DO濃度及其空間分布對(duì)Orbal氧化溝去除污染物效果

趙群英，田 敏，李 侃

(1.西安工業(yè)大學(xué)建工學(xué)院，陜西西安 710021；2.西安市污水處理有限責(zé)任公司，陜西西安 710024)

Orbal氧化溝工藝于20世紀(jì)60年代由南非的Huisman研究開發(fā)，70年代由美國(guó) Envirex公司繼續(xù)進(jìn)行開發(fā)推廣[1-2]。該工藝具有流程簡(jiǎn)單、管理方便、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)和節(jié)約能耗等優(yōu)點(diǎn)，在污水處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但由于其在空間上不存在宏觀的厭氧環(huán)境，除磷效果不是很理想[3-4]。要達(dá)到好的脫氮除磷效果，現(xiàn)在常規(guī)做法是在Orbal氧化溝前加厭氧池，這無疑增加了建造與運(yùn)行成本。西安市第三污水處理廠的Orbal氧化溝工藝經(jīng)過長(zhǎng)期的摸索運(yùn)行，不斷改造，不僅實(shí)現(xiàn)了高的有機(jī)物去除和較好的脫氮效率，除磷效果也非常好，出水各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。因此，有必要對(duì)該廠的Orbal氧化溝工藝進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用考察和性能研究，為工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供參考依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為西安市第三污水廠實(shí)際運(yùn)行的Orbal氧化溝。該廠的城市污水經(jīng)格柵、沉砂池與選擇池后進(jìn)入4座平行運(yùn)行的同容積三溝式Orbal氧化溝，本次試驗(yàn)以其中一座為研究對(duì)象。Orbal氧化溝的尺寸為108 m×50 m×5.0 m,有效水深為4.5 m，有效容積為24 300 m3，每日處理城市污水約2.5萬t。外溝與中溝分別設(shè)8臺(tái)曝氣轉(zhuǎn)盤和5.5 kW的推進(jìn)器2臺(tái)和1臺(tái)。外溝每臺(tái)轉(zhuǎn)盤(未安裝導(dǎo)流板)直徑為1 400 mm，碟片44片，長(zhǎng)度為9.2 m，電機(jī)功率為37 kW；中溝每臺(tái)轉(zhuǎn)盤(安裝導(dǎo)流板)直徑為7 500 mm，碟片17片，長(zhǎng)度為7.5 m，電機(jī)功率為30 kW；內(nèi)溝設(shè)6臺(tái)曝氣轉(zhuǎn)盤(安裝導(dǎo)流板)，轉(zhuǎn)盤直徑為5 800 mm，碟片13片，長(zhǎng)度為5.8 m，電機(jī)功率為22 kW。轉(zhuǎn)碟單片充氧能力為1.15 kg O2/h。污泥負(fù)荷為0.075 kg BOD5/(kg MLSS·d)，混合液濃度為4 g/L，污泥回流比為50%～100%，泥齡為17 d。

1.2 試驗(yàn)用水水質(zhì)

Orbal氧化溝工藝不同單元對(duì)污染物有不同的去除效果，本試驗(yàn)測(cè)試用水分別取自污水廠選擇池出水與氧化溝外溝、中溝、內(nèi)溝內(nèi)的混合液，靜置15 min之后取其上清液，進(jìn)行檢測(cè)分析。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目及儀器

圖1 Orbal氧化溝測(cè)定斷面分布圖Fig.1 Distribution Map of Orbal Oxidation Ditch

由于氧化溝轉(zhuǎn)彎處水力流態(tài)復(fù)雜，占氧化溝的總?cè)莘e比例小，故在測(cè)定DO時(shí)，轉(zhuǎn)彎處不作為分析對(duì)象。DO的測(cè)定斷面選擇在充氧能力及流速影響規(guī)律性較強(qiáng)的直線段，如圖1所示的1～9個(gè)斷面(轉(zhuǎn)碟前后1.5 m和兩轉(zhuǎn)碟中間位置)。采用HAMILTON VISIFERM DO120型便攜式溶解氧儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。COD、NH3-N、TN、TP的測(cè)定方法均按照標(biāo)準(zhǔn)方法[5]，測(cè)試點(diǎn)為3、6、9三個(gè)點(diǎn)。每項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目均取3次平行水樣進(jìn)行測(cè)試，然后取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 Orbal氧化溝外溝的運(yùn)行

圖2 Orbal氧化溝外溝DO濃度的變化Fig.2 Variation of DO Concentration in Outer Ditch of Orbal Oxidation Ditch

