王秀蘅（哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院）
劉俊新（中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心）

　　氧化溝技術(shù)具有構(gòu)筑物簡單和運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)，在污水處理工程中被廣泛采用。美國EPA對不同類型生物處理法的運(yùn)行情況的調(diào)查結(jié)果表明，不同工藝出水BOD₅小于20mg/L的時間占總運(yùn)行時間百分?jǐn)?shù)分別是：氧化溝90%；鼓風(fēng)曝氣70%；生物濾池60%^[1]。由此可見，氧化溝的處理效果比其它生物處理方法穩(wěn)定。氧化溝的特點(diǎn)是低負(fù)荷運(yùn)行，因此有機(jī)物可以有效去除而且對氨氮完成硝化。但傳統(tǒng)的氧化溝中由于溶解氧濃度較高而沒有反硝化發(fā)生，總氮(TN)去除率通常在30%～40%。實(shí)際上，氧化溝的循環(huán)運(yùn)行方式非常適合于脫氮，它不需要為反硝化而增設(shè)回流系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)曝氣量使氧化溝內(nèi)形成缺氧區(qū)和好氧區(qū)，可使脫氮效果明顯提高，總氮去除率大于90% ^[2]。因此，其基建和運(yùn)行費(fèi)用均低于其它生物脫氮工藝^[3]。
　　本研究采用新型斜板沉淀池一體化氧化溝處理城市污水，工藝簡單，操作簡便，不需設(shè)污泥回流系統(tǒng)，曝氣轉(zhuǎn)刷是唯一的機(jī)械設(shè)備，設(shè)備利用率100%。由于污泥齡長，污泥呈高度礦化狀態(tài)，排出的剩余污泥較穩(wěn)定，不需要消化，經(jīng)濃縮后可直接脫水。研究中對該氧化溝的處理效果以及主要影響因素進(jìn)行考察。

1　試驗(yàn)條件與方法

　　本研究為實(shí)驗(yàn)室小型試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖1所示。氧化溝全長1.6m，有效水深0.3m，有效容積41L。污水首先由高位水箱經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計流入氧化溝中，迅速與溝內(nèi)的原有混合液混合，經(jīng)多次循環(huán)后，與進(jìn)水等量的混合液在沉淀池內(nèi)固液分離，經(jīng)出水堰排出。由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ洼^小，沒有適當(dāng)規(guī)格的曝氣轉(zhuǎn)刷可以安裝，所以在氧化溝的一端轉(zhuǎn)彎處設(shè)一臺攪拌機(jī)，以推動混合液在溝內(nèi)循環(huán)流動，攪拌漿的形式類似于曝氣轉(zhuǎn)椎，在平面圓盤上固定6片漿板。攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速在100～250轉(zhuǎn)/分鐘之間調(diào)節(jié)。為了調(diào)節(jié)氧化溝內(nèi)溶解氧的濃度，在進(jìn)水口前設(shè)置一充氧提升多用泵。試驗(yàn)中采用底部設(shè)有特殊進(jìn)水整流過渡區(qū)的斜板沉淀池作為溝內(nèi)合建的沉淀池，沉淀池占氧化溝總體積6%。

　　試驗(yàn)運(yùn)行共歷時9個月，處理水量1.6～5.6L/h，相應(yīng)的系統(tǒng)總水力停留時間為7-25小時。水溫隨季節(jié)變化，為10～27℃。在試驗(yàn)期間，氧化溝的污泥齡大于20天，MLSS 2～2.8g/l，MLVSS 1.4～1.9g/l。COD負(fù)荷為0.183～0.327 kg/kgVSS×d，NH₃-N負(fù)荷為0.019～0.033 kg/kgVSS×d。
　　試驗(yàn)污水取自哈爾濱市的主要納污水體馬家溝河，污水水質(zhì)如表1所示，為典型的城市污水。試驗(yàn)運(yùn)行期間每日監(jiān)測的項目有：水溫、溶解氧、SV%、pH、COD_cr、NH₃-N、NO₂^--N和NO₃^--N。每周監(jiān)測的項目有：SS、MLSS、MLVSS，并用顯微鏡觀察微生物生長情況。限于實(shí)驗(yàn)條件，BOD₅、TKN、TP只在試驗(yàn)條件發(fā)生較大變化時進(jìn)行監(jiān)測。水質(zhì)分析方法采用標(biāo)準(zhǔn)分析方法^[4]。

表1 試驗(yàn)污水水質(zhì) 項目 范圍 項目 范圍 COD (mg/L) 258.9～407.5 NH₃-N (mg/L) 18.2～30.5 BOD₅ (mg/L) 100.3～144.8 NO₂^--N (mg/L) 0.02～0.2 SS (mg/L) 60～160 NO₃^--N (mg/L) 0.01～0.55 pH 6.0～7.2 TKN (mg/L) 23.8～41.2 TP(mg/L) 4.5～8.6 COD_cr∶TKN 10∶1

