关键字：一体化氧化沟 固液分离 无泵回流 水下推动器 除磷脱氮
1 工程概况
新都污水处理示范工程设计规模为1万m3/d，该工艺是在国家"八五"成果基础上考虑到脱氮、除磷而设计的。该工程工艺流程短、构筑物及设备少、建造快(仅用5个月时间便建成)、工程质量优。
1.1 工艺流程及主要设计参数
污水厂主要工艺流程如图1。
图1 新都污水处理工程工艺流程
该一体化氧化沟的基本特点是将生物处理净化和固液分离合为一体。而从生物处理工艺来讲，该一体化氧化沟又是一个集厌氧、缺氧、好氧为一体的A2/O体系。一体化氧化沟总设计水力停留时间为15 h，其中厌氧段为1 h，缺氧段为2 h，好氧段为12 h。沟内有效水深为4.5 m，单沟宽10.5 m。厌氧区设0.75 kW水下混合搅拌器1台，缺氧区设2.2 kW水下混合搅拌器1台。好氧段设直径为10 m，长9 m的曝气转刷2台，每台功率45 kW，此外还设有7.5 kW水下推动器2台。
设计进水水质BOD为100～１５０ mg/L，COD为200～３００ mg/L，SS为250 mg/L。设计出水水质达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级标准。
1.2 启动运行过程
该示范工程于1999年11月中旬建成并进行培菌启动。培菌初期基本上是直接引进原污水进行闷曝。由于培菌期间为冬季，平均水温不到10℃，故微生物增长十分缓慢，为了加快培菌过程，缩短启动时间，采用了投加鸡粪和粪便污水进行培养，效果较为显著，出现少量活性污泥絮体。后改用连续培养方式，至2000年2月沟中活性污泥浓度达到1 000mg/L，SV值达到10 %，活性污泥沉降性能良好，镜检出现固着型原生动物，出水水质稳定。至此，培菌结束开始投入正常运行。
1.3 进出水水质及效果分析
进出水水质如表1所示。
表1 污水厂进出水水质情况
项目 | COD(mg/L) | BOD(mg/L) | SS(mg/L) | NH3-N(mg/L) | TN(mg/L) | TP(mg/L) |
进水范围 | 77.9～578 | 55～153 | 22～541 | 13～27.8 | 18～3 0.7 | 2.6～8.9 |
进水均值 | 197.4 | 73.2 | 123.1 | 20 | 23.4 | 5.8 |
出水范围 | 26.0～46.0 | 9.2～20.6 | 3.0～21.0 | 0.8～2.3 | 3.1～12.4 | 1.1～5.5 |
出水均值 | 33.6 | 15.4 | 13.1 | 1.5 | 6.9 | 2.3 |
由表1可看出原水平均BOD/COD=0.37，可生化性较好，但从营养比看，BOD∶N∶P＝16.6∶4∶1，说明有机物浓度偏低。这主要是由于原污水基本上是生活污水，经化粪池后，一部分有机物发生沉淀和降解。此外，含氮有机物还发生厌氧消化，故NH3-N浓度相对较高。从出水水质情况中可看出，除TP外其余各项指标均优于国家一级排放标准。这主要是由于除磷是通过剩余污泥的排放实现的，而在此期间内基本上还未排放过剩余污泥的缘故。
1.4 主要经济指标
该工程总投资761万元(含征地费)，每m3水投资为761元，每m3水电耗为0.25 kW·h左右、占地为0.4 m2。从这些数据可看出一体化氧化沟所具有的经济优势。
2 主要特点
2.1 固液分离器特点
众所周知一体化氧化沟是集生物处理与固液分离于一体。在本工艺中，固液分离是在氧化沟的侧沟与中心岛的固液分离器中进行的(见图2)，它们是一体化氧化沟技术的关键，同时具有固液分离和污泥回流两大功能，直接决定着出水水质的好坏。