如圖2所示，Orbal氧化溝外溝DO濃度與改造前常規(guī)氧化溝(圖3)存在兩方面不同。一方面：常規(guī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行時(shí)，外溝水平方向會(huì)形成好氧—缺氧—好氧—缺氧交替的情況，即能夠根據(jù)混合液中的DO含量分成區(qū)段，靠近轉(zhuǎn)碟的區(qū)域?yàn)楦谎鯀^(qū)；離轉(zhuǎn)碟距離較遠(yuǎn)的溝渠區(qū)段，混合液中的DO含量，會(huì)始終處在接近于“0”的狀態(tài)，形成缺氧段。這樣的設(shè)計(jì)與運(yùn)行方式使得好氧區(qū)產(chǎn)生較強(qiáng)的有機(jī)物降解和硝化反應(yīng)；在缺氧段反硝化菌以有機(jī)碳為碳源和能源，以硝酸鹽為能量代謝過程的電子受體，把硝酸鹽還原成氮?dú)庖绯鏊?，達(dá)到脫氮的目的。本次測(cè)定的氧化溝運(yùn)行方式，水平方向各段的DO梯度很小，運(yùn)行中沒有形成交替的缺氧區(qū)和好氧區(qū)，在同一水平面上也就不存在脫氮現(xiàn)象。另一方面：外溝縱向0～0.5 m處的DO平均濃度大于1 mg/L，這和常規(guī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行的理念又有所不同。常規(guī)設(shè)計(jì)的外溝DO濃度控制在0～0.5 mg/L，運(yùn)行效果較好；而試驗(yàn)所用氧化溝，在0～0.5 m的深度上，DO平均濃度大于1 mg/L。但是這兩方面不合常規(guī)的運(yùn)行方式，污染物卻得到了良好的去除效果。分析原因：水平方向上DO濃度梯度較小，0～0.5 m深度上DO濃度大于1 mg/L，這都與外溝轉(zhuǎn)碟沒有安裝導(dǎo)流板有關(guān)，導(dǎo)流板的缺失使得外溝表面的流速比較大，DO在水平面上混合較好，不能有效地向池深方向傳遞，因此在縱向形成了有較大的DO濃度梯度。由圖2可知，在同一水平面處，DO差別不是很大，但在同一過水?dāng)嗝嫣帲?～0.5 m，DO大于1 mg/L，屬于好氧區(qū)；隨著深度的加深，到1.5 m處，DO為0.15 mg/L，這段屬于缺氧區(qū)，而在2.5 m及以下區(qū)域，DO則為0 mg/L，形成了宏觀的厭氧區(qū)域。這種較大的DO濃度梯度，在縱向形成了好氧—缺氧—厭氧區(qū)段，完全滿足生物脫氮除磷的條件。由表1可知，改造后外溝對(duì)COD的去除小于改造前，但仍然在排放標(biāo)準(zhǔn)50 mg/L以下；改造后的TN和NH3-N去除率都大于改造前，但差別不大；而TP的變化在改造前后出現(xiàn)了較大的差距，改造前的釋磷效果遠(yuǎn)不如改造后，可見在外溝不加導(dǎo)流板有利于磷的釋放，為好氧聚磷提供了良好的條件。鑒于該成功案例，建議在設(shè)計(jì)時(shí)Orbal氧化溝的外溝在0～0.5 m的深度上維持1.5 mg/L左右的DO濃度，而在0.5 m 以下區(qū)域，可保持接近0 mg/L的DO濃度。

圖3 改造前常規(guī)Orbal氧化溝外溝DO濃度的變化Fig.3 Variation of DO Concentration in the Outer Ditch of Conventional Orbal Oxidation Ditch before Reconstruction

表1 水質(zhì)的變化Tab.1 Variation of Water Quality

2.2 Orbal氧化溝中溝的運(yùn)行

圖4 中溝DO濃度的變化Fig.4 Variation of DO Concentration in Mid Ditch of Orbal Oxidation Ditch

由圖4可知，中溝的DO濃度平均為1 mg/L以上，水平方向DO濃度梯度較大，存在橫向的好氧—缺氧—好氧段，而縱向DO梯度變化則較小，這種DO濃度大小和分布規(guī)律與常規(guī)運(yùn)行方式相同。在該溝中繼續(xù)對(duì)外溝未處理掉的有機(jī)物和NH3-N進(jìn)行去除。由表1可知，在該溝COD、TN、NH3-N和TP都有去除，去除率分別為25%、23%、62%和46%。

2.3 Orbal氧化溝內(nèi)溝的運(yùn)行

由圖5可知，內(nèi)溝的溶解氧濃度較高，整個(gè)溝中的DO濃度均大于2 mg/L，呈好氧狀態(tài)，這種DO濃度大小和分布規(guī)律與常規(guī)運(yùn)行方式相同。該區(qū)的主要作用為聚磷和有機(jī)物的繼續(xù)去除。由表1可知，通過該溝后COD、TN、NH3-N和TP的濃度均達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 內(nèi)溝DO濃度的變化Fig.5 Variation of DO Concentration in Inner Ditch of Orbal Oxidation Ditch

3 結(jié)論

(1)無需額外增加厭氧反應(yīng)器，Orbal氧化溝通過改良的設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式，可以達(dá)到良好的除磷效果。

(2)Orbal氧化溝外溝轉(zhuǎn)碟不安裝倒流板，使橫向的好氧—缺氧環(huán)境轉(zhuǎn)化為縱向的好氧—缺氧—厭氧環(huán)境，有利于實(shí)現(xiàn)COD、TN和NH3-N的高效去除和磷的充分釋放。外溝對(duì)COD、TN和NH3-N的去除率分別為60%、47%和60%，TP大于選擇池出水，存在釋磷現(xiàn)象。

(3)Orbal氧化溝中溝、內(nèi)溝采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行方式，DO濃度分別保持在1 mg/L和2 mg/L以上時(shí)，對(duì)污染物進(jìn)行進(jìn)一步去除，出水可達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。