2 結(jié)果與討論

　　2.1有機(jī)物的去除
　　試驗(yàn)工藝進(jìn)出水中COD濃度及其去除效率如圖2所示。由圖可見，進(jìn)水COD濃度為259～388 mg/L，出水COD濃度保持在18.1～42.7 mg/L，去除效率在90%以上。此外，試驗(yàn)裝置出水BOD₅濃度為16.7mg/L，去除效率為88.5%。出水SS低于35mg/L。

　　2.2生物脫氮
　　生物脫氮過程是在好氧條件下硝化菌將氨氮氧化為硝態(tài)氮（亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮），然后在缺氧條件下通過反硝化菌的作用將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈴乃幸莩?。氧化溝具有高硝化效率，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)，在氧化溝內(nèi)形成好氧段和缺氧段，可以完成脫氮過程^[2]。圖3是本研究中不同缺氧段比例情況下總氮去除效率的試驗(yàn)結(jié)果。由試驗(yàn)結(jié)果可知，在本試驗(yàn)條件下，當(dāng)缺氧時段所占比例為40～60%時可達(dá)到最高的TN去除率，因此在實(shí)際運(yùn)行中可控制好氧區(qū)和缺氧區(qū)各占氧化溝容積的一半。
　　在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原水中氨氮濃度較高時，若只進(jìn)行硝化反應(yīng)，而無反硝化發(fā)生時，氧化溝內(nèi)混合液的pH值下降，當(dāng)堿度不足時將抑制硝化反應(yīng)的進(jìn)行。通過調(diào)節(jié)出現(xiàn)反硝化時段后，由于反硝化反應(yīng)產(chǎn)生一定量的堿度，可使硝化效率提高。因此，在氧化溝內(nèi)完成反硝化反應(yīng)，對硝化反應(yīng)具有促進(jìn)作用。反硝化以有機(jī)物為碳源，利用硝態(tài)氮中的氧，在缺氧狀態(tài)下的去除BOD₅和COD，可減少曝氣裝置的供氧量，從而節(jié)約能源。此外，經(jīng)過反硝化，活性污泥能夠避免在沉淀池中因停留時間長或死角出現(xiàn)反硝化而使污泥塊狀上浮的現(xiàn)象，使沉淀效果更理想。
　　因此，在氧化溝內(nèi)同步完成硝化和反硝化，可以起到一功多能的作用。工程應(yīng)用中的氧化溝水流循環(huán)一周耗時約5-10分鐘，只要采用合理布置曝氣機(jī)臺數(shù)或調(diào)節(jié)曝氣轉(zhuǎn)刷淹沒深度即可實(shí)現(xiàn)缺氧區(qū)和好氧區(qū)同時存在。

　　2.3沖擊負(fù)荷對處理效果的影響
　　城市污水的水量水質(zhì)隨季節(jié)變化幅度很大，尤其是合流制排水系統(tǒng)，在夏季時受到暴雨沖擊，水量可增加到3倍，污染物濃度降低一半。因此污水處理廠的工藝系統(tǒng)應(yīng)具有一定的抗沖擊負(fù)荷能力。氧化溝系統(tǒng)負(fù)荷較低，對入流水濃度和水量的變化具有較大的承受能力，處理水質(zhì)穩(wěn)定。
　　表2為試驗(yàn)運(yùn)行期間，水質(zhì)水量變化導(dǎo)致負(fù)荷變化對系統(tǒng)處理效率的影響的試驗(yàn)結(jié)果。從表2可以看出，當(dāng)進(jìn)水流量增加到5.6L/h (正常流量的2倍)，COD濃度407.5 mg/L(正常濃度的1.5倍)，COD 污泥負(fù)荷為0.738 kg/kgVSS.d，出水COD濃度為62.5mg/L，去除效率仍然在84.7%。進(jìn)水NH₃-N 濃度為41.2mg/L，NH₃-N 污泥負(fù)荷為0.075kg/kgVSS.d，出水NH₃-N濃度 14.5mg/L，均低于國家的污水排放標(biāo)準(zhǔn)^[5]。

表2 抗沖擊負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果 Q
(L/h) HRT
(h) MLVSS
(mg/L) COD NH₃-N 污泥負(fù)荷
(kg/kgVSS.d) 進(jìn)水
(mg/L) 出水
(mg/L) 去除率
(%) 污泥負(fù)荷
(kg/kgVSS.d) 進(jìn)水
(mg/L) 出水
(mg/L) 去除率
(%) 1.2 34.7 1400 0.138 282.8 10.5 96.3 0.014 29.4 1.2 95.9 1.6 26.0 1456 0.233 365.7 15.7 95.6 0.023 36.8 3.0 91.8 2.4 17.3 1480 0.239 258.7 20.4 92.1 0.022 23.8 4.1 82.8 3.2 13.0 1533 0.327 271.0 25.1 90.7 0.033 27.6 6.5 76.4 5.6 7.4 1780 0.738 407.5 62.5 84.7 0.075 41.2 14.5 67.2

