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1、奥贝尔氧化沟的工程应用性能研究 - 水处理工艺 简介： 通过对奥贝尔氧化沟工程实际运行工况的测试，分析研究了 脱氮功能、抗冲击负荷能力、去除难降解有机物能力以及污泥性能 等特征，并就其三沟 DO 呈 0-1-2 的梯度分布与氮的去除机理进行了 探讨。关键字：污水处理 奥贝尔氧化沟 工程应用 脱氮性能 Study of Performance of Orbal Oxidation Ditch in Practical ApplicationYan Xiuqin Zhang Yue Zheng Xingcan et al(North China Munic.Eng.Res.and Design I
2、nstitute,Tianjin 300074,P.R.China) Abstract：The performance of Orbal oxidation ditch used in Niukouyu Wastewater Treatment Plant is presented in this paper.The efficacy of nitrogen removal,shock load tolerance,removal of refractory organic materials and sludge characteristics were analyzed through f
3、ield-test.A discussion of nitrogen removal mechanism under dissolved oxygen concentration distribution of 0-1 -2mg/L in outer,middle and inner ditch respectively is given. Keywords：wastewater treatment Orbal oxidation ditch practical application nitrogen removal performance 起源于南非发展于美国的奥贝尔(Orbal)氧化沟是
4、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
5、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 CODCr30080BOD518025SS20020 油 404 注 pH 进水为：69 出水为：68.5 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
6、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 562618(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 2104 2.4104m3/d ，尚不到设计流量的一半，故基本上只运行一个系
7、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)903851937 水力停留时间 (h) 191821 有效水深(m)4.2 水温( )1513 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(%) 615965MLSS(mg/L)303729233245SV(%)939194SVI(mL/g) 304295315DO(mg/L)外沟 000.3 中沟 0.40.10.9 内沟 3.52.93.9 注 1 表中溶解氧不包括转碟上游 1m 至下游 3m 范
8、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 COD455396372924289293BOD 197543395 SS5831 12 79NH3-N11.8211.55 9999TKN 16.091.891.090.950.9894 NO-3-N 1.570.720.610.601.39 TN 17.441.961.261.181.4392 pH8.0 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
9、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
10、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，
11、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： 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 DO0.5mg/L，部 分区域甚至可达 23mg/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 71。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。 微
12、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
13、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 29 倍，氧化沟进水 COD 亦高出设计值 28 倍，COD 负荷最高时达设计值的 3 倍，但整个系
14、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 2.2104m3/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，
15、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
16、，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特有的运行模式，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
