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1、环境工程论文-一体化氧化沟处理城市污水试验研究摘要：氧化沟技术具有构筑物简单和运行管理方便等优点，在污水处理工程中被广泛采用。美国 EPA 对不同类型生物处理法的运行情况的调查结果表明，不同工艺出水 BOD5 小于 20mg/L 的时间占总运行时间百分数分别是：氧化沟90%；鼓风曝气 70%；生物滤池 60%1。由此可见，氧化沟的处理效果比其它生物处理方法稳定。氧化沟的特点是低负荷运行，因此有机物可以有效去除而且对氨氮完成硝化。但传统的氧化沟中由于溶解氧浓度较高而没有反硝化发生，总氮(TN)去除率通常在 30%40%。 关键词：氧化沟 试验 脱氮 氧化沟技术具有构筑物简单和运行管理方便等优点，
2、在污水处理工程中被广泛采用。美国 EPA 对不同类型生物处理法的运行情况的调查结果表明，不同工艺出水 BOD5 小于 20mg/L 的时间占总运行时间百分数分别是：氧化沟 90%；鼓风 曝气 70%；生物滤池 60%1。由此可见，氧化沟的处理效果比其它生物处理方法稳定。氧化沟的特点是低负荷运行，因此有机物可以有效去除而且对氨氮完成硝化。但传统的氧化沟中由于溶解氧浓度较高而没有反硝化发生，总氮(TN)去除率通常在 30%40%。实际上，氧化沟的循环运行方式非常适合于脱氮，它不需要为反硝化而增设回流系统，通过调节 曝气 量使氧化沟内形成缺氧区和好氧区，可使脱氮效果明显提高，总氮去除率大于 90%
3、2。因此，其基建和运行费用均低于其它生物脱氮工艺3。本研究采用新型斜板沉淀池一体化氧化沟处理城市污水，工艺简单，操作简便，不需设污泥回流系统， 曝气 转刷是唯一的机械设备，设备利用率100%。由于污泥龄长，污泥呈高度矿化状态，排出的剩余污泥较稳定，不需要消化，经浓缩后可直接脱水。研究中对该氧化沟的处理效果以及主要影响因素进行考察。1试验条件与方法本研究为实验室小型试验，试验装置如图 1 所示。氧化沟全长 1.6m，有效水深 0.3m，有效容积 41L。污水首先由高位水箱经转子流量计流入氧化沟中，迅速与沟内的原有混合液混合，经多次循环后，与进水等量的混合液在沉淀池内固液分离，经出水堰排出。由于试
4、验模型较小，没有适当规格的 曝气 转刷可以安装，所以在氧化沟的一端转弯处设一台搅拌机，以推动混合液在沟内循环流动，搅拌浆的形式类似于 曝气 转椎，在平面圆盘上固定 6 片浆板。搅拌机的转速在 100250 转/分钟之间调节。为了调节氧化沟内溶解氧的浓度，在进水口前设置一充氧提升多用泵。试验中采用底部设有特殊进水整流过渡区的斜板沉淀池作为沟内合建的沉淀池，沉淀池占氧化沟总体积 6%。试验运行共历时 9 个月，处理水量 1.65.6L/h，相应的系统总水力停留时间为 7-25 小时。水温随季节变化，为 1027。在试验期间，氧化沟的污泥龄大于 20 天，MLSS 22.8g/l，MLVSS 1.4
5、1.9g/l。COD 负荷为0.1830.327 kg/kgVSSd，NH3-N 负荷为 0.0190.033 kg/kgVSSd。试验污水取自哈尔滨市的主要纳污水体马家沟河，污水水质如表 1 所示，为典型的城市污水。试验运行期间每日监测的项目有：水温、溶解氧、SV%、pH、CODcr、NH3-N、NO2-N 和 NO3-N。每周监测的项目有：SS、MLSS、MLVSS，并用显微镜观察微生物生长情况。限于实验条件，BOD5、TKN、TP 只在试验条件发生较大变化时进行监测。水质分析方法采用标准分析方法4。表 1 试验污水水质 项目范围项目范围COD (mg/L)258.9407.5NH3-N