　　2.4溫度的影響
　　水溫是影響微生物生長活動的重要因素，有機(jī)污染物的生物降解在10℃以上一般能保持較好的凈化效果，在5～10℃時處理效果明顯下降，5℃以下處理效果極差。溫度對硝化細(xì)菌的增殖速度和活性影響很大，10℃時的硝化速率為20℃時的50%，為25℃時的38%，而5℃以下硝化反應(yīng)完全停止。
　　本試驗(yàn)中，水溫隨季節(jié)而變，考察了溫度在10～27℃時對處理效果的影響，如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，在本試驗(yàn)條件下，隨著溫度的增加，氨氮和COD的去除率增加。在27℃時，氨氮和COD的去除率分別為90.6%和94.3%。低溫對氨氮的去除率影響超過對有機(jī)物去除率的影響。在10℃時，氨氮的去除率已下降到65.1%，而有機(jī)物的去除率仍在80%以上。
　　氧化溝的特點(diǎn)是低負(fù)荷運(yùn)行,因此具有穩(wěn)定的處理效果。美國EPA曾對30個二級處理廠進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果表明,氧化溝污水廠在冬季達(dá)標(biāo)排放率為71%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鼓風(fēng)曝氣和生物濾池的21%^[6]。氧化溝中的混合液以大于0.3 m/s的速度循環(huán)流動，溝內(nèi)水流不會結(jié)冰，只要將電機(jī)和曝氣器加以屏蔽，避免被轉(zhuǎn)刷揚(yáng)起的水滴與寒冷的空氣接觸而快速降溫。丹麥和荷蘭等地的氧化溝污水廠在冬季時仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　2.5污泥齡
　　氧化溝屬低負(fù)荷的延時曝氣系統(tǒng)，污泥齡的確定既要以BOD₅和SS為去除目標(biāo)，又要考慮硝化和污泥穩(wěn)定。
　　要維持系統(tǒng)的硝化功能，就必須保證足夠長的污泥齡，系統(tǒng)的污泥齡一般應(yīng)為硝化菌最大比增殖速率的倒數(shù)的2倍以上，并且不小于3～5天^[7]。由于硝化菌的比增殖速率受溫度的影響，在實(shí)際運(yùn)行時，污泥齡隨季節(jié)溫度的變化而調(diào)整。
　　從微生物代謝角度來看，低負(fù)荷活性污泥工藝中生物體已處于內(nèi)源呼吸階段，但為維持一定的處理功能，仍應(yīng)保持生物有較好的活性，所以氧化溝系統(tǒng)具有污泥好氧消化的功能，但并不充分。
　　目前在文獻(xiàn)上可查到的評價污泥穩(wěn)定的參數(shù)有50多個，但判斷好氧消化程度的標(biāo)準(zhǔn)并未統(tǒng)一，一般的標(biāo)準(zhǔn)有：污泥最大吸氧速率; 脫氫酶活性（TTC試驗(yàn)）；厭氧堆置10d后的有機(jī)酸含量和氨氮增加量; 污泥的BOD₅/COD值和乙醚萃取出的油脂含量等^[8]。本試驗(yàn)中對污泥耗氧速率和乙醚萃取出的油脂含量進(jìn)行測試分析。污泥耗氧速率采用靜態(tài)法^[9]測定。乙醚萃取出的油脂含量采用重量法測定。結(jié)果如表3所示（測定條件：14～16℃）。由試驗(yàn)結(jié)果可看出，在本試驗(yàn)條件下，污泥齡θc ＞40d時，污泥才能完成好氧穩(wěn)定。

表3 污泥齡與氧化溝內(nèi)污泥穩(wěn)定程度 θc (d) 耗氧速率(g O₂/g MLVSS·d) 油脂含量(mg/g MLSS) 20 0.578 134 26 0.376 105 32 0.157 76 40 0.090 60

　　由于污泥穩(wěn)定過程是一種生物降解過程，溫度在很大程度上決定了污泥中微生物的活性、有機(jī)物降解的速率以及所能達(dá)到的穩(wěn)定程度。因此，污泥好氧穩(wěn)定的效果除了與污泥齡等因素有關(guān)外，污泥介質(zhì)所處的溫度也是一個極為重要的影響因素。污泥中有機(jī)物VSS的去除率與其溫度和好氧污泥泥齡的乘積呈對數(shù)線性關(guān)系^[10]，在20℃時，污泥穩(wěn)定時間為：15℃×40d/20℃=30d。
　　綜合考慮氧化溝的容積、能量消耗、硝化和反硝化的效果以及污泥的穩(wěn)定程度，建議在實(shí)際運(yùn)行中，夏季污泥齡取20～25天，冬季延長至35～40d。排放的剩余污泥不需厭氧消化，只需經(jīng)過簡單的機(jī)械脫水或干化場處理。

3　結(jié)論

　?。?）采用一體化氧化溝處理城市污水，效果好，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。能夠同時有效地去除污水中的有機(jī)污染物和脫氮。
　　（2）一體化氧化溝中反硝化過程的存在能提高總氮去除率，克服堿度不足，節(jié)約能耗，改善沉淀效果。
　?。?）綜合考慮能耗、硝化和污泥的穩(wěn)定程度等因素，建議夏季污泥齡取20～25天，冬季延長至35～40d。

參考文獻(xiàn)

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