奧貝爾氧化溝的特性分析與理論探討
1、1 背景 由于氧化溝工藝運(yùn)行管理簡單易行，運(yùn)行效果相對穩(wěn)定，更適合我國的一些中小城鎮(zhèn)，而奧貝爾氧化溝道優(yōu)良的脫氮效果以及溶解氧的分布形式，因其不同于傳統(tǒng)的氧段+好氧段的活性污泥脫氮系統(tǒng)，而逐漸成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。 為什么奧貝爾氧化溝的外溝道會(huì)有如此良好的脫氮效果？究竟是由于低氧條件下同時(shí)存在的硝化、反硝化，還是由于外溝道中交替出現(xiàn)的好氧、缺氧環(huán)境，抑或由于極高的混合液回流比及其他原因？對此，人們提出了3種可能的機(jī)理： ●宏觀混合方式造成的缺氧好氧環(huán)境：即在高濃度有機(jī)物中，微生物對食物的快速好氧降解導(dǎo)致高氧條件下的缺氧環(huán)境的形成。這就是宏觀上的“同時(shí)硝化反硝化”，它既可以在推流式曝氣池，即在與奧貝爾外溝道相似的缺氧、好氧區(qū)中實(shí)現(xiàn)，又可以在完全混合式的曝氣池中實(shí)現(xiàn)（即低溶解氧條件下的“同時(shí)硝化反硝化”）。 ●微環(huán)境的缺氧與好氧：就每一個(gè)微小的活性污泥絮體而言，其外圍暴露在好氧條件下，而其內(nèi)部則處于缺氧條件下。 ●新型特種微生物：即存在一種我們以前并未認(rèn)識到的全新微生物能夠在特定條件下去除營養(yǎng)物。 正是在這種背景下，本文根據(jù)IAWQ提出的活性污泥數(shù)學(xué)模型的原理，通過數(shù)學(xué)模擬的方法試圖對此進(jìn)行合理的解釋。 1.2幾個(gè)令人困惑的問題與研究的目的 在此背景下，幾個(gè)相關(guān)的問題隨之而生。 ●奧貝爾氧化溝外溝道的脫氮作用毋庸置疑，但其影響因素究竟是哪些？能否推而廣之，在單溝式氧化溝中采用與奧貝爾氧化外溝道相同的布置，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢工藝的改良與變種？ ●外溝道的脫氮和碳氧化功能占總量的百分比是多少？外溝、中溝、內(nèi)溝的溶解氧的分布方式的不同又會(huì)有哪些影響？與此相關(guān)的二沉池的設(shè)計(jì)又要注意哪些問題？ ●更深入一些，在奧貝爾氧化溝外溝道內(nèi)，點(diǎn)源與面源曝氣的區(qū)別及各自的優(yōu)勢是什么？正是這些疑問構(gòu)成了本文研究的目的。 1.2.牛口峪污水處理廠工程測試簡介
2.1 工藝設(shè)計(jì)參數(shù) 牛口峪污水處理廠是北京燕山石化公司30萬噸乙烯改擴(kuò)建工程的配套環(huán)保項(xiàng)目,主要處理化工一廠的工業(yè)廢水、化工二廠、化工三廠的部分工業(yè)廢水及少量生活污水。該廠采用二級生物處理工藝，生物處理工段為奧貝爾氧化溝，設(shè)計(jì)規(guī)模為60000m3/d,1994年12月投產(chǎn)。生物處理工段設(shè)計(jì)為平行的兩組，每組包括1個(gè)奧貝爾氧化溝和2個(gè)二沉池。單個(gè)氧化溝的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 設(shè)計(jì)進(jìn)水流量 1250m3/h 泥齡 35d 有效池容 1733m3 MLSS 4000mg/L MLVSS 3200mg/L 容積分配 外：中：內(nèi)=56：26：18 溶解氧分布 外-中-內(nèi)=0-1-2mg/L 每個(gè)氧化溝設(shè)32組曝氣轉(zhuǎn)碟，外、中、內(nèi)溝各安裝8組曝氣器，氧化溝平面布置如圖2.1.1所示。
2.2 測試期間的進(jìn)出水水質(zhì)與工藝運(yùn)行參數(shù) 測試期間氧化溝的進(jìn)出水水質(zhì)如下表:
| COD mg/L | BOD mg/L | SS mg/L | TKN mg/L | NH4-N mg/L | NOX-N mg/L | TN mg/L | PH | |