图2 固液分离器示意
2.1.1 固液分离器工作原理
侧沟与中心岛固液分离器具有与二沉池相同的功能，但沉淀机理与主要是重力作用的二沉池又有显著的不同。当混合液由主沟进入固液分离组件后，由于组件的特殊构造，水流方向发生很大的变化，造成较强烈的紊动。这时混合液中的污泥颗粒正处于前期絮凝阶段，紊动对絮凝的影响不大。随着絮凝不断进行，污泥颗粒越来越大；污泥的絮凝过程到了后期絮凝阶段，紊动的不利影响也越来越大；与絮凝过程的要求相适应，这时混合液流过组件弯折，流速大大降低，且流动开始趋于缓和。因此在固液分离组件下部的很小底层里，絮凝作用已基本完成。絮凝成形的污泥颗粒在不断上升的过程中，密度越来越大，流速越来越小。慢慢开始发生沉降的污泥颗粒还会被池底不断涌入的混合液的上升水流所冲击，当重力与向上的冲击力相等时，污泥保持动态的静止，于是形成了一个活性污泥悬浮层。悬浮层中的颗粒由于拦截进水中的杂质而不断增大，污泥颗粒沉速不断提高，从而可以提高水流上升流速和产水量。因此不仅提高了分离器的表面负荷，还取得了较高质量的出水，并实现了污泥的无泵回流。
值得注意的是，分离器上形成的悬浮层并不是固定不变的，而是一层处于动态平衡的活性污泥层。这是由于氧化沟内的水平流速及分离组件的特殊构造使发生絮凝的污泥不断向主沟回流，而混合液不断上升。这样，悬浮层中的污泥得到不断的更新，避免了活性污泥因堆积缺氧而造成的腐化和反硝化浮泥现象。
2.1.2 固液分离效果分析
固液分离效果见表2。一般说来，活性污泥系统固液分离效果受表面负荷(NA)、污泥浓度(MLSS)以及污泥沉降性能(SVI)等因素影响。由表2可以看出在这几种因素的影响下，出水水质的变化并不大，说明该固液分离器运行效果稳定，能承受较大的表面负荷。
表2 侧沟固液分离效果
Q(m3/d) | NA(m3/m2·d) | MLSS(mg/L) | SVI(mL/g) | 出水SS(mg/L) |
11100 | 52.8 | 2075 | 55 | 12.1 |
10500 | 50.0 | 1886 | 79 | 8.1 |
11500 | 54.8 | 1879 | 80 | 10.3 |
7500 | 35.7 | 2046 | 73 | 3.2 |
8000 | 38.1 | 2251 | 67 | 5.3 |
12000 | 57.1 | 2428 | 62 | 14.0 |
12500 | 59.5 | 2837 | 53 | 18.5 |
该固液分离器的平均表面负荷为50 m3/(m2·d)，是一般二沉池的1.5～2倍，因而可比一般的二沉池节省占地1/3～1/2。而且固液分离器实现了污泥的无泵自动回流，节省了工程造价和日常运行、管理及维护费用。
图3 传统A2/O法工艺
图4 一体化氧化沟工艺
2.2 一体化氧化沟的回流特点
在A2/O除磷脱氮工艺中，为了保证各阶段的生物量，一般来说需要三种不同的回流(见图3)，而一体化氧化沟的回流却有着明显的不同(见图4)。由图4可以看出，一体化氧化沟的回流具有如下特点：
(1)厌氧段的回流混合液来自缺氧段，使厌氧段中的硝态氮含量降低，有助于厌氧段聚磷菌的释磷，如标号②。
(2)缺氧段和好氧段之间实现了混合液的水力内回流，省掉了一套机械回流装置，如标号③。
(3)固液分离器在实现固液分离作用的同时实现了污泥向好氧段的无泵自动回流，再次省掉了一套机械回流装置，如标号①。
由此可知，与传统A2/O工艺相比，一体化氧化沟工艺省掉了两套污泥回流系统，大大节省了工程建设费用和运行管理维护费用。这是合建式一体化氧化沟的又一优势所在。
2.3 运行方式的调整和节能
