摘要：通過對奧貝爾氧化溝工程實際運行工況的測試， 分析 研究 了脫氮功能、抗衝擊負荷能力、去除難降解有機物能力以及污泥性能等特徵，並就其三溝DO呈0-1-2的梯度分布與氮的去除機理進行了探討。
關鍵詞：污水處理 奧貝爾氧化溝 工程 應用 脫氮性能
Study of Performance of Orbal Oxidation Ditch in Practical Application
tract：The performance of Orbal oxidation ditch used in Niukouyu Wastewater Treatment Plant is presented in this paper.The efficacy of nitrogen removal,shock load tolerance,removal of refractory organic materials and sludge characteristics were analyzed through field-test.A discussion of nitrogen removal mechanism under dissolved oxygen concentration distribution of 0-1 -2mg/L in outer,middle and inner ditch respectively is given.
Keywords：wastewater treatment Orbal oxidation ditch practical application nitrogen removal performance
起源於南非 發展 於美國的奧貝爾(Orbal)氧化溝是具有除磷脫氮功能的新工藝之一，因其在技術、 經濟 上具有獨特優勢而受到國內外污水處理界越來越多的重視。
我國80年代就引進了這門技術，但真正引起重視卻是在最近幾年。隨著奧貝爾氧化溝工藝優越性的展現，採用此工藝的污水處理廠日益增多。但由於對奧貝爾系統的研究還不夠成熟，故引進國外的技術設備多，自己的東西少，缺乏系統的研究與 總結 ，也缺乏實際操作、運行、控制經驗。對奧貝爾氧化溝工藝進行實際應用考察和性能研究的目的是為了更深入地了解該工藝，為工程設計和運行管理提供 參考 依據和技術指導，使其適合國內需要且能最大限度地發揮功效。
1 實際工程簡介
北京燕山石化公司牛口峪污水處理廠設計規模為6×104m3/d，主要處理乙烯生產過程中所排廢水及居民區少量的生活污水。該廠採用二級生物處理工藝，生物處理工段為奧貝爾氧化溝，全套技術由美國引進，配套設備為國內產品，於1994年12月建成投產。污水處理廠設計進、出水水質見表1，工藝流程如圖1所示。
表1 污水處理廠設計進、出水水質 mg/L
圖1 污水處理廠工藝流程示意圖
生物處理工段設計為平行的兩個系列，每個系列包括1個奧貝爾氧化溝和2個輻流式二沉池。每個氧化溝設24組轉碟，外、中、內溝各安裝8組。氧化溝的平面布置如圖2所示。
圖2 奧貝爾氧化溝平面布置簡圖
單個氧化溝的主要設計參數如下：
設計進水流量 1250m3/h
水力停留時間 14.2h
泥齡 35d
有效水深 4.26m
MLSS 4000mg/L
污泥負荷0.074kgBOD/(kgMLVSS.d)
0.110kgCOD/(kgMLVSS.d)
容積分配56∶26∶18(外∶中∶內)
溶解氧分配0-1-2mg/L(外-中-內)
2 結果與討論
2.1 污水處理廠運行效果
污水處理廠建成以來，由於進水流量只有2×104～2.4×104m3/d，尚不到設計流量的一半，故基本上只運行一個系列。測試期間(1997年11月—12月)污水處理廠運行參數見表2，處理效果見表3。
表2 運行參數
表3 處理效果
測試結果表明，奧貝爾氧化溝工藝處理效果很好，出水各項指標均遠遠低於設計值。COD、氨氮的去除率都超過90%。在控制外溝中DO(指非區域)接近於零後，發現系統對TN的去除率大大提高。測試期間由於檢修設備等原因，曾一度同時開啟兩個系列，造成氧化溝的三個溝道完全處於好氧狀態，此間TN的去除率只有約50%，由於進水BOD負荷較低，其去除途徑主要是生物合成。調整運行工況(關閉一個系列)至正常後，儘管水量及有機負荷增加了約一倍，卻能獲得更好的處理效果，在外溝形成的缺氧區域使TN的去除率迅速提高到90%以上。
