一体化氧化沟处理城市污水试验研究

王秀蘅（哈尔滨工业大学市政与环境工程学院）
刘俊新（中国科学院生态环境研究中心）

　　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%。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% ^[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100～250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1.6～5.6L/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10～27℃。在试验期间，氧化沟的污泥龄大于20天，MLSS 2～2.8g/l，MLVSS 1.4～1.9g/l。COD负荷为0.183～0.327 kg/kgVSS×d，NH₃-N负荷为0.019～0.033 kg/kgVSS×d。
　　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、COD_cr、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) 258.9～407.5 NH₃-N (mg/L) 18.2～30.5 BOD₅ (mg/L) 100.3～144.8 NO₂^--N (mg/L) 0.02～0.2 SS (mg/L) 60～160 NO₃^--N (mg/L) 0.01～0.55 pH 6.0～7.2 TKN (mg/L) 23.8～41.2 TP(mg/L) 4.5～8.6 COD_cr∶TKN 10∶1

2 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259～388 mg/L，出水COD浓度保持在18.1～42.7 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40～60%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84.7%。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 Q
(L/h) HRT
(h) MLVSS
(mg/L) COD NH₃-N 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 0.138 282.8 10.5 96.3 0.014 29.4 1.2 95.9 1.6 26.0 1456 0.233 365.7 15.7 95.6 0.023 36.8 3.0 91.8 2.4 17.3 1480 0.239 258.7 20.4 92.1 0.022 23.8 4.1 82.8 3.2 13.0 1533 0.327 271.0 25.1 90.7 0.033 27.6 6.5 76.4 5.6 7.4 1780 0.738 407.5 62.5 84.7 0.075 41.2 14.5 67.2

　　2.4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5～10℃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10～27℃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3～5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：14～16℃）。由试验结果可看出，在本试验条件下，污泥龄θc ＞40d时，污泥才能完成好氧稳定。

表3 污泥龄与氧化沟内污泥稳定程度 θc (d) 耗氧速率(g O₂/g MLVSS·d) 油脂含量(mg/g MLSS) 20 0.578 134 26 0.376 105 32 0.157 76 40 0.090 60

　　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：15℃×40d/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程度，建议在实际运行中，夏季污泥龄取20～25天，冬季延长至35～40d。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20～25天，冬季延长至35～40d。

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 removal in the oxidation ditch, European Water Pollution Control, 6(4), 25-30, 1996.
　　3 [美] 曼特 贝尔 著，污水处理的氧化沟技术， 中国建筑工业出版社，北京，1988。
　　4 国家环保局，水和废水监测分析方法（第三版），中国环境科学出版社，北京，1998。
　　5 GB8978—1996，污水综合排放标准。
　　6 杨宝林，一种经济、高效的污水处理构筑物——氧化渠， 中国给水排水，Vol.7，No.5，1991。
　　7 钱 易 米祥友 主编，现代废水处理新技术，中国科学技术出版社，北京，1993。
　　8 朱明权 周冰莲，污水厂污泥稳定方法及稳定化程度的评价指标， 给水排水，Vol.23，No.10，1997。
　　9 李燕城 主编，水处理实验技术，中国建筑工业出版社，北京，1989。
　　10赵一德 吴志超，“城市污水厂污泥好氧处理可行性研究”，上海环境科学，Vol.16，No.1，1997。