| 進(jìn)水 | 396 | 197 | 31 | 16.1 | 11.6 | 1.6 | 17.44 | 8.0 |
| 外溝 | 37 | 5 | - | 1.89 | 未檢出 | 0.72 | 1.96 | - |
| 中溝 | 24 | 4 | - | 1.09 | 未檢出 | 0.61 | 1.26 | - |
| 內(nèi)溝 | 24 | 3 | - | 0.95 | 未檢出 | 0.6 | 1.18 | - |
| 出水 | 28 | 3 | 13 | 0.98 | 未檢出 | 1.39 | 1.43 | 8.0 |
| 去除率 | 93% | - | - | 94% | - | - | 92% | - |
“-”在文章表格中表示未檢測或未計(jì)算。
實(shí)際運(yùn)行參數(shù)見下表：
| 氧化溝運(yùn)行參數(shù) | 平均值 | 范圍 | |
| 進(jìn)水流量 | 903 | 851～937 | |
| 水力停留時(shí)間(h) | 19 | 18～21 | |
| 水溫 | 15 | 13～16 | |
| 轉(zhuǎn)碟運(yùn) 行組數(shù) | 外溝 | 5 | - |
| 中溝、內(nèi)溝 | 3 | - | |
| 污泥回流比（%） | 61 | 59 ～65 | |
| MLSS（ mg/L) | 3037 | 2923～3245 | |
| MLVSS/MLSS | 0.78 | - | |
| DO(mg/L) | 外溝 | 0 | 0 ～0.3 |
| 中溝 | 0.4 | 0.1～0.9 | |
| 內(nèi)溝 | 3.5 | 2.9～3.9 |
實(shí)際供氧量為： 外溝：中溝：內(nèi)溝＝58:23:19。
3、低負(fù)荷長泥齡下的數(shù)學(xué)模擬
3.1 概述 ●與奧貝爾氧化溝工藝相關(guān)的數(shù)學(xué)模擬從以下幾個(gè)方面進(jìn)行: ●奧貝爾氧化溝原型工藝模擬——確定模擬參數(shù)的可用性； ●混合液回流比的作用——考察奧貝爾氧化溝外溝道高流速造成高回流比對出水效果的影響； ●單溝式氧化溝的脫氮效果——在單溝式氧化溝中采用與奧貝爾氧化溝外溝道同樣的曝氣布置，考察其處理效果； ●低氧完全混合條件下同時(shí)硝化、反硝化的效果——低氧完全混合條件下能否實(shí)現(xiàn)與奧貝爾氧化溝的外溝道相當(dāng)?shù)耐瑫r(shí)硝化與反硝化？ ●在奧貝爾氧化溝的外溝道中采用微孔曝氣器代替曝氣轉(zhuǎn)碟，是否會(huì)得到同樣的效果？ 3.2 奧貝爾氧化溝原形工藝模擬 3.2.1 概述 根據(jù)實(shí)際情況將外溝道平均分割成8個(gè)單元(1#～8#)，4組曝氣轉(zhuǎn)碟分別置于4個(gè)單元中（1#、3#、5#、7#），即每隔一個(gè)單元放一組轉(zhuǎn)碟，中溝道和內(nèi)溝道分別只設(shè)一個(gè)單元（9#、10#）其中各
| SI | SS | SMH4 | SNOX | SALK |
| mg/L | mg/L | mg/L | mg/L | mol/m3 |
| 18.0 | 348 | 16 | 1.6 | 6.0 |
| XI | XS | XH | XA | XSS |
| mg/L | mg/L | mg/L | mg/L | mg/L |
| 6.1 | 24 | 0 | 0 | 31.0 |
3.2.3數(shù)學(xué)模擬工藝流程及運(yùn)行參數(shù) 工藝流程見下圖:
工藝運(yùn)行參數(shù)如下: 氧化溝池容: V1#～8#=1241m3 V9#=4611m3 V10#=319
| 1# | 2# | 3# | 4# | 5# | 6# | 7# | 8# | 9# | 10# | |
| DO | 0.23 | 0.05 | 0.22 | 0.08 | 0.33 | 0.16 | 0.44 | 0.26 | 0.71 | 2.35 |
| SS | 2.38 | - | - | - | - | - | - | 0.31 | 0.24 | 0.28 |
