利用排水沟渠处理污水技术研究

陈辅利¹， 高光智¹， 丛广治²
（1.大连水产学院环境与生物工程研究所，辽宁 大连116023；2.大连开发区水质净化二厂，辽宁大连 116600）

　　摘 要： 利用合流制排水沟渠处理污水是一项新技术。通过室内试验和实际模型试验，对利用合流制 排水沟渠处理污水的工艺、效率、抗冲刷能力、生物载体等进行了研究，结果表明处理效率 达到或超过一般生物膜法的水平，基建投资和运行费用大大降低。利用排水沟渠处理污水与 传统的推流式生物氧化法有所不同，在内源呼吸期COD值有所上升，对此现象进行了 理论探讨，并建立了COD和溶解氧变化过程数学模式，还对设置初次沉淀段进行了经济分析 。
　　关键词： 排水沟渠； 污水处理； 降解； 模式
　　中图分类号：X505
　　文献标识码：A
　　文章编号： 1000-4602(2000)09-0012-05

Study on Technology of Sewage Treatment Using Drainage Canals
CHEN Fu-li¹， GAO Guang-zhi¹， CONG Guang-zhi²
(1.Environ.and Biological Eng.Institute,Dalian Fisheries College,Dalian 116023,China; 2.Wastewater Purification Plant,Dalian Dev elopment Zone,Dalian 116600,China)

　　Abstract：Using drainage canals in combined system to treat sewage is a new technology. With laboratory and practical model tests, the process, efficiencies , scouring resistance ability and biological carrier were studied. The results s howed that the treatment efficiencies reached or exceeded that of conventional b iofilm process. The capital and operating costs were reduced greatly. Treatment of sewage by using drainage canals was different from traditional bio-contact ox idation process with plug flow. It was observed from the tests that there existe d a rise in COD value in the period of endogenous respiration. A discussion on t his phenomenon was carried out and mathematical models of COD and DO variation w ere set up. An economic analysis on setting up a primary settling section was al so presented.
　　Keywords: drainage canals; wastewater treatment; degradat ion; model

　　利用合流制排水沟渠处理污水是一项实用新型专利技术^［1］：在合流制排水沟渠中顺流方向设置固定微生物载体，载体上形成生物膜，污水在微生物载体间流动过程中得到净化，可把这种方法叫做“溪流式接触氧化法”。
　　据美国国家环保局的报告，利用下水道处理污水是可能的，提高其效率的主要因素是足够的生物量、充足的溶解氧和充分的时间^［2］，国内外已有利用排水渠道和沟河处理污水的成功实例^［3］。我国城市利用天然沟河排水较为普遍，随着环保要求的提高，很多沟河都进行了整治，有的改造成了暗渠，有的沿沟河建成了公园，这些河渠都可以用于 处理污水。资金是改善环境的重要限制因素，利用排水沟渠处理污水，可以大大降低基建投资和运行成本，对改善发展中国家的环境具有非常重大的意义。该技术也可以作为污水厂的 预处理，从而大大减少污水厂的有机负荷。

　　1 试验装置

　　试验包括室内试验和干渠实际模型试验，试验装置如图1和图2。

　　2 处理效果

　　室内试验菌种取自大连开发区净水厂，原水取自黑石礁干渠。试验分五组进行，停留时间为35～120 min，每组稳定后测定9个点的COD和浊度，连续测定3d，结果示于图3。试验中随时进行生物相镜检，各组生物相基本相似，主要有线虫、轮虫、节足动物、豆形虫，未发现有柄钟虫。
　　试验表明，当停留时间＞55min，出水COD＜40mg/L，最低达到20mg/L以下，COD去除率＞80%，最高达到90%以上［有机负荷为3～3.5kgCOD/(m3·d)］，各项指标均达到一般生物接触氧化法的效果。
　　实际模型试验装置是单格构筑物，长为36m，宽为12cm，水深6～8cm，停留时间4.5min。试验完全按实际情况进行，旱流平均进水COD浓度185.52mg/L，平均出水 COD 浓度165.41mg/L，平均负荷率6.515kg/(m³·d)，COD平均去除速度0.059mg/(L·m)。

