一體化氧化溝處理城市污水試驗研究

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簡介： 氧化溝技術(shù)具有構(gòu)筑物簡單和運行管理方便等優(yōu)點，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。氧化溝的特點是低負(fù)荷運行，因此有機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%。
關(guān)鍵字：氧化溝 試驗 脫氮

氧化溝技術(shù)具有構(gòu)筑物簡單和運行管理方便等優(yōu)點，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。氧化溝的特點是低負(fù)荷運行，因此有機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%。實際上，氧化溝的循環(huán)運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，其基建和運行費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　試驗條件與方法

　　本研究為實驗室小型試驗，試驗裝置如圖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?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，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%。

　　試驗運行共歷時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。試驗運行期間每日監(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。限于實驗條件，BOD₅、TKN、TP只在試驗條件發(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 試驗污水水質(zhì) 項目范圍項目范圍COD (mg/L)258.9～407.5NH₃-N (mg/L)18.2～30.5BOD₅ (mg/L)100.3～144.8NO₂^--N (mg/L)0.02～0.2SS (mg/L)60～160NO₃^--N (mg/L)0.01～0.55pH6.0～7.2TKN (mg/L)23.8～41.2TP(mg/L)4.5～8.6COD_cr∶TKN10∶1

2 結(jié)果與討論

　　2.1有機物的去除
　　試驗工藝進(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)化為氮氣從水中逸出。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結(jié)果。由試驗結(jié)果可知，在本試驗條件下，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，因此在實際運行中可控制好氧區(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臺數(shù)或調(diào)節(jié)曝氣轉(zhuǎn)刷淹沒深度即可實現(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為試驗運行期間，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
(%) 1.234.714000.138282.810.596.30.01429.41.295.91.626.014560.233365.715.795.60.02336.83.091.82.417.314800.239258.720.492.10.02223.84.182.83.213.015330.327271.025.190.70.03327.66.576.45.67.417800.738407.562.584.70.07541.214.567.2

　　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。試驗結(jié)果表明，在本試驗條件下，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%，而有機物的去除率仍在80%以上。
　　氧化溝的特點是低負(fù)荷運行,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，只要將電機和曝氣器加以屏蔽，避免被轉(zhuǎn)刷揚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，在實際運行時，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）；厭氧堆置10d后的有機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℃）。由試驗結(jié)果可看出，在本試驗條件下，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)200.578134260.376105320.1577640 0.09060

　　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，建議在實際運行中，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。能夠同時有效地去除污水中的有機污染物和脫氮。
　?。?）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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　　9 李燕城 主編，水處理實驗技術(shù)，中國建筑工業(yè)出版社，北京，1989。
　　10趙一德 吳志超，“城市污水廠污泥好氧處理可行性研究”，上海環(huán)境科學(xué)，Vol.16，No.1，1997。

作者：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）