2.2 分析與討論
2.2.1 DO的分布特徵與氮的去除
根據硝化和反硝化原理，脫氮過程需先將氨氮在有氧條件下轉化成硝態氮，然後在無分子態氧存在的條件下把硝態氮還原成氮氣，這就要求創造一個好氧和缺氧環境。奧貝爾氧化溝特有的三溝(外溝、中溝、內溝)溶解氧呈0-1-2mg/L的分布正創造了一個極好的脫氮條件，其獨特之處是有大部分硝化反應發生的第一溝(即外溝)。如果硝化只發生在後面兩個溝內，則可以反硝化的只有回流污泥中的硝酸鹽。即使污泥回流比高達100%，也只有50%的硝酸鹽進行反硝化，而根據測試結果，在污泥回流比為60%時，外溝測得的TN去除率即達88%，這與在許多奧貝爾氧化溝污水處理廠中觀察到的現象是一致的。對這一現象，筆者結合測試結果認為可用一種發生在第一溝內稱為「同時硝化/反硝化」的機理作出解釋。這種「同時硝化/反硝化」機理包括兩層含義：
① 在整個第一溝內存在缺氧與區域。根據現場測試結果，在轉碟上游1m至下游3m的溝長範圍內一般DO＞0.5mg/L，部分區域甚至可達2～3mg/L，可將此看作區域，其他區域則為缺氧區域。以牛口峪污水處理廠為例，當外溝內轉碟開啟5組時，外溝的缺氧區容積與區容積之比約為7∶1。生物處理系統為多種微生物群體共生的系統，污水在經過區域時可發生硝化反應，在缺氧區域則進行氮的脫除，加上污水是先進入外溝，為反硝化反應提供了充足的碳源。
② 微小的微生物個體所處的環境可稱為微環境。微環境直接決定微生物個體的活動狀態，而宏觀環境的變化往往導致微環境的急劇變化，從而 影響 微生物群體的活動狀態並在某種程度上表現出「表里不一」的現象。事實上，在活性污泥菌膠團內部存在多種多樣的微環境類型，而每一種微環境往往適合於某一類微生物的活動，不適合其他種類微生物的活動。受各種因素(物質傳遞、菌膠團的結構特徵)的影響，微環境所處的狀態是可變的。例如，某一好氧性微環境，當耗氧速率高於氧傳遞速率時可變成厭氧或缺氧性微環境。
對於菌膠團尤其是大顆粒菌膠團來說，微環境的變化可能非常明顯，即由於受菌膠團結構、氧傳遞和硝態氮傳遞的不均勻性影響，外部狀態下菌膠團內部也可形成缺氧環境。因而狀態下也可出現某種程度的反硝化，即「同時硝化/反硝化」現象。
由於已在所測試的奧貝爾系統中觀察到了第一溝內明顯的缺氧與好氧區域，而且有初沉池的設計也不易於形成大顆粒菌膠團，故認為在所測試的奧貝爾氧化溝系統中，第一種類型的「同時硝化/反硝化」占主導地位。
2.2.2 抗衝擊負荷能力
測試期間，系統遭受了一次前所未有的高濃度廢水的衝擊，這是污水處理廠運行以來所承受的最大一次衝擊負荷。連續14h污水處理廠進水COD濃度高出設計值2～9倍，氧化溝進水COD亦高出設計值2～8倍，COD負荷最高時達設計值的3倍，但整個系統的出水水質始終相當穩定，各項指標均未超標，說明奧貝爾氧化溝工藝有很強的抗高濃度廢水衝擊負荷能力，具體結果見圖3。
圖3 奧貝爾氧化溝的抗衝擊負荷能力
奧貝爾氧化溝工藝有很強的抗高濃度廢水衝擊負荷能力的主要原因有兩點：一是一般為低負荷設計，且多數情況下溝內能維持較高的MLSS，一時的衝擊負荷不足以對微生物產生抑制作用；二是溝內的循環流量很大，為進水流量的幾十倍甚至上百倍，在流態上每個溝道都具有完全混合的特徵。以牛口峪污水處理廠為例，若氧化溝進水流量為0.25m3/s(即2.2×104m3/d)，溝內平均流速以0.2m/s計，則外溝的循環流量約為7.6m3/s，約為其進水流量的30倍，高濃度廢水進入溝中後迅速被稀釋混合，對系統不會產生很大影響。
抗暴雨流量的衝擊是奧貝爾氧化溝的另一特點。在採用合流制或截流式合流制的城市污水管道系統中，水質水量的變化較大，進入污水處理廠的污水流量雨天比晴天大，甚至高出設計流量數倍，污水處理廠處於超負荷運行狀態。在超負荷運行期間，沉澱池污泥的流失是活性污泥處理系統的主要 問題 ，特別是對維持較高的活性污泥固體量的延時氧化溝系統。出現污泥流失時，不僅出水水質差，而且會使系統的正常運行遭到破壞，需很長時間才能恢復。