该污水处理厂内一体化氧化沟采用连续流间歇曝气的运行方式，即曝气转刷周期性的开停，间歇向沟内充氧，而水下推动器则连续开启，维持沟中流速并起混合搅拌作用，防止污泥的沉积。曝气转刷的启闭是由沟内的溶解氧(DO)浓度决定的。该污水处理厂于2000年3月～5月在对氧化沟调试期间，进行了连续曝气和间歇曝气两种运行方式的对比试验。试验结果表明：采用连续流间歇曝气运行方式，其有机物去除效果与连续曝气运行方式相当，NH3-N去除效果也基本相同，但总氮的去除率有明显提高。这说明投入较少的能量能收到相同，甚至更好的C，N去除效果，这在工程应用上有着重大的经济意义。这在理论上也是成立的：首先，系统间歇运行能充分利用氧化沟内源代谢产物进行预缺氧反硝化，脱除部分NO-x-N，使前置缺氧段内的C/N提高，从而维持较高的反硝化速率；其次，间歇运行能使沟中溶解氧( DO)利用率提高。这是因为氧化沟是延时曝气活性污泥系统，其BOD负荷大大低于普通活性污泥法，活性污泥能量水平低，故即使DO浓度值较低(低于2 mg/L)，也可使活性污泥絮体处于好氧状态；另外，间歇曝气的运行方式还可使系统内氧转移速率增大，其氧利用率高于连续运行方式，因而在某种程度上避免了DO的过量与浪费，为系统节能创造了条件。该污水处理厂的调试运行结果表明，在达到同样处理目的的前提下，连续曝气运行处理每m3水电耗为 0.259 kW·h，而间歇曝气运行方式每m3水电耗为0.195 kW·h，可比前者节能22%。
2.4 主要设备特点
该一体化氧化沟采用水下推动器和曝气转刷组合的动力系统。一般说来，在一个完全混合活性污泥系统中，表面机械曝气设备同时承担着充氧、混合和推动的作用。由于曝气设备技术条件的局限，早期的氧化沟沟深受到很大限制。而水下推动器的配合使用，使曝气转刷从众多的功能中相对独立出来，以充氧的功能为主，混合推动的功能则主要由水下推动器承担，防止沟中产生沉积。该污水厂的运行情况表明，当只有两台转刷运行时，沟内有一定的污泥沉积。当一台转刷和两台水下推动器组合运行时，混合状况良好。而水下推动器的功率密度仅为3 W/m3，故既达到了节能的目的，同时也使增大沟深、减少占地的目的得以实现。
值得一提的是，该污水厂全部设备为国产化设备，节省了投资，与我国提倡的城市污水处理设备国产化、成套化的方针政策一致。该示范工程建造和运行的成功，为解决我国中小城市的污水处理厂建设运行费用短缺、管理不善等问题提供了示范。
3 结论
合建式一体化氧化沟缩短了工艺流程；固液分离器实现泥水分离和污泥无泵自动回流，固液分离效率高；曝气转刷和水下推动器联合使用，使运行方式更为灵活。一体化氧化沟在工程投资、占地和能耗上具有极大的优势，是适合我国国情的一种污水处理新技术，非常适合中小城市污水处理厂。
注：参加现场生产性试验工作的还有陈江伯、许俊仪、谭显春和俞天明等。
参考文献
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2 C F Forster.The historical development of oxidation ditch.Oxidation ditches i n Wastewater Treatment.chapter 1
3 邓荣森，许俊仪，等.侧沟式固液分离污泥回流机理研究.中国给水排水,2000，16(8) :1～4
4 李伟民.中试一体化氧化沟流态及规模型合建式一体化氧化沟试验研究：［研究生毕业论文］.重庆：重庆建筑大学，2000.1
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