　　3 降解过程理论探讨和数学模式

　　在溪流式接触氧化反应器中，生物不断同化基质而增长，生物膜上的微生物不断从膜上脱离，推流到下游。水中的微生物也会不断地被生物膜吸附，变成生物膜的一部分，稳定时脱离和成膜达到动态平衡。
　　溪流式接触氧化法的过程是完全推流式。在反应器的前部，微生物处在增长期，主要是利用 水中溶解态和部分胶体态基质。在反应器的后部，微生物处在内源呼吸期，水中的溶解态基质不足以供微生物生长之用，生物膜上菌胶团的糖膜被水解，变成溶解态；生物膜上的菌胶团逐渐变成游离菌；游离菌部分被溶解，一部分变成溶解态溶解于水中；溶解态有机物进一步被微生物呼吸降解。
　　水中有机物的变化可以认为是由两方面作用引起的：一方面作用是输入系统的有机物被生物 体吸附、降解；另一方面作用是被生物体吸附的有机物水解、生物体部分溶解。
　　为了构筑简单的溪流式接触氧化法的模式，用McKinney模式描述有机物降解过程。水解 溶解过程由于其作用机理复杂，采用黑箱方法描述。溪流式接触氧化法有机物变化过程 可以用下述灰箱复合模式描述
? S=S₀exp(-K_mt)+F(t)
　　式中　F(t)——水解过程的黑箱数学表达式
　　　　　F(t)应具有如下数学特征：F(0)=0；F(tq)最大；t＜t_q时，F(t)为增函数；t＞t_q时，F(t)为减函数；t足够大时，F(t)→0。
　　根据以上分析可提出：
　　F(t)=bt-at^c
　　溪流式接触氧化法有机物变化过程的灰箱复合模式可以表示为：
　　S=f(t)+F(t)=S₀ exp(-K_mt)+bt-at^c
　　式中　K_m——耗氧系数，d^-1或h^-1
　　　　　a、b、c?——水解的溶解特征系数
　　f(t)=S₀ exp(-K_mt)叫做降解方程，F(t)=bt-at^c叫做水解的溶解方程。
　　用最速下降法求各项系数，令：f(K_m，a，b，c)=∑(L_i-S_i)2→min
　　把试验数据代入，经计算机计算结果为：K_m=3.25h^-1,b=433 h^-1，a=415h^-1，c=1.02。统计学参数：样本空间111，均方差19.76，相关系数0.76。F(t)的特征参数为：水解溶解最大值出现的时间t_q=3.1h，水解溶解最大值F(t_q)=26.36mg/L。
　　针对本试验COD变化过程的灰箱复合模式可以表述为：
　　S=S₀ exp(-3.25t)+433t^-415 t^1.02?
　　McKinney模式模拟试验过程的均方差为24.54，Monod模式模拟试验过程的均方差为22.54,灰箱复合模式分别比McKinney和Monod模式提高精度24.2%和14.1%。