在常規系統中可以採用設置超越(旁通)管渠的 方法 ，分流一部分或全部衝擊負荷直接到二沉池，或通過停開器讓污泥在氧化溝中沉澱，防止污泥流失。但這兩種方法都使BOD得不到有效降解。設置總超越管渠全部超越整個污水處理系統更達不到處理效果。
奧貝爾氧化溝獨特的設計很好地解決了這一問題。雨水分流是奧貝爾氧化溝特有的運行模式，其特點是將衝擊流量分流到第三溝或第二溝(視溝內MLSS的高低而定)，而回流污泥仍連續不斷地送往第一溝。這種運行模式可增加生物固體貯存量，且使其在第一、二溝中貯存並得以。由於進水能很快將第三溝中的混合液稀釋，避免了由於進入沉澱池的污泥固體比回流的多而引起污泥固體不平衡問題，從而有效地防止了污泥固體的流失。這樣，當衝擊流量停止後，系統很容易恢復到正常的運行操作模式。
牛口峪污水處理廠由於主要處理 工業 廢水，進水水量變化不大，故進水方式設計採用只進到第一溝。若用於城市污水處理廠，設計多種進水方式是很必要的。
關鍵詞：污水處理 奧貝爾氧化溝 工程 應用 脫氮性能
Study of Performance of Orbal Oxidation Ditch in Practical Application
tract：The performance of Orbal oxidation ditch used in Niukouyu Wastewater Treatment Plant is presented in this paper.The efficacy of nitrogen removal,shock load tolerance,removal of refractory organic materials and sludge characteristics were analyzed through field-test.A discussion of nitrogen removal mechanism under dissolved oxygen concentration distribution of 0-1 -2mg/L in outer,middle and inner ditch respectively is given.
Keywords：wastewater treatment Orbal oxidation ditch practical application nitrogen removal performance
起源於南非 發展 於美國的奧貝爾(Orbal)氧化溝是具有除磷脫氮功能的新工藝之一，因其在技術、 經濟 上具有獨特優勢而受到國內外污水處理界越來越多的重視。
我國80年代就引進了這門技術，但真正引起重視卻是在最近幾年。隨著奧貝爾氧化溝工藝優越性的展現，採用此工藝的污水處理廠日益增多。但由於對奧貝爾系統的研究還不夠成熟，故引進國外的技術設備多，自己的東西少，缺乏系統的研究與 總結 ，也缺乏實際操作、運行、控制經驗。對奧貝爾氧化溝工藝進行實際應用考察和性能研究的目的是為了更深入地了解該工藝，為工程設計和運行管理提供 參考 依據和技術指導，使其適合國內需要且能最大限度地發揮功效。
1 實際工程簡介
北京燕山石化公司牛口峪污水處理廠設計規模為6×104m3/d，主要處理乙烯生產過程中所排廢水及居民區少量的生活污水。該廠採用二級生物處理工藝，生物處理工段為奧貝爾氧化溝，全套技術由美國引進，配套設備為國內產品，於1994年12月建成投產。污水處理廠設計進、出水水質見表1，工藝流程如圖1所示。
表1 污水處理廠設計進、出水水質 mg/L
| 項 目 | 進 水 | 出 水 |
| CODCr | 300 | 80 |
| BOD5 | 180 | 25 |
| SS | 200 | 20 |
| 油 | 40 | 4 |
| 注 pH 進水為：6～9 出水為：6～8.5 | ||
圖1 污水處理廠工藝流程示意圖
生物處理工段設計為平行的兩個系列，每個系列包括1個奧貝爾氧化溝和2個輻流式二沉池。每個氧化溝設24組轉碟，外、中、內溝各安裝8組。氧化溝的平面布置如圖2所示。
圖2 奧貝爾氧化溝平面布置簡圖
單個氧化溝的主要設計參數如下：
設計進水流量 1250m3/h
水力停留時間 14.2h
泥齡 35d
有效水深 4.26m
MLSS 4000mg/L