| SNH | 2.6 | - | - | - | - | - | - | 2.51 | 0.46 | 0.13 |
| SNOX | 0.2 | - | - | - | - | - | - | 0.19 | 1.81 | 2.56 |
比較表2.2.1和2.2.2,可知模擬數(shù)據(jù)能夠與實(shí)測數(shù)據(jù)很好地吻合: 絕大部分有機(jī)物和氮在外溝道去除:外溝道總氮為2.7mg/L(實(shí)測總氮為2.6mg/L),去除率為84%(實(shí)測為
其中，池容V1～6=1655m3。 3.3.2 數(shù)學(xué)模擬結(jié)果 模擬結(jié)果見下表。
| 1# | 2# | 3# | 4# | 5# | 6# | 7# | 8# | |
| DO | 0.17 | 0 | 0 | 1.61 | 0.12 | 0.01 | 0.31 | 1.16 |
| SS | 6.84 | - | - | - | - | 0.24 | 0.28 | 0.29 |
| SNH | 4.65 | - | <- | - | 4.29 | 1.45 | 0.29 | |
| SNOX | 0.11 | - | - | - | - | 0.25 | 1.11 | 2.12 |
在給定條件下,由于回流比的改變,使得外溝道內(nèi)溶解氧分布的梯度明顯加大,缺氧/厭氧區(qū)擴(kuò)磊,好氧/缺氧區(qū)縮小,盡管平均溶解氧(0.31mg/L)有所提高,但由于高氧區(qū)域(曝氣轉(zhuǎn)碟附近)極為狹小,外溝道硝化效果下降,從而導(dǎo)致脫氮效果的下降,但出水與高回流比時(shí)的效果基本一樣。這說明奧貝爾外溝道內(nèi)的高流速是其我外溝道擁有良好的脫氮效果的重要原因，但不等于說流速越高越好，模擬結(jié)果表明，混合液回流比為50倍時(shí)，效果最佳。 3.4 單溝式氧化溝脫氮的可能性 3.4.1 概述 本節(jié)模擬的原則是在3.2節(jié)氧化溝工藝參數(shù)(混合液回流比為100倍)的基礎(chǔ)上模擬單溝式氧化溝,即在泥令、生物池總體積、總供氧量相同，進(jìn)水水質(zhì)相同的條件下模擬奧貝爾外溝道的運(yùn)行方式。
工藝流程見下圖：
| 1# | 2# | 3# | 4# | 5# | 6# | |
| DO | 0.65 | 0.22 | 0.08 | 1.06 | 0.62 | 0.31 |
| SS | 1.2 | - | - | - | - | 0.22 |
| SNH | 0.76 | - | - | - | - | 0.67 |
| SNOX | 1.18 | - | - | - | - | 1.19< |
在給定條件下,采用與外溝道相同布置的單溝式氧化溝,由于平均溶解氧(0.63mg/L)提高了2倍多,碳氧化與脫氮效果均優(yōu)于奧貝爾,只是由于缺少了奧貝爾氧化溝3溝道中溶解氧0-1-2的分布,最終硝化不夠徹底。 3.5 低氧條件下的同時(shí)硝化反硝化 本節(jié)分3種形式模擬。第一種是在供氧量相同的條件下，將奧貝爾氧化溝的外溝道替換為采用微孔曝氣器的完全混合曝氣池，而中溝、內(nèi)溝不變的一種改型工藝；第二種是不改變奧貝爾的基本池型，只是在同樣供氧量的條件下，在外溝道采用微孔曝氣器代替曝氣轉(zhuǎn)碟，因此也就不存在混合液回流問題，其他均不變；第三種是在第二種的基礎(chǔ)上，在外溝道強(qiáng)制進(jìn)行混合液回流。目的是考察外溝道處于低氧狀態(tài)下時(shí)發(fā)生同時(shí)硝化反硝化的可能性以及奧貝爾氧化溝外溝道工藝改型的可能性。 3.5.1 工藝流程 第一種改型工藝流程見下圖:
其中，外溝V1=9930.5m3 中溝V2=4611m3 內(nèi)溝V3=3192m3 供氧量及其他條件均與3.2節(jié)相同。
第二種改型工藝流程見下圖：
其中,1#～6#單元均為曝氣單元,供氧量均等,總供氧量及其他條件均與3.2節(jié)相同。 第三種改型工藝流程下圖：