　　4 溶解氧变化过程数学式

　　为了更好地描述溪流式接触氧化法溶解氧的变化规律，将其分为前期和中后期两个阶段，将有机物降解过程曲线的极小值点t_m前的某点作为其界限点t_d,t_d=t_m-d_。
　　理论上从一开始就存在水解溶解作用，只是在增长期这种作用很小，可忽略不计。当t＞t_d时，这种作用比较突出。在工程上，建议d取0.2～0.5h。
　　在前期，有机物耗氧规律可以用McKinney模式表示：dS/dt=－K_mS?
　　溶解氧的变化过程可用复氧和耗氧之和表示:
　　-dD/dt=－K₁S+K_LaD
　　D=D₀ exp(-K_Lat)+K_mS₀［exp(-K_mt)-exp(-K_Lat)］/(K_La-K_m)
　　上述模式即为溪流式接触氧化法增长期溶解氧模式。该模式与河流氧垂曲线相比，结构上是 一样的，其主要区别在于该模式只适用于t＜tm的情况，一般不出现溶解氧上升段。
　　在中后期，被吸附有机物水解和细胞溶解作用导致水中有机物增加，这部分有机物的降解耗 氧必须考虑。耗氧应包括这部分耗氧和残留有机物耗氧之和。为更好地反映溶解氧变化过程 ，取该过程的某微小时段δ_t，并假设：
　　①在δ_t内，水解和溶解在t_n-1时刻一次完成，其总量为S_r；
　　②t_n-1时刻有机物为残留有机物与水解溶解有机物之和：S_n-1=S_d+S_r；
　　③δ在δ_t内，有机物降解仍符合McKinney模式:S_n=S_nδ-1δexp(-Kmδ_t)，或S_nδ-1δ=S_nδ exp(K_mδ_t)。

　　δ_t内溶解氧变化过程为：
　　-dD/dt?=－K_mS+K_LaD?
　　在t_n-1-t_n?区间积分：
? D_n=D_n-1exp(-K_Laδ_t)+K_mS_n-1exp(-K_mδ_t)-exp(-K_Laδ_t)］/(K_La-K_m)
　　其中:S_n-1=S_nexp(K_mδ_t)
　　S_n=S₀ exp(K_mtn)+bt_n-at_nc
　　式中 ?δt ——微小时段，δ_t=t_n-t_n-1，h?
　　Sn——实际有机物浓度，mg/L
? S_n-1——第n时段虚拟有机物浓度，mg/L

? t_n-1、t_n?——第n时段起止时间，h

? D_n-1、D_n——t_n-1、t_n时刻亏氧量，mg/L
　　上述模式即为溪流式接触氧化法溶解氧递推模式。实际上，该模式也适用于前期，甚至于溪 流式接 触氧化法的全过程都可以应用该模式。计算时，令n=1，2，3……，递推计算出各时刻的溶解氧浓度。
　　黑石礁排水干渠宽3m，水深5～7cm，底板长有0.5～1mm的生物膜，生物量虽然达不到溪 流式接触氧化法反应器的要求，但其规律与溪流式接触氧化法类似。由于污水排入点很多，无法按理想状态找到起始点，选择了黑石礁干渠中一段76 m长的无新源排放、无障碍的直线 渠段，设3个断面，取断面混合样测定COD和DO。根据实测数据通过优化方法分别计算出S-P 模式和溶解氧递推模式的参数。根据模式计算值描绘的曲线示于图4。S-P模式计算值与实测值的均方差为0.148 mg/L，溶解氧递推模式计算值与实测值的的均方差为0.096mg/L，比S-P模式提高精度35%。从曲线形状看S-P模式曲线明显回升，与实际情况不符。

　　5 雨水冲刷

　　雨天时保持生物量是利用沟渠处理污水的重要因素，室内雨水冲刷试验结果示于图5。

　　停止冲刷之后的初始阶段，出水浓度直线上升，这是由于系统中自来水逐渐减少所致。停止冲刷3 h，出水浓度达到最大，此时自来水已经完全排出系统。此后，出水浓度逐渐降低， 到7h后出水恢复正常，时间间隔4 h。可以认为冲刷停止后4～6 h，系统恢复正常功能。
　　1999年10月1日上午大连市下了一场中到大雨，有关监测结果示于表1。下雨时有机物浓度较高，可能是冲刷地面污物所致，随着降雨历时的增加会降低。开始时处理能力提高，有机物降低速度高于旱流，其原因可能是由于冲刷导致生物膜活性增加所致，随着时间的推移，可能 逐渐降低。下雨时溶解氧复氧能力增加，主要是流速增加所致。雨后4h基本恢复正常功能 。

