奥贝尔氧化沟的工程应用性能研究

　　起源于南非发展于美国的奥贝尔(Orbal)氧化沟是具有除磷脱氮功能的新工艺之一，因其在技术、经济上具有独特优势而受到国内外污水处理界越来越多的重视。

　　我国80年代就引进了这门技术，但真正引起重视却是在最近几年。随着奥贝尔氧化沟工艺优越性的展现，采用此工艺的污水处理厂日益增多。但由于对奥贝尔系统的研究还不够成熟，故引进国外的技术设备多，自己的东西少，缺乏系统的研究与总结，也缺乏实际操作、运行、控制经验。对奥贝尔氧化沟工艺进行实际应用考察和性能研究的目的是为了更深入地了解该工艺，为工程设计和运行管理提供参考依据和技术指导，使其适合国内需要且能最大限度地发挥功效。
1　实际工程简介
　　北京燕山石化公司牛口峪污水处理厂设计规模为6×104m3/d，主要处理乙烯生产过程中所排废水及居民区少量的生活污水。该厂采用二级生物处理工艺，生物处理工段为奥贝尔氧化沟，全套技术由美国引进，配套设备为国内产品，于1994年12月建成投产。污水处理厂设计进、出水水质见表1，工艺流程如图1所示。

表1　污水处理厂设计进、出水水质　mg/L

项　目	进　水	出　水
CODCr	300	80
BOD5	180	25
SS	200	20
油	40	4
注　pH　进水为：6～9　出水为：6～8.5

图1　污水处理厂工艺流程示意图

　　生物处理工段设计为平行的两个系列，每个系列包括1个奥贝尔氧化沟和2个辐流式二沉池。每个氧化沟设24组曝气转碟，外、中、内沟各安装8组。氧化沟的平面布置如图2所示。

图2　奥贝尔氧化沟平面布置简图

　　单个氧化沟的主要设计参数如下：
　　设计进水流量　　1250m3/h
　　水力停留时间　　14.2h
　　泥龄　　　　　　35d
　　有效水深　　　　4.26m
　　MLSS　　　　　　4000mg/L
　　污泥负荷0.074kgBOD/(kgMLVSS.d)
　　0.110kgCOD/(kgMLVSS.d)
　　容积分配56∶26∶18(外∶中∶内)
　　溶解氧分配0-1-2mg/L(外-中-内)
2　结果与讨论
2.1　污水处理厂运行效果
　　污水处理厂建成以来，由于进水流量只有2×104～2.4×104m3/d，尚不到设计流量的一半，故基本上只运行一个系列。测试期间(1997年11月—12月)污水处理厂运行参数见表2，处理效果见表3。

表2　运行参数

氧化沟运行参数	平均值	范围
进水流量 (m3/h)	903	851～937
水力停留时间 (h)	19	18～21
有效水深(m)	4.2
水温(℃)	15	13～16
转碟运行 组数	外沟	5
中、内沟	3
转碟浸深(mm)	450
污泥回流比(%)	61	59～65
MLSS(mg/L)	3037	2923～3245
SV(%)	93	91～94
SVI(mL/g)	304	295～315
DO(mg/L)	外沟	0	0～0.3
中沟	0.4	0.1～0.9
内沟	3.5	2.9～3.9
注　1　表中溶解氧不包括转碟上游1m至下游3m范围内的测定值。 　　2　溶解氧测定点在多个断面水下约1m处。

表3　处理效果

项目	总进水 (mg/L)	>氧化沟 (mg/L)	总出水 (mg/L)	氧化沟 去除率(%)	总去除率 (%)
进水	外沟	中沟	内沟
COD	455	396	37	29	24	28	92	93
BOD		197	5	4	3	3	＞95
SS	58	31				12		79
NH3-N	11.82	11.55	—	—	—	—	＞99	＞99
TKN		16.09	1.89	1.09	0.95	0.98	94
NO-3-N		1.57	0.72	0.61	0.60	1.39
TN		17.44	1.96	1.26	1.18	1.43	92
pH	8.0					8.0
注　表中数据皆为平均值。COD为间隔2 h的平均样，其余皆为瞬时样。