這種流程力與第二種的區(qū)別,只是根據(jù)奧貝爾的真實(shí)情形增加了混合液回流。 3.5.2 數(shù)學(xué)模擬結(jié)果 第一種改型工藝的模擬結(jié)果見下表。外溝道在低氧0.23mgDO/L（相當(dāng)于奧貝爾外溝道的平均溶解氧）、完全混合條件下，脫氮及碳氧化效果與經(jīng)典的奧貝爾外溝道相當(dāng)，這從另一方面說明了低氧條件下的同時(shí)硝化反硝化同樣發(fā)生在奧貝爾外溝道中。
| 1# | 2# | 3# | |
| DO | 0.23 | 0.94 | 2.63 |
| SS | 0.7 | 0.24 | 0.28 |
| SNH | 2.08 | 0.35 | 0.12 |
| SNOX | 0.31 | 1.99 | 2.71 |
第二種改型工藝的模擬結(jié)果見下表。如若只是在外溝道用微孔曝氣器代替曝氣轉(zhuǎn)碟，則外溝道內(nèi)的溶解氧沿溝長呈不斷上升趨勢，平均溶解氧為0.26mgDO/L,高于改型的平均溶解氧,因此碳氧化程度有所提高,而硝化和反硝化效果都有所下降,這是由于改型后的工藝不同于原型,從溝道中各個(gè)部分看都是完全混合式,從整個(gè)外溝道看卻是推流式,原水質(zhì)點(diǎn)依次經(jīng)過外溝道而不是反復(fù)經(jīng)過。如果在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行混合液回液，效果應(yīng)有所改善，為此我們做了第三種改型工藝的分析。
| 1# | 2# | 3# | 4# | 5# | 6# | 7# | 8# | |
| DO | 0.3 | 0.02 | 0.03 | 0.17 | 0.45 | 0.61 | 0.57 | 2.09 |
| SS | 137 | - | - | - | - | 0.29 | 0.25 | 0.28 |
| SNH | 9.34 | - | - | - | - | 3.07 | 0.63 | 0.15 |
| SNOX | 0.03 | - | - | - | - | 3.06 | 4.38 | 5.16 |
第三種改型工藝的模擬結(jié)果見下表。與第二種模擬對比，顯然證實(shí)了我們的猜測，這說明，在外溝道內(nèi)采用微孔曝氣轉(zhuǎn)碟可以取得同樣的效果，但必須同時(shí)考慮實(shí)現(xiàn)外溝道的自身回流以保證脫氮效果，這也從另一方面說明，奧貝爾外溝道的高流速對脫氮效果的重要作用。
| 1# | 2# | 3# | 4# | 5# | 6# | 7# | 8# | |
| DO | 0.17 | 0.14 | 0.18 | 0.25 | 0.33 | 0.4 | 0.92 | 2.58 |
| SS | 2.15 | - | - | - | - | 0.29 | 0.24 | 0.28 |
| SNH | 2.18 | - | - | - | - | 2.09 | 0.3 | 0.12 |
| SNOX | 0.24 | - | - | - | - | 0.25 | 1.9 | 2.62 |
3.6 小結(jié) 我們將奧貝爾氧化溝、單溝式氧化溝及在外溝道用面源底曝來取代曝氣轉(zhuǎn)碟并在外溝道進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)的外溝道改型工藝做一對比，見表3.6.1。
| 工藝 | 指標(biāo) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 外溝道DOmg/L | 出水DOmg/L | 外溝道TNmg/L | 出水TNmg/L | TN去除率 % | 外溝道Ss mg/L | 出水Ss mg/l | |
| 奧貝爾氧化溝 | 0.26 | 2.35 | 2.7 | 2.7 | 84.7 | 0.31 | 0.28 |
| 單溝式氧化溝 | 0.31 | 1.86 | 89.4 | 0.22 | |||
| 外溝道改型工（Ⅲ） | 0.4 | 2.58 | 2.34 | 2.74 | 84.4 | 0.29 | 0.28 |