污泥負荷0.074kgBOD/(kgMLVSS.d)
0.110kgCOD/(kgMLVSS.d)
容積分配56∶26∶18(外∶中∶內)
溶解氧分配0-1-2mg/L(外-中-內)
2 結果與討論
2.1 污水處理廠運行效果
污水處理廠建成以來，由於進水流量只有2×104～2.4×104m3/d，尚不到設計流量的一半，故基本上只運行一個系列。測試期間(1997年11月—12月)污水處理廠運行參數見表2，處理效果見表3。
表2 運行參數
| 氧化溝運行參數 | 平均值 | 範圍 | |
| 進水流量 (m3/h) | 903 | 851～937 | |
| 水力停留時間 (h) | 19 | 18～21 | |
| 有效水深(m) | 4.2 | ||
| 水溫(℃) | 15 | 13～16 | |
| 轉碟運行 組數 | 外溝 | 5 | |
| 中、內溝 | 3 | ||
| 轉碟浸深(mm) | 450 | ||
| 污泥回流比(%) | 61 | 59～65 | |
| MLSS(mg/L) | 3037 | 2923～3245 | |
| SV(%) | 93 | 91～94 | |
| SVI(mL/g) | 304 | 295～315 | |
DO(mg/L) | 外溝 | 0 | 0～0.3 |
| 中溝 | 0.4 | 0.1～0.9 | |
| 內溝 | 3.5 | 2.9～3.9 | |
注 1 表中溶解氧不包括轉碟上游1m至下游3m範圍內的測定值。 2 溶解氧測定點在多個斷面水下約1m處。 | |||
表3 處理效果
| 項目 | 總進水 (mg/L) | 氧化溝 (mg/L) | 總出水 (mg/L) | 氧化溝 去除率(%) | 總去除率 (%) | |||
| 進水 | 外溝 | 中溝 | 內溝 | |||||
| COD | 455 | 396 | 37 | 29 | 24 | 28 | 92 | 93 |
| BOD | 197 | 5 | 4 | 3 | 3 | ＞95 | ||
| SS | 58 | 31 | 12 | 79 | ||||
| NH3-N | 11.82 | 11.55 | — | — | — | — | ＞99 | ＞99 |
| TKN | 16.09 | 1.89 | 1.09 | 0.95 | 0.98 | 94 | ||
| NO-3-N | 1.57 | 0.72 | 0.61 | 0.60 | 1.39 | |||
| TN | 17.44 | 1.96 | 1.26 | 1.18 | 1.43 | 92 | ||
| pH | 8.0 | 8.0 | ||||||
| 注 表中數據皆為平均值。COD為間隔2 h的平均樣，其餘皆為瞬時樣。 | ||||||||
測試結果表明，奧貝爾氧化溝工藝處理效果很好，出水各項指標均遠遠低於設計值。COD、氨氮的去除率都超過90%。在控制外溝中DO(指非區域)接近於零後，發現系統對TN的去除率大大提高。測試期間由於檢修設備等原因，曾一度同時開啟兩個系列，造成氧化溝的三個溝道完全處於好氧狀態，此間TN的去除率只有約50%，由於進水BOD負荷較低，其去除途徑主要是生物合成。調整運行工況(關閉一個系列)至正常後，儘管水量及有機負荷增加了約一倍，卻能獲得更好的處理效果，在外溝形成的缺氧區域使TN的去除率迅速提高到90%以上。
2.2 分析與討論
2.2.1 DO的分布特徵與氮的去除
根據硝化和反硝化原理，脫氮過程需先將氨氮在有氧條件下轉化成硝態氮，然後在無分子態氧存在的條件下把硝態氮還原成氮氣，這就要求創造一個好氧和缺氧環境。奧貝爾氧化溝特有的三溝(外溝、中溝、內溝)溶解氧呈0-1-2mg/L的分布正創造了一個極好的脫氮條件，其獨特之處是有大部分硝化反應發生的第一溝(即外溝)。如果硝化只發生在後面兩個溝內，則可以反硝化的只有回流污泥中的硝酸鹽。即使污泥回流比高達100%，也只有50%的硝酸鹽進行反硝化，而根據測試結果，在污泥回流比為60%時，外溝測得的TN去除率即達88%，這與在許多奧貝爾氧化溝污水處理廠中觀察到的現象是一致的。對這一現象，筆者結合測試結果認為可用一種發生在第一溝內稱為「同時硝化/反硝化」的機理作出解釋。這種「同時硝化/反硝化」機理包括兩層含義：
