常低，可不設(shè)二次沉淀段。對暗渠， 采用好氧法時(shí)應(yīng)進(jìn)行通風(fēng)。

　　參考文獻(xiàn)：
　　［1］ 陳輔利.溪流式生物接觸氧化污水處理構(gòu)筑物［P］.中國專利：9921 8541.6.
　?。?］ 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).
　?。?］卞濤.一種高濃度有機(jī)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(chǎn)學(xué)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