由表可知，低負(fù)荷長泥齡運(yùn)行條件下，單溝式氧化溝的脫氮與碳氧化效果更佳，奧貝爾氧化溝與其第三種改型工藝效果相當(dāng)，說明不同的曝氣方式可以達(dá)到同樣的處理效果。
4、高負(fù)荷短泥齡下的數(shù)學(xué)模擬
本單在第三章的基礎(chǔ)上，將泥齡縮短為10天，進(jìn)水量提高到60000m3/d，氨氮提高到50mg/L。在負(fù)荷提高，泥齡縮短的條件下，維持生物段總?cè)莘e不變，考察奧貝爾氧化溝、單溝式氧化溝及外溝道改型藝（Ⅰ、Ⅲ）4種的性能并進(jìn)行對比。 4.1 奧貝爾氧化溝 模擬原水水質(zhì)如下：
| SI | Ss | SNH4 | SNOX | SALK |
| mg/L | mg/L | mg/L | mg/L | mg/L |
| 18.00 | 348 | 50 | 1.6 | 10 |
| XI | Xs | XH | XA | XSS |
| mg/L | mg/L | mg/L | mg/L | mg/L |
| 6.1 | 24 | 0 | 0 | 31.0 |
工藝運(yùn)行參如下： 氧化溝池容 V外溝=11900m3 V中溝=3881m3 V內(nèi)溝=1944m3 V1#、3#、5#、7#=992m3 V2#、4#、6#、8#=1983m3 V9#=3881m3 V10#=1994m3
二沉池池容：V二沉=3612m3 流量：Q=60000m3/d 水溫：T=15℃ 污泥泥令：SRT=10d 污泥回流比：R=61% 模擬混合液回流比：R=60倍 模擬供氧量：外溝：中溝：內(nèi)溝=60：30：10 總供氧量：22981kgO2/d 數(shù)學(xué)模擬結(jié)果見表4.1.1，計(jì)算所得污泥濃度為5081mgCOD/L。
| 1# | 2# | 3# | 4# | 5# | 6# | 7# | 8# | 9# | 10# | |
| DO | 0.25 | 0.03 | 0.38 | 0.08 | 0.51 | 0.13 | 0.57 | 0.16 | 0.952 | 2.08 |
| Ss | 3.57 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 0.20 | 0.23 | 0.26 |
| SNH | 13 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 13 | 2.10 | 0.27 |
| SNOX | 7.44 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 2.59 | 5.98 | 15 |
| STN | 15.59 | 15.27 | ||||||||
| TN去除率% | 69.7 | 70.4 |
4.2 單溝式氧化溝 水質(zhì)、運(yùn)行參數(shù)同前
改變的工藝參數(shù)如下： 氧化溝池容： V1#、3#、5#、7#=1478m3 V2#、4#、6#、8#=2956m3 總供氧量：22981kgO2/d 數(shù)學(xué)模擬結(jié)果見表面光潔度.2.1，計(jì)算所得污泥濃度為5278mgCOD/L。
| 1# | 2# | 3# | 4# | 5# | 6# | 7# | 8# | |
| DO | 0.42 | 0.02 | 0.31 | 0.04 | 0.53 | 0.14 | 0.72 | 0.28 |
| Ss | 2.69 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 0.2 |
| SNH | 3.16 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 2.51 |
| SNOX | 15 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 16 |
| STN | 18.51 | |||||||
| TN去除率% | 64.1 |