① 在整個第一溝內存在缺氧與區域。根據現場測試結果，在轉碟上游1m至下游3m的溝長範圍內一般DO＞0.5mg/L，部分區域甚至可達2～3mg/L，可將此看作區域，其他區域則為缺氧區域。以牛口峪污水處理廠為例，當外溝內轉碟開啟5組時，外溝的缺氧區容積與區容積之比約為7∶1。生物處理系統為多種微生物群體共生的系統，污水在經過區域時可發生硝化反應，在缺氧區域則進行氮的脫除，加上污水是先進入外溝，為反硝化反應提供了充足的碳源。
② 微小的微生物個體所處的環境可稱為微環境。微環境直接決定微生物個體的活動狀態，而宏觀環境的變化往往導致微環境的急劇變化，從而 影響 微生物群體的活動狀態並在某種程度上表現出「表里不一」的現象。事實上，在活性污泥菌膠團內部存在多種多樣的微環境類型，而每一種微環境往往適合於某一類微生物的活動，不適合其他種類微生物的活動。受各種因素(物質傳遞、菌膠團的結構特徵)的影響，微環境所處的狀態是可變的。例如，某一好氧性微環境，當耗氧速率高於氧傳遞速率時可變成厭氧或缺氧性微環境。
對於菌膠團尤其是大顆粒菌膠團來說，微環境的變化可能非常明顯，即由於受菌膠團結構、氧傳遞和硝態氮傳遞的不均勻性影響，外部狀態下菌膠團內部也可形成缺氧環境。因而狀態下也可出現某種程度的反硝化，即「同時硝化/反硝化」現象。
由於已在所測試的奧貝爾系統中觀察到了第一溝內明顯的缺氧與好氧區域，而且有初沉池的設計也不易於形成大顆粒菌膠團，故認為在所測試的奧貝爾氧化溝系統中，第一種類型的「同時硝化/反硝化」占主導地位。
2.2.2 抗衝擊負荷能力
測試期間，系統遭受了一次前所未有的高濃度廢水的衝擊，這是污水處理廠運行以來所承受的最大一次衝擊負荷。連續14h污水處理廠進水COD濃度高出設計值2～9倍，氧化溝進水COD亦高出設計值2～8倍，COD負荷最高時達設計值的3倍，但整個系統的出水水質始終相當穩定，各項指標均未超標，說明奧貝爾氧化溝工藝有很強的抗高濃度廢水衝擊負荷能力，具體結果見圖3。
圖3 奧貝爾氧化溝的抗衝擊負荷能力
奧貝爾氧化溝工藝有很強的抗高濃度廢水衝擊負荷能力的主要原因有兩點：一是一般為低負荷設計，且多數情況下溝內能維持較高的MLSS，一時的衝擊負荷不足以對微生物產生抑制作用；二是溝內的循環流量很大，為進水流量的幾十倍甚至上百倍，在流態上每個溝道都具有完全混合的特徵。以牛口峪污水處理廠為例，若氧化溝進水流量為0.25m3/s(即2.2×104m3/d)，溝內平均流速以0.2m/s計，則外溝的循環流量約為7.6m3/s，約為其進水流量的30倍，高濃度廢水進入溝中後迅速被稀釋混合，對系統不會產生很大影響。
抗暴雨流量的衝擊是奧貝爾氧化溝的另一特點。在採用合流制或截流式合流制的城市污水管道系統中，水質水量的變化較大，進入污水處理廠的污水流量雨天比晴天大，甚至高出設計流量數倍，污水處理廠處於超負荷運行狀態。在超負荷運行期間，沉澱池污泥的流失是活性污泥處理系統的主要 問題 ，特別是對維持較高的活性污泥固體量的延時氧化溝系統。出現污泥流失時，不僅出水水質差，而且會使系統的正常運行遭到破壞，需很長時間才能恢復。
在常規系統中可以採用設置超越(旁通)管渠的 方法 ，分流一部分或全部衝擊負荷直接到二沉池，或通過停開器讓污泥在氧化溝中沉澱，防止污泥流失。但這兩種方法都使BOD得不到有效降解。設置總超越管渠全部超越整個污水處理系統更達不到處理效果。
奧貝爾氧化溝獨特的設計很好地解決了這一問題。雨水分流是奧貝爾氧化溝特有的運行模式，其特點是將衝擊流量分流到第三溝或第二溝(視溝內MLSS的高低而定)，而回流污泥仍連續不斷地送往第一溝。這種運行模式可增加生物固體貯存量，且使其在第一、二溝中貯存並得以。由於進水能很快將第三溝中的混合液稀釋，避免了由於進入沉澱池的污泥固體比回流的多而引起污泥固體不平衡問題，從而有效地防止了污泥固體的流失。這樣，當衝擊流量停止後，系統很容易恢復到正常的運行操作模式。
牛口峪污水處理廠由於主要處理 工業 廢水，進水水量變化不大，故進水方式設計採用只進到第一溝。若用於城市污水處理廠，設計多種進水方式是很必要的。
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