测试结果表明，奥贝尔氧化沟工艺处理效果很好，出水各项指标均远远低于设计值。COD、氨氮的去除率都超过90%。在控制外沟中DO(指非曝气区域)接近于零后，发现系统对TN的去除率大大提高。测试期间由于检修设备等原因，曾一度同时开启两个系列，造成氧化沟的三个沟道完全处于好氧状态，此间TN的去除率只有约50%，由于进水BOD负荷较低，其去除途径主要是生物合成。调整运行工况(关闭一个系列)至正常后，尽管水量及有机负荷增加了约一倍，却能获得更好的处理效果，在外沟形成的缺氧区域使TN的去除率迅速提高到90%以上。
2.2　分析与讨论
2.2.1　DO的分布特征与氮的去除
　　根据硝化和反硝化原理，脱氮过程需先将氨氮在有氧条件下转化成硝态氮，然后在无分子态氧存在的条件下把硝态氮还原成氮气，这就要求创造一个好氧和缺氧环境。奥贝尔氧化沟特有的三沟(外沟、中沟、内沟)溶解氧呈0-1-2mg/L的分布正创造了一个极好的脱氮条件，其独特之处是有大部分硝化反应发生的第一沟(即外沟)。如果硝化只发生在后面两个沟内，则可以反硝化的只有回流污泥中的硝酸盐。即使污泥回流比高达100%，也只有50%的硝酸盐进行反硝化，而根据测试结果，在污泥回流比为60%时，外沟测得的TN去除率即达88%，这与在许多奥贝尔氧化沟污水处理厂中观察到的现象是一致的。对这一现象，笔者结合测试结果认为可用一种发生在第一沟内称为“同时硝化/反硝化”的机理作出解释。这种“同时硝化/反硝化”机理包括两层含义：
　　①　在整个第一沟内存在缺氧与曝气区域。根据现场测试结果，在曝气转碟上游1m至下游3m的沟长范围内一般DO＞0.5mg/L，部分区域甚至可达2～3mg/L，可将此看作曝气区域，其他区域则为缺氧区域。以牛口峪污水处理厂为例，当外沟内转碟开启5组时，外沟的缺氧区容积与曝气区容积之比约为7∶1。生物处理系统为多种微生物群体共生的系统，污水在经过曝气区域时可发生硝化反应，在缺氧区域则进行氮的脱除，加上污水是先进入外沟，为反硝化反应提供了充足的碳源。
　　②　微小的微生物个体所处的环境可称为微环境。微环境直接决定微生物个体的活动状态，而宏观环境的变化往往导致微环境的急剧变化，从而影响微生物群体的活动状态并在某种程度上表现出“表里不一”的现象。事实上，在活性污泥菌胶团内部存在多种多样的微环境类型，而每一种微环境往往适合于某一类微生物的活动，不适合其他种类微生物的活动。受各种因素(物质传递、菌胶团的结构特征)的影响，微环境所处的状态是可变的。例如，某一好氧性微环境，当耗氧速率高于氧传递速率时可变成厌氧或缺氧性微环境。
　　对于菌胶团尤其是大颗粒菌胶团来说，微环境的变化可能非常明显，即由于受菌胶团结构、氧传递和硝态氮传递的不均匀性影响，外部曝气状态下菌胶团内部也可形成缺氧环境。因而曝气状态下也可出现某种程度的反硝化，即“同时硝化/反硝化”现象。
　　由于已在所测试的奥贝尔系统中观察到了第一沟内明显的缺氧与好氧区域，而且有初沉池的设计也不易于形成大颗粒菌胶团，故认为在所测试的奥贝尔氧化沟系统中，第一种类型的“同时硝化/反硝化”占主导地位。
2.2.2　抗冲击负荷能力
　　测试期间，系统遭受了一次前所未有的高浓度废水的冲击，这是污水处理厂运行以来所承受的最大一次冲击负荷。连续14h污水处理厂进水COD浓度高出设计值2～9倍，氧化沟进水COD亦高出设计值2～8倍，COD负荷最高时达设计值的3倍，但整个系统的出水水质始终相当稳定，各项指标均未超标，说明奥贝尔氧化沟工艺有很强的抗高浓度废水冲击负荷能力，具体结果见图3。

