奥贝尔氧化沟的工程应用性能研究

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 Application

Yan Xiuqin　Zhang Yue　Zheng Xingcan et al
(North China Munic.Eng.Res.and Design Institute,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 field-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

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

表3　处理效果

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