4.3 低氧條件下的同時(shí)硝化反硝化 本節(jié)分2種形式模型：奧貝爾氧化溝外溝道改型工藝（1）和奧貝爾氧化溝外溝道改型工藝（Ⅲ），目的是考察高負(fù)荷下外溝道發(fā)生硝化反硝化的工藝機(jī)理。 工藝流程圖3.5.1和圖3.5.3。 其中，改型工藝（Ⅰ）的氧化溝池容：V外溝=11900m3 V中溝=3881m3 V內(nèi)溝=1944m3 其他條件均與第4.1節(jié)相同。 改型工藝（Ⅲ）的運(yùn)行條件均與4.1節(jié)相同。 改型工藝（Ⅰ）數(shù)學(xué)模擬計(jì)算所得污泥濃度為5060mgCOD/L，其余結(jié)果見表4.3.1。
| 1# | 2# | 3# | |
| DO | 0.17 | 0.93 | 1.97 |
| Ss | 0.61 | 0.22 | 0.25 |
| SNH | 12.85 | 2.27 | 0.3 |
| SNOX | 5.01 | 15.18 | 17.214 |
| STN | 17.86 | 17.51 | |
| TN去除率% | 65.4 | 66.1 |
改型工藝（Ⅲ）數(shù)學(xué)模擬計(jì)算所得污泥濃度為5052mgCOD/L，其余結(jié)果見表4.3.2。
| 1# | 2# | 3# | 4# | 5# | 6# | 7# | 8# | 9# | 10# | |
| DO | 0.1 | 0.1 | 0.13 | 0.19 | 0.22 | 0.25 | 0.26 | 0.27 | 1.18 | 2.73 |
| Ss | 3.64 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 0.21 | 0.22 | 0.27 |
| SNH | 12 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 11 | 1.52 | 0.19 |
| SNOX | 3.18 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 3.26 | 13 | 14 |
| STN | 14.26 | 14.19 | ||||||||
| TN去除率% | < | 72.4 | 72.5 |
4.4 小結(jié) 我們將奧貝爾氧化溝、單溝式氧化溝及在外溝道用面源底曝來取代曝氣轉(zhuǎn)碟并在外溝道進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)的外溝道改型工藝做一對比，見表4.4.1。
| 指標(biāo)工藝 | 外溝道DOmg/L | 出水DOmg/L | 外溝道TN mg/L | 出水TN mg/L | TN去除率% | 外溝道Ss mg/L | 出水Ssmg/L |
| 奧貝爾氧化溝 | 0.16 | 2.08 | 15.59 | 15.27 | 70.4 | 0.2 | 0.26 |
| 單溝式氧化溝 | 0.28 | 18.51 | 64.1 | 0.2 | |||
| 外溝道改型工藝（Ⅲ） | 0.27 | 2.73 | 14.26 | 14.19 | 72.5 | 0.21 | 0.27 |
由表可知，高負(fù)荷短泥齡運(yùn)行條件下，單溝式氧化溝碳氧化效果更佳，而脫氮效果略差；奧貝爾氧化溝與其第三種改型工藝效果相當(dāng)，再一次說明不同的曝氣方式可以達(dá)到同樣的處理效果
5、結(jié)論
5.1奧貝爾氧化溝外溝的脫氮作用 A、 奧貝爾氧化溝外溝的脫氮作用毋庸置疑，其影響因素主要是由于采用曝氣轉(zhuǎn)碟在外溝道形成的獨(dú)特的流態(tài)，即推流式與完全混合式有機(jī)統(tǒng)一的特殊流態(tài)。 B、數(shù)學(xué)模擬的外溝道溶解氧的分布表明，間隔布置的曝氣轉(zhuǎn)碟使得溶解氧有一定的變化梯度，而其在溝內(nèi)造成的高流速又使得溶解氧的分布趨于均勻，不形成絕對的缺氧、好氧區(qū)
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