6、(mg/L)18.230.5BOD5 (mg/L)100.3144.8NO2-N (mg/L)0.020.2SS (mg/L)60160NO3-N (mg/L)0.010.55pH6.0TKN (23.87.2mg/L)41.2TP(mg/L)4.58.6CODcrTKN1012 结果与讨论2.1 有机物的去除试验工艺进出水中 COD 浓度及其去除效率如图 2 所示。由图可见，进水COD 浓度为 259388 mg/L，出水 COD 浓度保持在 18.142.7 mg/L，去除效率在 90%以上。此外，试验装置出水 BOD5 浓度为 16.7mg/L，去除效率为 88.5%。出水 SS 低于
7、35mg/L。2.2 生物脱氮生物脱氮过程是在好氧条件下硝化菌将氨氮氧化为硝态氮（亚硝酸盐氮和硝酸盐氮），然后在缺氧条件下通过反硝化菌的作用将硝态氮转化为氮气从水中逸出。氧化沟具有高硝化效率，通过适当调节，在氧化沟内形成好氧段和缺氧段，可以完成脱氮过程2。图 3 是本研究中不同缺氧段比例情况下总氮去除效率的试验结果。由试验结果可知，在本试验条件下，当缺氧时段所占比例为4060%时可达到最高的 TN 去除率，因此在实际运行中可控制好氧区和缺氧区各占氧化沟容积的一半。在试验中发现，当原水中氨氮浓度较高时，若只进行硝化反应，而无反硝化发生时，氧化沟内混合液的 pH 值下降，当碱度不足时将抑制硝化反应
8、的进行。通过调节出现反硝化时段后，由于反硝化反应产生一定量的碱度，可使硝化效率提高。因此，在氧化沟内完成反硝化反应，对硝化反应具有促进作用。反硝化以有机物为碳源，利用硝态氮中的氧，在缺氧状态下的去除 BOD5 和 COD，可减少 曝气 装置的供氧量，从而节约能源。此外，经过反硝化，活性污泥能够避免在沉淀池中因停留时间长或死角出现反硝化而使污泥块状上浮的现象，使沉淀效果更理想。因此，在氧化沟内同步完成硝化和反硝化，可以起到一功多能的作用。工程应用中的氧化沟水流循环一周耗时约 5-10 分钟，只要采用合理布置 曝气 机台数或调节 曝气 转刷淹没深度即可实现缺氧区和好氧区同时存在。2.3 冲击负荷对
9、处理效果的影响城市污水的水量水质随季节变化幅度很大，尤其是合流制排水系统，在夏季时受到暴雨冲击，水量可增加到 3 倍，污染物浓度降低一半。因此污水处理厂的工艺系统应具有一定的抗冲击负荷能力。氧化沟系统负荷较低，对入流水浓度和水量的变化具有较大的承受能力，处理水质稳定。表 2 为试验运行期间，水质水量变化导致负荷变化对系统处理效率的影响的试验结果。从表 2 可以看出，当进水流量增加到 5.6L/h (正常流量的 2 倍)，COD 浓度 407.5 mg/L(正常浓度的 1.5 倍)，COD 污泥负荷为 0.738 kg/kgVSS.d，出水 COD 浓度为 62.5mg/L，去除效率仍然在 84
10、.7%。进水 NH3-N 浓度为 41.2mg/L，NH3-N 污泥负荷为 0.075kg/kgVSS.d，出水 NH3-N 浓度 14.5mg/L，均低于国家的污水排放标准5。表 2 抗冲击负荷试验结果COD NH3-N Q(L/h) HRT(h) MLVSS (mg/L) 污泥负荷 (kg/kgVSS.d) 进水 (mg/L) 出水 (mg/L) 去除率 (%) 污泥负荷 (kg/kgVSS.d) 进水 (mg/L) 出水 (mg/L) 去除率 (%) 1.2 34.7 1400 0.138282.810.596.3 0.01429.41.295.91.6 26.0 1456 0.2333
11、65.715.795.6 0.02336.83.091.82.4 17.3 1480 0.239258.720.492.1 0.02223.84.182.83.2 13.0 1533 0.327271.025.190.7 0.03327.66.576.45.6 7.41780 0.738407.562.584.7 0.07541.214.567.22.4 温度的影响水温是影响微生物生长活动的重要因素，有机污染物的生物降解在 10以上一般能保持较好的净化效果，在 510时处理效果明显下降，5以下处理效果极差。温度对硝化细菌的增殖速度和活性影响很大，10时的硝化速率为20时的 50%，为 25时的
