DO浓度及其空间分布对Orbal氧化沟去除污染物效果

2018-08-31赵群英

净水技术 2018年8期

赵群英，田敏，李侃

(1.西安工业大学建工学院，陕西西安 710021；2.西安市污水处理有限责任公司，陕西西安 710024)

Orbal氧化沟工艺于20世纪60年代由南非的Huisman研究开发，70年代由美国 Envirex公司继续进行开发推广[1-2]。该工艺具有流程简单、管理方便、抗冲击负荷能力强和节约能耗等优点，在污水处理领域得到广泛应用。但由于其在空间上不存在宏观的厌氧环境，除磷效果不是很理想[3-4]。要达到好的脱氮除磷效果，现在常规做法是在Orbal氧化沟前加厌氧池，这无疑增加了建造与运行成本。西安市第三污水处理厂的Orbal氧化沟工艺经过长期的摸索运行，不断改造，不仅实现了高的有机物去除和较好的脱氮效率，除磷效果也非常好，出水各项指标均达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准。因此，有必要对该厂的Orbal氧化沟工艺进行实际应用考察和性能研究，为工程设计和运行管理提供参考依据和技术指导。

1 试验设备及方法

1.1 试验设备

试验设备为西安市第三污水厂实际运行的Orbal氧化沟。该厂的城市污水经格栅、沉砂池与选择池后进入4座平行运行的同容积三沟式Orbal氧化沟，本次试验以其中一座为研究对象。Orbal氧化沟的尺寸为108 m×50 m×5.0 m,有效水深为4.5 m，有效容积为24 300 m3，每日处理城市污水约2.5万t。外沟与中沟分别设8台曝气转盘和5.5 kW的推进器2台和1台。外沟每台转盘(未安装导流板)直径为1 400 mm，碟片44片，长度为9.2 m，电机功率为37 kW；中沟每台转盘(安装导流板)直径为7 500 mm，碟片17片，长度为7.5 m，电机功率为30 kW；内沟设6台曝气转盘(安装导流板)，转盘直径为5 800 mm，碟片13片，长度为5.8 m，电机功率为22 kW。转碟单片充氧能力为1.15 kg O2/h。污泥负荷为0.075 kg BOD5/(kg MLSS·d)，混合液浓度为4 g/L，污泥回流比为50%～100%，泥龄为17 d。

1.2 试验用水水质

Orbal氧化沟工艺不同单元对污染物有不同的去除效果，本试验测试用水分别取自污水厂选择池出水与氧化沟外沟、中沟、内沟内的混合液，静置15 min之后取其上清液，进行检测分析。

1.3 测试项目及仪器

图1 Orbal氧化沟测定断面分布图Fig.1 Distribution Map of Orbal Oxidation Ditch

由于氧化沟转弯处水力流态复杂，占氧化沟的总容积比例小，故在测定DO时，转弯处不作为分析对象。DO的测定断面选择在充氧能力及流速影响规律性较强的直线段，如图1所示的1～9个断面(转碟前后1.5 m和两转碟中间位置)。采用HAMILTON VISIFERM DO120型便携式溶解氧仪进行现场测定。COD、NH3-N、TN、TP的测定方法均按照标准方法[5]，测试点为3、6、9三个点。每项测试项目均取3次平行水样进行测试，然后取平均值。

2 结果与分析

2.1 Orbal氧化沟外沟的运行

图2 Orbal氧化沟外沟DO浓度的变化Fig.2 Variation of DO Concentration in Outer Ditch of Orbal Oxidation Ditch

如图2所示，Orbal氧化沟外沟DO浓度与改造前常规氧化沟(图3)存在两方面不同。一方面：常规设计与运行时，外沟水平方向会形成好氧—缺氧—好氧—缺氧交替的情况，即能够根据混合液中的DO含量分成区段，靠近转碟的区域为富氧区；离转碟距离较远的沟渠区段，混合液中的DO含量，会始终处在接近于“0”的状态，形成缺氧段。这样的设计与运行方式使得好氧区产生较强的有机物降解和硝化反应；在缺氧段反硝化菌以有机碳为碳源和能源，以硝酸盐为能量代谢过程的电子受体，把硝酸盐还原成氮气溢出水面，达到脱氮的目的。本次测定的氧化沟运行方式，水平方向各段的DO梯度很小，运行中没有形成交替的缺氧区和好氧区，在同一水平面上也就不存在脱氮现象。另一方面：外沟纵向0～0.5 m处的DO平均浓度大于1 mg/L，这和常规设计与运行的理念又有所不同。常规设计的外沟DO浓度控制在0～0.5 mg/L，运行效果较好；而试验所用氧化沟，在0～0.5 m的深度上，DO平均浓度大于1 mg/L。但是这两方面不合常规的运行方式，污染物却得到了良好的去除效果。分析原因：水平方向上DO浓度梯度较小，0～0.5 m深度上DO浓度大于1 mg/L，这都与外沟转碟没有安装导流板有关，导流板的缺失使得外沟表面的流速比较大，DO在水平面上混合较好，不能有效地向池深方向传递，因此在纵向形成了有较大的DO浓度梯度。由图2可知，在同一水平面处，DO差别不是很大，但在同一过水断面处，0～0.5 m，DO大于1 mg/L，属于好氧区；随着深度的加深，到1.5 m处，DO为0.15 mg/L，这段属于缺氧区，而在2.5 m及以下区域，DO则为0 mg/L，形成了宏观的厌氧区域。这种较大的DO浓度梯度，在纵向形成了好氧—缺氧—厌氧区段，完全满足生物脱氮除磷的条件。由表1可知，改造后外沟对COD的去除小于改造前，但仍然在排放标准50 mg/L以下；改造后的TN和NH3-N去除率都大于改造前，但差别不大；而TP的变化在改造前后出现了较大的差距，改造前的释磷效果远不如改造后，可见在外沟不加导流板有利于磷的释放，为好氧聚磷提供了良好的条件。鉴于该成功案例，建议在设计时Orbal氧化沟的外沟在0～0.5 m的深度上维持1.5 mg/L左右的DO浓度，而在0.5 m 以下区域，可保持接近0 mg/L的DO浓度。

图3 改造前常规Orbal氧化沟外沟DO浓度的变化Fig.3 Variation of DO Concentration in the Outer Ditch of Conventional Orbal Oxidation Ditch before Reconstruction

表1 水质的变化Tab.1 Variation of Water Quality

2.2 Orbal氧化沟中沟的运行

图4 中沟DO浓度的变化Fig.4 Variation of DO Concentration in Mid Ditch of Orbal Oxidation Ditch

由图4可知，中沟的DO浓度平均为1 mg/L以上，水平方向DO浓度梯度较大，存在横向的好氧—缺氧—好氧段，而纵向DO梯度变化则较小，这种DO浓度大小和分布规律与常规运行方式相同。在该沟中继续对外沟未处理掉的有机物和NH3-N进行去除。由表1可知，在该沟COD、TN、NH3-N和TP都有去除，去除率分别为25%、23%、62%和46%。

2.3 Orbal氧化沟内沟的运行

由图5可知，内沟的溶解氧浓度较高，整个沟中的DO浓度均大于2 mg/L，呈好氧状态，这种DO浓度大小和分布规律与常规运行方式相同。该区的主要作用为聚磷和有机物的继续去除。由表1可知，通过该沟后COD、TN、NH3-N和TP的浓度均达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准。