　　6 载体

　　载体试验在河道进行，试验结果示于表2。

　　毛刷和平板载体生物膜量较少，冲刷量较大，不宜作生物载体。波纹麻面板冲刷量仅4.7 %，抗冲刷能力较强，生物膜量约1500mg/L左右，较少，可以作为载体使用，但其制作工艺复杂，性能上也不太理想。两种平面网性能差不多，冲刷量在10%左右，生物量2500mg/L左右，是一种较好的载体。两种立体网性能相近，冲刷量在10%以下，生物膜量为3000mg/L左右，是一种比较理想的载体。试验还发现，波纹麻面板生物膜较薄，厌氧层不明显。平 面网膜厚0.5～1.5 mm，有时会出现厌氧层，但较薄。立体网网面膜厚1～2mm，立体柱上膜 厚可达4mm，厌氧层非常明显，表面白灰色，内部黑色，灰色层一般在0.5mm左右。

　　7 设置初沉段的经济分析

　　沉淀试验用原水取自黑石礁排水干渠，试验结果示于图6。

　　设置初沉段的成本构成主要有沉淀成本、污泥处置成本和减少的氧化段成本。
　　溪流式生物接触氧化法利用现有排水沟渠，其土建费用主要是沟渠的修整和载体材料成本及其安装费用。建设初次沉淀段的话，在经济上将增加系统建设费用，并且建设费用随着停留时间的增加而增加。
　　溪流式生物接触氧化法没有回流，复氧主要靠天然复氧，人工复氧只起补充作用。污泥处理运行费用是增函数，其费用比沉淀段的运行费用大，是运行费用的主要项目。可见，对溪流式接触氧化法而言，增加或加大初次沉淀段将增大系统运行费用，并且沉淀时间越长增加的费用也越大。
　　在氧化段，由于加设了载体，其流速比上游段有所降低，一般降低30%～60%。这样，在氧化段的前端，一方面生物膜增长很快，另一方面由于流速的减缓，沉降作用比较明显。在黑石 礁干渠的实际模型中这种沉降现象比较明显，对前端功能发挥的影响比较大。因此，虽然从经济上讲建设初次沉淀段将增加基建投资和运行费用，但从功能上看，设置初次沉淀段对于 防止氧化段的前端堵塞还是非常必要的，同时也可以减少氧化段的有机负荷。
　　根据沉降试验结果，20min之前沉淀速度较快，30min之后沉淀速度较慢，氧化段的流速一 般＞0.2 m/s。因此，溪流式接触氧化法初次沉淀段的沉降时间不必像传统初次沉淀池那样长，一般旱流时控制在20～30min比较合理。下雨时主要起沉砂作用，一般应比传统的沉砂池停留时间略长，控制在2～5min比较合理。

　　8 溪流式接触氧化法工艺

　　溪流式接触氧化法工艺流程如图7所示。

　　初次沉淀段的作用主要是沉砂，尤其是下雨时的泥砂，以防止这些泥砂进入氧化段。旱流时 ，除沉砂外，还起到初次沉淀池的去除部分悬浮物作用。接触氧化段是溪流式接触氧化法 系统的主要构筑物，根据溶解氧含量可分为好氧、兼氧、交替式接触氧化法等。二次沉淀段 可根据实际要求设置，一般溪流式接触氧化法产泥量非常低，可不设二次沉淀段。对暗渠， 采用好氧法时应进行通风。

　　参考文献：
　　［1］ 陈辅利.溪流式生物接触氧化污水处理构筑物［P］.中国专利：9921 8541.6.
　　［2］ Pomeroy R D,Lofy R J.Feasibility Study on In-Sewer Treatment M ethods［P］.美国专利:EPA/600/2-77/192(U.S.A).
　　［3］卞涛.一种高浓度有机污水处理新方法［P］.中国专利：96103295 .2.

作者简介：陈辅利(1957- )， 男， 山东龙口人， 大连水产学院教授， 硕士， 研究方向：污水和污泥处理。
电话：(0411)4686099
收稿日期：2000-03-28