12、 38%，而 5以下硝化反应完全停止。本试验中，水温随季节而变，考察了温度在 1027时对处理效果的影响，如图 4 所示。试验结果表明，在本试验条件下，随着温度的增加，氨氮和 COD的去除率增加。在 27时，氨氮和 COD 的去除率分别为 90.6%和 94.3%。低温对氨氮的去除率影响超过对有机物去除率的影响。在 10时，氨氮的去除率已下降到 65.1%，而有机物的去除率仍在 80%以上。氧化沟的特点是低负荷运行,因此具有稳定的处理效果。美国 EPA 曾对 30个二级处理厂进行调查，结果表明,氧化沟污水厂在冬季达标排放率为 71%，远远高于鼓风 曝气 和生物滤池的 21%6。氧化沟中的混合液
13、以大于 0.3 m/s 的速度循环流动，沟内水流不会结冰，只要将电机和 曝气 器加以屏蔽，避免被转刷扬起的水滴与寒冷的空气接触而快速降温。丹麦和荷兰等地的氧化沟污水厂在冬季时仍能正常运转。2.5 污泥龄氧化沟属低负荷的延时 曝气 系统，污泥龄的确定既要以 BOD5 和 SS 为去除目标，又要考虑硝化和污泥稳定。要维持系统的硝化功能，就必须保证足够长的污泥龄，系统的污泥龄一般应为硝化菌最大比增殖速率的倒数的 2 倍以上，并且不小于 35 天7。由于硝化菌的比增殖速率受温度的影响，在实际运行时，污泥龄随季节温度的变化而调整。从微生物代谢角度来看，低负荷活性污泥工艺中生物体已处于内源呼吸阶段，但为维
14、持一定的处理功能，仍应保持生物有较好的活性，所以氧化沟系统具有污泥好氧消化的功能，但并不充分。目前在文献上可查到的评价污泥稳定的参数有 50 多个，但判断好氧消化程度的标准并未统一，一般的标准有：污泥最大吸氧速率; 脱氢酶活性（TTC 试验）； 厌氧 堆置 10d 后的有机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。本试验中对污泥耗氧速率和乙醚萃取出的油脂含量进行测试分析。污泥耗氧速率采用静态法9测定。乙醚萃取出的油脂含量采用重量法测定。结果如表 3 所示（测定条件：1416）。由试验结果可看出，在本试验条件下，污泥龄 c 40d 时，污泥才能完成好氧稳定。表
15、 3 污泥龄与氧化沟内污泥稳定程度c (d)耗氧速率(g O2/g MLVSSd)油脂含量(mg/g MLSS)200.578134260.376105320.1577640 0.09060由于污泥稳定过程是一种生物降解过程，温度在很大程度上决定了污泥中微生物的活性、有机物降解的速率以及所能达到的稳定程度。因此，污泥好氧稳定的效果除了与污泥龄等因素有关外，污泥介质所处的温度也是一个极为重要的影响因素。污泥中有机物 VSS 的去除率与其温度和好氧污泥泥龄的乘积呈对数线性关系10，在 20时，污泥稳定时间为：1540d/20=30d。综合考虑氧化沟的容积、能量消耗、硝化和反硝化的效果以及污泥的稳定
16、程度，建议在实际运行中，夏季污泥龄取 2025 天，冬季延长至 3540d。排放的剩余污泥不需 厌氧 消化，只需经过简单的机械脱水或干化场处理。3结论（1）采用一体化氧化沟处理城市污水，效果好，抗冲击负荷能力强。能够同时有效地去除污水中的有机污染物和脱氮。（2）一体化氧化沟中反硝化过程的存在能提高总氮去除率，克服碱度不足，节约能耗，改善沉淀效果。（3）综合考虑能耗、硝化和污泥的稳定程度等因素，建议夏季污泥龄取2025 天，冬季延长至 3540d。参考文献1 杨宝林，有发展前途的氧化沟技术，给水排水，Vol.16，No.2，1990。2 J.X. Liu, J.W. van Groenestijn, H.J. Doddema and B.Z. Wang, Influence of the aeration brush on nitrogen