图3　奥贝尔氧化沟的抗冲击负荷能力

　　奥贝尔氧化沟工艺有很强的抗高浓度废水冲击负荷能力的主要原因有两点：一是一般为低负荷设计，且多数情况下沟内能维持较高的MLSS，一时的冲击负荷不足以对微生物产生抑制作用；二是沟内的循环流量很大，为进水流量的几十倍甚至上百倍，在流态上每个沟道都具有完全混合的特征。以牛口峪污水处理厂为例，若氧化沟进水流量为0.25m3/s(即2.2×104m3/d)，沟内平均流速以0.2m/s计，则外沟的循环流量约为7.6m3/s，约为其进水流量的30倍，高浓度废水进入沟中后迅速被稀释混合，对系统不会产生很大影响。
　　抗暴雨流量的冲击是奥贝尔氧化沟的另一特点。在采用合流制或截流式合流制的城市污水管道系统中，水质水量的变化较大，进入污水处理厂的污水流量雨天比晴天大，甚至高出设计流量数倍，污水处理厂处于超负荷运行状态。在超负荷运行期间，沉淀池污泥的流失是活性污泥处理系统的主要问题，特别是对维持较高的活性污泥固体量的延时曝气氧化沟系统。出现污泥流失时，不仅出水水质差，而且会使系统的正常运行遭到破坏，需很长时间才能恢复。
　　在常规系统中可以采用设置超越(旁通)管渠的方法，分流一部分或全部冲击负荷直接到二沉池，或通过停开曝气器让污泥在氧化沟中沉淀，防止污泥流失。但这两种方法都使BOD得不到有效降解。设置总超越管渠全部超越整个污水处理系统更达不到处理效果。
　　奥贝尔氧化沟独特的设计很好地解决了这一问题。雨水分流是奥贝尔氧化沟有的运行模式，其特点是将冲击流量分流到第三沟或第二沟(视沟内MLSS的高低而定)，而回流污泥仍连续不断地送往第一沟。这种运行模式可增加生物固体贮存量，且使其在第一、二沟中贮存并得以曝气。由于进水能很快将第三沟中的混合液稀释，避免了由于进入沉淀池的污泥固体比回流的多而引起污泥固体不平衡问题，从而有效地防止了污泥固体的流失。这样，当冲击流量停止后，系统很容易恢复到正常的运行操作模式。
　　牛口峪污水处理厂由于主要处理工业废水，进水水量变化不大，故进水方式设计采用只进到第一沟。若用于城市污水处理厂，设计多种进水方式是很必要的。
2.2.3　难降解有机物的去除
　　与生活污水不同，许多工业废水中含有大量难降解有机物，以BOD5来表示其中有机物的含量显然已不合适，此时的BOD5只能代表易生物降解的部分有机物，这也是工业废水一般以COD来作控制指标的原因之一。
　　对牛口峪污水处理厂进出水水质的监测结果显示，进水中BOD5/CODCr比值为0.45～0.65，而COD去除率却能达90%以上，出水COD＜60mg/L，在40mg/L以下的出现频率在80%以上，说明长泥龄、长水力停留时间设计的奥贝尔氧化沟对难降解有机物有很高的去除率，这与类似设计的其他类型氧化沟是一致的。
2.2.4　污泥的性能
　　为简化流程，氧化沟工艺中一般不设初沉池，原污水经格栅和沉砂池后直接进入氧化沟，这既可省去单独处理初沉池生污泥的麻烦，节省投资，又可提高氧化沟内的污泥浓度，改善污泥的沉降性能，因原污水中的悬浮颗粒直接进入氧化沟，极易成为污泥絮凝的中心物质，促进较大颗粒菌胶团的形成。另外，对奥贝尔氧化沟来说，其三沟D　O为0-1-2的分布以及外沟缺氧区占较大比例的曝气器按点布置的方式，限制了沟内丝状菌的过量繁殖，从而有效地防止了污泥膨胀，促成污泥良好的沉降性能，也使沟内得以维持较高的污泥浓度。一般奥贝尔氧化沟系统内MLSS维持在4000～6000mg/L，污泥指数(SVI)均在120mL/g以下，多为80～100mL/g。
　　由于牛口峪污水处理厂进厂废水中易生物降解物质所占比例较大，工艺流程中又设有初沉池，加上检修过程中相当长一段时间奥贝尔系统未按0-1-2的DO分布来控制，致使沟内污泥发生膨胀(SVI＞300mL/g)，污泥沉降性能较差。而出水水质未受太大影响的原因是二沉池的设计表面负荷较通常设计的小［约为0.6m3/(m2.h)］，设计水力停留时间较长(超过7h)且未满负荷运行。在将氧化沟内的DO调整为0-1-2分布后，SVI稍有下降的趋势，但是否能完全控制住污泥膨胀，还需长期稳定的运行与观察。
　　关于污泥的好氧稳定，目前国内、外尚无统一的评判标准与检测指标。一般认为泥龄需在30d以上，但由于污泥的好氧稳定过程受水温的影响明显，因此污泥达好氧稳定的泥龄在不同地区是不同的。用污泥的比耗氧速率(OUR)来评定比较合理，一般来说，污泥的比耗氧速率低于0.1gO2/(gVSS.d)时就表示稳定过程已经完成。对牛口峪污水处理厂氧化沟污泥的耗氧速率测试结果见表4，其OUR＜0.1 gO2/(gVSS.d)，说明污泥已相当稳定。

表4　污泥耗氧速率测试结果

取样 日期	取样 地点	MLVSS (mg/L)	耗氧速率 ［mg/(L.min)］	比耗氧速率 ［gO2/(gVSS.d)］
1997- 12-06	外沟	2 326	0.095	0.059

3　结论
　　①　奥贝尔氧化沟工艺处理效果好，运行稳定，操作控制灵活、方便，不仅对有机物有较高的去除率，TN的去除率亦超过90%。
　　②　奥贝尔氧化沟特有的DO为0-1-2的分布是获得较好脱氮效果的关键所在。测试结果证明，第一沟中所形成的缺氧、好氧区域在“同时硝化/反硝化”中起主导作用，在外沟中已完成100%的硝化和85%以上的反硝化。
　　③　奥贝尔氧化沟工艺具有很强的抗高浓度废水冲击负荷能力。
　　④　在合流制排水系统的城市污水处理厂中采用奥贝尔氧化沟工艺时，若能将氧化沟的进水设计成多种可操作、选择的方式，将大大增加工艺运转的灵活性，尤其能有效地抵抗暴雨流量的冲击。

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